Petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes in the southern and middle Urals, Russia

The PhD thesis at hand consists of three parts and describes the petrogenetic evolution of Uralian-Alaskan-type mafic ultramafic complexes in the Ural Mountains, Russia. Uralian-Alaskan-type mafic-ultramafic complexes are recognized as a distinct class of intrusions. Characteristic petrologic features are the concentric zonation of a central dunite body grading outward into wehrlite, clinopyroxenite and gabbro, the absence of orthopyroxene and frequently occurring platinum group element (PGE) mineralization. In addition, the presence of ferric iron-rich spinel discriminates Uralian-Alaskan-type complexes from most other mafic ultramafic rock assemblages. The studied Uralian-Alaskan-type complexes (Nizhnii Tagil, Kytlym and Svetley Bor) belong to the southern part of a 900 km long, N–S-trending chain of similar intrusions between the Main Uralian Fault to the west and the Serov-Mauk Fault to the east. The first chapter of this thesis studies the evolution of the ultramafic rocks tracing the compositional variations of rock forming and accessory minerals. The comparison of the chemical composition of olivine, clinopyroxene and chromian spinel from the Urals with data from other localities indicates that they are unique intrusions having a characteristic spinel and clinopyroxene chemistry. Laser ablation-ICPMS (LA-ICPMS ) analyses of trace element concentrations in clinopyroxene are used to calculate the composition of their parental melt which is characterized by enriched LREE (0.5-5.2 prim. mantle) and other highly incompatible elements (U, Th, Ba, Rb) relative to the HREE (0.25-2.0 prim. mantle). A subduction-related geotectonic setting is indicated by a positive anomaly for Sr and negative anomalies for Ti, Zr and Hf. The mineral compositions monitor the evolution of the parental magmas and decipher differences between the studied complexes. In addition, the observed variation in LREE/HREE (for example La/Lu = 2-24) can be best explained with the model of an episodically replenished and erupted open magma chamber system with the extensive fractionation of olivine, spinel and clinopyroxene. The data also show that ankaramites in a subduction-related geotectonic setting could represent parental magmas of Uralian-Alaskan-type complexes. The second chapter of the thesis discusses the chemical variation of major and trace elements in rock-forming minerals of the mafic rocks. Electron microprobe and LA-ICPMS analyses are used to quantitatively describe the petrogenetic relationship between the different gabbroic lithologies and their genetic link to the ultramafic rocks. The composition of clinopyroxene identifies the presence of melts with different trace element abundances on the scale of a thin section and suggests the presence of open system crustal magma chambers. Even on a regional scale the large variation of trace element concentrations and ratios in clinopyroxene (e.g. La/Lu = 3-55) is best explained by the interaction of at least two fundamentally different magma types at various stages of fractionation. This requires the existence of a complex magma chamber system fed with multiple pulses of magmas from at least two different coeval sources in a subduction-related environment. One source produces silica saturated Island arc tholeiitic melts. The second source produces silica undersaturated, ultra-calcic, alkaline melts. Taken these data collectively, the mixing of the two different parental magmas is the dominant petrogenetic process explaining the observed chemical variations. The results further imply that this is an intrinsic feature of Uralian-Alaskan-type complexes and probably of many similar mafic-ultramafic complexes world-wide. In the third chapter of this thesis the major element composition of homogeneous and exsolved spinel is used as a petrogenetic indicator. Homogeneous chromian spinel in dunites and wehrlites monitors the fractionation during the early stages of the magma chamber and the onset of clinopyroxene fractionation as well as the reaction of spinel with interstitial liquid. Exsolved spinel is present in mafic and ultramafic rocks from all three studied complexes. Its composition lies along a solvus curve which defines an equilibrium temperature of 600°C, given that spinel coexists with olivine. This temperature is considered to be close to the temperature of the host rocks into which the studied Uralian-Alaskan-type complexes intruded. The similarity of the exsolution temperatures in the different complexes over a distance of several hundred kilometres implies a regional tectonic event that terminated the exsolution process. This event is potentially associated with the final exhumation of the Uralian-Alaskan-type complexes along the Main Uralian Fault and the Serov-Mauk Fault in the Uralian fold belt.

Die vorliegende Dissertation besteht aus drei Kapiteln und beschreibt die petro-genetische Entwicklung von Uralian-Alaskan-type mafisch-ultramafischen Komplexen im Ural in Russland. Uralian-Alaskan-type Komplexe werden als eigene Gruppe mafisch-ultramafischer Intrusionen angesehen. Eine konzentrische Struktur mit einem Kern aus Dunit, der von einer Abfolge aus Wehrlit, Klinopyroxenit und Gabbro umgeben ist, die Abwesenheit von Orthopyroxen, ein hoher Gehalt an Fe3+ in Spinell und das Auftreten von Platin-Gruppen-Element Mineralisation (PGE) unterscheiden Uralian-Alaskan-type Komplexe von anderen ultramafischen Intrusionen. Die drei beprobten Komplexe (Nizhnii Tagil, Svetley Bor und Kytlym) bilden den südlichen Teil einer Nord-Süd streichenden, 900 km langen Kette zwischen der Haupt-Ural-Störung im Westen und der Serov-Mauk-Störung im Osten. Im ersten Kapitel wird die Entwicklung der ultramafischen Gesteine aus der Variation der chemischen Zusammensetzung der akzessorischen und gesteinsbildenden Minerale abgeleitet. Anhand der chemischen Zusammensetzung von Olivin, Klinopyroxen und Chromspinell lassen sich die Intrusionen im Ural von anderen Vorkommen weltweit unterscheiden. Aus den mittels Laser-Ablations-ICPMS (LA-ICPMS) gemessenen Spurenelement-Konzentrationen in Klinopyroxen lässt sich die Zusammensetzung der koexistierenden Schmelze ableiten. Dabei zeigt sich, dass leichte Seltene Erden (LREE = 0.5-5.2-fach primitiver Mantel) sowie hoch inkompatible Elemente (U, Th, Ba, Rb) gegenüber schweren Seltenen Erden (HREE = 0.25-5.2-fach primitiver Mantel) angereichert sind. Darüber hinaus deuten eine positive Anomalie in Sr und negative Anomalien in Ti, Zr und Hf auf eine Entstehung an einem konvergierenden Plattenrand hin. In der Zusammensetzung der Minerale spiegelt sich auch die Entwicklung der koexistierenden Schmelzen, sowie Unterschiede zwischen den Intrusionen wieder. Die beobachteten chemischen Variationen (z.B. La/Lu = 2-24 in Klinopyroxen) lassen sich am besten mit dem Modell eines offenen Magmakammer-Systems erklären in dem es wiederholt zur Intrusion primitiver Schmelzen, gefolgt von fraktionierender Kristallisation und der Eruption von Teilschmelzen kommt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass Ankaramite mögliche Stamm-Magmen für Uralian-Alaskan-type Komplexe sind. Im Mittelpunkt des zweiten Abschnittes stehen Variationen der Haupt- und Spurenelement-Konzentrationen in den gesteinsbildenden Mineralen der mafischen Gesteine. Mit Hilfe der Elektronenstrahl-Mikrosonde und von LA-ICPMS werden die petrogenetischen Beziehungen verschiedener mafischer Gesteine und deren Bezug zu den ultramafischen Gesteinen quantitativ beschrieben. Die variable Zusammensetzung von Klinopyroxen impliziert das Vorhandensein von Magmen mit einer unterschiedlichen Spurenelement-Systematik innerhalb eines Dünnschliffes und die Existenz von offenen Magmakammer-Systemen. Auch die auf regionale Ebene beobachteten Variationen von Spurenelement-Gehalten und -Verhältnissen (z.B. La/Lu = 3-55) lässt sich am besten durch das Zusammenspiel von mindestens zwei vollkommen unterschiedlichen Magmen mit variablem Fraktionierungsgrad beschreiben. Dies erfordert ein komplexes System von Magmakammern, gespeist durch multiple Intrusion von koexistierenden Schmelzen aus zwei unterschiedlichen, subduktionsbezogenen Quellen. Aus einer Quelle kommen Silizium-gesättigte Inselbogen-Tholeiite. Silizium untersättigte, calziumreiche, alkaline Schmelzen kommen aus der zweiten Quelle. Die Studie zeigt, dass die Mischung von Magmen aus unterschiedlichen Quellen, auch in ähnlichen Intrusionen weltweit, der dominierende Prozess ist, um die beobachteten chemischen Variationen zu erklären. Im dritten Kapitel wird die Zusammensetzung homogener und entmischter Spinelle als Indikator petrogenetischer Prozesse benutzt. Die chemische Zusammensetzung homogener Chromspinelle in Duniten und Wehrliten gibt die frühen Stadien der Fraktionierung in der Magmakammer ebenso wie den Beginn der Kristallisation von Klinopyroxen und die Reaktion von Spinell mit Schmelze im Porenraum wieder. Entmischte Spinelle treten in mafischen und ultramafischen Gesteinen aller drei beprobten Komplexe auf. Die Zusammensetzung folgt einer Solvuskurve für Spinell der bei 600°C mit Olivin im Gleichgewicht steht. Es wird angenommen, dass diese Temperatur der Umgebungstemperatur im Intrusionsniveau der Uralian-Alaskan-type Komplexe entspricht. Die Ähnlichkeit der Entmischungstemperaturen in Spinellen verschiedener Komplexe über eine Distanz von einigen hundert Kilometern legt nahe, dass ein regional-tektonisches Ereignis die thermische Äquilibrierung der Spinelle verhinderte. Dieses ist vermutlich mit der finalen Exhumierung der Uralian-Alaskan-type Komplexe entlang der Haupt-Ural-Störung und der Serov-Mauk-Störung verbunden.