Authors:	Ziaja, Karen
Title:	Forward modelling of petrological crust-forming processes on the early Earth
Online publication date:	31-Jul-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	Tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) gneisses form up to two-thirds of the preserved Archean continental crust and there is considerable debate regarding the primary magmatic processes of the generation of these rocks. The popular theories indicate that these rocks were formed by partial melting of basaltic oceanic crust which was previously metamorphosed to garnet-amphibolite and/or eclogite facies conditions either at the base of thick oceanic crust or by subduction processes.rnThis study investigates a new aspect regarding the source rock for Archean continental crust which is inferred to have had a bulk compostion richer in magnesium (picrite) than present-day basaltic oceanic crust. This difference is supposed to originate from a higher geothermal gradient in the early Archean which may have induced higher degrees of partial melting in the mantle, which resulted in a thicker and more magnesian oceanic crust. rnThe methods used to investigate the role of a more MgO-rich source rock in the formation of TTG-like melts in the context of this new approach are mineral equilibria calculations with the software THERMOCALC and high-pressure experiments conducted from 10–20 kbar and 900–1100 °C, both combined in a forward modelling approach. Initially, P–T pseudosections for natural rock compositions with increasing MgO contents were calculated in the system NCFMASHTO (Na2O–CaO–FeO–MgO–Al2O3–SiO2–H2O–TiO2) to ascertain the metamorphic products from rocks with increasing MgO contents from a MORB up to a komatiite. A small number of previous experiments on komatiites showed the development of pyroxenite instead of eclogite and garnet-amphibolite during metamorphism and established that melts of these pyroxenites are of basaltic composition, thus again building oceanic crust instead of continental crust.rnThe P–T pseudosections calculated represent a continuous development of their metamorphic products from amphibolites and eclogites towards pyroxenites. On the basis of these calculations and the changes within the range of compositions, three picritic Models of Archean Oceanic Crust (MAOC) were established with different MgO contents (11, 13 and 15 wt%) ranging between basalt and komatiite. The thermodynamic modelling for MAOC 11, 13 and 15 at supersolidus conditions is imprecise since no appropriate melt model for metabasic rocks is currently available and the melt model for metapelitic rocks resulted in unsatisfactory calculations. The partially molten region is therfore covered by high-pressure experiments. The results of the experiments show a transition from predominantly tonalitic melts in MAOC 11 to basaltic melts in MAOC 15 and a solidus moving towards higher temperatures with increasing magnesium in the bulk composition. Tonalitic melts were generated in MAOC 11 and 13 at pressures up to 12.5 kbar in the presence of garnet, clinopyroxene, plagioclase plus/minus quartz (plus/minus orthopyroxene in the presence of quartz and at lower pressures) in the absence of amphibole but it could not be explicitly indicated whether the tonalitic melts coexisting with an eclogitic residue and rutile at 20 kbar do belong to the Archean TTG suite. Basaltic melts were generated predominantly in the presence of granulite facies residues such as amphibole plus/minus garnet, plagioclase, orthopyroxene that lack quartz in all MAOC compositions at pressures up to 15 kbar. rnThe tonalitic melts generated in MAOC 11 and 13 indicate that thicker oceanic crust with more magnesium than that of a modern basalt is also a viable source for the generation of TTG-like melts and therefore continental crust in the Archean. The experimental results are related to different geologic settings as a function of pressure. The favoured setting for the generation of early TTG-like melts at 15 kbar is the base of an oceanic crust thicker than existing today or by melting of slabs in shallow subduction zones, both without interaction of tonalic melts with the mantle. Tonalitic melts at 20 kbar may have been generated below the plagioclase stability by slab melting in deeper subduction zones that have developed with time during the progressive cooling of the Earth, but it is unlikely that those melts reached lower pressure levels without further mantle interaction.rn Die heute noch erhaltene archaische kontinentale Kruste besteht bis zu zwei Dritteln aus Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit (TTG)-Gneisen. Die Entstehung von Schmelzen, die zur Bildung der primären magmatischen Gesteine und somit zu ersten archaischen kontinentalen Krusten führten, steht jedoch erheblich zur Diskussion. Die verbreitetsten Theorien besagen, dass diese Gesteine nach metamorpher Umwandlung zu Granat-Amphibolith oder Eklogit und anschließendem partiellen Aufschmelzen entweder an der Unterseite von mächtiger ozeanischer Kruste oder durch Prozesse an Subduktionszonen entstanden sind.rnDie vorliegende Arbeit stellt einen neuen Untersuchungsansatz hinsichtlich des Ausgangsgesteins für die erste kontinentale Kruste im Archaikum dar. Im Gegensatz zu heutiger basaltischer Ozeankruste könnte als Ausgangszusammensetzung eine magnesiumreichere Ozeankruste mit pikritischer Zusammensetzung in Frage kommen. Diese Annahme liegt darin begründet, dass im frühen Archaikum ein höherer Geothermischer Gradient vorhanden war, welcher eine stärkere partielle Aufschmelzung des Mantels und somit eine magnesiumreichere und mächtigere ozeanische Kruste zur Folge hatte. rnIn dieser Arbeit wurden thermodynamische Gleichgewichtsmodellierungen mit THERMOCALC sowie Hochdruckexperimente bei Drücken von 10–20 kbar und Temperaturen von 900–1100 °C in einem „forward modelling“ Ansatz miteinander kombiniert, um den möglichen Beitrag eines magnesiumreicheren Ausgangsgesteins während der Entstehung von ersten TTG-ähnlichen Schmelzen zu untersuchen. Im ersten Schritt wurden P–T Pseudosections für metamorphe Produkte von natürlichen Gesteinszusammensetzungen mit zunehmendem Magnesiumgehalt von Mittel-ozeanischem Rücken Basalt bis zu Komatiit im System NCFMASHTO modelliert. Eine geringe Anzahl an Experimenten mit Komatiiten haben im Vorfeld gezeigt, dass deren metamorphe Produkte Pyroxenite, und keine Granat-Amphibolithe oder Eklogite sind. Partielle Schmelzen von diesen Pyroxeniten sind wiederum basaltisch und würden daher weitere ozeanische Kruste anstatt kontinentaler Kruste bilden. rnDie P–T Pseudosections bestätigen eine kontinuierliche Entwicklung der metamorphen Produkte von Amphibolith und Eklogit bis hin zu Pyroxenit. Auf dieser Basis sind drei Modelle für archaische ozeanische Kruste (MAOC) mit verschiedenen Gehalten an MgO (11, 13 und 15 Gew%) berechnet worden. Thermodynamische Mineralgleichgewichtsmodellierungen im Supersolidus-bereich von MAOC 11, MAOC 13 und MAOC 15 sind nicht zufriedenstellend möglich, da derzeit noch kein entsprechendes Schmelzmodell für metabasische Gesteine fertiggestellt ist. Das an dieser Stelle verwendete Schmelzmodell für metapelitische Gesteine ist in diesem Rahmen sehr ungenau. Um die partiell geschmolzenen Bereiche zu untersuchen wurden Hochdruckexperimente durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen einen Übergang von überwiegend tonalitischen Schmelzen in MAOC 11 zu basaltischen Schmelzen in MAOC 15 sowie eine Zunahme der Solidus-Temperatur mit zunehmendem Magnesiumgehalt der Ausgangszusammensetzungen. rnTonalitische Schmelzzusammensetzungen treten in MAOC 11 und 13 bei Drücken ab 12.5 kbar in Paragenese mit Granat, Klinopyroxen, Plagioklas, Quarz (plus/minus Orthopyroxen in Gegenwart von Quarz bei niedrigem Druck) in der Abwesenheit von Amphibol auf. Inwiefern tonalitische Schmelzen, die bei 20 kbar im Gleichgewicht mit einem eklogitischen Residuum und Rutil gebildet wurden, zu den archaischen TTG-Gneisen gehören, kann im Rahmen dieser Arbeit nicht ausdrücklich bestimmt werden. Schmelzen mit basaltischer Zusammensetzung treten in allen MAOC Zusammensetzungen bei Drücken bis zu 15 kbar überwiegend in granulitischen Residuen mit Amphibol plus/minus Granat, Plagioklas, Orthopyroxen und in der Abwesenheit von Quarz auf. rnDie tonalitischen Schmelzen in MAOC 11 und 13 zeigen, dass ozeanische Kruste mit einem höheren MgO-Gehalt als heutige Mittelozeanische Rücken Basalte, mögliche Ausgangsgesteine für die Bildung von TTG-ähnlichen Schmelzen darstellen und somit auch für die Entstehung erster kontinentaler Kruste verantwortlich sind. Die Ergebnisse der Experimente können auch aufgrund der residualen Mineralparagenesen bei verschiedenen Drücken unterschiedlichen geologischen Bildungsbedingungen zugeordnet werden. Für die Experimente bei 12.5 und 15 kbar ist die Theorie wahrscheinlicher, dass das partielle Schmelzen an der Unterseite mächtiger ozeanischer Kruste oder in flachen Subduktionszonen stattfand, wobei die Schmelze anschließend nicht mit Mantelmaterial reagieren konnte. Die tonalitischen Schmelzen, die in den Experimenten bei 20 kbar in der Abwesenheit von Plagioklas gebildet wurden, sind tieferen Subduktionszonen, wie sie sich während der progressiven Abkühlung der Erde entwickelt haben können, zuzuordnen. Ein Aufstieg dieser tonalitischen Schmelzen ohne Interaktion mit dem Mantel ist jedoch unwahrscheinlich.rn
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-2086
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-31930
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	194 S.
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