Geochemistry of volcanic rocks from the Hikurangi and Manihiki Plateaus

Here we present the first radiometric age data and a comprehensive geochemical data set (including major and trace element and Sr-Nd-Pb-Hf isotope ratios) for samples from the Hikurangi Plateau basement and seamounts on and adjacent to the plateau obtained during the R/V Sonne 168 cruise, in addition to age and geochemical data from DSDP Site 317 on the Manihiki Plateau. The 40Ar/39Ar age and geochemical data show that the Hikurangi basement lavas (118-96 Ma) have surprisingly similar major and trace element and isotopic characteristics to the Ontong Java Plateau lavas (ca. 120 and 90 Ma), primarily the Kwaimbaita-type composition, whereas the Manihiki DSDP Site 317 lavas (117 Ma) have similar compositions to the Singgalo lavas on the Ontong Java Plateau. Alkalic, incompatible-element-enriched seamount lavas (99-87 Ma and 67 Ma) on the Hikurangi Plateau and adjacent to it (Kiore Seamount), however, were derived from a distinct high time-integrated U/Pb (HIMU)-type mantle source. The seamount lavas are similar in composition to similar-aged alkalic volcanism on New Zealand, indicating a second wide-spread event from a distinct source beginning ca. 20 Ma after the plateau-forming event. Tholeiitic lavas from two Osbourn seamounts on the abyssal plain adjacent to the northeast Hikurangi Plateau margin have extremely depleted incompatible element compositions, but incompatible element characteristics similar to the Hikurangi and Ontong Java Plateau lavas and enriched isotopic compositions intermediate between normal mid-ocean-ridge basalt (N-MORB) and the plateau basement. These younger (~52 Ma) seamounts may have formed through remelting of mafic cumulate rocks associated with the plateau formation. The similarity in age and geochemistry of the Hikurangi, Ontong Java and Manihiki Plateaus suggest derivation from a common mantle source. We propose that the Greater Ontong Java Event, during which ?1% of the Earth's surface was covered with volcanism, resulted from a thermo-chemical superplume/dome that stalled at the transition zone, similar to but larger than the structure imaged presently beneath the South Pacific superswell. The later alkalic volcanism on the Hikurangi Plateau and the Zealandia micro-continent may have been part of a second large-scale volcanic event that may have also triggered the final breakup stage of Gondwana, which resulted in the separation of Zealandia fragments from West Antarctica.

Geochemistry of ash from Santorin, Greece

Santorin, am südlichsten Punkt des Kykladenbogens gelegen, ist der einzige noch tätige Vulkan in der südlichen Ägäis. Der Vulkanismus begann vor ca. 1.6 Mio. Jahren. Santorin besteht aus 5 Inseln, die nahezu vollständig aus vulkanischen Gesteinen aufgebaut sind, die im Laufe der Vulkangeschichte aus verschiedenen Eruptionszentren gefördert wurden. Abgesehen von den Laven im N der Hauptinsel Thera, wird der Zentral- und Südteil der Insel in der Hauptsache von den pyroklastischen Förderprodukten des sog. Thera-Vulkans aufgebaut. In der vorliegenden Arbeit waren diese pyroklastischen Serien Ziel der Untersuchungen. Die Ergebnisse daraus können folgendermaßen zusammengefaßt werden: - Die Aufnahme von 14 detaillierten Profilen und deren Korrelierung erbrachte die Einteilung der pyroklastischen Schichten in 5 Haupt-Folgen: T5/1 - Untere Bimsstein-Folge (Bu), T5/2-Mittlere Bimsstein-Folge (Bm), - T5/3, Die Obere Bimsstein-Folge (Bo) wurde dabei nicht weiter berücksichtigt, da sie bereits in zahlreichen Arbeiten untersucht worden ist. - Die als T5/1-3 bezeichneten Serien bestehen aus Aschen, Schlacken, wenigen Bimsstein-Horizonten und untergeordnet Ignimbriten, 'pyroclastic' und 'ash flow'-Ablagerungen, sowie Laharen. Umlagerungen und Bodenhorizonte zeigen die Unterbrechung in der vulkanischen Tätigkeit an. - In den Tg-Folgen konnten jeweils einer oder mehrere Leit-Horizonte gefunden werden, die es ermöglichen die drei Tg-Serien zu unterscheiden und zu korrelieren. - Die Untere Bimsstein-Folge (Bu) wurde in sechs Einheiten unterteilt, die eine Wechselfolge von 'pumice fall' und 'pumice flow'-Ablagerungen bilden. - Mineralogische Untersuchungen zeigen für die 5 Haupt-Folgen nur geringe Unterschiede. Die Bimssteine und Schlacken bestehen überwiegend aus Glas und haben nur wenige Phänokristalle (3-12 Vol.*), wobei der Plagioklas (Andesin-Labradorit) überwiegt; Orthopyroxen (Hypersthen) und Klinopyroxen (diops. Augit) stellen ca. 30% der Einsprengunge. An Akzessorien sind vorhanden: Apatit, Magnetit, Hämatit und sehr selten Hornblende. - Ein Versuch zur Unterscheidung der Gesteine in den einzelnen Schicht-Einheiten war die Bestimmung der Lichtbrechung und der Dichte. Es zeigte sich, daß die Dichte weniger geeignet ist, die Lichtbrechung aber eine schwache Differenzierung widerspiegelt und somit für die Bimssteine und Schlacken, aber auch für die Bimssteine innerhalb des Bu unterschiedliche Werte gefunden wurden - Aus den Korngrößen-Analysen des Asche-Leithorizontes der T5/3-Folge ergaben sich die Lage des Eruptionszentrums und die damals vorherrschende Windrichtung. - Die Oberen Ignimbrite (Ign., im Hangenden der T5/3-Folge) konnten erstmals in 5 Einheiten unterteilt werden. - Die Seltenen Erden-Analysen erbrachten für die einzelnen Folgen in etwa die gleichen SEE-Spektren. - Die geochemischen Untersuchungen von ca. 120 Proben sind in verschiedenen Diagrammen dargestellt. Daraus wird deutlich, daß die T5-Folgen die basischsten Glieder sind. Es handelt sich überwiegend um Quarz-Andesite und Quarz-Latiandesite, während die Bimsstein-Serien (Bu u. Bm) eine quarz-latiandesitische bis rhyodacitische Zusammensetzung haben. Es sind aber alles kalkalkaline Gesteine, die in den Bereich der Kontinentalrand-Andesite gehören. - Es wird angenommen, daß die Gesteine des Thera-Vulkans aus einer Magmakammer stammen. Während Zeiten ± kontinuierlicher, explosiver Tätigkeit wurden die Aschen und Schlacken der T5-Serien gefördert, die gegenüber den Bimsstein-Folgen relativ basisch sind. Während längerer Ruheperioden (Bodenhorizonte am Top der Tc-Folgen) differenzierte die Schmelze in der Magmakammer, vorwiegend durch Kristallfraktionierung. In den paroxysmalen Ausbrüchen wurden dann die sauren, gasreichen Bimssteine des Bu, Bm und Bo gefördert. - Anhand der lithologischen und geochemischen Untersuchungen ließen sich die etwaigen Eruptionszentren, die Ausbruchsmechanismen und der Ablagerungstyp der Schichten herleiten und daraus die Vulkangeschichte rekonstruieren, wie sie in vier Tabellen übersichtlich zusammengefaßt sind. - Schließlich sollen paläomorphologische Karten die einzelnen Stadien des Thera-Vulkans veranschaulichen.

Mg/Ca and stable oxygen measurement of the past 27 Ma of ODP Hole 120-747A

We explore the applicability of paired Mg/Ca and 18O/16O measurements on benthic foraminifera from Southern Ocean site 747 to paleoceanographic reconstructions on pre-Pleistocene timescales. We focus on the late Oligocene through Pleistocene (27-0 Ma) history of paleotemperatures and the evolution of the d18O values of seawater (d18Osw) at a temporal resolution of ~100-200 kyr. Absolute paleotemperature estimates depend on assumptions of how Mg/Ca ratios of seawater have changed over the past 27 Myr, but relative changes that occur on geologically brief timescales are robust. Results indicate that at the Oligocene to Miocene boundary (23.8 Ma), temperatures lag the increase in global ice-volume deduced from benthic foraminiferal d18O values, but the smaller-scale Miocene glaciations are accompanied by ocean cooling of -1°C. During the mid-Miocene phase of Antarctic ice sheet growth (~15-13 Ma), water temperatures cool by ~3°C. Unlike the benthic foraminiferal d18O values, which remain relatively constant thereafter, temperatures vary (by 3°C) and reach maxima at ~12 and ~8.5 Ma. The onset of significant Northern Hemisphere glaciation during the late Pliocene is synchronous with an ~4°C cooling at site 747. A comparison of our d18Osw curve to the Haq et al. (1987, doi:10.1126/science.235.4793.1156 ) sea level curve yields excellent agreement between sequence boundaries and times of increasing seawater 18O/16O ratios. At ~12-11 Ma in particular, when benthic foraminiferal d18O values do not support a further increase in ice volume, the d18Osw curve comes to a maximum that corresponds to a major mid-Miocene sea level regression. The agreement between the character of our Mg/Ca-based d18Osw curve and sequence stratigraphy demonstrates that benthic foramaniferal Mg/Ca ratios can be used to trace the d18Osw on pre-Pleistocene timescales despite a number of uncertainties related to poorly constrained temperature calibrations and paleoseawater Mg/Ca ratios. The Mg/Ca record also highlights that deep ocean temperatures can vary independently and unexpectedly from ice volume changes, which can lead to misinterpretations of the d18O record.

(Table T1) Geochemical composition of tochilinite and related minerals of ODP Hole 173-1068A

Tochilinite (approximately FeS(Mg,Fe)(OH)2) is locally abundant in Hole 1068A serpentinites from Cores 173-1068A-21R and 22R. It occurs in veins, as fillings in void space, and in intergrowths with serpentine and andradite. An apparently related mineral, but with Ca and Al largely replacing Mg, occurs in association with, and possibly as a replacement of, pyrrhotite in serpentinite breccias from the bottom of Core 173-1068A-20R. The transition from Mg-Fe-rich brucite tochilinites to Ca- and S-rich carbonate tochilinites is consistent with increasing sulfur and oxygen activity upsection. Tochilinite has been reported at other sites on the Iberia Abyssal Plain and is abundant to the point of being a rock-forming mineral in several samples from Site 1068. Rather than being a mineralogical curiosity, tochilinite appears to be common and a major sink for sulfur in the upper serpentinites of the Iberia Abyssal Plain.

Carbon and oxygen isotopic compositions of Cibicidoides spp. and fine fraction separates (<10 µm) from ODP Holes 113-689B, 119-738B, and 120-748B

A prominent middle Eocene warming event is identified in Southern Ocean deep-sea cores, indicating that long-term cooling through the middle and late Eocene was not monotonic. At sites on Maud Rise and the Kerguelen Plateau, a distinct negative shift in d18O values (~1.0 per mil) is observed ca. 41.5 Ma. This excursion is interpreted as primarily a temperature signal, with a transient warming of 4°C over 600 k.y. affecting both surface and middle-bathyal deep waters in the Indian-Atlantic region of the Southern Ocean. This isotopic event is designated as the middle Eocene climatic optimum, and is interpreted to represent a significant climatic reversal in the midst of middle to late Eocene deep-sea cooling. The lack of a significant negative carbon isotope excursion, as observed during the Paleocene-Eocene thermal maximum, and the gradual rate of high-latitude warming suggest that this event was not triggered by methane hydrate dissociation. Rather, a transient rise in pCO2 levels is suspected, possibly as a result of metamorphic decarbonation in the Himalayan orogen or increased ridge/arc volcanism during the late middle Eocene.

Rb-Sr isotope systematics and Sr/Ca-Ba/Ca ratios at DSDP Hole 89-462A

Four samples of Nauru Basin basalts (Cores 94 to 109 of Hole 462A, sub-bottom depth 1077-1209 m) have 87Sr/86Sr ratios in the range 0.7037 to 0.7038, which is distinctly higher than the ratios of N-type MORB. The Rb contents of the samples are depleted in comparison with those of MORB and ocean-island basalts. These chemical and isotopic characteristics are identical to those of the basalts previously drilled during Leg 61 (Cores 75 to 90 of Hole 462A), and are explained in terms of inhomogeneity of the source region in the mantle or later alteration effects. Sr/Ca-Ba/Ca systematics of 15 samples from Cores 462A-94 to 462A-109 and 14 samples from Cores 462A-75 to 462A-90 suggest that the Nauru Basin basalts are derived from a mantle peridotite by 20 to 30% partial melting with subsequent Plagioclase crystallization.