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Authors: Pfänder, Jörg A.
Title: Oceanic crust and island arc formation in Central Asia during late Neoproterozoic times - evidence from petrological and geochemical studies
Online publication date: 1-Jan-2002
Language: english
Abstract: 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.
The late Neoproterozoic (570 Ma) Agardagh Tes-Chem ophiolite (ATCO) in Tuva, Central Asia, southwest of Lake Baikal (50.5° N, 95° E), marks the northwestern border of the Tuva-Mongolian microcontinent. The ophiolite was obducted during the accretion of the Central Asian Mobile Belt, which represents one of the largest accretionary complex on Earth. We report electron and ion microprobe, major element, trace element and isotopic data for a variety of volcanic, plutonic and mantle rocks from the ATCO and outline a model suitable to explain the geochemical and petrological data in a comprehensive way. The volcanic rocks of the ATCO are subdivided by means of their trace element and isotopic compositions into island arc related rocks (IA-rocks), back-arc basin related basalts (BAB-rocks) and exotic rocks, which are mainly late-stage dykes. The majority of the volcanic rocks analyzed belong to the island arc related group and are high-alumina basalts and basaltic andesites. They were derived from an evolved parental magma (Mg# 0.60, Cr~180 µg/g, Ni~95 µg/g), predominantly by clinopyroxene fractionation. The parental magma developed from a primary mantle melt by fractionation of about 12 % of an olivine + spinel assemblage. The IA-rocks have high abundances of incompatible trace elements (light-(L)-rare-earth element (REE) abundances up to 100 times chondritic, chondrite-normalized (La/Yb)c = 14.6 - 5.1) and negative Nb-anomalies (Nb/La = 0.37 - 0.62), but low Zr/Nb ratios (7 - 14). Initial eNd values are around +5.5, initial Pb isotopic compositions are 206Pb/204Pb = 17.39 - 18.45, 207Pb/204Pb = 15.49 - 15.61, 208Pb/204Pb = 37.06 - 38.05. Enrichment of large-ion lithophile elements within this group is significant with Ba/La = 11 - 130. The BAB-rocks are most likely derived from the same depleted mantle source as the IA-rocks but underwent higher degrees of melting (8-15 %) and are not influenced by slab-derived components. They have lower abundances of incompatible trace elements, flat REE patterns ((La/Yb)c = 0.6 - 2.4) and higher initial eNd values (+7.8 to +8.5). Negative Nb anomalies are absent (Nb/La = 0.81 - 1.30), but Zr/Nb is high (21 - 48). At least three components are necessary to explain the geochemical evolution of the volcanic rocks of the ATCO: (1) an enriched, ocean-island like component characterized by high Nb concentration ( up to 30 µg/g), an absent negative Nb anomaly, a low Zr/Nb ratio (~6.5), a low eNd value (around 0), and radiogenic 206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb and 208Pb/204Pb; (2) a back-arc basin component similar to N-MORB with a flat REE pattern and a high eNd value around +8.5, and (3) an island arc component derived from a depleted mantle source which was modified by the downgoing slab. Crystal fractionation superimposed on mixing and source contamination by subducted sediments is suitable to explain the observed geochemical data. The most likely geodynamic environment to produce these characteristics is a young, intra-oceanic island arc system and an associated back-arc basin. Plutonic rocks investigated during this study comprise ultramafic cumulates (wehrlites and pyroxenites) as well as a variety of gabbroic rocks ranging from olivine-gabbros to diorites. The geochemical characteristics of the mafic plutonic rocks are different compared to the volcanic rocks and are therefore suggestive of representing a later stage during the evolution of the ATCO. Trace element abundances in clinopyroxene from ultramafic cumulates are extremely low between 0.1 and 1 times chondritic for REE, with strongly LREE depleted patterns ((La/Yb)c = 0.27 - 0.52). Calculated equilibrium melts of ultramafic cumulates suggest a boninitic primary magma which was generated in the previously depleted mantle wedge above the subduction zone, but overall low trace element abundances indicate a negligible slab influence. Trace element abundances in gabbroic rocks are also low and REE concentrations are between about 0.5 and 10 times chondritic with both LREE-depleted and LREE-enriched patterns ((La/Yb)c = 0.25 - 2.6). Comparable to the volcanic rocks with island arc affinity, all gabbros have negative Nb anomalies with Nb/La = 0.01 - 0.31. Initial eNd values vary between +4.8 and +7.1 with an average value (+5.9) identical to the average eNd value of the IA-rocks (+ 5.5). Mantle rocks analyzed are serpentinized dunites and harzburgites. They are characterized by high ratios of whole-rock Mg/Si, but low Al/Si, indicating a highly refractory character. This is consistent with high Cr# in dunite and harzburgite spinel (up to 0.83). The total degree of melt extraction from residual mantle rocks was estimated to have been about 25 %, based on spinel compositions. The occurrence of highly residual mantle rocks, associated with ultramafic cumulates and both depleted and evolved gabbroic rocks is explained by assuming a two-stage magmatic process. First, ultramafic cumulates were formed at the crust-mantle boundary within a deep-level, open-system magma chamber, where melts from the mantle wedge passed on their way to the crust. Subsequently, more evolved magmas with lower densities were periodically expelled from this deep-level magma chamber to form mostly isolated ('trapped'), smaller intrusions at shallower crustal levels. These intrusions crystallized without remarkable replenishment, thus forming a wide variety of gabbroic rocks within a small region. However, trace element and isotopic modifications of crystallizing melts occured during assimilation of pre-existing island arc crust, which is represented by the volcanic rocks of the ATCO.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3011
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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