Geochemistry and petrology of the ferropicrite dikes and associated rocks of Vestfjella, western Dronning Maud Land, Antarctica

This study provides insights into the composition and origin of ferropicrite dikes (FeOtot = 13 17 wt. %; MgO = 13 19 wt. %) and associated meimechite, picrite, picrobasalt, and basalt dikes found at Vestfjella, western Dronning Maud Land, Antarctica. The dikes crosscut Jurassic Karoo continental flood basalts (CFB) that were emplaced during the early stages of the breakup of the Gondwana supercontinent ~180 Ma ago. Selected samples (31 overall from at least eleven dikes) were analyzed for their mineral chemical, major element, trace element, and Sr, Nd, Pb, and Os isotopic compositions. The studied samples can be divided into two geochemically distinct types: (1) The depleted type (24 samples from at least nine dikes) is relatively depleted in the most incompatible elements and exhibits isotopic characteristics (e.g., initial εNd of +4.8 to +8.3 and initial 187Os/188Os of 0.1256 0.1277 at 180 Ma) similar to those of mid-ocean ridge basalts (MORB); (2) The enriched type (7 samples from at least two dikes) exhibits relatively enriched incompatible element and isotopic characteristics (e.g., initial εNd of +1.8 to +3.6 and initial 187Os/188Os of 0.1401 0.1425 at 180 Ma) similar to those of oceanic island basalts. Both magma types have escaped significant contamination by the continental crust. The depleted type is related to the main phase of Karoo magmatism and originated as highly magnesian (MgO up to 25 wt. %) partial melts at high temperatures (mantle potential temperature >1600 °C) and pressures (~5 6 GPa) from a sublithospheric, water-bearing, depleted peridotite mantle source. The enriched type sampled pyroxene-bearing heterogeneities that can be traced down to either recycled oceanic crust or melt-metasomatized portions of the sublithospheric or lithospheric mantle. The source of the depleted type represents a sublithospheric end-member source for many Karoo lavas and has subsequently been sampled by the MORBs of the Indian Ocean. These observations, together with the purported high temperatures, indicate that the Karoo CFBs were formed in an extensive melting episode caused mainly by internal heating of the upper mantle beneath the Gondwana supercontinent. My research supports the view that ferropicritic melts can be generated in several ways: the relative Fe-enrichment of mantle partial melts is most readily achieved by (1) relatively low degree of partial melting, (2) high pressure of partial melting, and (3) melting of enriched source components (e.g., pyroxenite and metasomatized peridotite). Ferropicritic whole-rock compositions could also result from accumulation, secondary alteration, and fractional crystallization, however, and caution is required when addressing the parental magma composition.

Mantereiset laakiobasalttiprovinssit ovat suurimpia tunnettuja ilmanalaisia vulkaanisia muodostumia (alkuperäinen tilavuus jopa 2 × 106 km3). Laakiobasaltteja esiintyy kaikilla mantereilla ja niitä tiedetään muodostuneen miltei läpi maapallon historian. Laakiobasalttien purkautumisella on ollut huomattava vaikutus maapallon ilmastoon ja elämän kehitykseen, mutta niiden synnystä tiedetään edelleen varsin vähän. Tämä johtuu osaltaan siitä, että suurin osa laakiobasalttien kantasulista on reagoinut voimakkaasti mantereisen litosfäärin kanssa ja niiden alkuperäinen, mahdollisesti litosfäärin alaisesta vaipasta peritty geokemiallinen sormenjälki on vaikeasti tunnistettavissa ja tulkittavissa. Ferropikriitit ovat poikkeuksellisen rautarikkaita (FeOtot >13 14 p. %) ja primitiivisiä (MgO ≈ 12 18 p. %) laavakiviä, joita on kuvattu muutamista laakiobasalttiprovinsseista. Toisin kuin tavalliset laakiobasaltit, ferropikriitit eivät yleensä ole merkittävästi reagoineet litosfäärin kanssa ja siksi ne tarjoavat arvokasta tietoa suoraan laakiobasalttimuodostumien alkulähteiltä. Ferropikriitit on usein yhdistetty anomalisen korkeisiin vaipan lämpötiloihin ja vaippapluumeihin, mutta näiden erikoisten kivien syntyyn liittyy useita kysymyksiä: Mistä niiden korkea rautapitoisuus on peräisin? Miten ne kytkeytyvät laakiobasalttien syntyyn? Tässä väitöskirjatyössä käsitellään Vestfjellan (Kuningatar Maudin maa, Etelämanner) ferropikriittien (FeOtot = 13 17 p. %; MgO = 13 19 p. %) sekä niihin liittyvien muiden primitiviisten magmakivien pikriittien, meimechiittien, pikrobasalttien ja basalttien geokemiaa ja petrologiaa. Nämä suureksi osaksi aikaisemmin tuntemattomat kivet leikkaavat juonina Karoon suuren magmaprovinssin laakiobasaltteja, jotka purkautuivat jurakaudella noin 180 miljoonaa vuotta sitten Gondwana-supermantereen repeämisprosessin alkuvaiheiden aikana. Valikoiduista näytteistä (yhteensä 31 vähintään yhdestätoista juonesta) analysoitiin mineraalien koostumuksia sekä pääalkuaine-, hivenalkuaine-, ja Sr-, Nd-, Pb- ja Os-isotooppikoostumuksia. Analysoidut näytteet voidaan jakaa hivenalkuaine- ja isotooppikoostumuksensa perusteella kahteen magmatyyppiin: (1) Köyhtynyt magmatyyppi (24 näytettä vähintään yhdeksästä juonesta) on köyhtynyt sopeutumattomimmista alkuaineista ja muistuttaa isotooppikoostumukseltaan valtamerten keskiselänteiden basaltteja; (2) Rikastunut magmatyyppi (7 näytettä vähintään kahdesta juonesta) on suhteellisen rikastunut sopeutumattomimmista alkuaineista ja muistuttaa hivenalkuaine- ja isotooppikoostumukseltaan merellisten saarten basaltteja. Kumpikaan magmatyyppi ei ole merkittävästi saastunut kuorellisella aineksella. Köyhtynyt magmatyyppi on peräisin hyvin MgO-rikkaista (jopa 25 p. %) kantasulista, jotka muodostuivat Karoon päävaiheen aikana korkeissa vaipan lämpötiloissa (>1600 °C) ja paineissa (n. 5 6 GPa) pääosin vesipitoisesta, köyhtyneestä ylävaipan peridotiitista. Rikastuneen magmatyypin lähteenä ovat vaipan heterogeeniset pyrokseenipitoiset komponentit, jotka muodostuivat joko subduktoituneen merellisen kuoren reagoidessa vaipan peridotiitin kanssa tai sulametasomatoosin seurauksena. Geokemiallisen mallinnuksen perusteella monet litosfäärin aineksilla saastuneista Karoon laakiobasalteista ovat saaneet alkunsa samasta vaippalähteestä kuin köyhtynyt magmatyyppi. Tästä lähteestä ovat todennäköisesti peräisin myös isotooppikoostumukseltaan hyvin samankaltaiset Intian Valtameren keskiselänteen basaltit. Nämä havainnot ja köyhtyneelle magmatyypille arvioidut korkeat lähdelämpötilat viittaavat siihen, että Karoon laakiobasaltit saivat suurimmaksi osaksi alkunsa Gondwana-supermantereen alaisen vaipan sisäisen lämpenemisen, ei niinkään ylävaippaan tunkeutuneen syvän vaippapluumin, seurauksena. Tutkimukseni tukee näkemystä siitä, että ferropikriittiset sulat voivat syntyä monin eri tavoin: poikkeuksellisen korkea rautapitoisuus saavutetaan todennäköisimmin, jos lähdemateriaali vaipassa sulaa (1) alhaisella asteella (2) ja/tai korkeassa paineessa ja/tai (3) lähdemateriaali sisältää rikastuneita komponentteja (esim. pyrokseniittia tai metasomatoitunutta peridotiittia). On kuitenkin huomionarvoista, että ferropikriittinen kokokivikoostumus voi olla myös seurausta akkumulaatiosta, sekundaarisesta muuttumisesta tai fraktioivasta kiteytymisestä, ja erityistä huomiota on siksi kiinnitettävä kantamagman koostumuksen määrittämiseen.