Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

Partial melting of basic dykes in the contact aureoles of two shallow-level, gabbro-pyroxenite intrusions, Fuerteventura

THESIS ABSTRACT Low-pressure anatexis of basic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact metamorphic aureoles of two layered gabbro-pyroxenite intrusions, PXl and PX2, in the root zone of an ocean island, Fuerteventura Basal Complex (Canary Islands). This thesis focuses on the understanding of processes attributing to the partial melting and formation of these migmatites, characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations with perfectly preserved igneous textures. The presence of fluids are required to decrease the solidus of basic igneous lithologies, to allow partial melting in such aloes-pressure (1-2 kb) environment. An oxygen isotope study was thus carried out on dykes inside and beyond the PX2 aureole, in order to decipher the nature and origin of such fluids. Low or negative δ18O values were obtained for whole rocks and mineral-separates, decreasing towards the contact, with the intrusion itself retaining fairly high values. This trend has been attributed to the advection of meteoric water during magma emplacement, with increasing fluid/rock ratios (higher dyke intensities towards the intrusion acting as fluid-pathways) and higher temperatures promoting increasing exchange during recrystallisation. A comparison of whole rock and mineral major- and trace- element data allowed the redistribution of elements .between different mineral phases and generations, during contact metamorphism and partial melting to be assessed. Certain trace-elements, e.g. Zr, Hf, Y, and REEs, were internally redistributed during contact metamorphic recrystallisation, causing- the enrichment of neocrystallised diopsides compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post- solidus reequilibration on cooling of the migmatite terrain. The mineralogical, textural and geochemical evolution of dykes in a contact metamorphic aureole, is recorded around an apophysis of the PX1 intrusion, where there is evidence of incipient partial melting. Hydrothermal mineral pseudomorphs in the outer parts of the aureole are progressively replaced by dry mineral assemblages, with increasingly recrystallised diopside and evidence of partial melting -the extent of which varies from one lithology to another. The appearance of more mafic lithologies towards the intrusion, with lower whole rock SiO2 and mobile element abundances, e.g. Rb, Cs, K, has been explained by the migration and accumulation of feldspathic material into leucosomes outside the samples. A micro-structural study of leucosomes and leucocratic pods, with the aid of high-resolution X-ray computed micro-tomography (HRXµCT), allowing the visualization and quantification of shapes and orientations, was carried out in order to better understand the processes of melt segregation in the PX1 aureole. Leucocratic pods, representing former amygdales, are considered as natural strain ellipsoids. Their short axes are oriented perpendicular to leucosome planes, which sub-parallel the intrusive contact. Leucosomes thus effectively represent foliation planes. This implies that the direction of maximum shortening, during migmatisation, was perpendicular to the orientation of leucosomes, contradicting earlier models that suggest leucosomes represent tension veins. RESUME DE LA THESE Un phénomène rare de fusion partielle de filons basiques à basse pression a été étudié dans les auréoles de contact de deux intrusions litées de gabbro-pyroxénite, PX1 et PX2, localisées dans le soubassement de l'île volcanique de Fuerteventura aux Canaries. Cette anatexie a engendré des migmatites finement zébrées d'aspect très inhabituel, dont les processus de formation ont été étudiés dans le présent travail. Ces roches sont caractérisées par un réseau dense de veinules leucocrates d'épaisseur millimétrique, dont les textures ignées sont parfaitement préservées. La fusion partielle de roches basiques à basse pression (1-2 kbar) requiert la présence d'eau afin d'abaisser le solidus du système à des températures géologiquement réalistes. Une étude comparative des isotopes de l'oxygène a ainsi été menée sur des filons respectivement affectés et non affectés par le métamorphisme de contact, afin de confirmer la présence de ces fluides, de déterminer l'importance de leur interaction avec les roches et leur origine. Des valeurs de δ180 basses ou négatives ont été mesurées sur roche totale et minéraux séparés, décroissantes en direction du contact, alors que l'intrusion elle-même a conservé des valeurs élevées. Ce gradient a été attribué à l'advection d'eau météorique durant la mise en place du magma, les températures les plus élevées favorisant d'autant plus la circulation des fluides et les échanges isotopiques durant la recristallisation des roches. Cette recristallisation engendré une redistribution chimique complète des éléments entre les différentes générations de minéraux résultant du métamorphisme de contact et de l'anatexie, mise en évidence par microanalyse. Certains éléments traces comme Zr, Hf, Y et les REE ont été concentrés dans le diopside néoformé consécutivement à la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments comme la kaersutite ou le sphène. Les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux des mélanosomes et leucosomes des migmatites sont pratiquement identiques, indiquant une rééquilibration syn- à postsolidus lors du refroidissement de l'auréole de contact. La transformation progressive des filons basiques au niveau de leur minéralogie, textures et composition chimique a pu être observée en détail à l'approche du contact d'une apophyse de l'intrusion PX1. La paragenèse magmatique initiale n'est jamais préservée, les faciès les plus distants du contact étant constitués d'un assemblage pseudomorphique hydrothermal. Ce dernier est progressivement remplacé par des assemblages anhydres incluant du diopside néoformé, puis apparaissent les premiers signes de fusion partielle, dont l'importance varie fortement d'une lithologie à l'autre. L'apparition de faciès plus basiques en direction du contact, avec des teneurs réduites en SiO2 et en éléments incompatibles tels Rb, Cs, K, a été attribuée à l'échappement de leucosomes feldspathiques hors du système. Une étude microstructurale de la distribution spatiale du matériel leucocrate au sein des migmatites par microtomographie X de haute résolution (HRXµCT) a été menée pour mieux comprendre les processus de ségrégation des liquides dans l'auréole de PX1. De petites entités ovoïdes, représentant d'anciennes structures amygdalaires au sein des filons, ont été considérées comme des ellipsoïdes marqueurs de la déformation finie. Leur petit axe est orienté perpendiculairement aux plans définis par les leucosomes, eux-mêmes subparallèles au contact intrusif. Les leucosomes matérialisent donc des plans de clivage. Ainsi, la direction de raccourcissement maximum durant la fusion partielle était perpendiculaire à l'orientation des leucosomes, contrairement à ce qui a été dit dans de précédentes publications, qui suggéraient que les leucosomes représentaient des veines de tension. RESUME DE LA THESE (POUR LE GRAND PUBLIC) L'observation directe du soubassement d'une île volcanique est une occasion rare, accessible dans le «complexe de base » de l'île canarienne de Fuerteventura. Ce dernier a enregistré divers phénomènes magmatiques, métamorphiques et de fusion partielle induits par l'intrusion répétée de magmas alimentant des appareils volcaniques sus jacents, sous forme de petits plutons, essaims de filons et complexes annulaires de gabbros alcalins, pyroxénites, syénites et carbonatites. Dans ce contexte de flux de chaleur élevé, des filons basiques ont subi une fusion partielle au contact de deux intrusions de gabbro-pyroxénite, un phénomène extrêmement rare à une profondeur aussi réduite, estimée à quelque 3-6 km. Les produits de cette fusion partielle sont des liquides très riches en feldspath, concentrés en un réseau dense de veinules blanches (leucosomes) au sein du matériau résiduel sombre non fondu (mélanosome) pour former ce qu'on appelle des migmatites. Outre les aspects pétrologiques liés à la formation de ces migmatites, l'intérêt majeur du phénomène réside dans le fait qu'il puisse représenter la source des magmas évolués parfois observés sur les îles océaniques. A des pressions aussi faibles que dans le soubassement de Fuerteventura (1-2 Kbar), la présence de fluides abondants est nécessaire pour abaisser la température de début de fusion des roches (solidus) à des valeurs géologiquement réalistes. Des expériences ont montré que même en présence de plusieurs %-poids d'eau, une température de 1000°C était encore nécessaire pour obtenir une proportion de liquide équivalente à celle observée sur le terrain, soit 25%. Or les magmas alcalins des îles océaniques, bien qu'hydratés, n'en contiennent de loin pas autant, ce qui implique une source d'eau externe. Une étude isotopique de l'oxygène a été entreprise afin de tester cette hypothèse. Les valeurs obtenues en 5180 sont basses ou négatives et indiquent l'influence d'eau d'origine météorique. Cette eau de pluie se serait infiltrée le long des filons depuis la surface du volcan et les aurait complètement hydrothermalisés en profondeur (situation encore visible à l'extérieur de l'auréole de contact), leur permettant ainsi de stocker l'eau nécessaire à leur fusion partielle ultérieure. L'interaction entre eau de pluie et filons a été d'autant plus importante que ces derniers étaient proches du contact avec l'intrusion, ce qui suggère que la circulation de ces eaux et leur interaction avec les roches a été favorisée par la chaleur fournie par l'intrusion elle-même. Un autre aspect de ce travail s'est focalisé sur la redistribution des éléments traces au sein des minéraux des filons basiques durant le métamorphisme de contact et la fusion partielle. Ainsi, le pyroxène de seconde génération est-il sensiblement enrichi en traces telles Zr, Hf, Y et les terres rares, par rapport au pyroxène magmatique originel, en relation avec la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments tels le sphène et la kaersutite. Cependant, les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux recristallisés des migmatites sont pratiquement les mêmes dans les leucosomes et les mélanosomes, suggérant une rééquilibration chimique complète durant le refroidissement de ces lithologies. Si certaines migmatites se sont comportées en système chimiquement fermé (hormis l'eau météorique), d'autres filons ont manifestement perdu une partie de leurs leucosomes, ainsi qu'en témoigne leur composition progressivement appauvrie en silice et autres éléments incompatibles mobiles, tels K et Rb à l'approche du contact de l'intrusion. Parallèlement à cette évolution chimique, les paragenèses hydrothermales distantes du contact sont progressivement remplacées par des paragenèses anhydres, puis par l'apparition des premiers leucosomes, tandis que les textures magmatiques initiales sont complètement effacées au profit d'une combinaison de textures magmatique dans les leucosomes et en mosaïque dans les mélanosomes. Enfin, la distribution spatiale des liquides de fusion partielle a été étudiée par microtomographie X de haute résolution, dans des filons contenant des entités ovoïdes leucocrates, sans doute d'anciennes amygdales à zéolites. Ces dernières ont été considérées comme des ellipsoïdes de la déformation finie. L'orientation de leur petit axe, perpendiculaire au plan défini par les veinules de leucosomes, indique que ces derniers représentent des plans de clivage perpendiculaires à la direction de raccourcissement maximum. Ainsi, la ségrégation des liquides de fusion partielle se serait faite dans les plans de compression et non dans des plans de dilatation, contrairement à ce que laisserait penser le sens commun.

The link between partial melting, granitization and granulite development in central Ribeira Fold Belt, SE Brazil: New evidence from elemental and Sr-Nd isotopic geochemistry

Elemental and Sr-Nd isotopic data on metatexites, diatexites, orthogneisses and charnockites from the central Ribeira Fold Belt indicate that they are LILE-enriched weakly peraluminous granodiorites. Harker and Th-Hf-La correlation trends suggest that these rocks represent a co-genetic sequence, whereas variations on CaO, MnO, Y and HREE for charnockites can be explained by garnet consumption during granulitic metamorphism. Similar REE patterns and isotopic results of epsilon(565)(Nd) = -5.4 to -7.3 and (87)Sr/(86)Sr(565) = 0.706-0.711 for metatexites, diatexites, orthogneisses and charnockites, as well as similar T(DM) ages between 2.0 and 1.5 Ga are consistent with evolution from a relatively homogeneous and enriched common crustal (metasedimentary) protolith. Results suggest a genetic link between metatexites, diatexites, orthogneisses and charnockites and a two-step process for charnockite development: (a) generation of the hydrated igneous protoliths by anatexis of metasedimentary rocks; (b) continuous high-grade metamorphism that transformed the ""S-type granitoids"" (leucosomes and diatexites) into orthogneisses and, as metamorphism and dehydration progressed, into charnockites. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Geochemical signatures of metasedimentary rocks of high-pressure granulite facies and their relation with partial melting: Carvalhos Klippe, Southern Brasilia Belt, Brazil

High-grade metasedimentary rocks can preserve geochemical signatures of their sedimentary protolith if significant melt extraction did not occur. Retrograde reaction textures provide the main evidence for trapped melt in the rock fabrics. Carvalhos Klippe rocks in Southern Brasilia Orogen, Brazil, present a typical high-pressure granulite assemblage with evidence of mica breakdown partial melting (Ky + Grt + Kfs +/- Bt +/- Rt). The metamorphic peak temperatures obtained by Zr-in-Rt and ternary feldspar geothermometers are between 850 degrees C and 900 degrees C. The GASP bane peak pressure obtained using grossular rich garnet core is 16 kbar. Retrograde reaction textures in which the garnet crystals are partially to totally replaced by Bt + Qtz +/- Fsp intergrowths are very common in the Carvalhos Klippe rocks. These reactions are interpreted as a result of interactions between residual phases and trapped melt during the retrograde path. In the present study the geochemical signatures of three groups of Carvalhos Klippe metasedimentary rocks are analysed. Despite the high metamorphic grade these three groups show well-defined geochemical features and their REE patterns are similar to average compositions of post-Archean sedimentary rocks (PAAS, NASC). The high-pressure granulite facies Grt-Bt-Pl gneisses with immature arenite (wacke, arkose or lithic-arenite) geochemical signatures present in the Carvalhos Klippe are compared to similar rocks in amphibolite facies from the same tectonic framework (Andrelandia Nappe System). The similar geochemical signatures between Grt-Bt-Pl gneisses metamorphosed in high-pressure granulite facies and Grt-Bt-Pl-Qtz schists from the Andrelandia and Liberdade Nappes, with minimal to absent melting conditions, are suggestive of low rates of melt extraction in these high-grade rocks. The rocks with pelitic compositions most likely had higher melt extraction and even under such circumstances nevertheless tend to show REE patterns similar to average compositions of post-Archean sedimentary rocks (PAAS, NASC). (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Granulite facies metamorphism and partial melting processes in the Ivrea Zone, Northern Italy

The Ivrea Zone in northern Italy has been the focus of numerous petrological, geochemical and structural studies. It is commonly inferred to represent an almost complete section through the mid to lower continental crust, in which metamorphism and partial melting of the abundant metapelites was the result of magmatic underplating by a large volume of mantle-derived magma. This study concerns amphibolite and granulite facies metamorphism in the Ivrea Zone with focus on metapelites and metapsammites/metagreywackes from Val Strona di Omegna and metapelites from Val Sesia and Val Strona di Postua, with the aim to better constrain their metamorphic evolution as well as their pressure and temperature conditions via phase equilibria modelling.rnrnIn Val Strona di Omegna, the metapelites show a structural and mineralogical change from mica-schists with the common assemblage bi-mu-sill-pl-q-ilm ± liq at the lowest grades, through metatexitic migmatites (g-sill-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at intermediate grades, to complex diatexitic migmatites (g-sill-ru-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at the highest grades. Within this section several mappable isograds occur, including the first appearance of K-feldspar in the metapelites, the first appearance of orthopyroxene in the metabasites and the disappearance of prograde biotite from the metapelites. The inferred onset of partial melting in the metapelites occurs around Massiola. The prograde suprasolidus evolution of the metapelites is consistent with melting via the breakdown of first muscovite then biotite. Maximum modelled melt fractions of 30–40 % are predicted at the highest grade. The regional metamorphic field gradient in Val Strona di Omegna is constrained to range from conditions of 3.5–6.5 kbar at T = 650–730 °C to P > 9 kbar at T > 900 °C. The peak P–T estimates, particularly for granulite facies conditions, are significantly higher (around 100 °C) than those of most previous studies. In Val Sesia and Val Strona di Postua to the south the exposure is more restricted. P–T estimates for the metapelites are 750–850 °C and 5–6.5 kbar in Val Sesia and approximately 800–900 °C and 5.5–7 kbar in Val Strona di Postua. These results show similar temperatures but lower pressure than metapelites in Val Strona di Omegna. Metapelites in Val Sesia in contact with the Mafic Complex exhibit a metatexitic structure, while in Val Strona di Postua diatexitic structures occur. Further, metapelites at the contact with the Mafic Complex contain cordierite (± spinel) that overprint the regional metamorphic assemblages and are interpreted to have formed during contact metamorphism related to intrusion of the Mafic Complex. The lower pressures in the high-grade rocks in Val Sesia and Val Strona di Postua are consistent with some decompression from the regional metamorphic peak prior to the intrusion of the Mafic Complex, suggesting the rocks followed a clockwise P–T path. In contrast, the metapelites in Val Strona di Omegna, especially in the granulite facies, do not contain any cordierite or any evidence for a contact metamorphic overprint. The extrapolated granulite facies mineral isograds are cut by the rocks of the Mafic Complex to the south. Therefore, the Mafic Complex cannot have caused the regional metamorphism and it is unlikely that the Mafic Complex occurs in Val Strona di Omegna.

Partial melting experiments on oceanic cumulated gabbros

We performed hydrous partial melting experiments at shallow pressures (0.2 GPa) under slightly oxidizing conditions (NNO oxygen buffer) on oceanic cumulate gabbros drilled by ODP (Ocean Drilling Program) cruises to evaluate whether the partial melting of oceanic gabbro can generate SiO2-rich melts with compositions typical of oceanic plagiogranites. The experimental melts of the low-temperature runs broadly overlap those of natural plagiogranites. At 940 °C, the normalized SiO2 contents of the experimental melts of all systems range between 60 and 61 wt%, and at 900 °C between 63 and 68 wt%. These liquids are characterized by low TiO2 and FeOtot contents, similar to those of natural plagiogranites from the plutonic section of the oceanic crust, but in contrast to Fe and Ti-rich low-temperature experimental melts obtained in MORB systems at ~950 °C. The ~1,500-m-long drilled gabbroic section of ODP Hole 735B (Legs 118 and 176) at the Southwest Indian Ridge contains numerous small plagiogranitic veins often associated with zones which are characterized by high-temperature shearing. The compositions of the experimental melts obtained at low temperatures match those of the natural plagiogranitic veins, while the compositions of the crystals of low-temperature runs correspond to those of minerals from high-temperature microscopic veins occurring in the gabbroic section of the Hole 735B. This suggests that the observed plagiogranitic veins are products of a partial melting process triggered by a water-rich fluid phase. If the temperature estimations for hightemperature shear zones are correct (up to 1,000 °C), and a water-rich fluid phase is present, the formation of plagiogranites by partial melting of gabbros is probably a widespread phenomenon in the genesis of the ocean crust.