Authors:	Rehfeldt, Tatjana
Title:	Petrogenesis of dunite, wehrlite and websterite xenoliths from Kimberley, South Africa: Origin as mantle peridotites of cumulates
Online publication date:	28-Aug-2007
Year of first publication:	2007
Language:	english
Abstract:	Dunite, wehrlite and websterite xenoliths occur amongst a large abundance of mantle xenoliths in kimberlites of the Kimberley cluster in South Africa. Up to know they have mostly been neglected. On the basis of texture, major and trace elements, oxygen isotopes as well as Re-Os isotope characteristics, they can be subdivided into two groups. A coarse-grained mantle peridotite group, comprising dunite, wehrlite and websterite xenoliths, that are similar to fertile peridotites and represent upper mantle assemblages that are differently influenced by mantle metasomatism. And a cumulate group, containing fine-grained Fe-rich dunite xenoliths that represent cumulates of flood basalt magmatism related to ~183 Ma Karoo and ~2.7 Ga Ventersdorp events in southern Africa. Dunite, wehrlite and websterite xenoliths have preserved a complex history of melt depletion and metasomatic re-enrichment events, which gives information about the different re-enrichment stages of the subcratonic lithospheric mantle and the spatial differences within the Kaapvaal craton upper mantle. Websterite xenoliths comprise orthopyroxene (40-85 Vol. %), clinopyroxene (5-42 Vol. %), garnet (4-10 Vol. %) and subordinately olivine, while dunite and wehrlite xenoliths contain predominantly olivine (65-100 Vol %) and subordinately orthopyroxene, clinopyroxene and garnet. High melt depletion and a dunitic to harzburgitic protolith composition are reflected by high forsterite (Fo90-92) and high olivine NiO contents (2800-5000 ppm) and high orthopyroxene Mg# (Mg/(Mg+Fe)) of 0.91-0.93. Re-depletion ages of predominantly 2.9 Ga reflect a minimum age of melt depletion. Melt depletion ceased in conjunction with collision of the Kimberley block with the Witwatersrand block ~2.9 Ga ago. Subduction related re-fertilisation of the previously depleted mantle xenoliths is documented by i) amoeboid textured orthopyroxene, clinopyroxene and garnet, which crystallized in schlieren along olivine grain boundaries, ii) high whole-rock SiO2, Al2O3, CaO, TiO2, FeO contents, iii) low oxygen isotope ratios in clinopyroxene and garnet of 4.8-5.4 ‰ and 4.7-5.3 ‰, respectively and iv) trace element compositions of wehrlitic clinopyroxene and garnet in equilibrium with high-pressure partial melts of eclogite. Trace element disequilibrium of orthopyroxene with clinopyroxene and garnet indicates a separate origin for orthopyroxene, on one side as primary mantle orthopyroxene in dunite and wehrlite xenoliths and on the other side as reaction product with Si-rich melts produced by partial melting of eclogite. This reaction triggered replacement of olivine by orthopyroxene in the surrounding mantle and produced the typical Si-rich composition of Kaapvaal mantle peridotites. Partial melting of eclogite at higher temperatures produced a second metasomatic melt with lower SiO2, but higher Al2O3, CaO, FeO, Ti, Zr, Hf and a low oxygen isotope ratio. This melt triggered clinopyroxene and locally garnet and rutile crystallization in percolation veins, replacing olivine and orthopyroxene in the Kaapvaal upper mantle. Additionally, websterite xenoliths have experienced late stage cryptic metasomatism by the host kimberlite melt, changing the trace element composition of clinopyroxene, orthopyroxene and garnet to different extent. Hence websterite and most fertile lherzolite xenoliths have experienced three metasomatic events: i) reaction with high-Si melt, ii) percolation of subduction related silica melt with lower SiO2 content and iii) cryptic metasomatism by kimberlite. In contrast, dunite and wehrlite xenoliths have only experienced the second metasomatic event. They represent mantle lithologies further away from metasomatising agents. The Fe-rich dunites comprise olivine neoblasts with subordinate olivine porphyroclasts and parallel-orientated needles of ilmenite, which may enclose spinel. The lower forsterite and NiO contents of olivine in Fe-rich dunites compared to mantle peridotite xenoliths (Fo87-89 vs. Fo93-95 and 1300-2800ppm vs. 2200-3900 ppm, respectively), rules out a restitic origin. Cr-rich spinels are remnants of the original cumulate mineralogy that survived a late stage metasomatic overprint related to the production of the host kimberlite, producing ilmenite and phlogopite in some samples. Olivine porphyroclasts and neoblasts have different trace element compositions, the latter having high Ti, V, Cr and Ni and low Zn, Zr and Nb contents, indicating contrasting origins for neoblasts and porphyroclasts. The dunites have high 187Os/188Os ratios (0.11-0.15) indicating young (Phanerozoic) model ages for most samples, whereas three samples show isotopic mixtures between Phanerozoic neoblasts and ancient porphyroclastic material. Most Fe-rich dunite xenoliths can be interpreted as cumulates of fractional crystallization of Karoo magmatism, whereas the porphyroclasts are interpreted to be remnants from the much earlier Archaean Ventersdorp magmatism. Dunit-, Wehrlit- und Websteritxenolithe kommen in Kimberliten des Kimberleyklusters in Südafrika zusammen mit Mantelxenolithen vor. Sie können in zwei Gruppen unterteilt werden. Gruppe 1 sind grobkörnige Mantelxenolithe: Dunit, Wehrlit und Websterit. Sie sind den angereicherten Peridotiten ähnlich und repräsentieren Mantelparagenesen, die unterschiedlich stark von Mantelmetasomatose beeinflußt sind. Gruppe 2 sind Fe-reiche Dunite, Kumulate des Karoo- und Ventersdorpmagmatismus in Südfrika. Dunit-, Wehrlit- und Websteritxenolithe haben eine komplexe Geschichte von Aufschmel-zung und Wiederanreicherung, die Informationen über unterschiedliche Anreicherungsstadien und räumliche Unterschiede innerhalb des Erdmantels des Kaapvaalkratons geben. Websterite bestehen aus Orthopyroxen (40-85 Vol. %), Klinopyroxen (5-42 Vol. %), Granat (4-10 Vol. %) und untergeordnet Olivin, während sich Dunite and Wehrlite hauptsächlich aus Olivin (65-100 Vol %) und untergeordnet Orthopyroxen, Klinopyroxen und Granat zusammensetzen. Abreicherung durch partielle Aufschmel-zung und dunitische bis harzburgitische Protolithzusammensetzungen werden von hohen Forsterit- (Fo90-92) und NiO-Gehalten in Olivin (2800-5000 ppm) und hohen Orthopyroxen Mg# (Mg/(Mg+Fe) = 0.91-0.93) widergespiegelt. Re-Abreicherungsalter von vorwiegend 2.9 Mrd. Jahren spiegeln das Mi-nimumalter der partiellen Aufschmelzung wider. Sie endete mit der Kollision von Kimberleyblock und Witwatersrandblock. Eine subduktionsbedingte Wiederanreicherung des stark abgereicherten Mantels ist erkennbar an i) amöboiden Gefügen von Orthopyroxen, Klinopyroxen und Granat, die in Schlieren entlang von Olivinkorngrenzen kristallisiert sind, ii) hohen SiO2, Al2O3, CaO, TiO2 und FeO Gehalten im Gesamtgestein, iii) niedrigen Sauerstoffisotopenverhältnisse in Klinopyroxen und Granat (4.8-5.4 ‰ und 4.7-5.3 ‰, entsprechend) und iv) Spurenelementzusammensetzungen von wehrlitischem Klinopy-roxen und Granat, die im Gleichgewicht mit eklogitischer Hochdruckschmelze sind. Spurenelemen-tungleichgewicht von Orthopyroxen mit Klinopyroxen und Granat zeugt von einer anderen Herkunft des Orthopyroxens, einerseits als primäres Mantelmineral und andererseits als Reaktionsprodukt mit silikatreicher Schmelze (>60 Gew. % SiO2), die durch teilweise Aufschmelzung von Eklogit bei niedri-gen Temperaturen entstand. Letzteres bewirkt eine Umkristallisation von Olivin in Orthopyroxen im umgebenen Mantel und erzeugt die typische Si-reiche Zusammensetzung der Kaapvaalmantels. Wäh-rend partieller Aufschmelzung von Eklogit bei höheren Temperaturen entsteht Schmelze mit niedrige-rem SiO2, aber höherem Al2O3, CaO, FeO, Ti, Zr, Hf die eine zweite Überprägung des Mantels be-wirkt. Aus dieser Schmelze kristallisiert Klinopyroxen und lokal Granat und Rutil in Adern. Sie ersetzen Olivin and Orthopyroxen in weiten Teilen des Kaapvaalmantels. Weiterhin haben Websteritxenolithe eine späte kryptische Anreicherung durch Kimberlit erfahren, bei der die Spurenelementzusammen-setzung von Klinopyroxen, Orthopyroxen und Granat zu unterschiedlichen Grad überprägt wurde. Websterit- und die meisten angereicherten Lherzolitxenolithe haben drei metasomatische Ereignisse erfahren: i) Reaktion mit silikatreicher Schmelze, ii) Durchsickerung mehr basaltischer Schmelze und iii) kryptische Überprägung durch Kimberlit. Dagegen haben Dunit- und Wehrlitxenolithe nur das zwei-te Überprägungsereignis erlebt. Sie repräsentieren Mantelparagenesen, die sich weiter weg von den metasomatisierenden Phasen befinden. Fe-reiche Dunitxenolithe bestehen aus Olivinneoblasten, sowie untergeordnet Olivinporphyroklasten und parallel orientatierten Ilmenitnadeln, die in einigen Proben Spinel einschließen. Im Vergleich zu Mantelperidotitxenolithen schließt der niedrige Forsterit- und NiO-Gehalt in Olivin der Fe-reichen Dunite (Fo87-89 vs. Fo93-95 und 1300-2800 ppm vs. 2200-3900 ppm, entsprechend) eine restitische Herkunft aus. Cr-reicher Spinell ist ein Relikt der ursprünglichen Kumulatmineralogie, die eine späte metasomatische Überprägung, in Zusammenhang mit der Kimber-litentstehung und der Kristallisation von Ilmenit und in einigen Proben Phlogopit, überstanden haben. Olivinporphyroklasten haben höhere Ti, V, Cr und Ni und niedrigere Zn, Zr und Nb Gehalte als Olivin-neoblasten, was eine unterschiedliche Herkunft von Neoblasten und Porphyroklasten bezeugt. Hohe 187Os/188Os Verhältnisse (0.11-0.15) der dunite deutet auf ein junges (Phanerozoic) Modellalter der meisten Proben. Dagegen zeigen drei Proben eine isotopische Mischung aus phanerozoischen Ne-oblasten und alten porphyroklastischem Material. Die meisten Fe-reichen Dunite können als Kumulate einer Kristallisationsfraktionierung während des Karoomagmatismus interpretiert werden, während Porphyrklasten als Relikte eines früheren, des archaischen Ventersdorpmagmatismus, interpretiert werden.
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-3382
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-13762
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen