Crystallization conditions and controls on trace element residence in the main minerals from the Pedra Branca Syenite, Brazil: An electron microprobe and LA-ICPMS study

Major and trace-element microanalyses of the main minerals from the 610 Ma Pedra Branca Syenite, southeast Brazil, allow inferences on intensive parameters of magmatic crystallization and on the partition of trace-elements among these minerals, with important implications for the petrogenetic evolution of the pluton. Two main syenite types make up the pluton, a quartz-free syenite with tabular alkali feldspar (laminated silica-saturated syenite, LSS, with Na-rich augite + phlogopite + hematite + magnetite + titanite + apatite) and a quartz-bearing syenite (laminated silica-oversaturated syenite, LSO, with scarce corroded plagioclase plus diopside + biotite +/- hornblende + ilmenite magnetite +/- titanite + apatite). Both types share a remarkable enrichment in incompatible elements as K, Ba, Sr, P and LREE. Apatite saturation temperatures of similar to 1060-1090 degrees C are the best estimates of liquidus, whereas the pressure of emplacement, based on Al-in-hornblende barometry, is estimated as 3.3 to 4.8 khan Although both units crystallized under oxidizing conditions, oxygen fugacity was probably higher in LSS, as shown by higher mg# of the mafic minerals and higher hematite contents in Hem-Ilm(ss). In contrast with the Ca-bearing alkali-feldspar from LSO, which hosts most of the whole-rock Sr and Pb, virtually Ca-free alkali-feldspar from LSS hosts similar to 50% of whole-rock Sr and similar to 80% of Pb, the remainder of these elements being shared by apatite, pyroxene and titanite. This contrast reflects a strong crystal-chemical control, whereby a higher proportion of an element with similar ratio and charge (Ca2+) enhances the residence of Sr and Pb in the M-site of alkali feldspar. The more alkaline character of the LSS magma is inferred to have inhibited zircon saturation; Zr + Hf remained in solution until late in the crystallization, and were mostly accommodated in the structure of Ca-Na pyroxene and titanite, which are one order of magnitude richer in these elements compared to the same minerals in LSO, where most of Zr and Hf are inferred to reside in zircon. The REE, Th and U reside mostly in titanite and apatite; D(REE)Tit/Ap raises steadily from 1 to 6 from La to Tb then remains constant up to Lu in the LSO sample; these values are about half as much in the LSS sample, where lower contents of incompatible elements in titanite are attributed to its greater modal abundance and earlier crystallization. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Complex, 3D strain patterns in a synkinematic tonalite batholith from the Aracuai Neoproterozoic orogen (Eastern Brazil): Evidence from combined magnetic and isotopic chronology studies

This work combines structural and geochronological data to improve our understanding of the mechanical behaviour of continental crust involving large amount of magma or partially melted material in an abnormally hot collisional belt. We performed a magnetic and geochronological (U/Pb) study on a huge tonalitic batholith from the Neoproterozoic Aracual belt of East Brazil to determine the strain distribution through space and time. Anisotropy of magnetic susceptibility, combined with rock magnetism investigations, supports that the magnetic fabric is a good proxy of the structural fabric. Field measurements together with the magnetic fabrics highlight the presence in the batholith of four domains characterized by contrasted magmatic flow patterns. The western part is characterized by a gently dipping, orogen-parallel (similar to NS) magmatic foliation that bears down-dip lineations, in agreement with westward thrusting onto the Sao Francisco craton. Eastward, the magmatic foliation progressively turns sub-vertical with a lineation that flips from sub-horizontal to sub-vertical over short distances. This latter domain involves an elongated corridor in which the magmatic foliation is sub-horizontal and bears an orogen-parallel lineation. Finally the fourth, narrow domain displays sub-horizontal lineations on a sub-vertical magmatic foliation oblique (similar to N150 degrees E) to the trend of the belt. U/Pb dating of zircons from the various domains revealed homogeneity in age for all samples. This, together with the lack of solid-state deformation suggests that: 1) the whole batholith emplaced during a magmatic event at similar to 580 Ma, 2) the deformation occurred before complete solidification. and 3) the various fabrics are roughly contemporaneous. The complex structural pattern mapped in the studied tonalitic batholith suggests a 3D deformation of a slowly cooling, large magmatic body and its country rock. We suggest that the development of the observed 3D flow field was promoted by the low viscosity of the middle crust that turned gravitational force as an active tectonic force combining with the East-West convergence between the Sao Francisco and Congo cratons. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The growth of large mafic intrusions: Comparing Niquelandia and Ivrea igneous complexes

The Niquelandia Complex, Brazil, is one of the world's largest mafic-ultramafic plutonic complexes. Like the Mafic Complex of the Ivrea-Verbano Zone, it is affected by a pervasive high-T foliation and shows hypersolidus deformation structures, contains significant inclusions of country-rock paragneiss, and is subdivided into a Lower and an Upper Complex. In this paper, we present new SHRIMP U-Pb zircon ages that provide compelling evidence that the Upper and the Lower Niquelandia Complexes formed during the same igneous event at ca. 790 Ma. Coexistence of syn-magmatic and high-T subsolidus deformation structures indicates that both complexes grew incrementally as large crystal mush bodies which were continuously stretched while fed by pulses of fresh magma. Syn-magmatic recrystallization during this deformation resulted in textures and structures which, although appearing metamorphic, are not ascribable to post-magmatic metamorphic event(s), but are instead characteristic of the growth process in huge and deep mafic intrusions such as both the Niquelandia and Ivrea Complexes. Melting of incorporated country-rock paragneiss continued producing hybrid rocks during the last, vanishing stages of magmatic crystallization. This resulted in the formation of minor, late-stage hybrid rocks, whose presence obscures the record of the main processes of interaction between mantle magmas and crustal components, which may be active at the peak of the igneous events and lead to the generation of eruptible hybrid magmas. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Banhado Alkaline Complex, Southeastern Brazil: source and evolution of potassic SiO2-undersaturated high-Ca and low-Ca magmatic series

The Cretaceous Banhado alkaline complex in southeastern Brazil presents two potassic SiO2-undersaturated series. The high-Ca magmatic series consist of initially fractionated olivine (Fo(92-91)) + diopside (Wo(48-43)En(49-35)Ae(0-7)), as evidenced by the presence of xenocrysts and xenoliths. In that sequence, diopside (Wo(47-38)En(46-37)Ae(0-8)) + phlogopite + apatite + perovskite (Prv(> 92)) crystallized to form the phlogopite melteigite and led to the Ca enrichment of the magma. Diopside (Wo(47-41)En(32-24) Ae(3-14)) continued to crystallize as an early mafic mineral, followed by nepheline (Ne(74.8-70.1)Ks(26.3-21.2)Qz(7.6-0.9)) and leucite (Lc(65-56)) and subsequently by melanite and potassic feldspar (Or(85-99)Ab(1-7)) to form melanite ijolites, wollastonite-melanite urtites and melanite-nepheline syenites. Melanite-pseudoleucite-nepheline syenites are interpreted to be a leucite accumulation. Melanite nephelinite dykes are believed to represent some of the magmatic differentiation steps. The low-Ca magmatic series is representative of a typical fractionation of aegirine-augite (Wo(36-29)En(25-4)Ae(39-18)) + alkali feldspar (Or(57-96)Ab(3-43)) + nepheline (Ne(76.5-69.0)Ks(19.9-14.4)Qz(15.1-7.7)) + titanite from phonolite magma. The evolution of this series from potassic nepheline syenites to sodic sodalite syenites and sodalitolites is attributed to an extensive fractionation of potassic feldspar, which led to an increase of the NaCl activity in the melt during the final stages forming sodalite-rich rocks. Phonolite dykes followed a similar evolutionary process and also registered some crustal assimilation. The mesocratic nepheline syenites showed interactions with phlogopite melteigites, such as compatible trace element enrichments and the presence of diopside xenocrysts, which were interpreted to be due to a mixing/mingling process of phonolite and nephelinite magmas. The geochemical data show higher TiO2 and P2O5 contents and lower SiO2 contents for the high-Ca series and different LILE evolution trends and REE chondrite-normalized patterns as compared to the low-Ca series. The Sr-87/Sr-86, Nd-143/Nd-144, Pb-206/Pb-204 and Pb-208/Pb-204 initial ratios for the high-Ca series (0.70407-0.70526, 0.51242-0.51251, 17.782-19.266 and 38.051-39.521, respectively) were slightly different from those of the low-Ca series (0.70542-0.70583, 0.51232-0.51240, 17.758-17.772 and 38.021-38.061, respectively). For both series, a CO2-rich potassic metasomatized lithospheric mantle enriched the source with rutile-bearing phlogopite clinopyroxenite veins. Kamafugite-like parental magma is attributed to the high-Ca series with major contributions from the melting of the veins. Potassic nephelinite-like parental magma is assigned to the low-Ca series, where the metasomatized wall-rock played a more significant role in the melting process.

Petrology of Gameleira potassic lamprophyres, São Francisco Craton

Gameleira lamprophyres are dykes and mafic microgranular enclaves associated with the shoshonitic Gameleira monzonite. This association belongs to the Paleoproterozoic alkaline magmatism from Serrinha nucleus, northeast Brazil. The liquidus paragenesis is diopside, pargasite, apatite and mica. Reverse zoning was identified in the groundmass alkali feldspar and was related to the undercooling of lamprophyric magma during the emplacement, with high growth rate of pargasite/edenite inducing disequilibrium between feldspars and liquid. Chemical data indicate that the lamprophyres are basic rocks (SiO2 < 48 wt%), with alkaline character (Na2O + K2O > 3 wt%) and potassic signature (K2O/Na2O ≈ 2). High contents of MgO and Cr are consistent with a signature of a primary liquid, and such concentrations, as well as Al, K, P, Ba, Ni- and light rare earth elements, are consistent with an olivine-free metasomatic mantle source enriched in amphibole, clinopyroxene and apatite. By contrast, the ultrapotassic lamprophyres from Morro do Afonso, contemporaneous alkaline ultrapotassic magmatism in Serrinha nucleus, were probably produced by melting of a clinopyroxene-phlogopite-apatite enriched-source. The identification of different mineral paragenesis in the source of potassic and ultrapotassic lamprophyres from Serrinha nucleus can contribute to the understanding of the mantle heterogeneities and tectonic evolution of this region.

Implicações sobre a natureza das fontes mantélicas envolvidas na gênese da Província Magmática do Paraná

Neste estudo, buscou-se compreender os processos e materiais que contribuíram às fontes mantélicas envolvidas na gênese da Província Magmática do Paraná (PMP). O papel que a crosta, a litosfera e o manto terrestre (raso ou profundo) desempenham na geração de assinaturas químicas e isotópicas em basaltos de derrames continentais e oceânicos tem sido um tema intensamente pesquisado e muito debatido na literatura internacional (e.g., Sheth, 2005). Embora muitos estudos já tenham sido conduzidos na PMP, existe ainda uma grande controvérsia com relação à natureza das regiões-fonte dos magmas (manto litosférico continental ou manto sublitosférico), como também acerca dos mecanismos geodinâmicos que provocam o início da fusão dessas regiões-fonte (e.g., Bellieni et al., 1984; Hawkesworth et al., 1992). Nesse contexto, uma grande quantidade de análises de elementos traço (litófilos e siderófilos), como também dados isotópicos de quatro sistemas de decaimento radioativo (Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb e Re-Os), foram obtidos em basaltos que ocorrem no norte e sul da PMP. A regionalização geoquímica e isotópica (Sr-Nd-Pb) observada nas rochas basálticas da PMP tem sido frequentemente interpretada como resultante da fusão de manto litosférico subcontinental heterogêneo. Entretanto, dados geoquímicos de elementos altamente siderófilos e de razões isotópicas 187Os/188Os, obtidos neste estudo, indicam uma fonte mantélica homogênea, já que os basaltos baixo-TiO2 e alto- TiO2 possuem razões isotópicas de ósmio muito similares (187Os/188Osi = 0,1295±0,0018), as quais são distintas daquelas de manto litosférico subcontinental antigo (Proterozoico ou Arqueano; 187Os/188Os = 0,113). Os dados isotópicos Re-Os exibem uma tendência linear (187Re/188Os versus 187Os/188Os), definindo uma isócrona de boa qualidade (idade = 131,6 ± 2,3 Ma), consistente com as idades obtidas em trabalhos anteriores utilizando o método 40Ar/39Ar. Comumente, a PMP tem sido geneticamente ligada ao hotspot Tristão da Cunha via Rio Grande Rise e Walvis Ridge. No entanto, as razões isotópicas de ósmio determinadas nas rochas da Ilha de Tristão da Cunha são muito distintas daquelas dos basaltos da PMP, reforçando que essa pluma não deve ter contribuído com matéria na gênese dessas rochas. Desta forma, para explicar todas as características isotópicas dos basaltos da PMP é necessário o envolvimento de três componentes mantélicos (Marques et al., 1999). Um deles, empobrecido e semelhante ao DMM, estaria presente na fonte dos basaltos alto-TiO2 e baixo-TiO2, dominando as composições isotópicas de ósmio. Os outros dois componentes enriquecidos (EM-I e EM-II) seriam responsáveis pelas variações nas composições isotópicas de Sr-Nd-Pb. Na gênese dos basaltos alto-TiO2 provavelmente ocorreu envolvimento de crosta continental inferior delaminada (EM-I), enquanto nas rochas baixo-TiO2 há indicação de participação de crosta continental superior reciclada (EM-II). O componente empobrecido possui composição semelhante à de peridotitos de arco, sendo que essa assinatura isotópica pode ter sido gerada por processos metassomáticos relacionados a processos de subducção neoproterozóicas, que teriam modificado o manto astenosférico (DMM). No processo de aglutinação do Gondwana esse manto astenosférico metassomatizado pode ter sido incorporado à base da litosfera, sofrendo posterior refusão, por ocasião da atividade ígnea da PMP.

Quimioestratigrafia em basaltos da Formação Serra Geral (Bacia do Paraná) nas regiões centro-oeste de São Paulo e oeste do Paraná: resultados preliminares

A Província Magmática do Paraná-Etendeka, ou ainda Formação Serra Geral assim definida na estratigrafia da Bacia do Paraná, constitui um dos maiores registros vulcânicos em área continental do planeta. O grande volume de magma é evidenciado não só pelas rochas expostas, que contemplam o sul e parte do sudeste brasileiro, mas também pela forte heterogeneidade geoquímica e petrográfica das rochas básicas, intermediárias e ácidas, que integram a placa Sul-Americana. Os trabalhos que abordam a caracterização geoquímica dos diferentes tipos de magmas, obtidos por meio de coleta sistemática de superfície são bastante abundantes, porem pouco são aqueles que abordam a quimioestratigrafia dos basaltos por meio de poços de sondagem buscando as relações estratigráficas aplicadas ao entendimento da evolução dos diferentes tipos de magmas, fontes, intervalo de idades e variações petrográficas sem a influência direta de falhas tectônicas que interferiam no aspecto fidedigno dos dados. Com isso, este trabalho em andamento, com 15 sequencias vulcânicas completas obtidas por meio de poços de sondagem nos estados de São Paulo e Paraná, com até 1156 metros de espessura, são investigados para elementos maiores, traços, terras-raras, isótopos (Pb, Sr e Nd) e idades (Ar-Ar) buscando a compreensão de processos de diferenciação magmática in situ e até mesmo considerações sobre o grau de fusão, fontes mantélicas envolvidas, correlação com a parte sul da província magmática e relação com a fase rifte da placa sul-americana. Os resultados, ainda que preliminares, mostraram que a média da espessura de cada pulso magmático é de 35 metros de rocha basáltica variando de 2 até 90 metros, sendo que a pilha mais profunda alcança 970 metros na região noroeste do estado de São Paulo podendo chegar até 1200 se for considerado a espessura dos sills intrudidos nos sedimentos paleozoicos sotopostos. Já os dados geoquímicos mostraram que as regiões investigadas são compostas exclusivamente por basaltos toleíticos do tipo alto-Ti, com concentrações em TiO2 variando entre 1,77% e 3,66% e MgO de 2,88% até 4,95%, podendo ser divididos em dois subtipos distintos, denominados de Pitanga e Paranapanema conforme classificação de Peate et al. (1992). O primeiro está enriquecido em Nb (8%), K (9%), La (11%), Ce (18%), P (8%), Nd (20%), Zr (19%), Sm (17%), Eu (15%) e Ti (15%) em relação ao segundo. Também é possível verificar que os magmas se alternam na posição estratigráfica sendo iniciado pelo tipo Pitanga (em contato direto com os arenitos eólicos da Formação Botucatu) seguindo pelo magma Paranapanema onde o primeiro, em espessura, e dominante em 60% em relação ao segundo. Por fim, mesmo que o trabalho ainda esteja em fase inicial, é possível concluir que os basaltos investigados podem ter sido abastecidos por mais de uma câmara magmática, que extravasaram suas lavas em épocas distintas, iniciando com basaltos do tipo Pitanga, em contato com os arenitos da Formação Botucatu, e encerrando a pilha edificada com aqueles do tipo Paranapanema.

Caracterización geomagnética del sistema cónico de diques traquíticos de Tejeda (Gran Canaria)

[ES] En la cuenca de Tejeda (Gran Canaria) existe un sistema cónico de más de 500 diques de composición traquítica y fonolítica. La investigación se ha centrado en el estudio de las características geológicas y magnéticas de siete diques traquíticos (con texturas afaníticas y porfídicas) representativos del sistema cónico. El estudio de la "anisotropía de la susceptibilidad magnética" (ASM) en 84 cilindros de roca confirma que: 1) es una propiedad magnética medible en este tipo de materiales sálicos, 2) el flujo de magma traquítico no fue homogéneo en el conducto de cada dique, ni existe una tendencia cónica de los planos de flujo de magma en los diques estudiados hacia una cámara magmática profunda

La imagen de Gran Canaria como destino turístico

[ES] En la cuenca de Tejeda (Gran Canaria) existe un sistema cónico de más de 500 diques de composición traquítica y fonolítica. La investigación se ha centrado en el estudio de las características geológicas y magnéticas de siete diques traquíticos (con texturas afaníticas y porfídicas) representativos del sistema cónico. El estudio de la ?anisotropía de la susceptibilidad magnética? (ASM) en 84 cilindros de roca confirma que: 1) es una propiedad magnética medible en este tipo de materiales sálicos, 2) el flujo de magma traquítico no fue homogéneo en el conducto de cada dique, ni existe una tendencia cónica de los planos de flujo de magma en los diques estudiados hacia una cámara magmática profunda.

Eruptive history of the Krakatau volcanic complex, Indonesia

[EN] The 1883 eruption of Krakatau is one of the best known volcanic events in the world, although it was not the largest, nor the deadliest of known eruptions. However, the eruption happened in a critical moment (just after the first global telegraph network was established) and in a strategic place (the Sunda Straits were a naval traffic hot spot at that time). The lecture will explore these events in some detail before presenting an outline on ongoing multidisciplinary efforts to unravel the past and present day plumbing systems of the 1883 eruption and that of the active Anak Krakatau cone. A mid- and a lower-crustal magma storage level exist beneath the volcano, placing significant emphasis on magma-crust interaction in the uppermost, sediment-rich crust. This final aspect shares similarities with the 2011/2012 El Hierro eruption, highlighting the relevance of the interaction between ascending magmas and marine deposits that oceanic magmas have to pass. At Krakatau, shallow-level crustal contamination offers a possible explanation for the explosive nature of the 1883 eruption and also for those of the presently active Anak Krakatau edifice and helps constrain location, style and processes of subvolcanic magma storage.

Historia de la morfogénesis granítica

[EN] From the moment a granitic magma begins to cool until it is solidified it is subjected to stress and strain, producing the various discontinuities that can be seen in the finally exposed rock. When as a result of the erosion of superincumbent rocks the granite is at or near the land surface these discontinuities are exploited by weathering. Such features, and particularly those related to fractures or diaclases, outline forms that are considered here as primary endogenous forms. Once the rock is in the earth surface, various external agencies first soil weathering and later others as gravity, rivers, waves, glaciers, frost, wind, attack the rock to produce new suites of forms that are considered here as primary exogenous either etched or subaerial features. Such primary forms, both endogenous and exogenous, can evolve morphologically further as a result of subaerial weathering and erosion, becoming secondary endogenous or secondary exogenous forms. Exceptionally, some primary, either exogenous or endogenous, features can survive to successive morphogenetic episodes either below sedimentary burial or just subaerially without appreciable modification by external agencies being considered as inherited forms. Only the discernment of all these types of landforms allows the complete understanding of the geomorphological history of the area in which they occur.

Slope stability analysis by multi-temporal DEMs and 3D modelling: The 2002 and 2007 Stromboli landslide events

Natural hazard related to the volcanic activity represents a potential risk factor, particularly in the vicinity of human settlements. Besides to the risk related to the explosive and effusive activity, the instability of volcanic edifices may develop into large landslides often catastrophically destructive, as shown by the collapse of the northern flank of Mount St. Helens in 1980. A combined approach was applied to analyse slope failures that occurred at Stromboli volcano. SdF slope stability was evaluated by using high-resolution multi-temporal DTMMs and performing limit equilibrium stability analyses. High-resolution topographical data collected with remote sensing techniques and three-dimensional slope stability analysis play a key role in understanding instability mechanism and the related risks. Analyses carried out on the 2002–2003 and 2007 Stromboli eruptions, starting from high-resolution data acquired through airborne remote sensing surveys, permitted the estimation of the lava volumes emplaced on the SdF slope and contributed to the investigation of the link between magma emission and slope instabilities. Limit Equilibrium analyses were performed on the 2001 and 2007 3D models, in order to simulate the slope behavior before 2002-2003 landslide event and after the 2007 eruption. Stability analyses were conducted to understand the mechanisms that controlled the slope deformations which occurred shortly after the 2007 eruption onset, involving the upper part of slope. Limit equilibrium analyses applied to both cases yielded results which are congruent with observations and monitoring data. The results presented in this work undoubtedly indicate that hazard assessment for the island of Stromboli should take into account the fact that a new magma intrusion could lead to further destabilisation of the slope, which may be more significant than the one recently observed because it will affect an already disarranged deposit and fractured and loosened crater area. The two-pronged approach based on the analysis of 3D multi-temporal mapping datasets and on the application of LE methods contributed to better understanding volcano flank behaviour and to be prepared to undertake actions aimed at risk mitigation.

Petrographie und Geochemie des Eckfelder Maares und von Hillscheid und die Einbindung in den Hocheifelvulkanismus

Tertiäre Vulkanite aus dem Eckfelder Maar, dem Hillscheider Diatrem und dem Hillscheid Basalt (Schlot) wurden petrologisch und geochemisch untersucht. Bis auf tonige Klasten aus dem Bohrkern des Eckfelder Maares handelt es sich bei allen weiteren Proben um undifferenzierte basische Vulkanite. Die tonigen Klasten aus dem Bohrkern müssen der ehemaligen Landoberfläche vor der Eruption des Eckfelder Maares zugerechnet werden, in dessen Krater sie während der Eruption hineingefallen sind. Bis auf die Proben des Hillscheid Basaltes sind die Proben alteriert. Die Alteration zeigt sich an der Bildung von Zeolithen und Calcitmineralisationen, die primär und sekundär gebildete Hohlräume aufgefüllt haben oder an einer vertonten Grundmasse der Proben, die daneben Mineraleinschlüsse (Spinell) und kantige Fremdgesteinsbruchstücke enthalten können. Bei den Proben mit vertonter Grundmasse handelt es sich um Palagonite, Umwandlungsprodukte aus Sideromelan (basaltischem Glas). Geochemische Analysen an Grundmassepräparaten der alterierten bis vertonten Proben zeigen, dass außer den immobilen Elementen Ti, Nb, Zr, Y alle weiteren Elemente teilweise bis vollständig abgereichert worden sind. Eine Ausnahme bildet Barium (Ba), welches z.T. in beträchtlichen Mengen in Zeolithen (Harmotom) angereichert wurde. Bei den Proben aus dem Eckfelder Maar kann die Alteration bis Vertonung der Proben alleine mit der Palagonitisierung und Verwitterung erklärt werden. Es gibt keine Hinweise auf Materialzufuhr und damit für sich anschließende hydrothermale Prozesse. Die Proben des Hillscheider Diatrem sind wesentlich geringer alteriert (glasige Grundmasse). Neuste Erkenntnisse aus einer Bohrung im Sommer 1999 im vermuteten Zentrum des Hillscheider Diatrems beschränken das Diatrem maximal auf einen kleineren Bereich im Nordosten der bisherigen Lokation. Bei der Bohrung stieß man nach 20 Meter auf Anstehendes. Im Hangschutt darüber fand man Blöcke des Hillscheid Basaltes. Eine geringere Größe der Lokation zusammen mit der geringen Alteration könnten auf deren Entstehung mit einer initialen Maarphase gefolgt von Schlackentätigkeit hinweisen. Die Schlacken könnten die ersten Ablagerungen vor Verwitterung geschützt haben. Allerdings gibt es keine Funde die eine Schlackentätigkeit belegen. Beim sogenannten 'Hillscheider Diatrem' könnte es sich aber auch um Hangschutt aus der Randbreccie des Hillscheider Basaltes handeln. Zusammen mit Bruchstücken aus dem Schlot des Hillscheid Basaltes wären die Palagonite des sogenannten 'Hillscheider Diatrem' erst in jüngster Zeit im Bereich einer Uferböschung zur Ablagerung gekommen. Dies würde allerdings das sogenannte 'Hillscheider Diatrem' in seiner Existenz in Frage stellen. Vergleiche der Proben des Hillscheid Basaltes mit basischen Hocheifelvulkaniten deuten auf kogenetische Beziehung aller Proben untereinander und ordnen die Proben des Hillscheid Basaltes geochemisch dem Hocheifelvulkanismus zu. REE- und weitere Spurenelementgehalte und auch deren Elementverhältnisse weisen für alle tertiären Eifelvulkanite gemeinsam auf Mantelschmelzen aus dem Bereich eines Granatperidotits mit niedrigen Aufschmelzgraden um ein Prozent hin. Vergleich der Elementverhältnisse hochinkompatibler Elemente im Bezug auf die Bildung mafischer Schmelzen mit primitivem Mantel deuten darauf hin, dass der Mantel im Bereich der Hocheifel verarmt ist an K, Rb, Sr und angereichert an Ba und eventuell an Nb. Ursachen für diese von typisch primären Mantelzusammensetzung abweichenden Verhältnisse könnten durch Mischungen von Mantelschmelzen mit lithosphärischem Mantel (K-Anomalie) und durch Anreicherungen mit fluiden Phasen (Ba-Anomalie) oder auch Schmelzen aus einem tieferliegenden Plume (Kelberger Hoch) verursacht worden sein. Englischer Zusammenfassung:

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.