Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

Abstract

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd\u27s) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd\u27s, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführtAbstractThe generation of mid-ocean ridge basalts (MORB) is one of the most important mass transfer processes on Earth. Each year, more than twenty km3 of magmatic crust is produced along 75,000 km of ocean ridge, which is over ninety percent of the global magma production. Although ocean ridges and MORB are among the most studied geological features, several interlocking issues concerning melt generation at mid-ocean ridges are still not well understood. The most important of these are the role of geodynamic boundary conditions, such as spreading rate or vicinity to plumes and large transform offsets, as well as the absolute extent of melting or the depth at which melting initiates. This thesis examines these issues on the basis of mineral major and trace element compositions of oceanic mantle rocks.Geochemical characteristics of MORB suggest that melting begins in the stability field of garnet peridotite, at depths exceeding 80 km. Recent experiments, however, have shown that heavy rare earth elements (REE) are compatible in clinopyroxene (cpx) at the lherzolite solidus. This garnet-like partitioning behavior of cpx implies that garnet is no longer needed and that melting begins at significantly lower pressures. Therefore it is important to know, whether this hypothesis is consistent with compositional variations of abyssal peridotites. These fragments of the oceanic mantle are the residues of MORB melting and are now exposed on the ocean floor. Their mineral chemistry preserved the conditions at which melts were created in the mantle. Major and trace element data obtained by electron and ion microprobe on residual abyssal peridotite samples from the Central Indian Ridge (CIR) are compared to published data. Cpx in the CIR peridotites have very fractionated REE patterns, i.e. low Sm/Yb ratios, but high absolute Yb concentrations. Fractional melting models (which simulate the most extreme fractionation theoretically possible) of a spinel peridotite using commonly accepted partition coefficients cannot reproduce the observed characteristics of the CIR peridotites. Application of the new partition coefficients, in which the heavy REE are compatible in cpx, may explain the measured data better than the models that use standard partition coefficients. Still, the observed fractionations require extremely high degrees of melting, inconsistent with the only moderate degrees of melting estimated from major elements. Small (~3-5%) degrees of melting of a garnet peridotite, followed by subsequent melting under spinel-facies conditions can account for the observations. Therefore, garnet remains an important phase during partial melting beneath mid-ocean ridges (Chapter 1).A further stumbling block for the quantitative understanding of melting beneath mid-ocean ridges has been the lack of correlation between major and trace elements in residual abyssal peridotites. The Cr/(Cr+Al) ratio (Cr#) of spinel is accepted as a good qualitative indicator for the extent of partial melting. In fact, heavy REE (Dy, Er, and Yb) in cpx are highly correlated (r2 ~ 0.9) with Cr# of coexisting spinels using the CIR mineral data and published data from other abyssal peridotites. Application of this correlation yields a quantitative melting indicator for melting residues that is based on spinel major element compositions. Now, the absolute degree of melting can be expressed as a function of spinel Cr#: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Chapter 2). Application of this tool to melting residues for which ion probe data are not available enables us to link geochemical and geophysical data on melting beneath mid-ocean ridges. From a geodynamic perspective, Gakkel Ridge in the Arctic Ocean is important for the understanding of partial melting process, because it is the slowest spreading mid-ocean ridge on Earth and it is devoid of large-offset transform faults. Published basalt data imply an extremely low degree of melting, in accordance with global correlations between basalt composition and estimated degree of melting. Pervasively altered mantle peridotites from one location along the virtually unexplored Gakkel Ridge were studied for relict primary minerals. Only one sample contained oxidized spinel pseudomorphs in which traces primary spinel are still preserved. Their composition reflect a higher degree of melting than indicated by the basalt compositions and their Cr# are significantly higher than in peridotites from faster spreading ridges. Crustal thickness at Gakkel Ridge, calculated from this spinel composition, is thicker than the observed crustal thickness estimated from gravity data, or predicted from global correlations between spreading rate and seismically determined crustal thickness. This unexpected result may be due to enhanced compositional heterogeneity at low degrees of melting, or may reflect a higher overall degree of depletion for the Gakkel Ridge than was previously thought (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Chapter 3).Additional material is provided in Appendices A-C, which contain details relevant to the analysis and modeling presented in Chapters 1-3