Petrogenesis of dunite, wehrlite and websterite xenoliths from Kimberley, South Africa: Origin as mantle peridotites of cumulates

Dunite, wehrlite and websterite xenoliths occur amongst a large abundance of mantle xenoliths in kimberlites of the Kimberley cluster in South Africa. Up to know they have mostly been neglected. On the basis of texture, major and trace elements, oxygen isotopes as well as Re-Os isotope characteristics, they can be subdivided into two groups. A coarse-grained mantle peridotite group, comprising dunite, wehrlite and websterite xenoliths, that are similar to fertile peridotites and represent upper mantle assemblages that are differently influenced by mantle metasomatism. And a cumulate group, containing fine-grained Fe-rich dunite xenoliths that represent cumulates of flood basalt magmatism related to ~183 Ma Karoo and ~2.7 Ga Ventersdorp events in southern Africa. Dunite, wehrlite and websterite xenoliths have preserved a complex history of melt depletion and metasomatic re-enrichment events, which gives information about the different re-enrichment stages of the subcratonic lithospheric mantle and the spatial differences within the Kaapvaal craton upper mantle. Websterite xenoliths comprise orthopyroxene (40-85 Vol. %), clinopyroxene (5-42 Vol. %), garnet (4-10 Vol. %) and subordinately olivine, while dunite and wehrlite xenoliths contain predominantly olivine (65-100 Vol %) and subordinately orthopyroxene, clinopyroxene and garnet. High melt depletion and a dunitic to harzburgitic protolith composition are reflected by high forsterite (Fo90-92) and high olivine NiO contents (2800-5000 ppm) and high orthopyroxene Mg# (Mg/(Mg+Fe)) of 0.91-0.93. Re-depletion ages of predominantly 2.9 Ga reflect a minimum age of melt depletion. Melt depletion ceased in conjunction with collision of the Kimberley block with the Witwatersrand block ~2.9 Ga ago. Subduction related re-fertilisation of the previously depleted mantle xenoliths is documented by i) amoeboid textured orthopyroxene, clinopyroxene and garnet, which crystallized in schlieren along olivine grain boundaries, ii) high whole-rock SiO2, Al2O3, CaO, TiO2, FeO contents, iii) low oxygen isotope ratios in clinopyroxene and garnet of 4.8-5.4 ‰ and 4.7-5.3 ‰, respectively and iv) trace element compositions of wehrlitic clinopyroxene and garnet in equilibrium with high-pressure partial melts of eclogite. Trace element disequilibrium of orthopyroxene with clinopyroxene and garnet indicates a separate origin for orthopyroxene, on one side as primary mantle orthopyroxene in dunite and wehrlite xenoliths and on the other side as reaction product with Si-rich melts produced by partial melting of eclogite. This reaction triggered replacement of olivine by orthopyroxene in the surrounding mantle and produced the typical Si-rich composition of Kaapvaal mantle peridotites. Partial melting of eclogite at higher temperatures produced a second metasomatic melt with lower SiO2, but higher Al2O3, CaO, FeO, Ti, Zr, Hf and a low oxygen isotope ratio. This melt triggered clinopyroxene and locally garnet and rutile crystallization in percolation veins, replacing olivine and orthopyroxene in the Kaapvaal upper mantle. Additionally, websterite xenoliths have experienced late stage cryptic metasomatism by the host kimberlite melt, changing the trace element composition of clinopyroxene, orthopyroxene and garnet to different extent. Hence websterite and most fertile lherzolite xenoliths have experienced three metasomatic events: i) reaction with high-Si melt, ii) percolation of subduction related silica melt with lower SiO2 content and iii) cryptic metasomatism by kimberlite. In contrast, dunite and wehrlite xenoliths have only experienced the second metasomatic event. They represent mantle lithologies further away from metasomatising agents. The Fe-rich dunites comprise olivine neoblasts with subordinate olivine porphyroclasts and parallel-orientated needles of ilmenite, which may enclose spinel. The lower forsterite and NiO contents of olivine in Fe-rich dunites compared to mantle peridotite xenoliths (Fo87-89 vs. Fo93-95 and 1300-2800ppm vs. 2200-3900 ppm, respectively), rules out a restitic origin. Cr-rich spinels are remnants of the original cumulate mineralogy that survived a late stage metasomatic overprint related to the production of the host kimberlite, producing ilmenite and phlogopite in some samples. Olivine porphyroclasts and neoblasts have different trace element compositions, the latter having high Ti, V, Cr and Ni and low Zn, Zr and Nb contents, indicating contrasting origins for neoblasts and porphyroclasts. The dunites have high 187Os/188Os ratios (0.11-0.15) indicating young (Phanerozoic) model ages for most samples, whereas three samples show isotopic mixtures between Phanerozoic neoblasts and ancient porphyroclastic material. Most Fe-rich dunite xenoliths can be interpreted as cumulates of fractional crystallization of Karoo magmatism, whereas the porphyroclasts are interpreted to be remnants from the much earlier Archaean Ventersdorp magmatism.

Genesis of metasomatic sapphirine-corundum-spinel-bearing granulites in Sri Lanka

The goal of the present study is to understand the mechanism of mass transfer, the composition and the role of fluids during crustal metasomatism in high-temperature metamorphic terranes. A well constrained case study, a locality at Rupaha, Sri Lanka was selected. It is located in the Highland Complex of Sri Lanka, which represents a small, but important fragment of the super-continent Gondwana. Excellent exposures of ultramafic rocks, which are embedded in granulites, were found at 10 localities. These provide a unique background for understanding the metasomatic processes. The boundary between the ultramafic and the granulite rocks are lined with metasomatic reaction zones up to 50cm in width. Progressing from the ultramafics to the granulite host rock, three distinct zones with the following mineral assemblages can be distinguished: (1). phlogopite + spinel + sapphirine, (2). spinel + sapphirine and (3). corundum + biotite + plagioclase. In order to assess the P-T-t path, the peak metamorphism and the exhumation history were constrained using different thermobarometers, as well as a diffusion model of garnet zoning. A maximum temperature of 875 ± 20oC (Opx-Cpx thermometer) and at the peak pressure of 9.0 ± 0.1 kbar (Grt-Cpx-Pl-Qtz) was calculated for the silicic granulite. The ultramafic rocks recorded a peak temperature of 840 ± 70oC (Opx-Cpx thermometer) at 9 kbar. Coexisting spinel and sapphirine from the reaction zone yield a temperature of 820 ± 40oC. This is in agreement with the peak-temperatures recorded in the adjacent granulites and ultramafics rocks. The structural concordance of the ultramafic rocks with the siliceous granulite host rock further support the suggestion, that all units have experienced the same peak metamorphism. Diffusion modeling of retrograde zoning in garnets from mafic granulites suggests a three-step cooling history. A maximum cooling rate of 1oC/Ma is estimated during the initial stage of cooling, followed by a cooling rate of ~30oC/Ma. The outermost rims of garnet indicate a slightly slower cooling rate at about 10-15oC/Ma. The sequences of mineral zones, containing a variety of Al-rich, silica undersaturated minerals in the reaction zones separating the ultramafic rocks from the silica-rich rocks can be explained by a diffusion model. This involves the diffusion of Mg from ultramafic rocks across the layers, and K and Si diffuse in opposite direction. Chemical potential of Mg and Si generated continuous monotonic gradient, allowing steady state diffusional transport across the profile. The strong enrichment in Al, and the considerable loss of Si, during the formation of reaction bands can be inferred from isocon diagrams. Some Al was probably added to the reaction zones, while Si was lost. This is most likely due to fluids percolating parallel to the zones at the boundary of the rock units. This study has shown that not only pressure and temperature conditions but most importantly PH2O and the concentration of the chlorine and fluorine in aqueous fluids also control the mass transport in different geological environments.

Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Oceanic crust and island arc formation in Central Asia during late Neoproterozoic times - evidence from petrological and geochemical studies

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des 570 Ma alten, neoproterozoischen Agardagh - Tes-Chem Ophioliths (ATCO) in Zentralasien. Dieser Ophiolith liegt südwestlich des Baikalsees (50.5° N, 95° E) und wurde im frühen Stadium der Akkretion des Zentralasiatischen Mobilgürtels auf den nordwestlichen Rand des Tuvinisch-Mongolischen Mikrokontinentes aufgeschoben. Bei dem Zentralasiatische Mobilgürtel handelt es sich um einen riesigen Akkretions-Subduktionskomplex, der heute das größte zusammenhängende Orogen der Erde darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine Reihe plutonischer und vulkanischer Gesteine, sowie verschiedene Mantelgesteine des ATCO mittels mikroanalytischer und geochemischer Verfahren untersucht (Elektronenstrahlmikrosonde, Ionenstrahlmikrosonde, Spurenelement- und Isotopengeochemie). Die Auswertung dieser Daten ermöglichte die Entwicklung eines geodynamisch-petrologischen Modells zur Entstehung des ATCO. Die vulkanischen Gesteine lassen sich aufgrund ihrer Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung in inselbogenbezogene und back-arc Becken bezogene Gesteine (IA-Gesteine und BAB-Gesteine) unterscheiden. Darüber hinaus gibt es eine weitere, nicht eindeutig zuzuordnende Gruppe, die hauptsächlich mafische Gänge umfasst. Der grösste Teil der untersuchen Vulkanite gehört zur Gruppe der IA-Gesteine. Es handelt sich um Al-reiche Basalte und basaltische Andesite, welche aus einem evolvierten Stammmagma mit Mg# 0.60, Cr ~ 180 µg/g und Ni ~ 95 µg/g hauptsächlich durch Klinopyroxenfraktionierung entstanden sind. Das Stammmagma selbst entstand durch Fraktionierung von ca. 12 % Olivin und geringen Anteilen von Cr-Spinell aus einer primären, aus dem Mantel abgeleiteten Schmelze. Die IA-Gesteine haben hohe Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen (leichte-(L)- Seltenerdelement-(SEE)-Konzentrationen etwa 100-fach chondritisch, chondrit-normierte (La/Yb)c von 14.6 - 5.1), negative Nb-Anomalien (Nb/La = 0.37 - 0.62) und niedrige Zr/Nb Verhältnisse (7 - 14) relativ zu den BAB-Gesteinen. Initiale eNd Werte liegen bei etwa +5.5, initiale Bleiisotopenverhältnisse sind: 206Pb/204Pb = 17.39 - 18.45, 207Pb/204Pb = 15.49 - 15.61, 208Pb/204Pb = 37.06 - 38.05. Die Anreicherung lithophiler inkompatibler Spurenelemente (LILE) in dieser Gruppe ist signifikant (Ba/La = 11 - 130) und zeigt den Einfluss subduzierter Komponenten an. Die BAB-Gesteine repräsentieren Schmelzen, die sehr wahrscheinlich aus der gleichen Mantelquelle wie die IA-Gesteine stammen, aber durch höhere Aufschmelzgrade (8 - 15 %) und ohne den Einfluss subduzierter Komponenten entstanden sind. Sie haben niedrigere Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen, flache SEE-Muster ((La/Yb)c = 0.6 - 2.4) und höhere initiale eNd Werte zwischen +7.8 und +8.5. Nb Anomalien existieren nicht und Zr/Nb Verhältnisse sind hoch (21 - 48). Um die geochemische Entwicklung der vulkanischen Gesteine des ATCO zu erklären, sind mindestens drei Komponenten erforderlich: (1) eine angereicherte, ozeaninselbasalt-ähnliche Komponente mit hoher Nb Konzentration über ~ 30 µg/g, einem niedrigen Zr/Nb Verhältnis (ca. 6.5), einem niedrigen initialen eNd Wert (um 0), aber mit radiogenen 206Pb/204Pb-, 207Pb/204Pb- und 208Pb/204Pb-Verhältnissen; (2) eine N-MORB ähnliche back-arc Becken Komponente mit flachem SEE-Muster und einem hohen initialen eNd Wert von mindestens +8.5, und (3) eine Inselbogen-Komponente aus einer verarmten Mantelquelle, welche durch die abtauchende Platte geochemisch modifiziert wurde. Die geochemische Entstehung der ATCO Vulkanite lässt sich dann am besten durch eine Kombination aus Quellenkontamination, fraktionierte Kristallisation und Magmenmischung erklären. Geodynamisch gesehen entstand der ATCO sehr wahrscheinlich in einem intraozeanischen Inselbogen - back-arc System. Bei den untersuchten Plutoniten handelt es sich um ultramafische Kumulate (Wehrlite und Pyroxenite) sowie um gabbroische Plutonite (Olivin-Gabbros bis Diorite). Die geochemischen Charakteristika der mafischen Plutonite sind deutlich unterschiedlich zu denen der vulkanischen Gesteine, weshalb sie sehr wahrscheinlich ein späteres Entwicklungsstadium des ATCO repräsentieren. Die Spurenelement-Konzentrationen in den Klinopyroxenen der ultramafischen Kumulate sind extrem niedrig, mit etwa 0.1- bis 1-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit deutlich LSEE-verarmten Mustern ((La/Yb)c = 0.27 - 0.52). Berechnete Gleichgewichtsschmelzen der ultramafischen Kumulate zeigen grosse Ähnlichkeit zu primären boninitischen Schmelzen. Die primären Magmen waren daher boninitischer Zusammensetzung und entstanden in dem durch vorausgegangene Schmelzprozesse stark verarmten Mantelkeil über einer Subduktionszone. Niedrige Spurenelement-Konzentrationen zeigen einen geringen Einfluss der abtauchenden Platte an. Die Spurenelement-Konzentrationen der Gabbros sind ebenfalls niedrig, mit etwa 0.5 - 10-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit variablen SEE-Mustern ((La/Yb)c = 0.25 - 2.6). Analog zu den Vulkaniten der IA-Gruppe haben alle Gabbros eine negative Nb-Anomalie mit Nb/La = 0.01 - 0.31. Die initialen eNd Werte der Gabbros variieren zwischen +4.8 und +7.1, mit einem Mittelwert von +5.9, und sind damit identisch mit denen der IA-Vulkanite. Bei den untersuchten Mantelgesteinen handelt es sich um teilweise serpentinisierte Dunite und Harzburgite, die alle durch hohe Mg/Si- und niedrige Al/Si-Verhältnisse gekennzeichnet sind. Dies zeigt einen refraktären Charakter an und steht in guter Übereinstimmung mit den hohen Cr-Zahlen (Cr#) der Spinelle (bis zu Cr# = 0.83), auf deren Basis der Aufschmelzgrad der residuellen Mantelgesteine berechnet wurde. Dieser beträgt etwa 25 %. Die geochemische Zusammensetzung und die petrologischen Daten der Ultramafite und Gabbros lassen sich am besten erklären, wenn man für die Entstehung dieser Gesteine einen zweistufigen Prozess annimmt. In einer ersten Stufe entstanden die ultramafischen Kumulate unter hohem Druck in einer Magmenkammer an der Krustenbasis, hauptsächlich durch Klinopyroxen-Fraktionierung. Bei dieser Magmenkammer handelte es sich um ein offenes System, dem von unten laufend neue Schmelze zugeführt wurde, und aus dem im oberen Bereich evolviertere Schmelzen geringerer Dichte entwichen. Diese evolvierten Schmelzen stiegen in flachere krustale Bereiche auf und bildeten dort meist isolierte Intrusionskörper. Diese Intrusionskörper erstarrten ohne Magmen-Nachschub, weshalb petrographisch sehr unterschiedliche Gesteine entstehen konnten. Eine geochemische Modifikation der abkühlenden Schmelzen erfolgte allerdings durch die Assimilation von Nebengestein. Da innerhalb der Gabbros keine signifikante Variation der initalen eNd Werte existiert, handelte es sich bei dem assimilierten Material hauptsächlich um vulkanische Gesteine des ATCO und nicht um ältere, möglicherweise kontinentale Kruste.

Nature and origin of ultramafic lamprophyres and carbonatites from the borders of the Labrador Sea

Die Ränder des Labrador Meeres wurden während des späten Neoproterozoikums intensiv von karbonatreichen silikatischen Schmelzen durchsetzt. Diese Schmelzen bildeted sich bei Drucken zwischen ca. 4-6 GPa (ca. 120-180 km Tiefe) an der Basis der kontinentalen Mantel-Lithosphäre. Diese Magmengenerierung steht in zeitlichem und räumlichem Zusammenhang mit kontinentalen Extensionsprozessen, welche zu beiden Seiten des sich öffnenden Iapetus-Ozeans auftraten.

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.

Partial melting within the lower crust – Constraints from bulk rock geochemical data and trace element mineral analyses of granulites and migmatites from Central Finland

This PhD thesis concerns geochemical constraints on recycling and partial melting of Archean continental crust. A natural example of such processes was found in the Iisalmi area of Central Finland. The rocks from this area are Middle to Late Archean in age and experienced metamorphism and partial melting between 2.7-2.63 Ga. The work is based on extensive field work. It is furthermore founded on bulk rock geochemical data as well as in-situ analyses of minerals. All geochemical data were obtained at the Institute of Geosciences, University of Mainz using X-ray fluorescence, solution ICP-MS and laser ablation-ICP-MS for bulk rock geochemical analyses. Mineral analyses were accomplished by electron microprobe and laser ablation ICP-MS. Fluid inclusions were studied by microscope on a heating-freezing-stage at the Geoscience Center, University Göttingen. Part I focuses on the development of a new analytical method for bulk rock trace element determination by laser ablation-ICP-MS using homogeneous glasses fused from rock powder on an Iridium strip heater. This method is applicable for mafic rock samples whose melts have low viscosities and homogenize quickly at temperatures of ~1200°C. Highly viscous melts of felsic samples prevent melting and homogenization at comparable temperatures. Fusion of felsic samples can be enabled by addition of MgO to the rock powder and adjustment of melting temperature and melting duration to the rock composition. Advantages of the fusion method are low detection limits compared to XRF analyses and avoidance of wet-chemical processing and use of strong acids as in solution ICP-MS as well as smaller sample volumes compared to the other methods. Part II of the thesis uses bulk rock geochemical data and results from fluid inclusion studies for discrimination of melting processes observed in different rock types. Fluid inclusion studies demonstrate a major change in fluid composition from CO2-dominated fluids in granulites to aqueous fluids in TTG gneisses and amphibolites. Partial melts were generated in the dry, CO2-rich environment by dehydration melting reactions of amphibole which in addition to tonalitic melts produced the anhydrous mineral assemblages of granulites (grt + cpx + pl ± amph or opx + cpx + pl + amph). Trace element modeling showed that mafic granulites are residues of 10-30 % melt extraction from amphibolitic precursor rocks. The maximum degree of melting in intermediate granulites was ~10 % as inferred from modal abundances of amphibole, clinopyroxene and orthopyroxene. Carbonic inclusions are absent in upper-amphibolite facies migmatites whereas aqueous inclusion with up to 20 wt% NaCl are abundant. This suggests that melting within TTG gneisses and amphibolites took place in the presence of an aqueous fluid phase that enabled melting at the wet solidus at temperatures of 700-750°C. The strong disruption of pre-metamorphic structures in some outcrops suggests that the maximum amount of melt in TTG gneisses was ~25 vol%. The presence of leucosomes in all rock types is taken as the principle evidence for melt formation. However, mineralogical appearance as well as major and trace element composition of many leucosomes imply that leucosomes seldom represent frozen in-situ melts. They are better considered as remnants of the melt channel network, e.g. ways on which melts escaped from the system. Part III of the thesis describes how analyses of minerals from a specific rock type (granulite) can be used to determine partition coefficients between different minerals and between minerals and melt suitable for lower crustal conditions. The trace element analyses by laser ablation-ICP-MS show coherent distribution among the principal mineral phases independent of rock composition. REE contents in amphibole are about 3 times higher than REE contents in clinopyroxene from the same sample. This consistency has to be taken into consideration in models of lower crustal melting where amphibole is replaced by clinopyroxene in the course of melting. A lack of equilibrium is observed between matrix clinopyroxene / amphibole and garnet porphyroblasts which suggests a late stage growth of garnet and slow diffusion and equilibration of the REE during metamorphism. The data provide a first set of distribution coefficients of the transition metals (Sc, V, Cr, Ni) in the lower crust. In addition, analyses of ilmenite and apatite demonstrate the strong influence of accessory phases on trace element distribution. Apatite contains high amounts of REE and Sr while ilmenite incorporates about 20-30 times higher amounts of Nb and Ta than amphibole. Furthermore, trace element mineral analyses provide evidence for magmatic processes such as melt depletion, melt segregation, accumulation and fractionation as well as metasomatism having operated in this high-grade anatectic area.

Statistische Betrachtungen und mößbauerspektroskopische Untersuchungen von Ordnungszuständen in Biotiten

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Untersuchungen zu strukturellen Ordnungs- und Unordnungsphänomenen an natürlichen, substitutionellen Mischkristallen. Aufgrund der enormen Vielfalt an potentiellen Austauschpartnern wurden hierfür Vertreter der Biotit-Mischkristallreihe "Phlogopit-Annit" ausgewählt. Ihr modulartiger Aufbau ermöglichte die gezielte Beschreibung von Verteilungsmustern anionischer und kationischer Merkmalsträger innerhalb der Oktaederschicht der Biotit-Mischkristalle. Basierend auf der postulierten Bindungsaffinität zwischen Mg2+ und F- einerseits und Fe2+ und OH- andererseits, wurde die strukturelle Separation einer Fluor-Phlogopit-Komponente als primäre Ausprägungsform des Mg/F-Ordnungsprinzips abgeleitet. Im Rahmen dieser Modellvorstellung koexistieren im makroskopisch homogenen Biotit-Mischkristall Domänen zweier chemisch divergenter Phasen nebeneinander: Eine rein Mg2+/F- - führende Phlogopit-Phase und eine Wirtskristallphase, die mit fortschreitender Separation bzw. Entmischung der erstgenannten Phase sukzessive reicher an einer hydroxylführenden eisenreichen Annit-Komponente wird. Zwecks numerischer Beschreibung diverser Stadien der Entmischungsreaktion wurden die Begriffe der "Relativen" und "Absoluten Domänengröße" eingeführt. Sie stellen ein quantitatives Maß zur Beurteilung der diskutierten Ordnungsphänomene dar. Basierend auf einem sich stetig ändernden Chemismus der Wirtskristallphase kann jeder Übergangszustand zwischen statistischer Verteilung und vollständiger Ordnung durch das korrespondierende Verteilungsmuster der interessierenden Merkmalsträger ( = Nahordnungskonfiguration und Besetzungswahrscheinlichkeit) charakterisiert und beschrieben werden. Durch mößbauerspektroskopische Untersuchungen konnten die anhand der entwickelten Modelle vorhergesagten Ausprägungsformen von Ordnungs-/Unordnungsphänomenen qualitativ und quantitativ verifiziert werden. Es liessen sich hierbei zwei Gruppen von Biotit-Mischkristallen unterscheiden. Eine erste Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch den OH/F-Chemismus als dominierendes Differenzierungsmerkmal geprägt wird, und eine zweite Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch Gruppierungen von höherwertigen Kationen und Vakanzen ( = Defektchemie) geprägt wird. Auf der Basis von Korrelationsdiagrammen, die einen numerischen und graphischen Bezug zwischen absoluter und relativer Domänengröße einerseits und experimentell zugänglichem Mößbauer-Parameter A (= relativer Flächenanteil, korrespondierend mit der Besetzungswahrscheinlichkeit einer bestimmten Nahordnungs-konstellation) andererseits herstellen, konnten für die erste Gruppe die Volumina der beiden miteinander koexistierenden Komponenten "Hydroxyl-Annit reicher Wirtskristall" und "Fluor-Phlogopit" exakt quantifiziert werden. Das Spektrum der untersuchten Proben umfasste hierbei Kristallspezies, die einerseits durch geringe bis mittlere Mg2+/F- - bzw. Fe2+/OH- -Ordnungsgrade gekennzeichnet sind, andererseits eine nahezu vollständige Ordnung der interessierenden Merkmalsträger Mg2+, Fe2+, OH- und F- widerspiegeln. Desweiteren konnte der Nachweis geführt werden, dass für ausgewählte Proben eine quantitative Bestimmung der Defektvolumina möglich ist.

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.

Forward modelling of petrological crust-forming processes on the early Earth

Tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) gneisses form up to two-thirds of the preserved Archean continental crust and there is considerable debate regarding the primary magmatic processes of the generation of these rocks. The popular theories indicate that these rocks were formed by partial melting of basaltic oceanic crust which was previously metamorphosed to garnet-amphibolite and/or eclogite facies conditions either at the base of thick oceanic crust or by subduction processes.rnThis study investigates a new aspect regarding the source rock for Archean continental crust which is inferred to have had a bulk compostion richer in magnesium (picrite) than present-day basaltic oceanic crust. This difference is supposed to originate from a higher geothermal gradient in the early Archean which may have induced higher degrees of partial melting in the mantle, which resulted in a thicker and more magnesian oceanic crust. rnThe methods used to investigate the role of a more MgO-rich source rock in the formation of TTG-like melts in the context of this new approach are mineral equilibria calculations with the software THERMOCALC and high-pressure experiments conducted from 10–20 kbar and 900–1100 °C, both combined in a forward modelling approach. Initially, P–T pseudosections for natural rock compositions with increasing MgO contents were calculated in the system NCFMASHTO (Na2O–CaO–FeO–MgO–Al2O3–SiO2–H2O–TiO2) to ascertain the metamorphic products from rocks with increasing MgO contents from a MORB up to a komatiite. A small number of previous experiments on komatiites showed the development of pyroxenite instead of eclogite and garnet-amphibolite during metamorphism and established that melts of these pyroxenites are of basaltic composition, thus again building oceanic crust instead of continental crust.rnThe P–T pseudosections calculated represent a continuous development of their metamorphic products from amphibolites and eclogites towards pyroxenites. On the basis of these calculations and the changes within the range of compositions, three picritic Models of Archean Oceanic Crust (MAOC) were established with different MgO contents (11, 13 and 15 wt%) ranging between basalt and komatiite. The thermodynamic modelling for MAOC 11, 13 and 15 at supersolidus conditions is imprecise since no appropriate melt model for metabasic rocks is currently available and the melt model for metapelitic rocks resulted in unsatisfactory calculations. The partially molten region is therfore covered by high-pressure experiments. The results of the experiments show a transition from predominantly tonalitic melts in MAOC 11 to basaltic melts in MAOC 15 and a solidus moving towards higher temperatures with increasing magnesium in the bulk composition. Tonalitic melts were generated in MAOC 11 and 13 at pressures up to 12.5 kbar in the presence of garnet, clinopyroxene, plagioclase plus/minus quartz (plus/minus orthopyroxene in the presence of quartz and at lower pressures) in the absence of amphibole but it could not be explicitly indicated whether the tonalitic melts coexisting with an eclogitic residue and rutile at 20 kbar do belong to the Archean TTG suite. Basaltic melts were generated predominantly in the presence of granulite facies residues such as amphibole plus/minus garnet, plagioclase, orthopyroxene that lack quartz in all MAOC compositions at pressures up to 15 kbar. rnThe tonalitic melts generated in MAOC 11 and 13 indicate that thicker oceanic crust with more magnesium than that of a modern basalt is also a viable source for the generation of TTG-like melts and therefore continental crust in the Archean. The experimental results are related to different geologic settings as a function of pressure. The favoured setting for the generation of early TTG-like melts at 15 kbar is the base of an oceanic crust thicker than existing today or by melting of slabs in shallow subduction zones, both without interaction of tonalic melts with the mantle. Tonalitic melts at 20 kbar may have been generated below the plagioclase stability by slab melting in deeper subduction zones that have developed with time during the progressive cooling of the Earth, but it is unlikely that those melts reached lower pressure levels without further mantle interaction.rn