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

Geochemistry, petrogenesis and tectonic setting of ophiolites and mafic-ultramafic complexes in the Northeastern Aegean Region

In this study two ophiolites and a mafic-ultramafic complexes of the northeastern Aegean Sea, Greece, have been investigated to re-evaluate their petrogenetic evolution and tectonic setting. These complexes are: the mafic-ultramafic complex of Lesvos Island and the ophiolites of Samothraki Island and the Evros area. In order to examine these complexes in detail whole-rock major- and trace-elements as well as Sr and Nd isotopes, and minerals were analysed and U-Pb SHRIMP ages on zircons were determined. The mafic-ultramafic complex of Lesvos Island consists of mantle peridotite thrusted over a tectonic mélange containing metasediments, metabasalts and a few metagabbros. This succession had previously been interpreted as an ophiolite of Late Jurassic age. The new field and geochemical data allow a reinterpretation of this complex as representing an incipient continental rift setting that led to the subsequent formation of the Meliata-Maliac-Vardar branches of Neotethys in Upper Permian times (253 ± 6 Ma) and the term “Lesvos ophiolite” should be abandoned. With proceeding subduction and closure of the Maliac Ocean in Late Jurassic times (155 Ma) the Lesvos mafic-ultramafic complex was obducted. Zircon ages of 777, 539 and 338 Ma from a gabbro strongly suggest inheritance from the intruded basement and correspond to ages of distinct terranes recently recognized in the Hellenides (e.g. Florina terrane). Geochemical similar complexes which contain rift associations with Permo-Triassic ages can be found elsewhere in Greece and Turkey, namely the Teke Dere Thrust Sheet below the Lycian Nappes (SW Turkey), the Pindos subophiolitic mélange (W Greece), the Volcanosedimentary Complex on Central Evia Island (Greece) and the Karakaya Complex (NW Turkey). This infers that the rift-related rocks from Lesvos belong to an important Permo-Triassic rifting episode in the eastern Mediterranean. The ‘in-situ’ ophiolite of Samothraki Island comprises gabbros, sparse dykes and basalt flows as well as pillows cut by late dolerite dykes and had conventionally been interpreted as having formed in an ensialic back-arc basin. The results of this study revealed that none of the basalts and dolerites resemble mid-ocean ridge or back-arc basin basalts thus suggesting that the Samothraki ophiolite cannot represent mature back-arc basin crust. The age of the complex is regarded to be 160 ± 5 Ma (i.e. Oxfordian; early Upper Jurassic), which precludes any correlation with the Lesvos mafic-ultramafic complex further south (253 ± 6 Ma; Upper Permian). Restoration of the block configuration in NE Greece, before extensional collapse of the Hellenic hinterland and exhumation of the Rhodope Metamorphic Core Complex (mid-Eocene to mid-Miocene), results in a continuous ophiolite belt from Guevgueli in the NW to Samothraki in the SE, thus assigning the latter to the Innermost Hellenic Ophiolite Belt. In view of the data of this study, the Samothraki ophiolite represents a rift propagation of the Sithonia ophiolite spreading ridge into the Chortiatis calc-alkaline arc. The ophiolite of the Evros area consists of a plutonic sequence comprising cumulate and non-cumulate gabbros with plagiogranite veins, and an extrusive sequence of basalt dykes, massive and pillow lavas as well as pyroclastic rocks. Furthermore, in the Rhodope Massif tectonic lenses of harzburgites and dunites can be found. All rocks are spatially separated. The analytical results of this study revealed an intra-oceanic island arc setting for the Evros ophiolitic rocks. During late Middle Jurassic times (169 ± 2 Ma) an intra-oceanic arc has developed above a northwards directed intra-oceanic subduction zone of the Vardar Ocean in front of the Rhodope Massif. The boninitic, island arc tholeiitic and calc-alkaline rocks reflect the evolution of the Evros island arc. The obduction of the ophiolitic rocks onto the Rhodope basement margin took place during closure of the Vardar ocean basins. The harzburgites and dunites of the Rhodope Massif are strongly depleted and resemble harzburgites from recent oceanic island arcs. After melt extraction they underwent enrichment processes by percolating melts and fluids from the subducted slab. The relationship of the peridotites and the Evros ophiolite is still ambiguous, but the stratigraphic positions of the peridotites and the ophiolitic rocks indicate separated origin. The harzburgites and dunites most probably represent remnants of the mantle wedge of the island arc of the Rhodope terrane formed above subducted slab of the Nestos Ocean in late Middle Jurassic times. During collision of the Thracia terrane with the Rhodope terrane thrusting of the Rhodope terrane onto the Thracia terrane took place, whereas the harzburgites and dunites were pushed between the two terranes now cropping out on top of the Thracia terrane of the Rhodope Massif.

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.