Deciphering petrological signatures of reactive melt stagnation and cooling in the oceanic mantle underneath ultraslow-spreading ridges

The global mid-ocean ridge system creates oceanic crust and lithosphere that covers more than two-thirds of the Earth. Basalts are volumetrically the most important rock type sampled at mid-ocean ridges. For this reason, our present understanding of upper mantle dynamics and the chemical evolution of the earth is strongly influenced by the study of mid-ocean ridge basalts (MORB). However, MORB are aggregates of polybarically generated small melt increments that can undergo a variety of physical and chemical processes during their ascent and consequently affect their derivative geochemical composition. Therefore, MORB do not represent “direct” windows to the underlying upper mantle. Abyssal peridotites, upper mantle rocks recovered from the ocean floor, are the residual complement to MORB melting and provide essential information on melt extraction from the upper mantle. In this study, abyssal peridotites are examined to address these overarching questions posed by previous studies of MORB: How are basaltic melts formed in the mantle, how are they extracted from the mantle and what physical and chemical processes control mantle melting? The number of studies on abyssal peridotites is small compared to those on basalts, in part because seafloor exposures of abyssal peridotites are relatively rare. For this reason, abyssal peridotite characteristics need to be considered in the context of subaerially exposed peridotites associated with ophiolites, orogenic peridotite bodies and basalt-hosted xenoliths. However, orogenic peridotite bodies are mainly associated with passive continental margins, most ophiolites are formed in supra-subduction zone settings, and peridotite xenoliths are often contaminated by their host magma. Therefore, studies of abyssal peridotites are essential to understanding the primary characteristics of the oceanic upper mantle free from the influence of continental rifting, subduction and tectonic emplacement processes. Nevertheless, numerous processes such as melt stagnation and cooling-induced, inter-mineral exchange can affect residual abyssal peridotite compositions after the cessation of melting. The aim of this study is to address these post-melting modifications of abyssal peridotites from a petrological-geochemical perspective. The samples in this study were dredged along the axis of the ultraslow-spreading Gakkel Ridge in the Arctic Ocean within the “Sparsely Magmatic Zone”, a 100 km ridge section where only mantle rocks are exposed. During two expeditions (ARK XVII-2 in 2001 and ARK XX-2 in 2004), exceptionally fresh peridotites were recovered. The boulders and cobbles collected cover a range of mantle rock compositions, with most characterized as plagioclase-free spinel peridotites or plagioclase- spinel peridotites. This thesis investigates melt stagnation and cooling processes in the upper mantle and is divided into two parts. The first part focuses on processes in the stability field of spinel peridotites (>10 kb) such as melt refertilization and cooling related trace element exchange, while the second part investigates processes in the stability field of plagioclase peridotites (< 10 kb) such as reactive melt migration and melt stagnation. The dissertation chapters are organized to follow the theoretical ascent of a mantle parcel upwelling beneath the location where the samples were collected.

Im Bereich der mittelozeanischen Rücken wird die ozeanische Kruste gebildet, die mehr als zwei Drittel der Erde bedeckt. Basalte stellen dabei die volumetrisch bedeutendste Gesteinsgruppe dar, die infolgedessen die Hauptgrundlage unseres Wisssens über geodynamische und geochemische Prozesse im Erdmantel bilden. Basalte von mittelozeanischen Rücken (MORB) unterliegen während ihrer Bildung und beim Transport zur Oberfläche einer Vielzahl von Prozessen, die ihre geochemische Zusammensetzung modifizieren können. Daher erlauben MORB keine direkten Einblicke in Mantelprozesse. Tiefsee-Peridotite, also Mantelgesteine, die direkt am Ozeanboden aufgeschlossen sind, repräsentieren das Komplementärgestein zu den MORB-Basalten und sind daher mindestens ebenso wichtig für die Erforschung von Schmelzprozessen und Schmelzmigration im Mantel. Infolgedessen werden zentrale Fragen von Schmelzbildung und -transport im ozeanischen Mantel anhand von Tiefsee-Peridotiten untersucht. Die Zahl der wissenschaftlichen Untersuchungen an Tiefsee-Peridotiten ist noch vergleichsweise gering, was zum Teil an der relativen Seltenheit liegt, dass Tiefsee-Peridotite direkt am Ozeanboden aufgeschlossen sind. Unser Wissen über Mantelgesteine beruht auf Studien an Ophioliten, alpinotypen Peridotiten, und an Xenolithen, die daher auch immer im Kontext betrachten werden müssen. Allerdings sind erstere häufig durch Obduktionsprozesse und letztere durch die sie transportierenden Schmelzen modifiziert. Weiterhin ist ein Großteil der Ophiolite in Back-Arc Becken entstanden, während alpinotype Peridotite mit der Entstehung an kontinentalen Rändern in Zusammenhang gebracht werden. Daher erlauben sie keine direkten Einblicke in Mantelprozesse an mittelozeanischen Rücken. Dies macht die Erforschung von Tiefsee- Peridotiten umso wichtiger. Allerdings werden auch Tiefsee-Peridotite nach Beendigung des Aufschmelzungsprozesses noch weiteren Prozessen, wie z.B. Abkühlung und Schmelzrefertilisierung unterworfen. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, diese Prozesse aus petrologisch-geochemischer Perspektive zu untersuchen. Neuere Erkenntnisse haben gezeigt, das die sogenannten ultra-langsam spreizenden mittelozeanischen Rücken eine fundamental andere Dynamik aufweisen, als ihre schneller spreizenden Äquivalente. Geringe Magmenproduktion, typisch für langsam spreizende Rücken, und damit einhergehende niedrigere Verhältnisse von Schmelzen zu Umgebungsgestein erlauben die detaillierte Studie von Modifikationsprozessen der Zusammensetzung von residuellen Peridotiten. Die Proben für diese Arbeit stammen aus der Amagmatischen Zone (Sparsely Magmatic Zone) am Gakkel-Rücken, der das langsam spreizende Endglied im System der mittelozeanischen Rücken darstellt. Der zentrale Bereich des Gakkel-Rückens wird von einem 100 km langen Abschnitt gebildet, an dem nur Mantelgesteine direkt am Ozeanboden aufgeschlossen sind. Am westlichen Ende dieses Bereiches wurden am gleichen Ort in zwei aufeinanderfolgenden Expeditionen (ARK XVII-2 im Jahre 2001 und ARK XX-2 im Jahre 2004) ausserordentlich frische Mantelperidotite gedredgt, die die Grundlage dieser Studie darstellen. Diese Arbeit ist thematisch in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil untersucht Prozesse im Stabilitätsbereich der Spinelperidotite (>10 kbar), während der zweite Teil sich mit Prozessen bei niedrigeren Drücken (<10 kbar) im Stabilitätsbereich der Plagioklasperidotite befasst. Die Reihenfolge der Kapitel folgt einem theoretischen Aufstiegspfad von Mantelgesteinen unter einem mittelozeanischen Rücken.