Authors:	Rummel, Lisa
Title:	Coupling geodynamic with thermodynamic modeling to investigate compositional evolution in magmatic systems
Online publication date:	4-Jun-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Understanding the generation and stagnation of melt inside the lithosphere or asthenosphere is crucial to understand eruption processes on Earth. Recent advances in developing new thermodynamic melting models allow us to model realistic rock compositions and to investigate their properties (density, melt fraction, chemistry and mineralogy) with pressure (P) and temperature (T). Incorporating such thermodynamic data into a thermomechanical code is required to better understand the temporal and spatial evolution of magmatic systems. In this thesis, we develop different approaches that couple geodynamic with thermodynamic modeling to investigate the compositional evolution of magmatic systems, focusing on intraplate magmatism triggered by a rising mantle plume and on arc-related crustal magmatism. The mantle plume consists of a heterogeneous source composed of pyrolitic and metasomatized mantle. Decompression and the occurrence of hydrous mantle rocks cause melting in the rising plume at different stages. The generated melt is extracted, as a critical melt fraction is exceeded, and is emplaced within or on top of the crust. Compositional trends of the extracted melts (consisting of up to twelve oxides) are used to describe melting related processes by focusing on the K2O/Na2O ratio as an indicator for the rock type that has been molten. The results are compared with magmatic rocks of the West Eifel volcanic field (Germany) to propose a possible scenario to explain the observation that features a trend of high-enriched to less-enriched rocks with time. The computation of mantle phase diagrams is executed with pMELTS, under consideration of several rock depletion degrees at different P-T conditions. To decrease the number of precomputed phase diagrams, a Self-organizing Map (SOM) is used to define P-T ranges of similar bulk rock compositions. The chemical and the mineralogical evolution of the crust during arc magmatism are studied by incorporating a semi-analytical fracture algorithm into a geodynamic code to simulate dike/sill formation. Sill intrusion triggers the formation of dikes which propagate in the direction of the maximum principal stress. Each melt extraction event is leaving behind a depleted source with locally changeable rock compositions (10 oxides are considered) that is enhanced in case magma mixing is involved. To track this change in rock composition on each individual marker, tens of thousands of phase diagrams are precomputed using Perple_X. As the longevity of magma reservoirs is decisive for magma differentiation's efficiency, we investigate the conditions that keep regions of accumulated sills in a partially crystallized state (e.g., lower rock cohesion or deeper sill injection zone). Produced rocks are compared with igneous rocks from different arcs and the relevance of the different rock types for crust genesis is evaluated. Furthermore, we present an autonomous forecast approach to extend the phase diagram database with possible rock composition requests from geodynamic simulations. For this, new bulk rock compositions are determined within boundaries that are constrained manually or through principal components. A reduction of the sampling space is considered by applying a clustering algorithm to the database entries. The developed petro-thermo-mechanical code can be applied to a wide range of geological settings to study magmatic processes that result in the formation of different igneous rock types. Um Vulkanausbrüche und deren Ursprung besser verstehen zu können, ist die Untersuchung der Generierung sowie der Stagnierung der Schmelze in der Lithosphäre oder Asthenosphäre von zentraler Bedeutung. Neueste Fortschritte in der Entwicklung thermodynamischer Schmelzmodelle erlauben uns die Gesteine und deren Eigenschaften (Dichte, Schmelzanteil, Chemie und Mineralogie) über Druck (P) und Temperatur (T) genauer zu bestimmen. Die Integrierung dieser thermodynamischen Daten in einen geodynamischen Code ist notwendig, um die zeitliche sowie räumliche Entwicklung von magmatischen Systemen besser nachvollziehen zu können. In dieser Arbeit haben wir verschiedene Verfahren entwickelt, zur Kopplung geodynamischer mit thermodynamischer Modellierung, um die Entwicklung der chemischen Zusammensetzung in magmatischen Systemen zu ermitteln. Hierbei liegt der Fokus einerseits auf Intraplattenmagmatismus ausgelöst durch einen aufsteigenden Mantelplume und andererseits auf krustale Magmareservoire in einem kontinentalen magmatischen Bogen. Der Mantelplume besteht aus einer heterogenen Quelle, die aus pyrolitischen und metasomatisierten Mantel zusammengesetzt ist. Auf Grund von Druckentlastung sowie dem Vorkommen wasserreicher Gesteine, kommt es während des Aufstieges zur Schmelzbildung. Die Schmelze wird jeweils extrahiert, sobald der kritische Schmelzanteil erreicht ist, und entweder innerhalb der Kruste oder an der Oberfläche platziert. Zusammensetzungstrends der extrahierten Schmelze (bestehend aus bis zu 12 Oxiden), hier vor allem das K2O/Na2O Verhältnis, werden verwendet, um aufschmelzungsbezogene Prozesse zu ermitteln. Die hieraus gewonnenen Ergebnisse sind mit magmatischen Gesteinen aus der West Eifel verglichen worden, um ein mögliches Modell zu deren Entstehung herzuleiten. Die Berechnung der Phasendiagramme wird für verschiedene Verarmungsgrade des Mantels mit dem Programm pMELTS durchgeführt. Um die Anzahl der Phasendiagramme zu reduzieren, werden mit Hilfe einer sogenannten „Self-organizing Map" (SOM) P-T Bereiche bestimmt, in denen ähnliche Gesteinszusammensetzungen vorliegen. Die chemische und mineralogische Entwicklung des kontinentalen magmatischen Bogens sind untersucht worden, unter Einbeziehung eines semi-analytischen Algorithmus zur Bildung von Dikes und Sills. Intrudierte Sills führen zur Bildung von Dikes, deren Entstehung und Ausbreitung durch das Spannungsfeld kontrolliert werden. Jeder dieser Schmelzextrahierungsevents hinterlässt eine abgereicherte Quelle, dessen Zusammensetzung (bestehend aus 10 Oxiden) stark lokal variiert, insbesondere wenn Magmamischung involviert ist. Um diese Änderung auf jedem einzelnen Marker zu verfolgen, sind zehntausende Phasendiagramme berechnet worden, unter Verwendung des Programmes Perple_X. Da die Langlebigkeit von Magmareservoiren ausschlaggebend für die Differentiation des Magmas ist, haben wir unseren Schwerpunkt darauf gelegt, unter welchen Bedingungen eine vollständige Kristallisation verzögert werden kann (z.B. mit einer geringeren Gesteinskohäsion oder einer tieferen Zone der injizierten Sills). Die modellierten Gesteinszusammensetzungen sind mit natürlichen magmatischen Gesteinen verglichen und deren jeweiliger Beitrag zur Krustenbildung evaluiert worden. Weiterhin präsentieren wir hier eine Strategie zum effizienten Aufbau und Erweiterung einer Phasendiagrammdatenbank. Hierzu werden neue Gesteinszusammensetzungen bestimmt, die kompositionell innerhalb manueller oder, durch Hauptkomponentenanalyse (PCA) definierter, Grenzen liegen. Der Parameterraum wird durch ältere Datenbankeinträge beschrieben, die in Gruppen ähnlicher Zusammensetzung unterteilt werden können. Der entwickelte petrologische-thermomechanische Code kann auf verschiedenste geologische Bereiche angewendet werden, um magmatische Prozesse zu untersuchen, die zur Bildung unterschiedlichster magmatischer Gesteinstypen führen.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1976
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000028034
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xiv, 216 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen