The influence of petrogenetic processes on the composition of Ocean Island Basalts

Ocean Island Basalts (OIB) provide important information on the chemical and physical characteristics of their mantle sources. However, the geochemical composition of a generated magma is significantly affected by partial melting and/or subsequent fractional crystallization processes. In addition, the isotopic composition of an ascending magma may be modified during transport through the oceanic crust. The influence of these different processes on the chemical and isotopic composition of OIB from two different localities, Hawaii and Tubuai in the Pacific Ocean, are investigated here. In a first chapter, the Os-isotope variations in suites of lavas from Kohala Volcano, Hawaii, are examined to constrain the role of melt/crust interactions on the evolution of these lavas. As 187Os/188Os sensitivity to any radiogenic contaminant strongly depend on the Os content in the melt, Os and other PGE variations are investigated first. This study reveals that Os and other PGE behavior change during the Hawaiian magma differentiation. While PGE concentrations are relatively constant in lavas with relatively primitive compositions, all PGE contents strongly decrease in the melt as it evolved through ~ 8% MgO. This likely reflects the sulfur saturation of the Hawaiian magma and the onset of sulfide fractionation at around 8% MgO. Kohala tholeiites with more than 8% MgO and rich in Os have homogeneous 187Os/188Os values likely to represent the mantle signature of Kohala lavas. However, Os isotopic ratios become more radiogenic with decreasing MgO and Os contents in the lavas, which reflects assimilation of local crust material during fractional crystallization processes. Less than 8% upper oceanic crust assimilation could have produced the most radiogenic Os-isotope ratios recorded in the shield lavas. However, these small amounts of upper crust assimilation have only negligible effects on Sr and Nd isotopic ratios and therefore, are not responsible for the Sr and Nd isotopic heterogeneities observed in Kohala lavas. In a second chapter, fractional crystallization and partial melting processes are constrained using major and trace element variations in the same suites of lavas from Kohala Volcano, Hawaii. This inverse modeling approach allows the estimation of most of the trace element composition of the Hawaiian mantle source. The calculated initial trace element pattern shows slight depletion of the concentrations from LREE to the most incompatible elements, which indicates that the incompatible element enrichments described by the Hawaiian melt patterns are entirely produced by partial melting processes. The “Kea trend” signature of lavas from Kohala Volcano is also confirmed, with Kohala lavas having lower Sr/Nd and La/Th ratios than lavas from Mauna Loa Volcano. Finally, the magmatic evolution of Tubuai Island is investigated in a last chapter using the trace element and Sr, Nd, Hf isotopic variations in mafic lava suites. The Sr, Nd and Hf isotopic data are homogeneous and typical for the HIMU-type OIB and confirms the cogenetic nature of the different mafic lavas from Tubuai Island. The trace element patterns show progressive enrichment of incompatible trace elements with increasing alkali content in the lavas, which reflect progressive decrease in the degree of partial melting towards the later volcanic events. In addition, this enrichment of incompatible trace elements is associated with relative depletion of Rb, Ba, K, Nb, Ta and Ti in the lavas, which require the presence of small amount of residual phlogopite and of a Ti-bearing phase (ilmenite or rutile) during formation of the younger analcitic and nephelinitic magmas.

Ozeaninselbasalte liefern wichtige Informationen über die chemischen und physikalischen Eigenschaften ihrer Ausgangsgesteine im Erdmantel. Die chemische Zusammensetzung von Mantelschmelzen wird jedoch entscheidend während des partiellen Schmelzens und der anschließenden fraktionierten Kristallisation verändert. Zudem kann auch die isotopische Zusammensetzung von Mantelschmelzen während des Transports durch die ozeanische Kruste verändert werden. Anhand von Laven zweier ozeanischer Inseln, Hawaii und Tubuai im Pazifischen Ozean, wird in dieser Dissertation der Einfluss dieser sekundären Prozesse auf die chemische und isotopische Zusammensetzung von Schmelzen des Erdmantels untersucht. Im ersten Kapitel wird untersucht welchen Einfluss die Wechselwirkung zwischen Schmelzen des Kohala Vulkans (Hawaii) und der umgebenden Kruste während des Magmentransports und der Magmendifferenzierung auf die Os Isotopenzusammensetzung der Schmelze hat. Da die Os Konzentration der Schmelze entscheidend dafür ist wie stark die 187Os/188Os Werte durch Assimilation von umgebendem Krustenmaterial beeinflusst werden, werden in einem ersten Schritt die Variation der Konzentrationen der Platin Gruppen Elemente während der magmatischen Differenzierung untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich das Verhalten von Os und anderen Platingruppenelementen während der Magmendifferenzierung ändert. Die Konzentrationen der Paltingruppenelemente in Laven mit primitiver Zusammensetzung bleiben relativ konstant, nehmen aber stark ab sobald die Laven einen MgO Gehalt von etwa 8wt. % unterschreiten. Dieser Effekt geht wahrscheinlich auf die Schwefelsättigung und die damit beginnende Schwefelfraktionierung der Magmen bei etwa 8% MgO zurück. Tholeiite mit mehr als 8% MgO und hohen Os Gehalten haben homogene 187Os/188Os Werte, die sehr wahrscheinlich der des aufschmelzenden Erdmantels unter Kohala entsprechen. Die Os Isotopenverhältnisse steigen allerdings mit abnehmendem Os Gehalt der Magmen an, was ein Hinweis für Assimilation der lokalen Kruste während der fraktionierten Kristallisation ist. Assimilation von weniger als 8% der oberen ozeanischen Kruste ist ausreichend um die radiogensten Osmium-Isotopeverhältnisse der Kohala Laven zu erklären. Da solch relative geringe Mengen an assimilierter Kruste keinen nennenswerten Effekt auf die Sr und Nd Isotopenverhältnisse haben, kann die beobachtete Variation der Sr und Nd Isotopenverhältnisse nicht allein auf diesen Effekt zurückgeführt werden. Im zweiten Kapitel werden die Auswirkungen von partieller Schmelzbildung und fraktionierter Kristallisation auf die Haupt- und Spurenelementkonzentrationen der Kohala Laven untersucht. Mit Hilfe von inversen Spurenelementmodellierungen wurden zudem die Spurenelementkonzentrationen in der Mantelquelle geschätzt. Die errechneten Spurenelementkonzentrationen zeigen eine leichte Verarmung der leichten Seltenen Erd Elemente gegenüber den inkompatibelsten Spurenelementen, was zeigt dass deren Anreicherung in den Schmelzen allein ein Resultat der partiellen Schmelzbildung ist und nicht auf eine Anreicherung dieser Element relativ zu den leichten Seltenen Erd Elemente in der Mantelquelle zurückzuführen ist. Die niedrigeren Sr/Nd und La/Th Verhältnisse der Kohala Laven im Vergleich zu Laven von Mauna Loa zeigen zudem, dass diese Laven den Laven des sogenannten “Kea Trends” zuzuordnen sind. Im letzten Kapitel wird die chemische Entwicklung mafischer Laven von Tubuai anhand deren Spurenelement- und Sr, Nd, Hf Isotopenvariationen untersucht. Die Sr, Nd, und Hf Isotopenverhältnisse in allen Laven sind homogen, was auf den Ursprung der Laven aus einer homogenen Mantelquelle hindeutet. Sie sind typisch für Ozeaninselbasalte des HIMU Typs. Die zunehmende Anreicherung an inkompatiblen Spurenelementen mit zunehmender Alkalinität der Laven lässt auf Entstehung durch zunehmend niedrigere partielle Schmelzgrade schließen. Die damit einhergehende relative Verarmung an Rb, Ba, K, Nb, Ta and Ti ist ein Hinweis auf eine geringe Menge an residualem Phlogopit und einer Ti-führenden Mineralphase (Ilmenit oder Rutil) während der Schmelzbildung der Analcite and Nephelinite.