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Authors: Nehring, Franziska
Title: Partial melting within the lower crust – Constraints from bulk rock geochemical data and trace element mineral analyses of granulites and migmatites from Central Finland
Online publication date: 28-Aug-2007
Language: english
Abstract: This PhD thesis concerns geochemical constraints on recycling and partial melting of Archean continental crust. A natural example of such processes was found in the Iisalmi area of Central Finland. The rocks from this area are Middle to Late Archean in age and experienced metamorphism and partial melting between 2.7-2.63 Ga. The work is based on extensive field work. It is furthermore founded on bulk rock geochemical data as well as in-situ analyses of minerals. All geochemical data were obtained at the Institute of Geosciences, University of Mainz using X-ray fluorescence, solution ICP-MS and laser ablation-ICP-MS for bulk rock geochemical analyses. Mineral analyses were accomplished by electron microprobe and laser ablation ICP-MS. Fluid inclusions were studied by microscope on a heating-freezing-stage at the Geoscience Center, University Göttingen. Part I focuses on the development of a new analytical method for bulk rock trace element determination by laser ablation-ICP-MS using homogeneous glasses fused from rock powder on an Iridium strip heater. This method is applicable for mafic rock samples whose melts have low viscosities and homogenize quickly at temperatures of ~1200°C. Highly viscous melts of felsic samples prevent melting and homogenization at comparable temperatures. Fusion of felsic samples can be enabled by addition of MgO to the rock powder and adjustment of melting temperature and melting duration to the rock composition. Advantages of the fusion method are low detection limits compared to XRF analyses and avoidance of wet-chemical processing and use of strong acids as in solution ICP-MS as well as smaller sample volumes compared to the other methods. Part II of the thesis uses bulk rock geochemical data and results from fluid inclusion studies for discrimination of melting processes observed in different rock types. Fluid inclusion studies demonstrate a major change in fluid composition from CO2-dominated fluids in granulites to aqueous fluids in TTG gneisses and amphibolites. Partial melts were generated in the dry, CO2-rich environment by dehydration melting reactions of amphibole which in addition to tonalitic melts produced the anhydrous mineral assemblages of granulites (grt + cpx + pl ± amph or opx + cpx + pl + amph). Trace element modeling showed that mafic granulites are residues of 10-30 % melt extraction from amphibolitic precursor rocks. The maximum degree of melting in intermediate granulites was ~10 % as inferred from modal abundances of amphibole, clinopyroxene and orthopyroxene. Carbonic inclusions are absent in upper-amphibolite facies migmatites whereas aqueous inclusion with up to 20 wt% NaCl are abundant. This suggests that melting within TTG gneisses and amphibolites took place in the presence of an aqueous fluid phase that enabled melting at the wet solidus at temperatures of 700-750°C. The strong disruption of pre-metamorphic structures in some outcrops suggests that the maximum amount of melt in TTG gneisses was ~25 vol%. The presence of leucosomes in all rock types is taken as the principle evidence for melt formation. However, mineralogical appearance as well as major and trace element composition of many leucosomes imply that leucosomes seldom represent frozen in-situ melts. They are better considered as remnants of the melt channel network, e.g. ways on which melts escaped from the system. Part III of the thesis describes how analyses of minerals from a specific rock type (granulite) can be used to determine partition coefficients between different minerals and between minerals and melt suitable for lower crustal conditions. The trace element analyses by laser ablation-ICP-MS show coherent distribution among the principal mineral phases independent of rock composition. REE contents in amphibole are about 3 times higher than REE contents in clinopyroxene from the same sample. This consistency has to be taken into consideration in models of lower crustal melting where amphibole is replaced by clinopyroxene in the course of melting. A lack of equilibrium is observed between matrix clinopyroxene / amphibole and garnet porphyroblasts which suggests a late stage growth of garnet and slow diffusion and equilibration of the REE during metamorphism. The data provide a first set of distribution coefficients of the transition metals (Sc, V, Cr, Ni) in the lower crust. In addition, analyses of ilmenite and apatite demonstrate the strong influence of accessory phases on trace element distribution. Apatite contains high amounts of REE and Sr while ilmenite incorporates about 20-30 times higher amounts of Nb and Ta than amphibole. Furthermore, trace element mineral analyses provide evidence for magmatic processes such as melt depletion, melt segregation, accumulation and fractionation as well as metasomatism having operated in this high-grade anatectic area.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt mit partiellen Schmelzvorgängen in archaischen Krustenblöcken. Ein Beispiel für krustales Schmelzen in unterschiedlichen Gesteinsarten bietet die Gegend um Iisalmi in Zentral-Finnland. Die Gesteine dieses Gebietes haben einen mittel- bis spät-archaischen Ursprung und wurden im Zeitraum vor 2.7-2.63 Milliarden Jahren metamorph überprägt und partiell geschmolzen. Die Arbeit basiert auf umfangreichen Geländearbeiten. Geochemische Analysen der Haupt- und Spurenelemente des Gesamtgesteins wurden mittels Röntgenfluoreszenz sowie mittels Flüssig-ICP-MS und Laser-Ablations-ICP-MS am Institut für Geowissenschaften der Universität Mainz durchgeführt. Zur Untersuchung der Mineralphasen wurden die Elektronenmikrosonde und ebenfalls die Laser-Ablations-ICP-MS am selbigen Institut verwendet. Fluideinschlüsse in Mineralen wurden mikroskopisch am Geowissenschaftichen Zentrum der Universität Göttingen untersucht. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von homogenen Gesteinsgläsern auf einem heizbaren Iridium-Streifen, welche für die Spurenelementanalyse mittels Laser-Ablations-ICP-MS genutzt werden können. Diese Methode ist besonders für mafische Gesteine geeignet, deren niedrig viskose Schmelzen bereits bei 1200°C Schmelztemperatur homogenisieren. Dagegen verhindert die hohe Viskosität der Schmelzen felsischer Gesteinsproben mit höherem SiO2-Gehalt eine Homogenisierung der Schmelze bei vergleichbaren Temperaturen. Um felsische Proben dennoch zu verarbeiten, wurde eine Methode erprobt, in der dem Gesteinspulver Magnesiumoxid zugesetzt wird, welches die Viskosität deutlich verringert. Vorteile der Schmelzmethode gegenüber Spurenelementanalysen mittels Röntgen-fluoreszenz sind die niedrigeren Nachweisgrenzen der ICP-MS. Die einfache Durchführbarkeit des Schmelzprozesses bietet zudem einen analytischen Vorteil gegenüber nass-chemischen Aufschlussverfahren unter dem Einsatz starker Säuren für die Flüssig-ICP-MS. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Schmelzprozessen in unterschiedlichen Gesteinsarten und nutzt dafür geochemischen Daten und Messungen von Fluideinschlüssen. Ein deutlicher Wechsel von CO2-Einschlüssen in Granuliten zu wässrigen Einschlüssen in der TTG-Serie und den Amphiboliten wurde beobachted. In den trockenen, CO2-reichen Gebieten entstanden Schmelzen durch Dehydrationsschmelzreaktionen von Amphibol, welche parallel zur Entstehung der wasserfreien Mineralparagenesen (grt + cpx + pl ± amph or opx + cpx + pl + amph) der Granulite führte. Modellierungen der Spurenelementmuster zeigen, dass mafische Granulite Restite eines amphibolitischen Ausgangsgesteins sind, die 10-30 % einer tonalitischen Schmelze verloren haben. In den intermediären Granuliten sprechen die Verhältnisse von Amphibol zu Klinopyroxen und Amphibol zu Orthopyroxen für einen Schmelzgrad von maximal 10 %. Während CO2-Einschlüsse in der TTG-Serie und den zwischengelagerten Amphiboliten fehlen, treten wässrigen Einschlüsse mit 8-18 eq. wt% NaCl in großer Anzahl auf. Daraus wurde geschlussfolgert, dass partielles Schmelzen in der TTG-Serie und Amphiboliten durch ein wässrigen Fluid bei Temperaturen von 700-750°C ermöglicht wurde. Leukosome, die in allen untersuchten Gesteinsarten auftreten, werden als ehemalige Schmelzbahnen angesehen. Die mineralogische Erscheinung und die Seltenerdmuster der Leukosome deuten darauf hin, dass sie nicht die Gesamtschmelze darstellen, sondern aus früh kristallisiertem Plagioklas und Quartz bestehen. Im dritten Teil der Arbeit werden mineral-chemische Analysen dazu genutzt, die Verteilung von Spurenelementen zwischen unterschiedlichen Mineralphasen zu verstehen und Verteilungskoeffizienten zwischen Mineralen und Schmelze zu bestimmen, welche für die Modellierung von Schmelzprozessen unter granulitfaziellen Bedingungen Anwendung finden können. Unabhängig von der Gesamtgesteinszusammensetzung sind die Spurenelemente konstant zwischen den Mineralphasen verteilt. Insbesondere fällt das Verhältnis von 3fach höheren Seltenerd-Konzentrationen in Amphibol gegenüber Klinopyroxen auf. Die Verteilung der Seltenen Erden zeigt weiterhin, dass große Granatporphyroblasten in Ungleichgewicht mit der Matrix stehen. Dies deutet auf ein spätes Wachstum der Granatporphyroblasten sowie langsame Diffusion der Seltenen Erden hin. Neben den Verteilungsmustern der Seltenen Erden wurden auch Verteilungskoeffizienten für die Übergangsmetalle bestimmt (Sc, V, Cr, Ni), für die bisher wenige Literaturangaben existierten. Analysen von Ilmenite und Apatite demonstrierten zudem den starken Einfluß von akzessorischen Mineralien auf die Spurenelementverteilung. Die mineral-chemischen Daten weisen weiterhin darauf hin, dass magmatische Prozesse wie Segregation, Akkumulation und Fraktionierung der Schmelze sowie Schmelz-Metasomatose auch in diesem hochgradig anatektischen Gebiet stattgefunden haben.
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-3380
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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