The Himalayan orogen provides a natural laboratory to test models of orogenic development due to large-scale continental collision. The Greater Himalayan Series (GHS), a lithotectonic unit continuous along the entire length of the belt, comprises the metamorphic core of the Himalayan orogen and underlies the highest topography. GHS rocks are exposed as a moderately north-dipping slab bounded below by the Main Central Thrust (MCT) and above by the South Tibetan Detachment System (STDS) of normal faults. Coeval reverse- and normal-sense motion on the crustal-scale MCT and STDS ductile shear zones allows the GHS to be modeled as an extruded wedge or channel of mid-crustal material. Due to this unique tectonic setting, the deformation path of rocks within the bounding shear zones and throughout the core of the GHS profoundly influences the efficiency of extrusion and exhumation processes. Attempts to quantify GHS deformation and metamorphic evolution have provided significant insight into Himalayan orogenic development, but these structural and petrologic studies are often conducted in isolation. Penetrative deformation fabrics developed under mid-upper amphibolite facies conditions within the GHS argue that deformation and metamorphism were coupled, and this should be considered in studies aimed at quantifying GHS teconometamorphic evolution. This work focuses on two projects related to the coupled deformation, thermal and metamorphic evolution during extrusion and exhumation of the GHS, focused on the lower and upper margins of the slab. A detailed examination of the P--T history of a schist collected from within the MCT zone of the Sutlej River, NW India, provides insight into the path experienced by these rocks as they traveled through the crust in response to the extreme shortening related to India-Asia collision. Combined forward thermodynamic and diffusion modeling indicates compositional zoning preserved in garnet has remained unmodified since growth and can be related directly to the P--T--X evolution of rocks from this zone. Classic porphyroblast--matrix relationships coupled with the above models provide a structural framework within which to interpret the microstructures and provide additional constraints on the relative timing of metamorphic and deformation events. A combined microstructural and quartz petrofabric study of rocks from the highest structural levels of the GHS in the Zanskar region was completed. This work provides the first quantitative estimate of temperatures attending normal-sense shearing along the Zanskar Shear Zone, the westernmost strand of the STDS. Results indicate penetrative top-N (extensional) deformation occurred at elevated temperatures and resulted in the telescoping of isothermal surfaces present during shearing and extrusion of GHS rocks. Simple geometric models invoking heterogeneous simple shear parallel to the overlying detachment require dip-slip displacement magnitudes on the order of 15--40 km, identical to estimates derived from nearby barometric analyses. Finally, focus is given to the rotational behavior of rigid inclusions suspended in a flowing viscous matrix from a theoretical perspective. Predictions of clast rotational behavior have been used to construct several kinematic vorticity estimation techniques that have become widely adopted for quantitative studies of naturally deformed rocks. Despite the popularity of the techniques, however, basic questions regarding clast-based analyses remain open. Therefore a numerical model was constructed and a systematic investigation of 2- and 3D clasts suspended in steady and non-steady plane-strain flows was undertaken to determine likely sources of error and the intrinsic strengths and limitations of the techniques. / Ph. D.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή ειδίκευσης αναλύεται η γεωμετρία και κινηματική της πλαστικής παραμόρφωσης στο κάλυμμα κυανοσχιστολίθων της Όχης που εμφανίζεται στην ευρύτερη περιοχή του οικισμού Πλατανιστός, στη Ν. Εύβοια. Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκε λεπτομερής γεωλογική - τεκτονική χαρτογράφηση της περιοχής, μεσοσκοπική τεκτονική ανάλυση καθώς και ποιοτική και ποσοτική μικροτεκτονική ανάλυση. Η παραμορφωτική ιστορία του καλύμματος της Όχης περιλαμβάνει πέντε διακριτές φάσεις παραμόρφωσης (D1 - D5). Η παλαιότερη, σύνθετη φάση παραμόρφωσης D1/2, έλαβε χώρα σύγχρονα με τη γλαυκοφανιτικής φάσης μεταμόρφωση των πετρωμάτων κατά το Ηώκαινο και χαρακτηρίζεται από την τοποθέτηση των επιμέρους καλυμμάτων (κάλυμμα Στύρας, κάλυμμα Όχης), με διεύθυνση κινήσεων προς τα ΑΝΑ. Το παραμορφωτικό γεγονός D3 εκφράζεται αποκλειστικά με μεσοσκοπικές και μεγασκοπικές όρθιες, συνήθως ανοικτές, πτυχές με άξονες που διευθύνονται ΑΝΑ – ΔΒΔ. Η D4 φάση αντιπροσωπεύει το κύριο γεγονός πλαστικής παραμόρφωσης. Εκφράζεται από μια ηπίως κλίνουσα φολίωση (S4) και μια γράμμωση (L4) ΑΒΑ/κης διεύθυνσης, οι οποίες ορίζονται από ορυκτά της πρασινοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης. Η τελευταία D5 φάση παραμόρφωσης χαρακτηρίζεται από ημιεύθραυστες - εύθραυστες συνθήκες παραμόρφωσης και το σχηματισμό δύο ομάδων ΒΔ – ΝΑ διευθυνόμενων κανονικών ρηγμάτων με αντίθετες φορές μετατόπισης. Χαρακτηριστικό της κύριας φάσης D4 είναι η διαφοροποίηση στην ανάπτυξη των ιστών σε περιοχές κοντά ή μέσα σε ζώνες διάτμησης, αποτέλεσμα του εντοπισμού της παραμόρφωσης (strain localization). Συστηματική τεκτονική ανάλυση των κινηματικών δεικτών σε ζώνες διάτμησης D4 έδειξαν φορά κίνησης προς τα ΒΑ. Ποιοτική και ποσοτική τεκτονική ανάλυση στη ζώνη διάτμησης του Πλατανιστού έδειξε ότι κατά την παραμόρφωση των πετρωμάτων επικρατούσαν συνθήκες γενικής σύσφιξης έως επίπεδης παραμόρφωσης όπως προκύπτει από την παράμετρο Flinn (k) που λαμβάνει τιμές 1.16 < k < 2.56 στους επιμηκυμένους και 1.2 < k < 3.68 στους ανακρυσταλλωμένους κόκκους χαλαζία. Το συμπέρασμα αυτό ενισχύεται από τα διαγράμματα των κρυσταλλογραφικών [c]-αξόνων του χαλαζία που εμπίπτουν στο πεδίο της γενικής σύσφιξης. Επίσης, από τον υπολογισμό του 2D και 3D ποσού της παραμόρφωσης όπου προέκυψαν τιμές 8.05 < RXZ < 10.8 και 1.49 < ες < 1.70 με βάση τους επιμηκυμένους και 2.4 < RXZ < 3.15 και 0.62 < ες < 0.81 με βάση τους ανακρυσταλλωμένους κόκκους χαλαζία, συμπεραίνεται ότι το ποσό της παραμόρφωσης είναι εμφανώς μικρότερο όταν υπολογίζεται για ανακρυσταλλωμένους κόκκους από όταν υπολογίζεται για επιμηκυμένους κόκκους χαλαζία. Τέλος, με την εφαρμογή τριών μεθόδων (RXZ/β, RXZ/δ και δ/β) υπολογίστηκε ο κινηματικός αριθμός της στροβίλισης Wm ο οποίος λαμβάνει τιμές από 0.60 έως 0.99 φανερώνοντας ότι η ζώνη του Πλατανιστού είναι μία ζώνη στην οποία κυριαρχεί η απλή διάτμηση με μικρή συμμετοχή του παράγοντα καθαρής διάτμησης. / Τhis MSc thesis deals with the geometric and kinematic analysis of the ductile deformation in the (CBU) Cycladic Blueschist Nappe (Mt Ochi), which crops out in the vicinity of Platanistos village in south Evia island. As part of the research, detailed geological-structural mapping of the area was combined with mesoscopic structural analysis, as well qualitative and quantitative microtectonic analysis. The deformation history of the Cycladic Blueschist Nappe in the study area includes five distinct deformation phases (D1-D5). The oldest composite D1/2 deformation phase recorded in the study area took place simultaneous with the Eocene blueschist phase metamorphism. This D1/2 phase is characterized by structures that are related with ESE-directed thrusting and the emplacement of the individual units that constitute CBU (Styra and Ochi nappe). The D3 deformation event includes mesoscopic to map-scale upright, usually open, folds with ESE-WNW trending axes. D4 is the dominant phase of ductile deformation and is represented by a gently dipping foliation (S4) and an ENE-trending stretching lineation (L4). D4 fabrics are defined by the shape preferred orientation of minerals (e.g. actinolite) that are stable in the greenschist phase conditions. The latest D5 deformation event took place in semi-brittle - brittle deformation conditions and was characterized by the formation of two sets of NW-SE striking normal faults with opposite displacement directions. The main characteristic of D4 phase is the differentiation in the development of the planar S4 fabric, as a result of localization of D4 deformation (strain localization) in regions close to or into ductile shear zones. Kinematic analysis of D4 deformation was performed in ductile D4 shear zones and showed a top-to-the ENE sense of shear. Qualitative and quantitative analysis on the shear zone of Platanistos revealed that D4 deformation took place under general constriction to plane strain conditions, as shown from the Flinn parameter (k) values obtained from the elongated (1.16<k<2.56) and the recrystallized (1.2<k<3.68) quartz grains. This conclusion is further supported by quartz [c]-axis fabric diagrams, which also show types formed in general constriction. Furthermore, from the 2D and 3D strain analysis yielded values 8.05 < RXZ < 10.8 and 1.49 < ες < 1.70 by measuring the shape of elongated quartz grains and values 2.4 < RXZ < 3.15 and 0.62 < ες < 0.81 by measuring recrystallized quartz grains. Finally, three methods (RXZ/β, RXZ/δ and δ/β) were applied in order to calculate the kinematic vorticity number, Wm, which takes values from 0.60 to 0.99, revealing that Platanistos shear zone is a zone dominated by simple shearing with little contribution of pure shear component.

The Himalayan orogen provides an incredible natural laboratory to test models for continent-continent collision. The highest peaks of the Himalayas are composed of the Greater Himalayan Sequence (GHS), which is bound by a north-dipping low angle detachment fault above (South Tibetan detachment; STD) and by a thrust fault below (Main Central thrust; MCT). Assuming simultaneous movement on these features, the GHS can be modeled as a southward extruding wedge or channel. Channel flow models describe the coupling between mid-crustal flow, driven by gradients in lithostatic pressure between the Tibetan Plateau and the Indian plate, and focused denudation on the range front. Although the general geometry and shear sense criteria for these bounding shear zones has been documented, prior to this investigation, relatively few attempts had been made to quantify the spatial and temporal variation in flow path history for rocks from an exhumed section of the proposed mid-crustal channel. Results from this investigation demonstrate that mid-crustal flow at high deformation temperatures was distributed throughout the proposed channel. As these rocks began to exhume to shallower crustal conditions and therefore lower temperatures, deformation began to become partitioned away from the core of the channel and into the bounding shear zones. Based on these results a new method (Rigid Grain Net) to measure the relative contributions of pure and simple shear (vorticity) is proposed. Detailed thermobarometric analysis was conducted on rocks from the highest structural level in the Khumbu region, Nepal to construct pressure-temperature-time-deformation paths during the tectonic evolution of the GHS between ~32-16 Ma. Another aspect of the project suggests that the most active feature of the region is the N-S trending Ama Drime Massif (ADM). By combining new structural interpretation with existing remote sensing data this investigation proposes that the ADM is being exhumed during extension that is coupled with denudation in the trans-Himalayan Arun River gorge. Together these data provide important insights into the dynamic links between regional-scale climate and crustal-scale tectonics. / Ph. D.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην γεωδυναμική εξέλιξη της Αττικής. Η Αττική συνίσταται από τους μεταμορφωμένους σχηματισμούς της Αττικοκυκλαδικής Μάζας στους οποίους επωθούνται οι αμεταμόρφωτοι έως χαμηλά μεταμορφωμένοι σχηματισμοί της Υποπελαγονικής Ζώνης. Στην Αττική η Αττικοκυκλαδική Μάζα διαχωρίζεται σε Ενότητα Κυανοσχιστολίθων και Ενότητα Βάσης. Η μεγασκοπική, μεσοσκοπική και μικροτεκτονική ανάλυση που εφαρμόστηκε κυρίως στα μεταμορφωμένα πετρώματα, οδήγησε στην αναγνώριση τεσσάρων κύριων παραμορφωτικών φάσεων. Η πρώτη παραμορφωτική φάση D1 έλαβε χώρα σε πλαστικές συνθήκες και είναι σύγχρονη με την Ηωκαινική Μ1 μεταμόρφωση υψηλών πιέσεων - χαμηλών θερμοκρασιών που προέκυψε από την καταβύθιση του πρωτόλιθου της Ενότητας Κυανοσχιστόλιθων κάτω από την Υποπελαγονική Ζώνη σε βάθη περίπου 40χλμ. σε ένα καθεστώς ηπειρωτικής σύγκρουσης. Στη ζώνη καταβύθισης εισήλθε προοδευτικά κατά το Ολιγόκαινο ο πρωτόλιθος της Ενότητας Βάσης ο οποίος βρισκόταν παλαιογεωγραφικά ανατολικότερα από την Ενότητα Κυανοσχιστολίθων. Κατά τη διάρκεια της καταβύθισης ένα μικρό τμήμα της επωθημένης Υποπελαγονικής Ζώνης, γνωστή ως Ενότητα Τουρκοβουνίων, αποσπάστηκε, ενταφιάστηκε σε βάθος περίπου 10 Χλμ. και παραμορφώθηκε σε εύθραυστες συνθήκες. Η παραμόρφωση των πετρωμάτων της Ενότητας Τουρκοβουνίων χαρακτηρίζεται από εύθραυστες πτυχές και C-S δομές με ροπή προς ΝΑ. Στο όριο Ολιγόκαινου – Μειόκαινου και σε συνθήκες ανάδρομης πρασινοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης Μ2, έλαβε χώρα μία δεύτερη πλαστική παραμορφωτική φάση D2 που σηματοδοτεί την έναρξη του εκταφιασμού της Ενότητας Κυανοσχιστόλιθων και την τοποθέτηση τους επί της Ενότητας Βάσης μέσω μιας φλοιικής κλίμακας πλαστικής επώθησης, της «Επώθησης Βάσης». Στην Επώθηση Βάσης πραγματοποιήθηκε λεπτομερής κινηματική ανάλυση σε περίπου 1200 θέσεις σε όλη την έκταση της Αττικής χρησιμοποιώντας πληθώρα μεσοσκοπικών και μικροσκοπικών κινηματικών δεικτών. Οι μεσοσκοπικοί κινηματικοί δείκτες προέκυψαν από την ανάλυση 554 F2 πτυχών πλαστικού τύπου, 20 boudinages και 25 πορφυροκλαστών. Οι μικροσκοπικοί κινηματικοί δείκτες προέρχονται από την ανάλυση 187 λεπτών τομών και αριθμούν στη κινηματική εκτίμηση πλάγιων φολιώσεων σε 65 λεπτές τομές, C’ ταινιώσεων διάτμησης σε 43 λεπτές τομές, πορφυροκλαστών σε 23 λεπτές τομές, ιχθυόσχημων μαρμαρυγιών σε 12 λεπτές τομές, C-S ταινιωτών δομών σε 11 λεπτές τομές και την μέτρηση 14096 [c]-αξόνων χαλαζία, 4809 [c]-αξόνων ασβεστίτη και 3289 διδυμιών ασβεστίτη. Ο συνδυασμός των παραπάνω και η κατασκευή χαρτών των πορειών των κρυσταλλικών γραμμώσεων έκτασης που προκύπτουν από την μέτρηση 2720 κρυσταλλικών γραμμώσεων έκτασης, έδειξαν κίνηση των μεταμορφωμένων καλυμμάτων με ροπή προς ΑΒΑ κατά την D2 φάση. Από συνολικά 59 δείγματα υπολογίστηκε το ποσό της παραμόρφωσης στο επίπεδο που είναι παράλληλο στη διεύθυνση κίνησης, ενώ σε 19 από αυτά προσδιορίστηκε το ελλειψοειδές της παραμόρφωσης. Η ποσοτική τεκτονική ανάλυση για τον προσδιορισμό του ποσού της παραμόρφωσης και του κινηματικού αριθμού στροβίλισης (Wm) έδειξε ότι η τεκτονική τοποθέτηση της ενότητας Κυανοσχιστόλιθων επί της Ενότητας Βάσης έλαβε χώρα σε συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης (k≈1,02) και γενικής διάτμησης εκφραζόμενης από τιμές Wm μεταξύ 0,22 και 0,97. Με βάση τα στοιχεία αυτά υπολογίζεται ότι η πλαστική λέπτυνση και η αντίστοιχη πλαστική επιμήκυνση παράλληλα στην διεύθυνση κίνησης του καλύμματος των Κυανοσχιστολίθων είναι 20-50% και 30-90%, αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές οι οποίες είναι συγκρίσιμες με αυτές που έχουν υπολογιστεί σε άλλες ορογενετικές ζώνες (π.χ. Εξωτερικές Ελληνίδες, Ιμαλάια) φανερώνουν ότι ο εκταφιασμός της Ενότητας Κυανοσχιστόλιθων πιθανότατα πραγματοποιήθηκε με ένα μηχανισμό πλαστικής διαφυγής. Με τη συνεχή άνοδο σε ανώτερους δομικούς ορόφους (~10Χλμ.), τα μεταμορφωμένα καλύμματα της Αττικής υπεισήλθαν κατά τη διάρκεια του Κ. έως Α. Μειόκαινου, σε μία τρίτη παραμορφωτική φάση D3 και υπέστησαν παραμόρφωση σε καθεστώς συμπίεσης κάτω από εύθραυστες συνθήκες. Η ποιοτική και κινηματική ανάλυση από 531 F3-πτυχές και 30 C-S δομές δείχνει κίνηση με ροπή προς τα Α-ΑΒΑ. Η κατασκευή χαρτών πορειών φολιώσεων από την μέτρηση 3500 φολιώσεων που φανερώνουν τους άξονες της D3 μεγαπτύχωσης, σε συνδυασμό με τους χάρτες πορειών κρυσταλλικών γραμμώσεων έκτασης δηλώνουν ότι η Επώθηση Βάσης κατά την D3 φάση, απόκτησε μία δεξιόστροφη συνιστώσα και πλαγιοανάστροφο χαρακτήρα κίνησης. Τα αλλεπάλληλα συμπιεστικά γεγονότα στα μεταμορφωμένα πετρώματα της Αττικοκυκλαδικής Μάζας, διαδέχτηκε ένα καθεστώς διαστολής D4 που αντιπροσωπεύεται από κανονικά ρήγματα και το σχηματισμό ρηξισχισμού που λειτούργησαν κατά το Α. Μειόκαινο και δείχνουν στο τελικό τους στάδιο Β-Ν διεύθυνση εφελκυσμού. Η D4 φάση παραμόρφωσης παρατηρείται σε όλα τα πετρώματα της Αττικής και υπερτίθεται όλων των προγενέστερων παραμορφωτικών φάσεων. / The present PhD thesis focuses on the geodynamic evolution of Attica. Attica consists of the metamorphic rocks of the Attico-Cycladic Massif and the low- or non-metamorphosed formations of Subpelagonian Zone. In Attica the Attico-cycladic Massif is represented by the "Blueschist Unit" and the "Basal Unit". Mesoscopic structural data coupled with microtectonic analyses, applied mainly on the metamorphic rocks, enabled the distinction of four deformation phases which took place from Eocene to middle Miocene. The ductile D1 phase was synchronous to Eocene blueschist facies metamorphism and is associated with the continent–continent collision and subduction of the protolith of the Blueschist Unit beneath the Subpelagonian Zone to a depth of c. 40 km. The protolith of the Basal Unit, which was paleogeographically located eastwards of the Blueschist Unit, entered in the subduction channel via progressive underthrusting at Oligocene. During the subduction, a small part of the overthrust Subpelagonian Zone, also known as Tourkovounia Unit buried in a depth of c. 10 km and affected by penetrative brittle deformation expressed by brittle folds and C-S structures indicating a consistent top-to-the-SE sense of shear. At the Oligocene – Miocene boundary a ductile deformation phase (D2) took place coeval with the greenschist facies retrogression and the exhumation of the Blueschist Unit. This was commenced with the emplacement of the Blueschist Unit over the Basal Unit via a crustal scale ductile thrust, named hereinafter the “Basal Thrust”. Detailed kinematic analysis has been performed in c. 1200 locations using a plethora of mesoscopic and microscopic kinematic indicators. The mesoscopic indicators are represented by the analysis of c. 600 F2 folds, asymmetric boudinages and porphyroclasts. Microstructural analysis on 187 thin sections resulted to the designation of oblique foliation, shear bands, C-S structures, porphyroclasts, mica-fish and the measurement of 3289 e-lamellae and c. 19000 c-axes of quartz and calcite. The combination of the aforementioned data and the projection of the stretching lineation trajectories on geological maps indicate dominant top-to-the-ENE sense of shearing during D1 phase. Strain analysis was performed on 59 samples where Rxz values were obtained, while Ryz values were calculated in 19 representative samples. The observed variation in strain geometry indicates that the emplacement of the Blueschist Unit took place under approximately plane strain conditions (k≈1,02) that experienced a general shear deformation history with kinematic vorticity number, Wm, between 0,22 and 0,97. Integration of the vorticity and strain data indicates ductile thinning and transport-parallel elongation by 20–50% and 30–90%, respectively, during exhumation. These values are comparable with ductile thinning in other metamorphic sequences in orogenic belts (e.g. Himalaya and the External Hellenides) and reveal that formation and stacking of the studied units probably occurred under a mechanism of solid-state ductile extrusion. The continuous exhumation of metamorphic rocks at relatively shallow crustal levels (≈10 km) is associated with the third deformation D3 phase, which corresponds to a compression regime occurring under brittle conditions (L. to U. Miocene). Kinematic analysis of 531 F3-folds and 30 C-S structures manifests a top-to-the-A-ABA sense of shear. The projection of the foliation trajectories, that reveal the curved hinge lines of the anticlines/sinclines of the area, in combination with the stretching lineation trajectories, possibly documents a dextral transpressional shearing of the Basal Thrust. The last observed D4 phase occurred during the upper Miocene and is characterized by the formation of normal faults and joints resulted by an N-S extensional regime.