Determinação de elementos traços em diques mesozoicos da Serra do Mar por meio de ativação com nêutrons

A análise de elementos traço, tais como terras raras, TH, U, Ta, Hf, Ba, Rb e Ba, é uma ferramenta muito importante para estudos petrogenéticos. No intuito de estudar tais processos em diques do Enxame Serra do Mar (litoral de São Paulo e Rio de Janeiro), pertencente à Provincia Magmática do Paraná (PMP), uma das províncias de basaltos continentais mais expressivas do mundo, foram realizadas análises por ativação com nêutrons nestes diques. A técnica, empregada no Centro de Reator de pesquisa do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, forneceu concentrações de elementos traço com os níveis de precisão de 10% e exatidão 9% os quais são adequadas para estudos petrogenéticos. Devido as baixas concentrações dos elementos analisados, a rotina experimental de preparação das amostras abrangeu processos bastantes cuidadosos para evitar contaminação. As amostras investigadas podem ser divididas em quatro grupos: rochas básicas (SiO2<55%) com Ti/Y<500; rochas intermediárias (55%63%). Diques de composição intermediária e ácida só ocorrem na Ilha de São Sebastião e na região costeira adjacente. As concentrações de elementos maiores e menores, bem como os padrões de abundância de terras raras e de outros elementos incompatíveis dessas rochas mais diferenciadas, apresentaram semelhanças significativas com os das vulcânicas Chapecó do tipo Ourinhos, sugerindo gênese similar, ou seja, incluindo também processos de contaminação crustal .

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.

Indagine delle proprietà statistiche di serie temporali di posizione applicata al caso della stazione permanente GPS della base Mario Zucchelli in Terra Vittoria (Antartide)

Da ormai sette anni la stazione permanente GPS di Baia Terranova acquisisce dati giornalieri che opportunamente elaborati consentono di contribuire alla comprensione della dinamica antartica e a verificare se modelli globali di natura geofisica siano aderenti all’area di interesse della stazione GPS permanente. Da ricerche bibliografiche condotte si è dedotto che una serie GPS presenta molteplici possibili perturbazioni principalmente dovute a errori nella modellizzazione di alcuni dati ancillari necessari al processamento. Non solo, da alcune analisi svolte, è emerso come tali serie temporali ricavate da rilievi geodetici, siano afflitte da differenti tipologie di rumore che possono alterare, se non opportunamente considerate, i parametri di interesse per le interpretazioni geofisiche del dato. Il lavoro di tesi consiste nel comprendere in che misura tali errori, possano incidere sui parametri dinamici che caratterizzano il moto della stazione permanente, facendo particolare riferimento alla velocità del punto sul quale la stazione è installata e sugli eventuali segnali periodici che possono essere individuati.

Metamorfismo ercinico di bassa-pressione: evoluzione tettonico-metamorfica del complesso di mandatoriccio (massiccio della Sila - Calabria)

Low-pressure/high-temperature (LP/HT) metamorphic belts are characterised by rocks that experienced abnormal heat flow in shallow crustal levels (T > 600 °C; P < 4 kbar) resulting in anomalous geothermal gradients (60-150 °C/km). The abnormal amount of heat has been related to crustal underplating of mantle-derived basic magmas or to thermal perturbation linked to intrusion of large volumes of granitoids in the intermediate crust. In particular, in this latter context, magmatic or aqueous fluids are able to transport relevant amounts of heat by advection, thus favouring regional LP/HT metamorphism. However, the thermal perturbation consequent to heat released by cooling magmas is responsible also for contact metamorphic effects. A first problem is that time and space relationships between regional LP/HT metamorphism and contact metamorphism are usually unclear. A second problem is related to the high temperature conditions reached at different crustal levels. These, in some cases, can completely erase the previous metamorphic history. Notwithstanding this problem is very marked in lower crustal levels, petrologic and geochronologic studies usually concentrate in these attractive portions of the crust. However, only in the intermediate/upper-crustal levels of a LP/HT metamorphic belt the tectono-metamorphic events preceding the temperature peak, usually not preserved in the lower crustal portions, can be readily unravelled. The Hercynian Orogen of Western Europe is a well-documented example of a continental collision zone with widespread LP/HT metamorphism, intense crustal anatexis and granite magmatism. Owing to the exposure of a nearly continuous cross-section of the Hercynian continental crust, the Sila massif (northern Calabria) represents a favourable area to understand large-scale relationships between granitoids and LP/HT metamorphic rocks, and to discriminate regional LP/HT metamorphic events from contact metamorphic effects. Granulite-facies rocks of the lower crust and greenschist- to amphibolite-facies rocks of the intermediate-upper crust are separated by granitoids emplaced into the intermediate level during the late stages of the Hercynian orogeny. Up to now, advanced petrologic studies have been focused mostly in understanding P-T evolution of deeper crustal levels and magmatic bodies, whereas the metamorphic history of the shallower crustal levels is poorly constrained. The Hercynian upper crust exposed in Sila has been subdivided in two different metamorphic complexes by previous authors: the low- to very low-grade Bocchigliero complex and the greenschist- to amphibolite-facies Mandatoriccio complex. The latter contains favourable mineral assemblages in order to unravel the tectono-metamorphic evolution of the Hercynian upper crust. The Mandatoriccio complex consists mainly of metapelites, meta-arenites, acid metavolcanites and metabasites with rare intercalations of marbles and orthogneisses. Siliciclastic metasediments show a static porphyroblastic growth mainly of biotite, garnet, andalusite, staurolite and muscovite, whereas cordierite and fibrolite are less common. U-Pb ages and internal features of zircons suggest that the protoliths of the Mandatoriccio complex formed in a sedimentary basin filled by Cambrian to Silurian magmatic products as well as by siliciclastic sediments derived from older igneous and metamorphic rocks. In some localities, metamorphic rocks are injected by numerous aplite/pegmatite veins. Small granite bodies are also present and are always associated to spotted schists with large porphyroblasts. They occur along a NW-SE trending transcurrent cataclastic fault zone, which represents the tectonic contact between the Bocchigliero and the Mandatoriccio complexes. This cataclastic fault zone shows evidence of activity at least from middle-Miocene to Recent, indicating that brittle deformation post-dated the Hercynian orogeny. P-T pseudosections show that micaschists and paragneisses of the Mandatoriccio complex followed a clockwise P-T path characterised by four main prograde phases: thickening, peak-pressure condition, decompression and peak-temperature condition. During the thickening phase, garnet blastesis started up with spessartine-rich syntectonic core developed within micaschists and paragneisses. Coevally (340 ± 9.6 Ma), mafic sills and dykes injected the upper crustal volcaniclastic sedimentary sequence of the Mandatoriccio complex. After reaching the peak-pressure condition (≈4 kbar), the upper crust experienced a period of deformation quiescence marked by the static overgrowths of S2 by Almandine-rich-garnet rims and by porphyroblasts of biotite and staurolite. Probably, this metamorphic phase is related to isotherms relaxation after the thickening episode recorder by the Rb/Sr isotopic system (326 ± 6 Ma isochron age). The post-collisional period was mainly characterised by decompression with increasing temperature. This stage is documented by the andalusite+biotite coronas overgrown on staurolite porphyroblasts and represents a critical point of the metamorphic history, since metamorphic rocks begin to record a significant thermal perturbation. Peak-temperature conditions (≈620 °C) were reached at the end of this stage. They are well constrained by some reaction textures and mineral assemblages observed almost exclusively within paragneisses. The later appearance of fibrolitic sillimanite documents a small excursion of the P-T path across the And-Sil boundary due to the heating. Stephanian U-Pb ages of monazite crystals from the paragneiss, can be related to this heating phase. Similar monazite U-Pb ages from the micaschist combined with the lack of fibrolitic sillimanite suggest that, during the same thermal perturbation, micaschists recorded temperatures slightly lower than those reached by paragneisses. The metamorphic history ended with the crystallisation of cordierite mainly at the expense of andalusite. Consequently, the Ms+Bt+St+And+Sill+Crd mineral assemblage observed in the paragneisses is the result of a polyphasic evolution and is characterised by the metastable persistence of the staurolite in the stability fields of the cordierite. Geologic, geochronologic and petrographic data suggest that the thermal peak recorded by the intermediate/upper crust could be strictly connected with the emplacement of large amounts of granitoid magmas in the middle crust. Probably, the lithospheric extension in the relatively heated crust favoured ascent and emplacement of granitoids and further exhumation of metamorphic rocks. After a comparison among the tectono-metamorphic evolutions of the different Hercynian crustal levels exposed in Sila, it is concluded that the intermediate/upper crustal level offers the possibility to reconstruct a more detailed tectono-metamorphic history. The P-T paths proposed for the lower crustal levels probably underestimate the amount of the decompression. Apart from these considerations, the comparative analysis indicates that P-T paths at various crustal levels in the Sila cross section are well compatible with a unique geologic scenario, characterized by post-collisional extensional tectonics and magmas ascent.

Tectonics and kinematics of curved mountain belts: examples from the Andes and the Alps

Curved mountain belts have always fascinated geologists and geophysicists because of their peculiar structural setting and geodynamic mechanisms of formation. The need of studying orogenic bends arises from the numerous questions to which geologists and geophysicists have tried to answer to during the last two decades, such as: what are the mechanisms governing orogenic bends formation? Why do they form? Do they develop in particular geological conditions? And if so, what are the most favorable conditions? What are their relationships with the deformational history of the belt? Why is the shape of arcuate orogens in many parts of the Earth so different? What are the factors controlling the shape of orogenic bends? Paleomagnetism demonstrated to be one of the most effective techniques in order to document the deformation of a curved belt through the determination of vertical axis rotations. In fact, the pattern of rotations within a curved belt can reveal the occurrence of a bending, and its timing. Nevertheless, paleomagnetic data alone are not sufficient to constrain the tectonic evolution of a curved belt. Usually, structural analysis integrates paleomagnetic data, in defining the kinematics of a belt through kinematic indicators on brittle fault planes (i.e., slickensides, mineral fibers growth, SC-structures). My research program has been focused on the study of curved mountain belts through paleomagnetism, in order to define their kinematics, timing, and mechanisms of formation. Structural analysis, performed only in some regions, supported and integrated paleomagnetic data. In particular, three arcuate orogenic systems have been investigated: the Western Alpine Arc (NW Italy), the Bolivian Orocline (Central Andes, NW Argentina), and the Patagonian Orocline (Tierra del Fuego, southern Argentina). The bending of the Western Alpine Arc has been investigated so far using different approaches, though few based on reliable paleomagnetic data. Results from our paleomagnetic study carried out in the Tertiary Piedmont Basin, located on top of Alpine nappes, indicate that the Western Alpine Arc is a primary bend that has been subsequently tightened by further ~50° during Aquitanian-Serravallian times (23-12 Ma). This mid-Miocene oroclinal bending, superimposing onto a pre-existing Eocene nonrotational arc, is the result of a composite geodynamic mechanism, where slab rollback, mantle flows, and rotating thrust emplacement are intimately linked. Relying on our paleomagnetic and structural evidence, the Bolivian Orocline can be considered as a progressive bend, whose formation has been driven by the along-strike gradient of crustal shortening. The documented clockwise rotations up to 45° are compatible with a secondary-bending type mechanism occurring after Eocene-Oligocene times (30-40 Ma), and their nature is probably related to the widespread shearing taking place between zones of differential shortening. Since ~15 Ma ago, the activity of N-S left-lateral strike-slip faults in the Eastern Cordillera at the border with the Altiplano-Puna plateau induced up to ~40° counterclockwise rotations along the fault zone, locally annulling the regional clockwise rotation. We proposed that mid-Miocene strike-slip activity developed in response of a compressive stress (related to body forces) at the plateau margins, caused by the progressive lateral (southward) growth of the Altiplano-Puna plateau, laterally spreading from the overthickened crustal region of the salient apex. The growth of plateaux by lateral spreading seems to be a mechanism common to other major plateaux in the Earth (i.e., Tibetan plateau). Results from the Patagonian Orocline represent the first reliable constraint to the timing of bending in the southern tip of South America. They indicate that the Patagonian Orocline did not undergo any significant rotation since early Eocene times (~50 Ma), implying that it may be considered either a primary bend, or an orocline formed during the late Cretaceous-early Eocene deformation phase. This result has important implications on the opening of the Drake Passage at ~32 Ma, since it is definitely not related to the formation of the Patagonian orocline, but the sole consequence of the Scotia plate spreading. Finally, relying on the results and implications from the study of the Western Alpine Arc, the Bolivian Orocline, and the Patagonian Orocline, general conclusions on curved mountain belt formation have been inferred.

Velocity structure and seismic anisotropy in the crust and upper mantle from Receiver Function analysis: three case studies in Italy

The research for this PhD project consisted in the application of the RFs analysis technique to different data-sets of teleseismic events recorded at temporary and permanent stations located in three distinct study regions: Colli Albani area, Northern Apennines and Southern Apennines. We found some velocity models to interpret the structures in these regions, which possess very different geologic and tectonics characteristics and therefore offer interesting case study to face. In the Colli Albani some of the features evidenced in the RFs are shared by all the analyzed stations: the Moho is almost flat and is located at about 23 km depth, and the presence of a relatively shallow limestone layer is a stable feature; contrariwise there are features which vary from station to station, indicating local complexities. Three seismic stations, close to the central part of the former volcanic edifice, display relevant anisotropic signatures­­­ with symmetry axes consistent with the emplacement of the magmatic chamber. Two further anisotropic layers are present at greater depth, in the lower crust and the upper mantle, respectively, with symmetry axes directions related to the evolution of the volcano complex. In Northern Apennines we defined the isotropic structure of the area, finding the depth of the Tyrrhenian (almost 25 km and flat) and Adriatic (40 km and dipping underneath the Apennines crests) Mohos. We determined a zone in which the two Mohos overlap, and identified an anisotropic body in between, involved in the subduction and going down with the Adiratic Moho. We interpreted the downgoing anisotropic layer as generated by post-subduction delamination of the top-slab layer, probably made of metamorphosed crustal rocks caught in the subduction channel and buoyantly rising toward the surface. In the Southern Apennines, we found the Moho depth for 16 seismic stations, and highlighted the presence of an anisotropic layer underneath each station, at about 15-20 km below the whole study area. The moho displays a dome-like geometry, as it is shallow (29 km) in the central part of the study area, whereas it deepens peripherally (down to 45 km); the symmetry axes of anisotropic layer, interpreted as a layer separating the upper and the lower crust, show a moho-related pattern, indicated by the foliation of the layer which is parallel to the Moho trend. Moreover, due to the exceptional seismic event occurred on April 6th next to L’Aquila town, we determined the Vs model for two station located next to the epicenter. An extremely high velocity body is found underneath AQU station at 4-10 km depth, reaching Vs of about 4 km/s, while this body is lacking underneath FAGN station. We compared the presence of this body with other recent works and found an anti-correlation between the high Vs body, the max slip patches and earthquakes distribution. The nature of this body is speculative since such high velocities are consistent with deep crust or upper mantle, but can be interpreted as a as high strength barrier of which the high Vs is a typical connotation.

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

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

Duktile Gesteinsdeformation durch zeitabhängige Kataklase

In Gesteinen, die bei schwach- bis mittelgradiger Metamorphose deformiert wurden, sind Mikrostrukturen, wie z.B. undulöse Auslöschung, Subkörner und kristallographische Regelungen, typisch. Sie werden i.a. als das Resultat eines kristallplastischen Deformationsprozesses interpretiert. Das häufige Auftreten dieser Strukturen führte zu der Annahme, daß kristallplastische Deformationsprozesse zu den dominierenden duktilen Deformationsmechanismen während der Erdkrustendeformation gehören.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Experimenten, bei denen die zeitabhängige kata-klastische Deformation polykristalliner, kompaktierter Aggregatproben des sehr gut löslichen, elastisch/spröden Salzes Natriumchlorat (NaClO3) untersucht wurde. Dieses Salz wurde als Analogmaterial gesteinsbildender Minerale wie Quarz und Feldspat ausgewählt. Es wurde nun untersucht, ob und in welcher Weise spröde Deformationsmechanismen in Anwesenheit von Wasser scheinbar kristall-plastische Mikrostrukturen hervorrufen können.Aus den Versuchen ergibt sich nun die Folgerung, daß scheinbar kristallplastisch erzeugte Mikrostrukturen wie Subkörner auch durch spröde zeitunabhängige Risse und subkritische (langsame) Kataklase entstehen können. Diese Erkenntnisse sind wichtig für das rheologische Verhalten der Erdkruste und somit auch für Modellierungen der Erdkrustendeformation. Ihre Betrachtung und Übertragung auf die Deformationsstrukturen der natürlich deformierten kontinentalen, oberkrustalen Gesteine der Erde würde die Interpretation der Mikrostrukturen in diesen Bereichen stark ändern. Dies hätte eine wesentliche Änderung auf den Verlauf der Gesteinsfestigkeitskurven in den Spannungsprofilen der Erdoberkruste zur Folge.

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.

Active tectonics in the NW-German Basin: Evidence from correlations between the modern landscape and deep geological structures (Lower Saxony, river Hunte)

KurzfassungIm Einzugsgebiet der Hunte (NW-Deutsches Becken, Niedersachsen) wurde untersucht, ob die Landschaftsgenese durch tektonische Bewegungen der Oberkruste beeinflußt ist. Krustenbewegungen führten im Bereich einer Hauptschollengrenze zu einer Hebung der weichselzeitlichen Niederterrasse (durchschnittliche Hebungssrate von ~0,5 mm/a über die letzten 12000 Jahre). Tektonischer Einfluß auf die heutige Landoberfläche ist über einem permischen Salzkissen zu verzeichnen, wo sich das Gefälle der holozänen Aue umkehrt. Krustenbewegungen haben mit großer Wahrscheinlichkeit Vorzugsrichtungen verursacht, die an der Tertiärbasis und in der heutigen Landschaft nachweisbar sind (0-5° und 90-95°). Das Abfließen der Hunte nach Norden scheint durch eine aktive, nordwärts gerichtete Kippung des NW-Deutschen Beckens verursacht zu sein. Hohe lineare Korrelationskoeffizienten zwischen Tiefenlage der Tertiärbasis und Höhenlage der heutigen Landoberfläche weisen auf eine aktive Kippung des Beckens hin. Beckensubsidenz hat möglicherweise die Akkumulation der weichselzeitlichen Niederterrasse gesteuert, da eine Übereinstimmung zwischen rezenter Beckensubsidenz und durchschnittlicher Sedimentationsrate des Niederterrassenkörpers besteht. Untersuchungen an einer geschlossenen Hohlform deuten auf eine aktive Sackungsstruktur hin, da sich Anomalien des geologischen Untergrundes mit der topographischen Lage der Struktur decken.

Quantification of deformation processes in the Torlesse accretionary wedge, New Zealand

Zusammenfassung:In dieser Studie werden Deformationsprozesse im mesozoischen Torlesse Akkretionskeil (Neuseeland) quantifiziert, um Aufschluß über die Dynamik in Akkretionskeilen zu erhalten. Absolute und relative Verformungsmessungen zeigen sowohl im lokalen als auch regionalen Maßstab eine stark heterogene Deformation des Torlesse Keils. Die regionale Deformation wurde mit Hilfe einer Tensordurchschnittsberechnung, unter Benutzung einzelner lokaler Verformungsdaten, als uniaxiale Verkürzung entlang einer subvertikalen, maximalen Verkürzungsachse charakterisiert. Absolute Verformungsmessungen an niedriggradigen Metasandsteinen belegen darüber hinaus durchschnittliche Volumenverluste von ca. 20% SiO2. Volumenveränderungen in tieferkrustalen Aufschlüssen wurden mittels einer geochemischen Massenbilanzanalyse abgeschätzt. Chemische Zusammensetzungen höhergradiger Zonen weichen je nach Grad der Volumenverformung von der Protolitzusammensetzung ab und zeigen somit Verluste von 15% SiO2 an. Da Speicherorte für das gelöste Material nicht bekannt sind, muss angenommen werden, dass das Material aus dem Keil abtransportiert wurde. Die Verformungsergebnisse geben weiterhin Aufschluß über den Grad der Kopplung zwischen Akkretionskeil und subduzierter Platte. Die ermittelten Scherwerte in den Gesteinen liegen deutlich unter den zu erwartenden Scherwerten, die mittels eines einfachen Modells berechnet wurden, das sowohl verschiedene Konvergenzgeschwindigkeiten als auch Exhumierungsraten berücksichtigt. Dies belegt, dass der Torlesse Keil stark von der subduzierten pazifischen Platte entkoppelt war und die Deformation hauptsächlich durch den Fluß der Sedimente in und aus dem Keil bestimmt wurde.

The Mavuradonha Layered Complex

Der Mavuradonha Layered Complex repräsentiert einen 862 ? 4 Ma alten Komplex, der in einem tiefkrustalen Milieu intrudierte. Eine mehrphasige magmatische Differentiation ist in macro-rhythmischen Einheiten und kleinmaßstäblichen Lagenbau erkennbar, aus denen die Kristallisationssequenzen Pyroxenite, Gabbros/Norite, Leuko-Gabbros oder Ferro-Gabbro und Anorthosite resultieren. ?Nd-Werte zwischen + 0.3 und + 6.6 zeigen krustale Kontamination eines aus dem verarmten Mantel stammenden, tholeiitischen Ursprungsmagma an. ?Nd-Werte (+ 2.4 bis - 3.5) anderer tholeiitischer Gabbros in unmittelbarer Nähe des Komplexes deuten ebenfalls auf Krustenkontamination hin, jedoch in stärkerem Maße.Der Komplex wurde um 554 ? 13 Ma unter granulitfaziellen Bedingungen von 13 ? 2 kbar und 840 ? 30° C überprägt. Die anschließende retrograde, amphibolitfazielle Metamorphose mit Bedingungen von 11 ? 2 kbar und 680 ? 20° C ereignete sich um 546 ? 9 Ma. Abkühlung bis zur Grünschieferfazies erfolgte spätestens um 501 ? 6 Ma.Die vorgestellten Daten zeigen, dass sich der Sambesi-Gürtel im NE Simbabwes als fehlgeschlagenes Rift oder intrakratonisches Becken während einer frühen Pan-Afrikanischen Extensionsphase entwickelte, während die granulitfazielle Metamorphose um 300 Ma später erfolgte. Somit deutet die Intrusion des Mavuradonha Layered Complex rift-bedingten Magmatismus in einer frühen Riftphase an, während das Becken oder Rift während der Pan-Afrikanischen Orogenese geschlossen wurde.

Geochronology, geochemistry and isotopic compositions of the volcanic rocks from oceanic (Hawaii) and continental (Eifel) intra-plate environments

The Eifel volcanism is part of the Central European Volcanic Province (CEVP) and is located in the Rhenish Massif, close to the Rhine and Leine Grabens. The Quaternary Eifel volcanism appears to be related to a mantle plume activity. However, the causes of the Tertiary Hocheifel volcanism remain debated. We present geochronological, geochemical and isotope data to assess the geotectonic settings of the Tertiary Eifel volcanism. Based on 40Ar/39Ar dating, we were able to identify two periods in the Hocheifel activity: from 43.6 to 39.0 Ma and from 37.5 to 35.0 Ma. We also show that the pre-rifting volcanism in the northernmost Upper Rhine Graben (59 to 47 Ma) closely precede the Hocheifel volcanic activity. In addition, the volcanism propagates from south to north within the older phase of the Hocheifel activity. At the time of Hocheifel volcanism, the tectonic activity in the Hocheifel was controlled by stress field conditions identical to those of the Upper Rhine Graben. Therefore, magma generation in the Hocheifel appears to be caused by decompression due to Middle to Late Eocene extension. Our geochemical data indicate that the Hocheifel magmas were produced by partial melting of a garnet peridotite at 75-90 km depth. We also show that crustal contamination is minor although the magmas erupted through a relatively thick continental lithosphere. Sr, Nd and Pb isotopic compositions suggest that the source of the Hocheifel magmas is a mixing between depleted FOZO or HIMU-like material and enriched EM2-like material. The Tertiary Hocheifel and the Quaternary Eifel lavas appear to have a common enriched end-member. However, the other sources are likely to be distinct. In addition, the Hocheifel lavas share a depleted component with the other Tertiary CEVP lavas. Although the Tertiary Hocheifel and the Quaternary Eifel lavas appear to originate from different sources, the potential involvement of a FOZO-like component would indicate the contribution of deep mantle material. Thus, on the basis of the geochemical and isotope data, we cannot rule out the involvement of plume-type material in the Hocheifel magmas. The Ko’olau Scientific Drilling Project (KSDP) has been initiated in order to evaluate the long-term evolution of Ko’olau volcano and obtain information about the Hawaiian mantle plume. High precision Pb triple spike data, as well as Sr and Nd isotope data on KSDP lavas and Honolulu Volcanics (HVS) reveal compositional source variations during Ko’olau growth. Pb isotopic compositions indicate that, at least, three Pb end-members are present in Ko’olau lavas. Changes in the contributions of each component are recorded in the Pb, Sr and Nd isotopes stratigraphy. The radiogenic component is present, at variable proportion, in all three stages of Ko’olau growth. It shows affinities with the least radiogenic “Kea-lo8” lavas present in Mauna Kea. The first unradiogenic component was present in the main-shield stage of Ko’olau growth but its contribution decreased with time. It has EM1 type characteristics and corresponds to the “Ko’olau” component of Hawaiian mantle plume. The second unradiogenic end-member, so far only sampled by Honololu lavas, has isotopic characteristics similar to those of a depleted mantle. However, they are different from those of the recent Pacific lithosphere (EPR MORB) indicating that the HVS are not derived from MORB-related source. We suggest, instead, that the HVS result from melting of a plume material. Thus the evolution of a single Hawaiian volcano records the geochemical and isotopic changes within the Hawaiian plume.

Isotope geochemical and geochronologic studies of basement units in the Central Western Carpathians (Slovakia)

In dieser Arbeit werden geochronologische und isotopen-geochemische Daten zur Entwicklung der Zentralen Westlichen Karpathen präsentiert. Die Karpathen bilden die östliche Fortsetzung der Alpen und können in drei Alpine Grundgebirgsdecken unterteilt werden, von denen zwei, die Veporische und die Gemerische, bearbeitet wurden. In der Veporischen Einheit wurden polymetamorphe Grundgebirgseinheiten untersucht, um deren genaue Altersstellung zu definieren und sie isotopengeochemisch zu klassifizieren. Dagegen wurde in der der Gemerischen Einheit, welche die Veporische Einheit überlagert, ein spezialisierter S-Typ Granit im Detail untersucht, um die petrogenetischen Prozesse, die zur magmatischen Entwicklung dieses Granits geführt haben, zu identifizieren. U-Pb Datierungen an Zirkonen der Veporischen Grundgebirgseinheiten zeigen für die gesamte Veporische Einheit ordovizische Entsehungsalter an (440-470 Ma). Diese Datierungen revidieren publizierte kambrische Entstehungsalter dieses Grundgebirges. Die Isotopensignatur (epsilon Nd und 87Sr/86Sr) der ordovizischen Grundgebirgseinheiten, bestehend aus stark überprägten Amphiboliten und Gneissen, ist von der Signatur der sich im Norden anschliessenden Tatrischen Einheit gut unterscheidbar. Die Bleiisotopenzusammensetzung dieser Gesteine ist stark krustal geprägt und überschneidet sich mit der der Tatrischen Einheit. Zusammen mit den T-DM Altern sind diese Einheiten vergleichbar mit prävariskischen Einheiten der Alpen. Somit kann das ordovizische Grundgebirge zu den peri-Gondwana Terranen gezählt werden, die an einem aktiven Kontinentalrand im Norden von Gondwana gebildet wurden. In den Gesteinen der Veporischen Einheit wurde im Weiteren eine starke metamorphe überprägung und intensiver felsischer Magmatismus karbonischen Alters erkannt (320-350 Ma). Dieses Ereignis ist zeitgleich mit dem Magmatismus, welcher hauptsächlich in der sich im Norden anschliessenden Tatrischen Einheit beobachtet wird. Dieser gehört der variskischen Orogenese an. Intensive alpine Deformation und Metamorphose konnte in der südlichen Veporischen Einheit anhand der Einzelzirkondatierungen und der Isotopendaten der ordovizischen Einheiten nachgewiesen werden. Am Dlha Dolina Granit in der Gemerischen Einheit können starke Fraktionierungs- und Auto-Metasomatose-Effekte beobachtet werden. Durch die magmatische Fraktionierung wird eine Anreicherung der SEE erzeugt, wogegen die Metasomatose die SEE stark verarmt. Es kommt sogar zur Ausbildung eines Tetraden Effektes im SEE Muster, welche den starken Einfluss von Fluiden während der spät-magmatischen Phase belegt. Gesamtgesteins Pb-Pb Daten beschränken das minimale Intrusionsalter dieses Granites auf 240 Ma. Dieses Alter ist in guter übereinstimmung mit den Sr-Isotopendaten der magmatisch dominierten Gesteine, wohingegen die stark metasomatisch geprägten Gesteine ein zu radiogenes 87Sr/86Sri aufweisen. Während dieser Arbeit wurde intensiv mit der Blei-Isotopenzusammensetzung von Gesamtgesteinsproben gearbeitet. Um die Auswertung dieser Daten optimieren zu können wurde ein Computerscript für das GPL Programm Octave erstellt. Die Hauptaufgabe dieses Scripts besteht darin, Regressionen für geochronologische Anwendungen gemäss York (1969) zu berechnen. Ausserdem können mu und kappa-Werte für diese Regressionen berechnet und eine Hauptkomponentenanalyse, welche hilfreich für den Vergleich von zwei Datensätzen ist, durchgeführt werden. Am Ende der vorliegenden Arbeit wird die analytische Methode für einen Mikrowellen beschleunigten Säureaufschluss von granitoidem Material zur Bestimmung der Sr- und Nd-Isotopenzusammensetzung und der Elementkonzentrationen vorgestellt. Diese kombinierte Methode nutzt ein TIMS für die Sr und Nd Isotopenmessungen und eine Einzelkollektor-ICPMS zur Bestimmung der SEE, Rb und Sr Konzentrationen, welche mithilfe von relativen Sensitivitätsfaktoren gegenüber einem internen Standard quantifiziert werden. Diese Methode wird durch Messungen von internationalen Referenzmaterialien bewertet. Die Ergebnisse zeigen eine Reproduzierbarkeit von <10% für die Elementkonzentrationen und von <5% für Elementverhältnisse.