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Paleogeographic and tectonic evolution of the western branch of the East African Rift System using multiple provenance methods (Albertine Rift, Uganda)

Schneider, Sandra (2019):
Paleogeographic and tectonic evolution of the western branch of the East African Rift System using multiple provenance methods (Albertine Rift, Uganda).
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Paleogeographic and tectonic evolution of the western branch of the East African Rift System using multiple provenance methods (Albertine Rift, Uganda)
Language: English
Abstract:

As part of the DFG-funded interdisciplinary research project 703 RiftLink – Rift Dynamics, Uplift and Climate Changes in Equatorial Africa (H1643-7/1), this presented PhD thesis aims at reconstructing the evolutionary history of the Albertine Rift in the western branch of the East African Rift System by combined studies on ancient rift sediments and modern stream sediments. The major part of this thesis is dedicated to the Miocene-Pleistocene rift infill that has been studied for its provenance and depositional history in order to gain a broader understanding of rift dynamics and the tectono-sedimentary history of the Albertine Rift since its initiation in the early Miocene. Sedimentary successions of rift sediment studied in the Albertine Rift are exposed in two key areas on the Ugandan side of Lake Albert, the Kisegi-Nyabusosi area and Nkondo-Kaiso area. Both areas represent a distal and proximal setting with respect to the extremely upthrusted > 5000 m high Rwenzori Mountains, which form a promontory of the eastern rift flank of the Albertine Rift. The rift sediment mainly comprises unconsolidated siliciclastics from clay to coarse gravel deposited in a fluvial-deltaic to lacustrine setting during multiphase rifting. Based on systematic logging and sampling of sedimentary outcrops, this study presents a multi-proxy methodological approach that combines framework and heavy mineral petrography, bulk sediment geochemistry, varietal studies of detrital garnet and rutile, as well as U-Pb zircon geochronology. The outcome of this thesis is a paleotectonic model of erosion, sediment transport, and basin evolution that presents a more detailed picture of the spatial-temporal history of the northern western branch of the East African Rift System. The second part of this doctoral thesis focuses on modern river sediment collected in the Rwenzori Mountains and adjacent rift flanks. This additional study complements this thesis by providing profound insights into present-day sediment generation and erosional processes in this particular rift setting. By using the same analytical approach as for the rift fill, the modern stream sediment helps to identify the characteristics of a variety of Ugandan basement rocks and to define potential source rocks for the Neogene successions. Furthermore, this study aims at quantifying the effects of chemical weathering on the composition of modern sediment generated under extreme equatorial climatic conditions. The synthesis of available information collected during this provenance study allows to modify and refine existing evolutionary models for the Albertine Rift. Three major rifting stages were identified that may be interpreted in terms of rifting activity:

Early Miocene to early Pliocene (~17.0 –5.0 Ma) Exposures of the earliest rift sediment are only known from the southern Lake Albert sub-basin (Kisegi-Nyabusosi area). Provenance data imply that sediment transport was dominated by a westward directed large-scale river system and flowed from Kenya westwards through Uganda and probably further towards the Congo Basin and to the Atlantic Ocean. Sediment sources extend towards the at least 400 km away located East African Orogen as demonstrated by the occurrence of Pan-African zircon ages. The dominant source represents gneissic-granulitic rocks of the Neoarchean North Uganda Terrane that occupies major parts of the Ugandan basement proved by a high amount of Neoarchean zircon as well as amphibolite- to granulite-facies garnet and rutile.

Early Pliocene to late Pliocene (~5.0–2.6 Ma) A major provenance shift occurred during the Miocene-Pliocene boundary, interpreted to mark the transition from the pre-rift into the syn-rift stage with enhanced subsidence and uplift of rift flanks and the Ugandan plateau. Sediment transport from distal sources was largely disrupted, likely due to a phase of first major rifting affecting the Albertine Rift. This can mainly be concluded from a change in the heavy mineral composition and missing of Neoproterozoic zircon ages. Provenance data indicate proximal sediment sources for both the southern and northern study areas, probably from the adjacent rift margin with major derivation from the North Uganda Terrane as indicated by a majority of Neoarchean zircon, epidote-amphibolite-dominated heavy mineral assemblages, as well as high-grade metamorphic garnet and rutile (amphibolite- to granulite-facies).

Early Pleistocene (since ~2.6 Ma) A further provenance shift around the Pliocene-Pleistocene transition is concurrent with the beginning of the extreme uplift of the Rwenzori fault block and the initiation of inversion tectonics in the Albertine Rift. In the southern Albertine Rift, sediment supply from mainly southern sources with major supply from the Rwenzori Fold Belt in the Rwenzori Mountains is indicated by less mature sediment accompanied by the occurrence of lower-grade metamorphic garnet and rutile (amphibolite-facies), as well as pinkish zircon grains. On the contrary, additional input from the Neoproterozoic Bunyoro Group overlying the local basement along the rift shoulder leads to a higher maturity of the sediment in the further to the north located Nkondo-Kaiso region with higher abundances of more resistant minerals, like quartz, zircon and tourmaline. In both areas, sediment sources changed only slightly compared to the Pliocene and sediment transport is still from the adjacent rift flank.

The proposed provenance changes are coincident in both study areas and largely coincide in timing with major faulting episodes in other parts of the EARS, suggesting that tectonic movements in eastern Africa act at a global scale. Present-day sediment generation in the Albertine Rift takes mainly place under hot-humid climate conditions and in contrasting geomorphological settings, including poorly-drained lowlands of the rift plateau and the high-altitude Rwenzori horst, in which two fundamental types of sediment is created. In the extremely uplifted and young Rwenzori horst, where high topography promotes rapid physical degradation, sediment is rich in feldspar and rock fragments with very rich heavy-mineral assemblages controlled by amphibole and epidote. Sediment created in the low-relief rift plateau, widely covered by thick lateritic soils, is highly quartzose due to intense weathering prolonged over millions of years. The study of modern sediment in the Albertine Rift clearly demonstrates that identification of original provenance signatures is still possible even in areas characterized by extreme climatic conditions such as those of equatorial latitudes. Heavy Mineral spectra, zircon geochronology, garnet and Rutile chemistry, and geochemical parameters, especially non-mobile elements and element ratios, best preserve the imprint of the source-rock lithology. Altogether, this study Highlights the high potential of sedimentary provenance Analysis (SPA) in reconstructing the sedimento-tectonic history of rift basins in tropical regions, and also underlines the importance of multi-proxy approaches to fully understand sediment supply into depositional systems. The research on the Albertine Rift exemplifies that the application of SPA is most successful byusing a combination of ‘traditional’ petrographic-mineralogical methods with ‘innovative’ geochemical and geochronological methods. Single-grain varietal studies on zircon, garnet and rutile are the most powerful applications to constrain specific sources. While age populations obtained from zircon U-Pb geochronology can be directly linked to the Age of a certain tectono-thermal terrane, chemical compositions of garnet of rutile allow distinguishing lithologies characterized by different metamorphic overprint, e.g., amphibolite-facies vs. granulite-facies rocks. However, varietal studies fail for recovering sediment input from recycled sedimentary rocks. Because of the durability of zircon, garnet and rutile during the sedimentary cycle, polycycle sedimentation is masked, which might lead to an incorrect interpretation of exclusively primary sources. For reconstructing provenance from sedimentary (recycled) lithologies or for revealing the weathering degree of sediments, bulk-rock petrographic and geochemical methods proofed to be the most suitable application.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Doktorarbeit ist Bestandteil der DFG-geförderten Forschergruppe 703 RiftLink – Rift Dynamik, Hebung und Klimawandel in Äquatorialafrika (H1643-7/1). Das Ziel der Studie war die Rekonstruktion der Entwicklungsgeschichte des Albertrifts im westlichen Riftarm des Ostafrikanischen Grabensystems mittels kombinierter Untersuchungen an neogenen Riftsedimenten und rezenten Flusssanden. Im ersten Teil der Doktorarbeit wurden miozäne bis pleistozäne Riftsedimente hinsichtlich ihrer Provenienz und Ablagerungsgeschichte untersucht, um ein umfassenderes Verständnis für die dynamische und tektonisch-sedimentäre Entwicklung des Albertrifts seit dessen Initiierung imfrühen Miozän zu erlangen. Die untersuchten sedimentären Riftsequenzen sind in zwei Gebieten in Uganda in unmittelbare Nähe des Albertsees aufgeschlossen (Kisegi-Nyabusosi Region und Kaiso-Nkondo Region). Diese Gebiete repräsentieren einen distalen und proximalen Ablagerungsraum zum extrem herausgehobenen > 5000 m hohen Rwenzori Gebirge, welches einen Teilbereich der östlichen Riftflanke des Albertrifts bildet. Bei den sedimentären Ablagerungen handelt es sich vorwiegend um unverfestigte, tonige bis grobkiesige Siliziklastika, die während mehreren Riftphasen in einem fluviatil-deltaischen bis lakustrinen Milieu abgelagert wurden. Basierend auf hochauflösenden sedimentfaziellen und geophysikalischen Profilaufnahmen und Beprobungskampangen, wurden die Riftsedimente mit einer multi-proxy Analyse untersucht, welche petrographische (Leicht-und Schwerminerale), geochemische (Granat- und Rutilchemie, Gesamtgesteinsgeochemie) und geochronologische (U-Pb Zirkonalter) Untersuchungsmethoden integriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in einem paläotektonischen Modell der Erosion, des Sedimenttransfers und der Riftbeckenbildung zusammengefasst, welches ein detaillierteres Bild der zeitlich-räumlichen Entwicklung des nördlichsten Sektors des westlichen Ostafrikanischen Grabensystems darstellt. Der Fokus im zweiten Teil dieser Arbeit lag auf der Untersuchung rezenter Flusssande, welche im Rwenzori Gebirge und der angrenzenden Riftschulter genommen wurden. Diese weitere Studie komplettiert die Dissertation indem sie wichtige Einblicke in gegenwärtige Sedimentations- und Erosionsprozesse im Albertrift liefert. Durch die Analyse der modernen Flusssande mit einem identischen methodischen Ansatz wie für die Riftsedimente, konnten Provenienzsignaturen für verschiedene geologische Einheiten in der Umgebung des Albertrifts definiert und anschließend in den neogenen Riftsedimenten sicher identifiziert werden. Darüber hinaus wurde anhand der Flusssande untersucht, inwieweit sich die chemische Verwitterung auf die Komposition von Sedimenten unter extremen äquatorialen Klimabedingungen auswirkt. Die Synthese aller während dieser Studie zusammengetragenen Informationen ermöglichte die Weiterentwicklung bzw. Modifizierung des bestehenden Evolutionsmodells des Albertrifts. Insgesamt konnten drei Riftentwicklungsphasen identifiziert werden, welche mit tektonischer Aktivität des Riftsektors in Verbindung gebracht werden können: Unteres Miozän bis Unteres Pliozän (~17,0–5,0 Ma) Aufschlüsse der ältesten Riftsedimente sind nur im südlichen Teilbecken des Albertsees (Kisegi-Nyabusosi Region) bekannt. Die Daten dieser Provenanzstudie implizieren, dass der Sedimenttransport über ein westwärts gerichtetes, großskaliges Entwässerungsnetz erfolge, das über das Kongobecken in den Atlantik entwässerte. Das Liefergebiet der Sedimente erstreckt sich dabei bis zum mindestens 400 km vom Ablagerungsort entfernten neoproterozoischen Ostafrikanischen Orogen, was anhand des Vorkommens von panafrikanischen Zirkonaltern in den Sedimenten abgeleitet werden kann. Ein hoher Anteil an neoarchaischen Zirkonen zusammen mit Granat und Rutil typisch für amphibolit- bis granulitfazielle Bildungsbedingungen lassen auf den neoarchaischen Norduganda-Terran (Uganda-Kraton), welcher große Bereiche des Grundgebirges von Uganda einnimmt, als Hauptschüttungsgebiet schließen. Unteres Pliozän bis Oberes Pliozän (~5,0–2,6 Ma) An der Grenze Miozän/Pliozän kommt es zu einer Fragmentierung des bestehenden Entwässerungsnetzes und das Albertrift geht in die Synriftphase mit verstärkter Subsidenz und verstärkter Hebung der Riftschultern und des westugandischen Plateaus über. Der Sedimenttransport erfolgt jetzt aus proximalen Liefergebieten, was hauptsächlich aus einem Wechsel in den Schwermineralspektren und dem Fehlen von neoproterozoischen Zirkonen abgeleitet werden kann. Im Süden ist dies die östliche und südliche Riftschulter mit dem Rwenzori-Gebiet, im Norden die östliche Riftschulter. In beiden Fällen wird durch ein Vorherrschen von neoarchaischen Zirkonen in Kombination mit Epidot-Amphibol-dominierten Schwermineralspektren und hochgradig metamorphem Granat und Rutil (amphibolit- bis granulitfaziell) das Norduganda-Terran als das Haupterosionsgebiet impliziert. Unteres Pleistozän (seit ~2,6 Ma) An der Grenze Pliozän/Pleistozän um 2,6 Ma erfolgt eine weitere Phase der Riftentwicklung, welche mit der beschleunigten Heraushebung des Rwenzori-Horstes und der Riftschultern sowie zurückgehenden Subsidenzraten und sogar teilweiser Inversion einhergeht. Im Süden ist die Abkopplung und forcierte Hebung des Rwenzori-Blockes an einer geringeren Maturität der Sedimente zusammen mit einer Modifikation des Schwermineralspektrums, insbesondere durch das Fehlen granulitfazieller Granate und Rutile, zu erkennen. Umgekehrt führt im Norden Recycling aus neoproterozoischen (Meta-)Sedimenten zu reiferen Quarzsanden mit höheren Anteilen an widerstandsfähigeren Schwermineralen (Zirkon, Turmalin). Die Liefergebiete verändern sich in beiden Fällen gegenüber dem Pliozän nur wenig und der Sedimenttransport erfolgt weiterhin von der nahegelegenen Riftschulter. Die aus der Provenienz ableitbaren Phasen einschließlich deren zeitlicher Korrelation korrespondieren sehr gut mit den großen Ablagerungszyklen der Sedimentfüllung im Albertbecken sowie den Entwicklungsphasen anderer Riftsegmente des Ostafrikanischen Rifts. Dies impliziert, dass tektonische Aktivität in Ostafrika im globalen Maßstab erfolgt. Gegenwärtig finden Sedimentbildungsprozesse im Albertrift unter tropischem Äquatorialklima in unterschiedlichen geomorphologischen Räumen, einschließlich schlecht entwässerter Ebenen des ugandischen Plateaus sowie dem stark herausgehobenen Rwenzori Gebirge, statt. In diesen werden zwei fundamentale Sedimenttypen erzeugt. Im Falle des geologisch jungen Rwenzori Gebirges herrscht aufgrund des starken Reliefs vor allem die physische Degradation vor. Die abgetragenen Sedimente sind gekennzeichnet durch einen hohen Anteil an Feldspäten und Gesteinsfragmenten sowie einer Epidot-Amphibol-betonten Schwermineralzusammensetzung. Im Gegensatz dazu sind Sedimente der mit mächtigen Lateritböden überdeckten Plateauebenendurch viele Millionen Jahre anhaltende intensive Verwitterung stark an Quarz angereichert. Die Studie an modernen Flusssedimenten demonstriert einschlägig, dass die vom Ausgangsgestein vorgegebenen Provenienzsignaturen auch in Gebieten mit extremen Klimabedingungen noch in den Sedimenten wiedergefunden werden können. Die Charakteristika des Liefergebietes werden am besten von Schwermineralspektren, Zirkonaltern, Granat- und Rutilchemie sowie geochemischen Parametern, insbesondere immobilen Elementen und Elementverhältnissen, bewahrt. Zusammenfassend verdeutlich die vorliegende Doktorarbeit das große Potential von Provenienzstudien zur Rekonstruktion der tektonisch-sedimentären Entwicklungsgeschichte von Riftbecken in tropischen Klimaregionen und untermauert zudem die Bedeutung eines Multi-Proxy-Methodenansatzes für ein umfassendes Verständnis von Sedimentationsprozessen und -produkten sowie deren Liefergebieten und Ablagerungsräumen. Die Studie an den Sedimenten im Albertrift demonstriert deutlich die Notwendigkeit einer Kombination von „traditionellen“ petrograhisch-mineralogischen Analysen mit „innovativen” geochemischen und geochronologischen Methoden für eine erfolgreiche Durchführung von Provenienzstudien. Es hat sich erwiesen, dass Varietätsstudien an Zirkon, Granat und Rutil am vielversprechendsten sind, um bestimmte Liefergebiete einzugrenzen. Während die ermittelten U-Pb Alter von Zirkonen direkt den Altern bestimmter Grundgebirgsterrane zugeordnet werden können, erlauben chemische Analysen von Granat und Rutil Rückschlüsse auf Metamorphosebedingungen während der Gesteinsbildung, sodass eine Unterscheidung von amphibolitfaziellen und granulitfaziellen Lithologien ermöglicht wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese drei Mineraltypen aufgrund ihrer hohen Beständigkeit innerhalb des sedimentären Zyklusnicht geeignet sind, um eine Sedimentanlieferung aus rezyklierten Sedimenten zu erkennen, da diese hier ausschließlich die Bildungsbedingungen ihrer ursprünglichen Lithologien reflektieren. Zur Bestimmung eines polyrezyklierten Liefergebietes sowie auch zur Ableitung von Verwitterungsszenarien eignen sich am besten Analysen des Modalbestands (Leicht- und Schwerminerale) und der Gesamtgesteinsgeochemie.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Applied Sedimentary Geology
Date Deposited: 09 Sep 2019 09:03
Last Modified: 09 Sep 2019 09:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87871
Referees: Hinderer, Prof. Dr. Matthias and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 10 May 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8787
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