background image

GEOLOGICA CARPATHICA, FEBRUARY 2009, 60, 1, 15—33                                           doi:  10.2478/v10096-009-0001-8

www.geologicacarpathica.sk

The emplacement mode of Upper Cretaceous plutons from

the southwestern part of the Sredna Gora Zone (Bulgaria):

structural and AMS study

NEVEN GEORGIEV

1*

, BERNARD HENRY

2

, NELI JORDANOVA

3

, NIKOLAUS FROITZHEIM

4

,

DIANA JORDANOVA

3

, ZIVKO IVANOV

1

 and DIMO DIMOV

1

1

Department of Geology and Paleontology, Sofia University “St. Kliment Ohridski” 15 Tzar Osvoboditel bd., 1000 Sofia, Bulgaria;

neven@gea.uni-sofia.bg

2

Paléomagnétisme, IPGP and CNRS, 4 av. de Neptune, 94107 Saint-Maur cedex, France

3

Geophysical Institute, Bulgarian Academy of Sciences, Acad. G. Bonchev str., block 3, 1113 Sofia, Bulgaria

4

Steinmann-Institut, Universität Bonn, Nußallee 8, D-53115 Bonn, Germany

(Manuscript received February 21, 2008; accepted in revised form June 12, 2008)

Abstract: Several plutons located in the southwestern part of the Sredna Gora Zone – Bulgaria are examples of the
Apuseni-Banat-Timok-Sredna Gora type of granites emplaced during Late Cretaceous (86—75 Ma) times. The studied
intrusive bodies are spatially related to and deformed by the dextral Iskar-Yavoritsa shear zone. The deformation along
the shear zone ceased at the time of emplacement of the undeformed Upper Cretaceous Gutsal pluton, which has in-
truded the Iskar-Yavoritsa mylonites. A clear transition from magmatic foliation to high-, moderate- and low-tempera-
ture superimposed foliation and lineation in the vicinity of the Iskar-Yavoritsa and related shear zones gives evidence
for simultaneous tectonics and plutonism. Away from the shear zones, the granitoids appear macroscopically isotropic
and were investigated using measurements of anisotropy of magnetic susceptibility at 113 stations. The studied samples
show  magnetic  lineation  and  foliation,  in  agreement  with  the  magmatic  structures  observed  at  a  few  sites.  Typical
features of the internal structure of the plutons are several sheet-like mafic bodies accompanied by swarms of mafic
microgranular enclaves. Field observations indicate spatial relationships between mafic bodies and shear zones as well
as mingling processes in the magma chamber which suggest simultaneous shearing and magma emplacement. Struc-
tural investigations as well as anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) data attest to the controlling role of the NW-
SE trending Iskar-Yavoritsa shear zone and to the syntectonic emplacement of the plutons with deformation in both
igneous rocks and their hosts. The tectonic situation may be explained by partitioning of oblique plate convergence into
plate-boundary-normal thrusting in the Rhodopes and plate-boundary-parallel transcurrent shearing in the hinterland
(Sredna Gora).

Key words: Late Cretaceous, Sredna Gora – Bulgaria, tectonics, magma emplacement, strike-slip setting, AMS.

Introduction

The role of shear zones in the generation, ascent and emplace-
ment of magma through the crust is a long-standing matter of
debate  (Castro  1987;  Hutton  1988,  1997;  Paterson  &  Fowler
1993; Acef et al. 2003; Rosenberg 2004). Numerous examples
of  granite  emplacement  along  strike-slip  fault  systems  in
transpressional  or  transtensional  tectonic  settings  (Tikoff  &
Teyssier 1992; Paterson & Fowler 1993; Roman-Berdiel et al.
1997; Steenken et al. 2000; Henry et al. 2004) suggest different
possibilities to solve the “space problem”. Visible structures of
the granitoids formed in the magmatic stage and superimposed
solid-state  foliations  and  lineations  provide  valuable  informa-
tion on magma emplacement kinematics and can help us to bet-
ter  understand  the  connection  between  tectonics  and
magmatism  (Saint  Blanquat  &  Tikoff  1997;  Steenken  et  al.
2000). The latter is not a simple task, especially when the stud-
ied  intrusives  are  nearly  isotropic  and  widely  used  structural
methods are not applicable. In such cases the measurement of
Anisotropy of Magnetic Susceptibility (AMS) is a standard pro-
cedure  (Tarling  &  Hrouda  1993).  Determination  of  magnetic
fabric is a quick and easy semi-quantitative method to provide

information  on  the  bulk  fabric  of  the  plutons  (Henry  1980;
Bouchez 1997; Saint Blanquat & Tikoff 1997). The results are
often used to support structural data in constraining the syn- or
post-tectonic emplacement of intrusions (Henry 1980; Bouchez
1997; Henry et al. 2004).

On the other hand, some studies (Ferre et al. 1997) demon-

strate  that  crustal-scale  shear  zones  play  a  role  of  feeder
channels  and  can  provide  space  for  chamber  formation  at
different depths. These relationships can explain the frequent
coexistence  of  magmas  contrasting  in  composition  (felsic
and mafic) at the same crustal level (Michael 1991; Wiebe &
Collins  1998).  Interaction  between  contrasting  magmas
(mixing  versus  mingling  processes)  depends  on  parameters
like volume, time, compositions, temperature, viscosity, etc.
(Barbarin & Didier 1992).

The  Upper  Cretaceous  intrusive  bodies  located  in  the

southwestern  part  of  the  Sredna  Gora  Zone,  Bulgaria,  crop
out in close relationship with the regional dextral strike-slip
Iskar-Yavoritsa shear zone (IYSZ). The aim of this study is
to  investigate  the  space-  and  time  connection  between  plu-
tons  and  shear  zone  using  structural  and  AMS  data,  and  to
provide a model for emplacement of these granites.

background image

16

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Geological setting

The Sredna Gora Zone in Bulgaria is a part of a complex,

elongated  Late  Cretaceous—Tertiary  magmatic  arc  that  can
be  traced  from  the  Apuseni  Mountains  in  Romania  to  Iran
(Bergougnan  &  Fourquin  1980;  Sandulescu  1984;  Mitchell
1996;  Jankovic  1977,  1997;  Berza  et  al.  1998;  Stampfli  &
Mosar 1999; Neubauer 2002). This zone is regarded as a vol-
canic island arc (Boccaletti et al. 1974, 1978), back-arc basin
(Hsu  et  al.  1977)  or  intra-arc  basin  with  submarine  volcan-
ism  (Nachev  1978).  According  to  Dabovski  (1980)  the
Sredna  Gora  Zone  represents  an  intracontinental  rift,  which
originated  in  connection  with  the  Vardar  subduction.  Intru-
sive  and  volcanic  rocks,  the  products  of  Upper  Cretaceous
magmatic activity, are widespread in the Sredna Gora Zone.

According  to  Ivanov  (1989)  the  studied  plutons  (Fig. 1)

were emplaced at the boundary between two different meta-
morphic terranes (Balkanide terrane to the North and Rhodope
terrane  to  the  South),  separated  by  the  dextral  strike-slip
IYSZ.  The  northern  terrane  (Balkanide  metamorphic  com-
plex;  Ivanov  1988,  1989)  is  built  up  of  Variscan  high-grade
metamorphic  rocks  metamorphosed  at  320—340 Ma  and  of
315  to  289 Ma  old  granitoid  bodies  (Amov  et  al.  1982;
Velichkova et al. 2001, 2004; Carrigan et al. 2005, 2006). To
the south of the IYSZ the Rhodope terrane is represented by
the  variegated  unit,  including  ortho-  and  para-metamorphic
rocks (Ivanov et al. 2000). The age of metamorphism in this

part of the Rhodope terrane is still unknown. The variegated
unit  is  equivalent  to  the  Asenitsa  Unit  further  east  in  the
Central Rhodopes. U-Pb zircon data give evidence for Juras-
sic  ( ~ 150 Ma)  magmatic  protoliths  of  Asenica  gneisses  to
the  SE  of  the  studied  area  (von  Quadt  et  al.  2006).  In  the
Late  Cretaceous,  the  rocks  of  the  Rhodope  terrane  in  our
study  area  must  already  have  been  exhumed  to  a  level  be-
tween the middle and upper crust because they were intruded
by the granites (Georgiev & Lazarova 2003).

In the southwestern part of the Sredna Gora Zone (Fig. 1),

several Upper Cretaceous plutonic bodies (Plana, Gutsal and
Elshitsa-Boshulia)  and  the  “Variscan”  Varshilo  intrusion
(Dimitrov  1933;  Boyadjiev  1979  and  references  therein;
Dabovski 1980, 1988 and references therein; Belmustakova
1984) were distinguished. These plutons form a WNW-ESE-
trending  complex  belt  on  both  sides  of  the  IYSZ.  Previous
interpretations  regard  the  Upper  Cretaceous  magmatic  bod-
ies  as  a  result  of  multiphase  or  two-phase  intrusions  with
normal  partial  differentiation  of  basaltic  magma.  Consider-
ing  emplacement  mechanisms,  Dabovski  (1988)  suggested
that the plutons are “fissure intrusions” formed in a rift setting.

The plutons comprise two different groups of rocks: felsic

(granites and granodiorites) and mafic to intermediate (gab-
bros,  quartz-monzogabbros,  quartz-monzodiorites  and
quartz-diorites).  The  mafic  varieties  were  supposed  to  be
older,  numerous  mafic  enclaves  in  the  granites  and  grano-
diorites being regarded as xenoliths from the country rocks-

Fig. 1. Simplified geological map of the southwestern parts of the Sredna Gora Zone.

background image

17

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

gabbros  and  basic  volcanics.  The  major  element  composi-
tions  of  the  granitoids  are  typical  for  calc-alkaline  and  is-
land-arc magmatic products. The compositions of mafic rocks
correspond to tholeiitic and to calc-alkaline varieties.

Recently  obtained  U-Pb  data  (Peytcheva  et  al.  2001;

Peytcheva & von Quadt 2003) indicate small differences be-
tween  the  ages  of  granites  –  82 Ma,  granodiorites  –  86—
84 Ma,  and  gabbros  –  82—84 Ma  (Table 1).  The  dating  of
the  Varshilo  pluton,  previously  assumed  to  be  Variscan,
yielded  a  Late  Cretaceous  (82 Ma)  age.  Unpublished  U-Pb
zircon  data  (Georgiev,  von  Quadt  &  Peytcheva)  from  the
Gutsal granodiorite yielded a  ~ 75 Ma age of crystallization.
This younger age is supported by the field relationships: the
Varshilo granites are sheared in the vicinity of IYSZ whereas
sills  of  Gutsal  granodiorite  are  undeformed  and  have  in-
truded the IYSZ mylonitic foliation.

Thermo-barometrical  data  (Georgiev  &  Lazarova  2003)

show that the emplacement of granodioritic melts took place
under pressures between 470 MPa (corresponding to a depth
of ca. 13 km) and 320 MPa (ca. 9 km).

Structures of the plutons

Magmatic and submagmatic structures

The plutonic bodies mostly appear macroscopically isotro-

pic. Nevertheless, magmatic foliation is often visible close to
the  plutonic  contacts  or  forms  bands  parallel  and  related  to
the IYSZ and its associated shear zones. Far from mylonitic
domains, magmatic foliation is less pronounced and oblique
to the shear zones. Near undeformed plutonic contacts, mag-
matic foliation is parallel both to the contacts and to the host
rock’s schistosity. The magmatic foliation is defined by the
preferred  orientation  of  biotite,  feldspar  and  hornblende
crystals (Fig. 2a,d) as well as mafic microgranular enclaves
(Fig. 2b).  Magmatic  layering  is  observed  in  some  gabbro
bodies (Fig. 2c), defined by layers of different mineral pro-
portion and/or different grain size of the rock-forming min-
erals.  The  magmatic  foliation  predominantly  trends
100—140°  and  dips  steeply  (45—90°)  towards  the  NE  or  the
SW  (Fig. 3).  The  magmatic  lineation  data  are  too  scarce  to
be representative and informative. The magmatic lineation is
defined  mostly  by  alignment  of  hornblende,  biotite  and
quartz-feldspar  aggregates  (Fig. 2a)  and  in  some  places  by
mafic enclaves.

Microfractures  in  feldspar  phenocrysts  are  filled  with  re-

sidual  melt  represented  by  magmatic  quartz  (Fig. 4a  and  b)
which  is  typical  for  a  submagmatic  stage  of  deformation

(Bouchez et al. 1992). Thin section investigations of samples
with  visible  magmatic  foliation  show  parallel  alignment  of
elongated  feldspar  crystals  (Fig. 4c).  The  initial  stages  of
subgrain formation observed in potassium feldspars, together
with the lack of any other deformation in the samples with vis-
ible  magmatic  foliation,  suggest  transitional  submagmatic  to
high-temperature solid-state deformation (Fig. 4d).

Shear zones and solid-state deformation

In a regional view, important structures in the studied area

are the IYSZ and related shear zones (Fig. 1). The IYSZ is an
80—90 km long and 0.4—1.0 km wide shear zone with general
strike of 110—130° and steep dips (60—80°) toward the NE to
SW. In the vicinity of the IYSZ, several satellite shear zones
of similar orientations, kinematics and deformation features
were recognized (Fig. 1): the Akandjievo shear zone (ASZ),
Slavovitsa shear zone (SSZ), Tserovo shear zone (TSZ) and
Sapdere  fault  (SDF).  The  deformation  degree  increases  in
narrow (15 to 40 m thick) mylonitic bands within the shear
zones  where  the  studied  plutons  as  well  as  their  host  rocks
are transformed into mylonites. The deformation style grades
from  ductile  (high-temperature)  in  outer  parts  of  the  shear
zones  to  brittle-ductile  within  the  inner  parts.  Mica  bands
and  elongated  quartz-feldspar  aggregates  define  the  folia-
tion. Elongated biotite flakes and quartz grains trace the min-
eral  lineation  on  the  foliation  planes.  Striations  are  rarely
found on the foliation planes in domains with brittle-ductile
overprint. The mineral lineation plunges 5 to 50° to the NW
or is subhorizontal (Fig. 3).

High-temperature solid sate deformation

In  the  field,  domains  with  a  high-temperature  solid-state

deformation are located at the transition between intensively
deformed parts of the shear zones and areas with a magmatic
foliation.  Most  of  the  outcrops  show  clear  relationship  be-
tween  roughly  NW-SE-trending  vertical  foliation  and
steeply  dipping  or  vertical  c’-shear  bands  (Fig. 5a).  In  the
outcrops  with  many  mafic  microgranular  enclaves,  the  s—c’
pattern has produced “enclave fish” which are reliable crite-
ria  indicating  dextral  kinematics.  Quartz  with  mosaics  of
square subgrains and chessboard patterns (Fig. 5b) indicates
high-temperature  solid-state  deformation  (>ca.  650°;  Kruhl
1996; Stipp et al. 2002; Passchier & Trouw 2005). Feldspar
grains  with  core-and-mantle  structure  (Fig. 5d)  may  repre-
sent a transitional stage (450° to 500 °C; Passchier & Trouw
2005)  between  this  high-temperature  deformation  and  the
colder deformation stages described below.

  Sample 

Pluton 

Locality 

Rock type 

Age and 2

σ error (Ma)  Reference 

AvQ029 

Elshitsa-Boshulia 

2 km NW of Elshitsa village 

granite 

  86.62 ± 0.11 

Peytcheva et al. (2003) 

AvQ019 Elshitsa-Boshulia Velichkovo quarry 

granodiorite 

  84.6 ± 0.3 

von Quadt et al. (2005) 

AvQ018 Elshitsa-Boshulia Velichkovo quarry 

hybrid gabbro 

  82.16 ± 0.10 

von Quadt et al. (2005) 

AvQ023 

Elshitsa-Boshulia 

Vetrensko Gradishte 

hybrid gabbro 

  84.87 ± 0.13 

von Quadt et al. (2005) 

ZI6 

Varshilo 

2.5 km W of Dolno Varshilo village  granite 

  82.25 

± 0.22 

von Quadt et al. (2005) 

AvQ026 Lesichovo 

1 km N of Lesichovo village 

granite 

316.5 ± 3.5 

Peytcheva & von Quadt (2003) 

 

Table 1: U-Pb zircon ages for intrusive rocks from the southern parts of Central Sredna Gora.

background image

18

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Moderate- to low-temperature solid-state deformation

Moderate-  to  low-temperature  structures  are  typical  for

high-strain bands within the inner parts of the IYSZ system
where  gneissification  and  s—c  granitoid  mylonites  are  ob-
served  (Fig. 6a).  In  some  places  the  granitoids  were  trans-
formed  into  quartz-chlorite  ultramylonites  (Fig. 6b).
Moderate- to low-temperature deformation has produced mi-
crostructures  at  decreasing  temperatures  during  shearing:

high-angle undulose extinction and subgrains are ubiquitous
in  quartz;  biotite  is  partly  or  totally  replaced  by  chlorite;
feldspar  porphyroclasts  contain  deformational  myrmekites
(Fig. 6c).  The  matrix  of  the  mylonites  was  ductile  but  the
feldspars have responded to deformation as brittle rigid ob-
jects (Fig. 6d) and formed “book shelves” and “v”-pull apart
microstructures  (Hippertt  1993).  Criteria  within  intensively
deformed parts of the shear zones consistently show dextral
shear sense (Fig. 6a,d; Fig. 7).

Fig. 2. Field and micrographic examples of primary magmatic structures for the studied igneous rocks. a – Magmatic foliations defined by
preferred orientation of feldspar and hornblende crystals in granodiorite. b – Magmatic foliation defined by stretched mafic microgranular
enclaves within granodiorites host. c – The magmatic layering of gabbroic sheets is commonly observed. The separate layers are defined
by differences in mineral composition or by differences in size of rock-forming minerals. d – Photomicrograph of a granite with magmatic
foliation defined by ordered biotite and rare feldspar crystals.

background image

19

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

Fig. 3. 

Position 

of 

the 

observed 

magmatic 

and 

superimposed 

structures 

for 

plutonic 

bodies 

and 

metamorphic 

host 

rocks. 

Stereographic 

pr

ojection 

on 

lower 

hemisphere 

of 

superimposed 

folia-

tions and lineations along: 

– Iskar-Yavoritsa shear zone; 

b

 –

 Akandjievo 

shear 

zone;

 

 Slavovitsa 

shear 

zone

 Tserovo 

shear 

zone; 

e 

– 

Foliation 

and 

stretching 

lineation 

of 

metamor-

phic host;

 f

 – Magmatic fabrics of granitoids.

Annealing process

In the vicinity of the Gutsal granite

intrusion,  quartz-  and  mica-rich
mylonites of the IYSZ show evidence
for  post-kinematic  annealing.  In  out-
crop, these rocks appear like low-tem-
perature  mylonites  and  phyllonites.
The  microscopic  observations  show
that these high-strain rocks were over-
printed by relatively high-temperature
static  recrystallization  (Fig. 5c,e,f).
This  is  shown  by  polygonal  quartz
grains and foam structure in foliation-
parallel quartz domains.

Magma mingling processes

Porphyritic  granodiorites,  granites,

and  gabbros  are  the  major  types  of
studied intrusive rocks. The field rela-
tionships  are  critical  for  interpreting
the  coexistence  of  felsic  and  mafic
rocks  within  the  plutons.  Mafic  rocks
(gabbros, gabbro-diorites and diorites)
build  up  several  sheet-like  or  lensoid
bodies  (Fig. 1),  ranging  in  size  from
100—200 m

2

 to 1.5—2 km

and in thick-

ness  from  30  to  100 m.  These  mafic
bodies  usually  crop  out  inside  grano-
dioritic  “matrix”.  Coarse-grained  gab-
bros  and/or  gabbro-diorites  compose
the  inner  parts  of  the  sheets  (Fig. 8a).
The bottom contacts of gabbroic sheets
against granodiorites are chilled, sharp
and  often  relatively  straight  (Fig. 8b).
Load-cast  (Fig. 8c,d)  and  flame  struc-
tures  (Fig. 8e)  have  been  observed  at
these contacts. Such types of relations
indicate  interaction  of  nearly  liquid
felsic  and  mafic  melts  (see  Wiebe  &
Collins  1998).  Granites  or  granodior-
ites  rich  in  mafic  microgranular  en-
claves (Figs. 1, 8f) have a close spatial
relation  with  the  mafic  bodies.  As  a
rule, such levels are situated above and
also  to  the  sides  of  the  mafic  sheets.
On the regional scale, the mafic sheets
and the enclave-bearing rocks form al-
most  continuous  bands  spatially  re-
lated  to  the  IYSZ  and  the  associated
shear zones (Fig. 1).

AMS study

In  macroscopically  isotropic  rocks,

AMS study is often the most efficient

background image

20

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

way for structural analysis. The AMS in low field is described
by  a  symmetrical  second-rank  tensor.  It  is  represented  by  a
triaxial  ellipsoid  with  principal  directions  and  magnitudes
Kmax, Kint, and Kmin. Fabric pointed out by AMS can reflect
flow for magmatic rocks, deposition context for sediments or
finite  strain  in  deformed  rocks  (Borradaile  &  Henry  1997).
The orientation of the susceptibility ellipsoid for low bulk sus-
ceptibilities  (K < 0.5

×10

—3 

SI)  is  directly  related  to  the  pre-

ferred  crystallographic  orientation  of  paramagnetic  minerals,
while in rocks possessing high ferromagnetic mineral content
(K > 10

—3 

SI),  AMS  ellipsoid  is  mainly  determined  by  the

shape  and/or  distribution  of  strongly  magnetic  minerals  like
magnetite and titanomagnetite.

Sampling and methods

Cores,  oriented  using  magnetic  and  sun  compasses,  have

been drilled with a portable gasoline drilling machine. Five
to twelve samples per site were gathered from 113 sampling
locations.  The  effect  of  possible  local  non-homogeneity  of

the granites was minimized by sampling in an area of several
square meters at each outcrop. Sampling sites are evenly dis-
tributed  in  the  study  area,  with  the  major  exception  of  the
westernmost  parts  (Plana  pluton),  where  outcrop  conditions
allowed  only  a  N-S  profile.  Several  dykes,  vein  bodies  and
basic sheets genetically associated with the main magmatism
were sampled as well.

AMS  was  measured  with  Kappabridge  KLY-2  (Agico,

Brno). Statistical analyses of the data were carried out using
tensorial (Hext 1963; Jelinek 1978) and bivariate (Henry &
Le Goff 1995) approaches. The magnetic zone axis was de-
termined with its confidence zone (Henry 1997).

Identification  of  magnetic  mineralogy  was  done  by  the

Curie  temperature  indicated  on  the  thermal  behaviour  of
magnetic susceptibility K(T°C) in low field in the tempera-
ture range from room temperature up to 700 °C. This K(T°C)
analysis was carried out with a CS-23 furnace attachment to
the Kappabridge. Low-temperature susceptibility behaviour,
down to the liquid nitrogen temperature (77 K) for selected
samples, was used as an additional tool for mineral identifi-
cation. Effective domain state of ferromagnetic carriers was

Fig. 4. Crossed-polar micrographic examples of primary magmatic structures and transition to submagmatic strain stage. Magmatic foliations
defined by preferred orientation of feldspar crystals. a and b – Micro-fractures in feldspar phenocrysts filled with residual melt presented by
magmatic quartz. c – Pronounced magmatic foliation is shown by a linear arrangement of tabular plagioclase crystals. d – Zoned K-feldspar
showing an initial formation of sub-grains.

background image

21

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

deduced  from  the  hysteresis  curves,  measured  for  bulk
samples,  using  translation  inductometer  within  an  electro-
magnet capable of reaching 1.6 Tesla.

Magnetic properties of the studied rocks

Bulk susceptibility values

The  measured  magnetic  susceptibility  values  vary  in  a

wide  range  (from  37

×10

6

  up  to  0.1 SI  units).  Lesichovo

leucogranites and Elshitsa granodiorites are characterized by
the lowest susceptibility values, probably mainly determined

Fig. 5. Field photograph and crossed-polar micrographs of the high-temperature character of deformation within granitoids from the pe-
ripheral parts of the shear zones. a – Steeply dipping or vertical c’-shear bands 10 to 20 cm in size from the high-temperature deformation-
al stage, indicating dextral shearing. b – High-temperature solid state overprint with chessboard pattern in quartz. c – High-temperature
static overprint with polygonal quartz grains and foam structure formation. d – Core-mantle structure in K-feldspar indicating moderate
temperature ( ~ 450 °C) solid state deformation. e and f – Annealed mylonitic granite from the central parts of IYSZ. The quartz layers
were originally formed by deformation under decreasing temperatures. Polygonization of quartz grain boundaries is interpreted as resulting
from a later temperature increase during intrusion of the Gutsal granodiorite.

by the phyllosilicate content. The other intrusions, with sig-
nificantly  higher  susceptibilities,  show  wider  distributions,
which  is  a  typical  characteristic  of  strongly  magnetic
granitoids. Values higher than 5

×10

SI suggest that the fer-

romagnetic fraction plays the major role in determination of
the shape and orientation of the magnetic susceptibility ellip-
soid for most of the sites.

Magnetic mineralogy

Representative examples of the common K(T°C) behaviour

are given in Figure 9. Most of the sites show an almost revers-

background image

22

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

ible K(T°C) heating-cooling cycle with a main Curie tempera-
ture (Tc) of 580 °C, indicating the presence of magnetite (see
Dunlop & Özdemir 1997). Reversible peculiarity on some of
the  curves  at  120—150 °C  well  expressed  for  some  samples
(see Fig. 9b – sample CF01 with the enlarged scale) is prob-
ably due to hemo-ilmenites, the end product of high-tempera-
ture  exsolution.  Another  group  of  samples  from  the
enclave-bearing level of Elshitsa and Boshulia plutons shows
the presence of a significant drop in the signal at 350 °C fol-
lowed by the well-expressed magnetite Tc (580 °C) as shown
in  Fig.  9a  (sample  X04).  Correct  interpretation  of  the  nature
(real Tc or transformation temperature) and source of this me-
dium-temperature feature is not straightforward because of the
existence of several minerals having Tc or transforming in this
temperature range. Partial K(T°C) heating curves indicate re-
versible behaviour before the drop at 300 °C, but irreversible
transformation after heating at 350 °C in air and cooling back
to  room  temperature.  Such  behaviour  may  indicate  progres-
sive transformation of pyrrhotite (Bleil & Petersen 1982) in an
oxidizing  environment  (Dekkers  1990).  Most  probably  these
Fe-sulphides are products of the late hydrothermal mineraliza-

tion  found  in  the  area  (Boyadjiev  1979  and  references
therein). Low temperature demagnetization down to —180 °C
reveals  clearly  the  dominant  role  of  magnetite,  identified  by
the presence of Verwey transition at about —160 °C (Fig. 10).

Hysteresis parameters

Hysteresis  measurements  carried  out  for  original,  non-

separated material reveal mostly multidomain (MD) magne-
tite  shapes  of  the  loops  and  values  of  the  hysteresis
parameters (Hc, Hcr, Js, Jrs) (Table 2 and Fig. 11). The inter-
pretation of the ratios Jrs/Js and Hcr/Hc in terms of magnetic
domain state is favoured by the results from K(T°C) experi-
ments as far as the latter show the major magnetite role and
no indications about the presence of high coercivity phases,
which  would  prevent  the  direct  interpretation  of  Day  dia-
grams  (Day  et  al.  1977).  Data  points  follow  a  single  trend
line (Fig. 11) through MD—PSD regions, suggesting mixing
of  different  relative  proportions  of  MD  and  SD  grains  (see
the  theoretical  model  of  Dunlop  2002).  The  samples  from
the Elshitsa pluton (Fig. 11) show the highest stability, prob-

Fig. 6.  Field  photographs  and  crossed-polar  micrographs  of  moderate  to  low-temperature  character  of  deformation  from  the  inner  parts  of
IYSZ and related shear zones. a – s—c fabric in granodiorite polished hand specimen from the inner parts of IYSZ. b – Quartz-chlorite ul-
tramylonites from the inner parts of IYSZ. c – K-feldspar porphyroclasts with deformational myrmekites. d – “Book shelves” and “v”-pull-
apart microstructures indicating brittle behaviour of feldspars in contrast to ductile behaviour of the matrix.

background image

23

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

Fig. 7. a—c – Crossed-polar photomicrographs of 

δ-type feldspar porphyroclasts; a – shear bands. d – Foliation “fishes”. All the criteria

indicate dextral kinematics of the shear zones.

ably  influenced  by  the  possible  presence  of  pyrrhotite.
Samples  from  the  Lesichovo  leucocratic  granites  present  a
paramagnetic behaviour. As a whole, granodiorites from the
Elshitsa and Lesichovo intrusions show relatively higher co-
ercivities (Table 2).

Since  most  magnetite  generally  crystallizes  at  tempera-

tures lower than the largest part of the melt, it will mimic the
crystallographic preferred orientation of the initially formed
minerals  reflecting  the  last  stages  of  magma  crystallization
(Hrouda  et  al.  1971).  Thus,  the  MD  magnetite  grains  have
shapes and orientations determining a magnetic susceptibil-
ity  ellipsoid  consistent  in  orientation  with  the  crystallo-
graphic  ordering  of  the  main  rock-forming  minerals.  The
elements  of  the  measured  magnetic  fabric  (magnetic  folia-
tion and lineation) could then reliably indicate the magmatic
fabric in the studied plutons.

Magnetic fabric of the main intrusive bodies

Directional data

Magmatic and high-temperature (HT) visible foliation has

been observed only at 31 of the sampled sites, magmatic vis-
ible lineation only at 13 sites and post-magmatic moderate-

to  low  temperature  (M-LT)  foliation  only  in  4  other  sites.
These are traced by specific orientations of K-feldspars, bi-
otite crystals or enclaves.

The  distribution  of  the  different  principal  susceptibility

axes on a scale of sampling site shows quite good grouping
in all but 6 % of the sites, situated away from the shear zone
and showing scattered patterns. Girdle distributions of Kmax
or Kmin directions, not caused by measurement uncertainty,
are,  however,  observed  in  the  sites  with  high  oblateness/
prolateness due to the similar values of the principal suscep-
tibility Kmax/Kmin with that of Kint. The directional AMS
data representing the poles to magnetic foliation (Kmin axes)
and magnetic lineation (Kmax axes) agree with those of the
field magmatic structures close to the IYSZ zone. The orien-
tations  are  very  coherent  and  parallel  to  the  shear  zone
(Fig. 12). On the contrary, low temperature foliations appear
to  be  different  from  the  magnetic  foliation.  The  magnetic
fabric is therefore related to the conditions during the magma
emplacement. Farther from the IYSZ, orientation of the dif-
ferent  principal  susceptibilities  is  more  variable,  probably
corresponding  to  conditions  of  magma  emplacement  less
constrained by shearing. The top-facies of the plutons repre-
sented  by  Elshitsa-Boshulia  granodiorites,  showing  rather
different  directions  of  magnetic  lineation,  may  also  reflect

background image

24

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

local stresses due to stopping and lower pressure conditions
during magma emplacement.

The girdle scattering of Kmin observed at more than 1/3 of

the studied sites is not related to uncertainty of measurement,
allowing  the  determination  of  significant  magnetic  zone
axis.  In  almost  all  of  these  sites,  the  latter  coincides  well
with the magnetic lineation, which thus could be of intersec-
tion  or  stretching  type.  The  coincidence  between  visible
magmatic and magnetic lineations indicates that the orienta-

Fig. 8. Structural peculiarities of the gabbro sheets and contact zone between gabbro and granodiorite. a – Coarse-grained gabbros and/or
gabbro-diorites represent the inner parts of the sheets. b – Chilled zone in the periphery of gabbro sheet along the contact with granodior-
ite. c and d – “load-cast” and e – “flame” structures along the basis of mafic sheet. f – Mafic microgranular enclaves often dominate
over the host granitoid matrix.

tion  of  magnetic  lineation  is  not  related  to  superimposed
magnetic fabrics. The coincidence of the magnetic zone axis
and  visible  lineation  is  therefore  related  to  conditions  of
magma emplacement.

Corrected anisotropy degree

The corrected degree of anisotropy P’ (Jelinek 1981), indi-

cating the “intensity” of the fabric, ranges from 1.02 to 1.54.

background image

25

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

Fig. 9. a – High-temperature behaviour of magnetic susceptibility
for site 75 with partial susceptibility runs (subsequent cycles indi-
cated by numbers) for revealing chemical changes during heating.
b – Thermomagnetic K(°T) analysis for sample from site 97. The in-
set shows on an enlarged scale the upper part of the curves for reveal-
ing peculiarities in the moderate temperature range (120—200 °C).
c – Thermomagnetic analysis for sample from site 61. The heating
and  cooling  curves  coincide.  Heating  curves  are  presented  by  thick
line, cooling – by thin lines.

Fig. 10. Low-temperature behaviour of magnetic susceptibility for
selected samples.

A  dependence  of  P’  on  the  mean  susceptibility  K  (Fig. 13)
suggests  some  partial  mineralogical  control  on  P’  values
(Henry  1980),  namely  an  increased  content  of  magnetite,
which should be more anisotropic than the low susceptibility

components. The obtained low P’ values and their relatively
good  clustering  around  mean  values  of  1.06—1.08  for
Elshitsa and Lesichovo granites and granodiorites define the
existence  of  low  strain  in  these  levels.  On  the  contrary  the
other  intrusions  are  characterized  by  wider  P’  distribution,
reflecting  the  proximity  of  the  sampled  sites  to  the  main
shear  zone.  This  underlines  the  major  importance  of  the
IYSZ for the development of the magnetic fabric. The high
P’  values  observed  in  the  middle  part  of  the  Plana  basites
and gabbro-diorites together with the orientation of the mag-
netic lineation suggests the presence of high strain level pos-
sibly due to an unrevealed shear zone. The lateral pattern of
P’  distribution  (Fig. 14)  and  the  observed  systematically
higher P’ values for sites close to the IYSZ and in the west-
ern part (Fig. 15) unambiguously show the major role of the
tectonic strain on the magnetic fabric. The magnetic fabric,
being  related  to  magmatic  stage,  shows  that  magma  was
emplaced when the shear zone was the area with the maxi-
mum strain, magma flow being driven by the tectonic condi-
tions.

Shape factor T

The shape of the magnetic susceptibility ellipsoid deduced

from  the  T  parameter  (Jelinek  1981)  may  give  information
about  the  deformation  pathway  in  different  geological  for-
mations  where  progressive  tectonic  development  occurred

background image

26

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Table 2: Hysteresis parameters and ratios for selected samples. Hc – coercive force; Hcr – coercivity of remanence; Js – saturation
magnetization; Jrs – saturation remanence; Xpara – “paramagnetic” susceptibility calculated from the linear high-field part of the hys-
teresis loops.

Site  

Sample 

Hc (mT) 

Hcr (mT) 

Js (mAm

2

/kg) Jrs 

(mAm

2

/kg) Hcr/Hc  Jrs/Js  Xpara 

(x10

-9

m

3

/kg) 

Elshitsa granodiorites 

90 

bl01 

12.2 

50.5 

  520 

           47 

   4.14 

0.09 

                 95 

84 

bg07 

   3.8 

      41 

  121 

    3.67 

10.8 

0.03 

     43.2 

20- vein 

mv01 

11.3 

42.5 

  447 

36.7 

    3.76 

0.08 

     58.9 

24-vein 

mdd05 

     1.51 

20.3 

  226 

    2.26 

13.5 

0.01 

     59.7 

75-xenol.l. 

x04 

     4.03 

47.2 

  455 

           14 

11.7 

0.03 

     88.3 

Lesichovo leucocratic granites 

42 mww03 

para   

 

 

 

 

 

89 bk03 

para  

 

 

 

 

 

40 

mvv05 

    9.92 

66.9 

  536 

41.1 

    6.75 

0.08 

     75.1 

Varshilo granites 

92 

ca06 

    1.39 

      22 

  411 

    4.12 

15.9 

0.01 

     66.1 

94 

cc04 

    1.11 

15.7 

  229 

    2.54 

14.1 

0.01 

     51.3 

17 

ms06 

    2.12 

27.8 

  777 

10.9 

13.1 

0.01 

     51.4 

47 

a03 

    1.28 

16.2 

1423 

15.3 

12.7 

0.01 

177 

  47B 

c03 

22.9 

56.3 

        61.7 

13.8 

    2.46 

0.22 

     39.8 

36-xenol.l. 

mqq04 

  4.1 

26.4 

1264 

39.3 

    6.48 

0.03 

104 

Gutsal granodiorites 

99 

ch03 

  2.1 

22.9 

1412 

20.5 

10.9 

0.01 

     88.8 

97 

cf01 

    3.47 

      24 

1785 

56.5 

    6.92 

0.03 

132 

27 

mgg01 

    3.01 

25.4 

1199 

31.6 

    8.46 

0.03 

  74 

30 

mjj03 

    2.76 

23.4 

  932 

19.9 

    8.48 

0.02 

     88.5 

57 

f05 

10.9 

56.8 

  403 

31.5 

    5.24 

0.08 

     55.5 

98 

cg09 

    1.45 

22.3 

  658 

   7.3 

15.4 

0.01 

     53.2 

71 

u07 

    9.98 

44.3 

  599 

47.3 

    4.44 

0.08 

310 

61 

j07 

    5.42 

34.8 

  736 

25.5 

    6.42 

0.03 

     78.3 

59-vein 

h02 

    8.54 

50.8 

        73.7 

    4.15 

    5.95 

0.06 

     14.6 

Plana basites, gabrodiorites–monzo gabro 

63 

l09 

    1.59 

22.6 

352 

    4.85 

  14.21 

  0.014 

183 

65 

n06 

    0.66 

    6.54 

1128 

    6.84 

    9.96 

0.01 

191 

66 

k06 

    3.44 

27.7 

  653 

17.5 

    8.06 

0.03 

  46 

69 

r02 

  0.9 

14.3 

1355 

11.1 

15.8 

0.01 

186 

68 

q04 

    1.71 

17.3 

  943 

15.5 

10.1 

0.02 

170 

 

Fig. 11.  Day  diagram  (Day  et  al.  1977)  for  samples  subjected  to
hysteresis measurements.

(Borradaile 1988; Borradaile & Henry 1997). As far as P’ lat-
eral distribution (Fig. 14) underlines the role of the IYSZ for
the development of the magnetic fabric, the P’-T diagram of
Jelinek (1981) was plotted separating the samples according
to  the  field  observations  (no  visible  data,  magmatic  HT  or
M-LT foliation and lineation). From Figs. 13 and 14, it is ob-
vious  that  the  sites,  possessing  low  anisotropy  P’  and  more
scattered  principal  axes,  generally  situated  away  from  the
shear  zone,  are  characterized  by  variable  shape  of  the  sus-
ceptibility  ellipsoid,  ranging  from  rod-shaped  (T = —1)
through  neutral  to  oblate  (T = +1).  On  the  other  hand,  sam-
pling sites, for which magmatic and/or HT structures are vis-
ible,  show  a  tendency  to  be  closer  to  the  neutral  form  with
increasing  degrees  of  anisotropy  (Fig. 13).  This  dominant
behaviour  may  be  related  to  the  shape  of  a  strain  ellipsoid
corresponding to flow conditions related to a simple shear or
transpressive tectonic regional regime.

Lateral variations of the shape parameter T (Fig. 16) show

that the oblate fabric is largely dominant, except close to the
shear  zones.  This  increased  stretching  close  to  the  shear
zones points out the role of shearing during magma emplace-
ment.  In  several  locations  where  magnetite  content  is  rela-
tively  low,  the  mineralogical  source  of  prolate  magnetic
susceptibility  ellipsoids  could  be  the  presence  of  linear  ori-
entation of the hornblende grains.

background image

27

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

Fig. 12. a – Lateral distribution of magnetic foliation (F) and b – magnetic
lineation (L) obtained from AMS study.

Fig. 13. K-P’ dependence for sites close to the shear zone, western
part and away from IYSZ.

Comparison  of  magnetic  fabric  of  granitoids  and  gabbro

bodies

Most  of  the  plutons  studied  have  the  characteristics  of

well-layered  intrusions:  their  lower  parts  consist  of  crystal-
rich  granodiorites  and  granites  and  the  upper  parts  of  gran-
ites  poor  in  felsic  crystals.  Between  the  two  parts,
comparatively large sheet-like bodies of gabbro and gabbro-
diorites are placed below swarms of basic enclaves. The ob-
served  magnetic  fabric  in  both  granitic  and  basic  facies
almost  always  coincide  in  a  number  of  outcrops  (Fig. 12).
The basic magma, coming from deeper crust levels therefore
permeated along the shear zone in the same dynamic condi-
tions.  Thus,  both  petrostructural  and  AMS  data  give  good
ground to consider the magmatic complex resulting from min-
gling of two different magma melts – granitic and basic.

Magnetic fabric of dykes

Dyke  planes  in  the  studied  plutons  are  often  parallel  to

magmatic and later foliations (Figs. 1, 2d). The field orienta-

background image

28

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Fig. 14. Lateral distribution of the corrected degree of anisotropy P’.

Fig. 15.  Plot  of  shape  parameter  T  versus  corrected  degree  of
anisotropy P’ for sites, situated at different distance from the main
shear zone.

tion of dykes has in fact, except for site 61A, typical Sredna
Gora  direction  (130—150°  trends)  with  relatively  high  dip  of
50—90°.  In  these  cases  (except  site  23B),  the  magnetic  folia-
tion  is  parallel  to  the  dyke  walls  (Fig. 17),  but  it  also  agrees
with the magnetic foliation in the host granitoids. In site 23B,
the shift between dyke wall orientation and magnetic foliation
is about 40°. Such a shift is often explained by an imbrication
phenomenon (Knight & Walker 1988) caused by the flow gra-
dient of magma along the walls. In this case, symmetrical de-
viation  of  the  different  axes  is  observed  along  the  two  walls
relative  to  the  central  part  of  the  dyke.  That  is  not  the  case
here, the fabric being similar in the whole dyke. In addition,
no  imbrication  has  been  observed  in  our  case  close  to  the
walls of all the studied dykes. It is therefore probably related
to strain effect after filling of the dyke (Henry 1974a,b). In site

23B, magnetic foliation in the host granitoids moreover has a
slightly different orientation relative to the other sites, and its
orientation  coincides  with  that  obtained  within  the  dyke.
This  similar  orientation  of  the  magnetic  foliation  confirms
the major role of the strain effect for the origin of the mag-
netic fabric within the dyke. The same interpretation is pro-
posed for the dyke of site 61A, which plunges to the South
and  has  an  orientation,  different  from  typical  the  Sredna
Gora  direction.  The  orientation  of  the  magnetic  foliation
within  this  dyke  again  is  different  from  that  of  the  dyke
plane,  but  similar  to  that  of  the  magnetic  foliation,  locally
different  from  the  main  part  of  the  plutons,  in  the  host
granitoids. Dykes were therefore emplaced as late intrusions
within granitic bodies already solidified but they underwent
almost similar strain to the granite when the latter was still in
the magmatic state.

However, Kmax within a dyke mostly has a higher inclina-

tion than within the granitoids. This could indicate a slightly
different  strain  context.  In  addition,  the  degree  of  magnetic
anisotropy varies from 1.01 up to 2.02 and is relatively high
in comparison with that obtained in the host granitoids.

Discussion

Our interpretation is based on the structural field and AMS

evidence  for  the  controlling  role  of  the  IYSZ  and  related
shear  zones  as  well  as  field  evidence  for  magma  mingling
processes.

The  field  and  laboratory  structural  investigations  point  to

dextral  oblique-slip  kinematics  of  the  shear  zones.  Macro-
and micro-scale kinematic criteria within the deformed igne-
ous and metamorphic host rocks show stable dextral oblique
shearing  in  the  high-temperature  and  moderate  to  low-tem-
perature domains (Figs. 5, 6 and 7).

In the field, magmatic planar and linear structures and su-

perimposed  high-  to  moderate-  and  low-temperature  folia-
tion  and  lineation  generally  show  the  same  orientations.

background image

29

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

Fig. 16. Lateral variation of shape parameter T.

Fig. 17.  Stereographic  projection  on  the  lower  hemisphere  of
dyke’s orientation and the direction of Kmax.

Primary  magmatic  flow  structures  near  the  contacts  of  the
plutons  are  common.  In  such  places  magmatic  foliation  is
parallel to the contact surface and the foliation in the meta-
morphic  host  rocks.  This  conformity  can  be  explained  by  a
syntectonic  emplacement  (Archanjo  et  al.  1994;  Bouchez
1997; Schofield & D’Lemos 1998). In spite of the apparent
isotropic structure of the studied plutons, strips of well pro-
nounced magmatic foliation from the inner parts of the plu-
tons  are  adjacent  and  parallel  to  the  mylonites  of  the  IYSZ
and its related shear zones. Away from the areas of intensive
deformation,  the  magmatic  flow  structures  are  less  pro-
nounced  and  oblique  to  the  strike  of  the  shear  zones.  A
smooth  transition  from  magmatic  foliation  near  the  shear
zones to high-temperature to moderate- and low-temperature
deformational structures within the shear zones argues for a

deformation during the time of emplacement (Bouchez et al.
1981,  1992;  Gapais  1989;  Ghosh  1993;  Miller  &  Paterson
1994; Saint-Blanquat & Tikoff 1997; Zurbriggen et al. 1997).

The field assumption of a transition from magmatic to su-

perimposed deformational structures and syntectonic charac-
ter  of  the  studied  plutons  is  confirmed  by  microstructural
investigations.  Thin  sections,  displaying  magmatic  foliation
and submagmatic deformation (Fig. 2 and Fig. 4.) as well as
structures  of  high-  to  low-temperature  overprint  (Fig. 5  and
Fig. 6), all of them with the same kinematics, give evidence
of  a  continuous  deformation  process.  The  long-lasting
deformational  process  affected  both  crystal-melt  mush  and,
subsequently,  crystallized  igneous  rocks.  The  progressive
deformation  and  exhumation  of  the  system  have  led  to  the
localization/partitioning of deformation and the formation of
narrow  ultramylonite  bands  within  the  inner  parts  of  the
shear  zones.  Static  recrystallization  under  relatively  high
temperatures  in  the  high-strain  mylonite  bands  within  the
IYSZ in the vicinity of the Gutsal pluton (Fig. 5c,e,f) reveals
that the last stage of the shear zone activity was followed by
heating due to the emplacement of the Gutsal granodiorite at
~

75 Ma.

Direct  observations  of  strain  in  the  granitoids  were  pos-

sible only in limited areas, the rocks being mostly apparently
isotropic. They were completed by AMS data which point to
the  presence  of  magnetic  foliation  and  lineation  largely  de-
veloped in all the intrusive bodies. In fact, in the few AMS
sites  where  visible  magmatic  structures  are  present,  these
structures show good agreement with AMS data, confirming
the  mainly  magmatic  origin  of  the  magnetic  fabric.  These
AMS  data  then  confirm  at  a  more  regional  scale  the
syntectonic  character  of  the  studied  plutons  and  intensive
shearing during and after their emplacement.

The foliation and stretching lineation of the metamorphic

host rocks are parallel to the shear zone structures or parallel
to  the  strike  of  plutonic  contacts.  Such  features  indicate  in-
tensive superimposed shearing of the metamorphic rocks in
the studied area during the intrusion of the plutons.

background image

30

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Fig. 19. Hypothetical model of magma drainage along IYSZ (after Ferre et al. 1997, modified).

Fig. 18. 3D model illustrating the regional tectonic setting along the
IYSZ and adjacent territories during the Late Cretaceous (90—75 Ma).

background image

31

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

The mafic varieties and magmatic enclave swarms have a

close spatial relationship with the IYSZ and the related shear
zones  (Fig. 1).  This  underlines  the  connection  between  de-
formation  and  magma  emplacement.  The  field  relations  be-
tween  mafic  and  felsic  intrusive  rocks  support  an
interpretation  in  terms  of  magma  mingling.  Chilled,  sharp
and relatively linear contacts of the gabbroic sheets with the
granodiorite host (Fig. 8b) are evidence of fast cooling dur-
ing  mafic  magma  crystallization.  The  mafic  melt  has  in-
truded  into  a  partly  crystallized  granitoid  magma  chamber
(see Wiebe & Collins 1998). The presence of specific struc-
tures  such  as  load  casts  and  flame  structures  (Fig. 8)  at  the
lower  contact  of  the  mafic  sheets  gives  evidence  for  a  vis-
cous state of both felsic and mafic melt at the time of their
interaction. Zircon U-Pb ages of granitoids and gabbros con-
firm  contemporaneous  crystallization  of  mafic  and  felsic
constituents of the plutons (Table 1).

Mafic and felsic dykes that crop out within deformed igne-

ous rocks of the studied plutons are parallel to the foliation.
Dykes  within  isotropic  parts  of  the  studied  intrusive  bodies
are  usually  parallel  to  the  strike  of  IYSZ  and  related  shear
zones.  This  type  of  development  of  the  dyke  system  points
to a relatively long lasting regional stress system. The latter
is  supported  by  both  deformed  and  undeformed  dykes  ob-
served within the sheared domains.

The  lineation  (both  measured  in  the  field  and  from  the

AMS) near the IYSZ generally plunges towards NW at mod-
erate  angles,  showing  that  the  dextral  shearing  had  a  large
vertical component with a relative uplift of the northeastern
block.  This  displacement  is  unrelated  to  the  exhumation  of
the  Rhodope  metamorphic  rocks  because  the  exhumation
would  require  the  opposite  vertical  component.  The  Creta-
ceous-age  shearing  along  the  IYSZ  could  be  related  to  ob-
lique plate convergence along the Vardar suture zone, which
was  partitioned  into  southwest-directed  thrusting  in  the
Rhodopes and dextral shearing in the hinterland (Fig. 18), as
typically observed in subduction zones with oblique conver-
gence (e.g. Platt 1993). On the block-diagram in Fig. 18 we
have sketched the situation during the period  ~ 90—75 Ma. It
shows  a  transpressive  regime  in  the  vicinity  of  IYSZ  and
compressive tectonics to the south in the Rhodope area. To
the  north  and  northeast  of  IYSZ  the  transcurrent  shearing
probably had an extensional component leading to the forma-
tion of isolated pull-apart and strike-slip sedimentary basins.

Conclusions

Summarizing  all  the  above  presented  data,  as  well  as

mechanisms known from the literature (Michael 1991; Ferre
et  al.  1997;  Wiebe  &  Collins  1998;  Steenken  et  al.  2000;
Rosenberg  2004),  we  can  propose  the  following  schematic
emplacement  mode  for  the  investigated  magmatic  bodies
(Fig. 19).

Upper Cretaceous plutons situated in the southwestern parts

of  the  Sredna  Gora  Zone  resulted  from  simultaneous
syntectonic emplacement (86—75 Ma) of two different magma
types – felsic and mafic. Mingling of the two magmas took
place  in  the  magma  chamber  at  a  depth  of  10—15 km,  corre-

sponding  to  the  boundary  between  the  upper  and  middle
crust,  and  at  temperatures  between  770  and  680 °C
(Georgiev & Lazarova 2003).

The  different  Upper  Cretaceous  plutonic  bodies  from  the

southwestern  part  of  the  Sredna  Gora  Zone  present  similar
magmatic  and  structural  evolutions.  Field  relationships,
petrostructural  and  magnetic  (AMS)  data  in  fact  show  that
magma  emplacement  and  deformation  processes  have  been
accomplished  in  a  dextral  oblique-slip  regime.  These  defor-
mation  processes  occurred  during  magmatic  and  post-mag-
matic  stages  and  for  the  latter  under  high-,  moderate-,  and
low-temperature  conditions  The  Iskar-Yavoritsa  shear  zone
and the related synthetic shear zones played a major role in the
evolution  of  the  magmatic  system.  These  zones  originated
106—100 Ma  ago  (Velichkova  et  al.  2001)  and  represented  a
main drainage channel for both granitoid and mafic melts. The
deformation  along  the  shear  zone  ceased  with  the  emplace-
ment of the undeformed  ~ 75 Ma Gutsal pluton, which has in-
truded as sills into the Iskar-Yavoritsa mylonites.

Acknowledgments:  This  work  was  supported  by  the  NATO
Collaborative Research Grant No. CRG.LG973943. N.F. was
supported  by  DFG  Grant  FR  700/10-1  and  DAAD  Project
PPP Bulgaria. We would like to thank F. Hrouda, M. Putiš and
I. Petrík for careful and constructive reviews. N.G. also thanks
Z. Cherneva, A. Lazarova and I. Gerdjikov for fruitful discus-
sions  and  to  Prof.  Ch.  Pimpirev  and  the  Bulgarian  Antarctic
Institute for responsiveness, technical and financial support.

References

Acef K., Liégeois J.P., Ouabadi A. & Latouche L. 2003: The Anfeg

post-collisional  Pan-African  high-K  calc-alkaline  batholith
(Central Hoggar, Algeria), result of the LATEA microcontinent
metacratonization. J. Afric. Earth Sci. 37, 295—311.

Amov B.G., Arnaudov V.S. & Pavlova M.A. 1982: Lead isotope data

and age of granitoid and metamorphic rocks from Sredna Gora
and Pirin. Compt. Rend. Acad. Bulg. Sci. 35, 11, 1535—1537.

Archanjo C.J., Bouchez J.L., Corsini M. & Vauchez A. 1994: The

Pombal granite pluton: magnetic fabric, emplacement and rela-
tionships  with  the  Brasiliano  strike-slip  setting  of  the  NE
Brasil. J. Struct. Geol. 16, 323—337.

Barbarin  B.  &  Didier  J.  1992:  Genesis  and  evolution  of  mafic

microgranular enclaves trough various types of interaction be-
tween  coexisting  felsic  and  mafic  magmas.  Trans.  Roy.  Soc.
Edinburgh, Earth Sci.
 83, 145—153.

Belmustakova  H.  1984:  Petrographic  description  of  granitoid  plu-

tons  from  Ihtiman  Sredna  Gora  Region.  Geochem.  Mineral.
and Petrology
 18, 56—83.

Bergougnan  H.  &  Fourquin  C.  1980:  Un  ensemble  d’éléments

communs     une marge active alpine des Carpathes méridionales

a

  l’Iran  central:  le  domaine  iranobalkanique.  Bull.  Soc.  Géol.

France 12, 61—83.

Berza T., Constantinescu E. & Vlad S.-E. 1998: Upper Cretaceous

magmatic  series  and  associated  mineralization  in  the
Carpathian-Balkan orogen. Resource Geology 48, 4, 291—306.

Bleil U. & Petersen N. 1982: Magnetic properties of minerals. In:

Bleil  U.  &  Petersen  N.  (Eds.):  Landolt-Bornstein  numerical
data  and  functional  relationships  in  science  and  technology.
Group  V:  Geophysics  and  space  research.  Vol. 1.  Physical
properties of rocks. Subvol. B. Springer, New York, 1—346.

à

 

à

 

background image

32

GEORGIEV, HENRY, JORDANOVA N., FROITZHEIM, JORDANOVA D., IVANOV and DIMOV

Boccaletti M., Manetti P. & Peccerillo A. 1974: The Balkanids as

an instance of back-arc thrusts belt: Possible relation with the
Hellenids. Geol. Soc. Amer. Bull. 85, 1077—1084.

Boccaletti M., Manetti P., Peccerillo A. & Stanisheva-Vasileva G.

1978:  Late  Cretaceous  high-potassium  volcanism  in  Eastern
Srednogorie, Bulgaria. Geol. Soc. Amer. Bull. 89, 439—447.

Borradaile  G.J.  1988:  Magnetic  susceptibility,  petrofabrics  and

strain. Tectonophysics 156, 1—20.

Borradaile G.J. & Henry B. 1997: Tectonic applications of magnetic

susceptibility and its anisotropy. Earth. Sci. Rev. 42, 49—93.

Bouchez  J.-L.  1997:  Granite  is  never  isotropic:  an  introduction  to

AMS  studies  of  granitic  rocks.  In:  Bouchez  J.-L.,  Hutton
D.H.W. & Stephens W.E. (Eds.): Granite: from segregation of
melt  to  emplacement  fabrics.  Kluwer  Academic  Publishers,
Dordrecht, 95—112.

Bouchez J.-L., Guillet P. & Chevalier F. 1981: Structures d’ecoulement

liees a la mise en place du granite de Guerande (Loire-Atlanticue,
France). Bull. Soc. Geol. France 23, 387—399.

Bouchez J.-L., Delas C., Gleizes G., Nedelec A. & Cuney M. 1992:

Submagmatic microfractures in granites. Geology 20, 35—38.

Boyadjiev  St.  1979:  The  Srednogorie  neointrusive  magmatism  in

Bulgaria. Geochem. Mineral. and Petrology 10, 74—90.

Castro A. 1987: On granitoid emplacement and related structures. A

review. Geol. Rdsch. 76, 101—124.

Carrigan C., Mucasa S., Haydutov I. & Kolcheva K. 2005: Age of

Variscan  magmatism  from  the  Balkan  sector  of  the  orogen,
central Bulgaria. Lithos 82, 125—147.

Carrigan  C.,  Mucasa  S.,  Haydutov  I.  &  Kolcheva  K.  2006:

Neoproterozoic  magmatism  and  Carboniferous  high-grade
metamorphism in the Sredna Gora Zone, Bulgaria: An exten-
sion  of  Gondwana-derived  Avalonian-Cadomian  belt?  Pre-
cambrian Res.
 147, 3—4, 404—416.

Dabovski  Chr.  1980:  Magmotectonic  feature  of  Upper  Cretaceous

intrusives in the Srednogorie zone: field and experimental evi-
dence for a rift model. Geol. Balcanica 10, 1, 15—29.

Dabovski Chr. 1988: Fissure intrusions in the Srednogorie – struc-

tural  analysis,  mathematical  and  laboratorial  models.  BAS,
Sofia, 1—184 (in Bulgarian, abstract in English).

Day  R.,  Fuller  M.  &  Schmidt  V.A.  1977:  Hysteresis  properties  of

titanomagnetites:  grain  size  and  compositional  dependence.
Phys. Earth. Planet. Int. 13, 260—267.

Dekkers M.J. 1990: Magnetic monitoring of pyrrhotite alteration dur-

ing thermal demagnetization. Geophys. Res. Lett. 17, 779—782.

Dimitrov  Str.  1933:  Geologische  und  petrographische  Untersuchungen

an den sudostlichen Abhangen der Witoscha und an den nordlichen
Teilen  der  Plana  Planina  (S.W.  Bulgarien),  mit  besonderer
Berucksichtigung der Kontakthofe der Intrusivgesteine. Ann. Univ.
Sofia, Fac. Phys.-Math.
 30, 3, 41—130.

Dunlop D. 2002: Theory and application of the Day plot (Mrs/Ms ver-

sus Hcr/Hc). 1. Theoretical curves and test using titanomagnetite
data. J. Geophys. Res. 107, EPM 4, doi, 10.1029/ 2001JB000486.

Dunlop  D.  &  Özdemir  Ö.  1997:  Rock  magnetism:  Fundamentals

and frontiers. Cambridge University Press, 1—573.

Ferre E., Gleizes G., Djouadi M.T., Bouchez J.-L. & Ugodulunwa

F.X.O. 1997: Drainage and emplacement of magmas along an
inclined transcurrent shear zone: petrophysical evidence from
granite-charnockite  poluton  (Rrahama,  Nigeria).  In:  Bouchez
J.-L.,  Hutton  D.H.W.  &  Stephens  W.E.  (Eds.):  Granite  from
segregation of melt to emplacement fabrics. Kluwer Academic
Publishers
, Dordrecht, 253—274.

Gapais  D.  1989:  Shear  structures  within  deformed  granites:  Me-

chanical and thermal indicators. Geology 17, 1144—1147.

Georgiev N. & Lazarova A. 2003: Magma mixing in Upper Creta-

ceous plutonic bodies in the Southwestern parts of the Central
Sredna gora zone, Bulgaria. Compt. Rend. Bulg. Acad. Sci. 56,
4, 47—52.

Ghosh S.K. 1993: Structural geology. Pergamon Press, Oxford, 1—589.
Henry B. 1974a: Sur l’anisotropie de susceptibilité magnétique  du

granite récent de Novate (Italie du nord). Compt. Rend. Acad.
Sci. Paris
 278C, 1171—1174.

Henry  B.  1974b:  Microtectonique  et  anisotropie  de  susceptibilité

magnétique  des  filons  aplitiques  et  pegmatitiques  récents  du
massif du Bergell (fronti

è

re italo-suisse). Compt. Rend. Acad.

Sci. Paris 279C, 385—388.

Henry  B.  1980:  Contribution 

à

  l’étude  des  propriétés  magnétiques

de roches magmatiques des Alpes: Conséquences structurales,
régionales  et  générales.  Trav.  Lab.  Tectonophysique  Paris,
CRE 80/07, 1—528.

Henry B. 1997: The magnetic zone axis: a new element of magnetic

fabric for the interpretation of magnetic lineation. Tectonophysics
271, 325—331.

Henry B. & Le Goff M. 1995: Application de l’extension bivariate

de  la  statistique  de  Fisher  aux  données  d’anisotropie  de
susceptibilité  magnétique:  intégration  des  incertitudes  de
mesure  sur  l’orientation  des  directions  principales.  Comt.
Rend. Acad. Sci. Paris
 320, II, 1037—1042.

Henry  B.,  Bayou  B.,  Derder  M.E.M.,  Djellit  H.,  Ouabadi  A.,

Merahi M., Baziz K., Khaldi A. & Hemmi A. 2004: Emplace-
ment  and  fabric-forming  conditions  of  the  Alous-En-Tides
granite,  eastern  border  of  the  Tin  Seririne/Tin  Merso

ï

 

basin

(Algeria):  magnetic  and  visible  fabrics  analysis.  J.  Struct.
Geol.
 26, 1647—1657.

Hext G. 1963: The estimation of second-order tensors, with related

tests and designs. Biometrika 50, 353.

Hippertt J.F.M. 1993: “V”-pull-apart microstructures: a new shear-

sense indicator. J. Struct. Geol. 15, 12, 1393—1403.

Hrouda F., Chlupachova M. & Rejl L. 1971: The mimetic fabric of

magnetite in some foliated granodiorites, as indicated by mag-
netic anisotropy. Earth Planet. Sci. Lett. 11, 381—384.

Hsu K.J., Nachev I.K. & Vuchev V.T. 1977: Geologic evolution of

Bulgaria in light of plate tectonics. Tectonophysics 40, 245—256.

Hutton  D.H.W.  1988:  Granite  emplacement  mechanisms  and  tec-

tonic  controls:  Infeences  from  deformation  studies.  Roy.  Soc.
Edinburgh Trans., Earth Sci.
 79, 245—255.

Hutton D.H.W. 1997: Granite is never isotropic: Syntectonic granites

and  the  principle  of  effective  stress:  a  general  solution  to  the
space  problem.  In:  Bouchez  J.-L.,  Hutton  D.H.W.  &  Stephens
W.E. (Eds.): Granite: from segregation of melt to emplacement
fabrics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 189—197.

Ivanov  Z.  1988:  Aperçu  général  sur  l’évolution  géologique  et

structurale  du  massif  des  Rhodopes  dans  le  cadre  des
Balkanides. Bull. Soc. Geol. France 8, IV, 2, 227—240.

Ivanov Z. 1989: Structure and tectonic evolution of the central parts

of the Rhodope massif. In: Ivanov Z. (Ed.): Guide to excursion
e-3. CBGA 14

th

 Congr. Sofia, Bulgaria, 56—96.

Ivanov  Z.,  Dimov  D.,  Dobrev  S.,  Kolkovski  B.  &  Sarov  S.  2000:

Structure, Alpine evolution and mineralizations of the Central
Rhodopes area (South Bulgaria). In: Ivanov Z. (Ed.): Guide to
excursion B, ABCD-GEODE 2000 Workshop, Borovets, Bul-
garia, 1—50.

Jankovic S. 1977: Major Alpine ore deposits and metallogenic units

in the northeastern Mediterranean and concepts of plate tecton-
ics.  In:  Metallogeny  and  plate  tectonics  in  the  northeastern
Mediterranean. Fac. Min. Geol. Belgrad Univ. Edit., 105—171.

Jankovic  S.  1997:  The  Carpatho-Balkanides  and  adjacent  area:  a

sector of the Tethyan Eurasian metallogenic belt.  Mineralium
Deposita
 32, 426—433.

Jelinek V. 1978: Statistical processing of magnetic susceptibility mea-

sured in groups of specimens. Stud. Geophys. Geod. 22, 50—62.

Jelinek  V.  1981:  Characterization  of  magnetic  fabric  of  rocks.

Tectonophysics 79, 563—567.

Knight  M.D.  &  Walker  G.P.L.  1988:  Magma  flow  directions  in

è

 

à

 

ï 

background image

33

UPPER CRETACEOUS PLUTONS FROM THE SREDNA GORA ZONE (BULGARIA)

dikes  of  the  Koolau  complex,  Oahu,  dterminated  from  mag-
netic fabric studies. J. Geophys. Res. 93, 4301—4319.

Kruhl J.H. 1996: Prism- and basal-plane parallel subgrain boundaries

in quartz: a microstructural geothermobarometer. J. Metamorph.
Geology
 14, 581—589.

Michael  P.  1991:  Intrusion  of  basaltic  magma  into  a  crystallizing

granitic  magma  chamber:  The  Cordillera  del  Paine  pluton  in
southern Chile. Contr. Mineral. Petrology 108, 396—418.

Miller R.B. & Paterson S.R. 1994: The transition from magmatic to

high-temperature  solid-state  deformation:  implications  from
the  Mount  Stuart  batholith,  Washington.  J.  Struct.  Geol.  16,
853—865.

Mitchell  A.H.G.  1996:  Distribution  and  genesis  of  some  epizonal

Zn-Pb  and  Au  provinces  in  the  Carpathian—Balkan  region.
Trans. Inst. Mining and Metallurgy (Section B: Applied Earth
Sci.
) 105, 127—138.

Nachev  I.K.  1978:  On  the  Upper  Cretaceous  basin  model  in  the

Srednogorie zone. Compt. Rend. Bulg. Acad. Sci. 31, 2, 213—216.

Neubauer F. 2002: Contrasting Late Cretaceous with Neogene ore

provinces  in  the  Alpine-Balkan-Carpathian-Dinaride  collision
belt.  In:  Blundell  D.J.,  Neubauer  F.  &  von  Quadt  A.  (Eds.):
The major ore deposits in an evolving orogen. Geol. Soc. Lon-
don, Spec. Publ. 
204, 81—102.

Passchier C.W. & Trouw R.A.J. 2005: Microtectonics. 2

nd

, revised

and Enlarged Edition. Springer—Verlag, 1—366.

Paterson S.R. & Fowler T.K. 1993: Re-examining pluton emplace-

ment processes. J. Struct. Geol. 15, 191—206.

Peytcheva I. & von Quadt A. 2003: U-Pb-zircon isotope system in

mingled  and  mixed  magmas.  An  example  from  Central
Srednogorie, Bulgaria. Geophys. Res. Abstr. 5, 09177.

Peytcheva I., Von Quadt A., Kamenov B., Ivanov Zh. & Georgiev

N. 2001: New isotope data for Upper Cretaceous magma em-
placement in the Southern and South-Western Parts of Central
Srednogorie. RomJ. Miner. Depos. ABCD-GEODE 2001 Ro-
mania Abstr. Vol.,
 82—83.

Platt  J.P.  1993:  Mechanics  of  oblique  convergence.  J.  Geophys.

Res. 98, 16239—16256.

Roman-Berdiel T., Gapais D. & Brun J.-P. 1997: Granite intrusion

along strike-slip zones in experiment and nature. Amer. J. Sci.
297, 651—678.

Rosenberg  C.L.  2004:  Shear  zones  and  magma  ascent:  A  model

based on a review of the Tertiary magmatism in the Alps. Tec-
tonics
 23, TC3002, doi:10.1029/2003TC001526.

Saint-Blanquat M. & Tikoff B. 1997: Granite is never isotropic: de-

velopment of magmatic to solid-state fabrics during syntectonic
emplacement  of  the  Mono  Creek  granite,  Sierra  Nevada
Batholith. In: Bouchez J.-L., Hutton D.H.W. & Stephens W.E.
(Eds.):  Granite:  from  segregation  of  melt  to  emplacement  fab-

rics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 231—252.

Sandulescu  M.  1984:  Geotectonica  Rumaniei.  Editura  Tehnica,

Bucuresti, 1—336.

Schofield D.I. & D’Lemos R.S. 1998: Relationships between syn-

tectonic  granite  fabrics  and  regional  PTtd  paths:  an  example
from  the  Gander-Avalon  boundary  of  NE  Newfoundland.  J.
Struct. Geol.
 20, 4, 459—471.

Stampfli  C.M.  &  Mosar  J.  1999:  The  making  and  becoming  of

Apulia. Mem. Sci. Geol., Univ. Padua 51, 141—154.

Steenken A., Siegesmund S. & Heinrichs T. 2000: The emplacement

of  the  Reiserferner  Pluton  (Eastern  Alps,  Tyrol):  constraints
from field observations, magnetic fabrics and microstructures. J.
Struct. Geol. 
22, 1855—1873.

Stipp M., Stünitz H., Heilbronner R. & Schmid S. 2002: The eastern

Tonale fault zone: a ‘natural laboratory’ for crystal plastic de-
formation  of  quartz  over  a  temperature  range  from  250  to
700 °C. J. Struct. Geol. 24, 1861—1884.

Tarling D.H. & Hrouda F. 1993: The magnetic anisotropy of rocks.

Chapman and Hall, London, 1—217.

Tikoff B. & Teyssier C. 1992: Crustal-scale, en-echelon “P-shear”

tensional  bridges:  a  possible  solution  to  the  batholith  room
problem. Geology 20, 927—930.

Velichkova S., Handler R., Neubauer F. & Ivanov Z. 2001: Preliminary

40

Ar/

39

Ar mineral ages from the Central Srednogorie Zone, Bul-

garia: Implications for Cretaceous geodynamics. ABCD-GEODE
2001 Romania, Abstr Vol., Rom. Miner. Depos., 
112—113.

Velichkova  S.,  Handler  R.,  Neubauer  F.  &  Ivanov  Z.  2004:

Variscan  to  Alpine  tectonothermal  evolution  of  the  Central
Srednogorie  unit,  Bulgaria:  constraints  from 

40

Ar/

39

Ar  analy-

sis. Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt. 84, 133—151.

von  Quadt  A.,  Moritz  R.,  Peytcheva  I.  &  Heinrich  C.  2005:  Geo-

chronology  and  geodynamics  of  Late  Cretaceous  magmatism
and  Cu-Au  mineralization  in  the  Panagyurishte  region  of  the
Apuseni-Banat-Timok-Srednogorie belt (Bulgaria). Ore Geol.
Rev.
 27, 95—126.

von  Quadt  A.,  Sarov  S.,  Peytheva  I.,  Voinova  E.,  Petrov  N.,

Nedkova  K.  &  Naidenov  K.  2006:  Metamorphic  rocks  from
northern parts of Central Rhodopes – conventional and in situ
U-Pb zircon dating, isotope tracing and correlations. National
Conference “Geosciences 2006”, Abstr. Vol., 
225—228.

Wiebe R.A. & Collins W.J. 1998: Depositional features and strati-

graphic  sections  in  granitic  plutons:  implications  for  the  em-
placement  and  crystallization  of  granitic  magma.  J.  Struct.
Geol.
 20, 9/10, 1273—1289.

Zurbriggen  R.,  Kamber  B.,  Handy  M.  &  Negler  T.  1997:  Dating

synmagmatic folds: a case study of Schlingen structures in the
Strona-Ceneri  zone  (Southern  Alps,  northern  Italy).  J.
Metamorph. Petrology
 17, 403—415.