Monte Carlo Simulations of Metasomatic Enrichment in the Lithosphere and Implications for the Source of Alkaline Basalts

One hypothesis for the origin of alkaline lavas erupted on oceanic islands and in intracontinental settings is that they represent the melts of amphibole-rich veins in the lithosphere (or melts of their dehydrated equivalents if metasomatized lithosphere is recycled into the convecting mantle). Amphibole-rich veins are interpreted as cumulates produced by crystallization of low-degree melts of the underlying asthenosphere as they ascend through the lithosphere. We present the results of trace-element modelling of the formation and melting of veins formed in this way with the goal of testing this hypothesis and for predicting how variability in the formation and subsequent melting of such cumulates (and adjacent cryptically and modally metasomatized lithospheric peridotite) would be manifested in magmas generated by such a process. Because the high-pressure phase equilibria of hydrous near-solidus melts of garnet lherzolite are poorly constrained and given the likely high variability of the hypothesized accumulation and remelting processes, we used Monte Carlo techniques to estimate how uncertainties in the model parameters (e.g. the compositions of the asthenospheric sources, their trace-element contents, and their degree of melting; the modal proportions of crystallizing phases, including accessory phases, as the asthenospheric partial melts ascend and crystallize in the lithosphere; the amount of metasomatism of the peridotitic country rock; the degree of melting of the cumulates and the amount of melt derived from the metasomatized country rock) propagate through the process and manifest themselves as variability in the trace-element contents and radiogenic isotopic ratios of model vein compositions and erupted alkaline magma compositions. We then compare the results of the models with amphibole observed in lithospheric veins and with oceanic and continental alkaline magmas. While the trace-element patterns of the near-solidus peridotite melts, the initial anhydrous cumulate assemblage (clinopyroxene ± garnet ± olivine ± orthopyroxene), and the modelled coexisting liquids do not match the patterns observed in alkaline lavas, our calculations show that with further crystallization and the appearance of amphibole (and accessory minerals such as rutile, ilmenite, apatite, etc.) the calculated cumulate assemblages have trace-element patterns that closely match those observed in the veins and lavas. These calculated hydrous cumulate assemblages are highly enriched in incompatible trace elements and share many similarities with the trace-element patterns of alkaline basalts observed in oceanic or continental setting such as positive Nb/La, negative Ce/Pb, and similiar slopes of the rare earth elements. By varying the proportions of trapped liquid and thus simulating the cryptic and modal metasomatism observed in peridotite that surrounds these veins, we can model the variations in Ba/Nb, Ce/Pb, and Nb/U ratios that are observed in alkaline basalts. If the isotopic compositions of the initial low-degree peridotite melts are similar to the range observed in mid-ocean ridge basalt, our model calculations produce cumulates that would have isotopic compositions similar to those observed in most alkaline ocean island basalt (OIB) and continental magmas after ~0·15 Gyr. However, to produce alkaline basalts with HIMU isotopic compositions requires much longer residence times (i.e. 1–2 Gyr), consistent with subduction and recycling of metasomatized lithosphere through the mantle. EM magmas cannot readily be explained without appealing to other factors such as a heterogeneous asthenosphere. These modelling results support the interpretation proposed by various researchers that amphibole-bearing veins represent cumulates formed during the differentiation of a volatile-bearing low-degree peridotite melt and that these cumulates are significant components of the sources of alkaline OIB and continental magmas. The results of the forward models provide the potential for detailed tests of this class of hypotheses for the origin of alkaline magmas worldwide and for interpreting major and minor aspects of the geochemical variability of these magmas

Pétrologie des pyroxénites litées dans les complexes ultramafiques de l'Ariège (France) et autres gisements de lherzolites à spinelle. II. Pétrogenèse : une discussion

Any question of the origin of the melts from which the layered pyroxenites crystallized necessarily leads to a discussion of the primary origin of the associated spinel lherzolites. The partial fusion model according to which these rocks, everywhere they occur, are « depressed » facies of the homogeneous primitive lherzolitic material of the upper mantle, has been critically re-examined. The inferences drawn from this review as well as the previous mineralogical and chemical studies support a magmatic model according to which the layered spinel lherzolites first originate from fractional crystallizations in picritic tholeiitic magmas, emplaced in the uppermost parts of the mantle. A number of ultramafic complexes, specially the typical occurences from Ariege, and a good many of the derived xenoliths, would be samples little or none modified of the primary lithologic and chemical composition of the originally magmatic associations. The geographic distribution, the similarity of the general textural, mineralogical and chemical features of the rocks, support the conclusion that spinel lherzolite complexes initially made up a continuous layer around the globe, variable in thickness. The individualization of this zone would thus be related to a major event during the differenciation of the terrestrial material, probably to the episodes that result in the differenciation into crust and mantle. Consequently, in the global model suggested, the primitive basis of the crust would have been constituted by a likewise continuous layer made of gabbroïc rocks or peridotite-gabbro associations. These formations, locally preserved, that equilibrated in the continental crust under the granulite facies, would represent the upper parts of stratified complexes extending, below the Moho, to the layered spinel lherzolites.Toute question portant sur l'origine des liquides qui ont donné naissance aux pyroxénites du litage débouche nécessairement sur une discussion de l'origine première des péridotites à spinelle qui leur sont associées. Le modèle de la fusion partielle qui fait de ces roches, partout où elles affleurent, des faciès « déprimés » d'un matériau lherzolitique homogène constituant primitivement le manteau supérieur, est reconsidéré. Les conclusions de cet examen critique autant que les données de l'étude minéralogique et chimique entreprise précédemment nous conduisent à proposer, sous le terme de modèle magmatique, l'hypothèse que les complexes lités de lherzolite à spinelle résultent initialement d'une différenciation par cristallisation fractionnée dans des magmas tholéiitiques picritiques, mis en place dans les parties les plus supérieures du manteau. Nombre de ces complexes, particulièrement les gisements types de l'Ariège, et beaucoup des enclaves qui en dérivent, seraient des témoins peu ou non modifiés de la constitution lithologique et de la composition chimique primitive de ces associations d'origine magmatique. La répartition géographique des gisements, l'identité des caractères généraux, texturaux, minéralogiques et chimiques qui y ont été relevés, militent en faveur de la conclusion que les complexes ultramafiques de lherzolites à spinelle ont initialement formé une couche continue, d'épaisseur variable, autour du globe. L'individualisation de cette zone appartiendrait donc à un stade fondamental de la différenciation du matériau terrestre, probablement aux épisodes qui aboutissent à la différenciation entre croûte et manteau. En conséquence, dans le modèle global proposé, la base de la croûte aurait été originellement constituée d'une couche également continue de roches de composition gabbroïque ou d'associations péridotites-gabbros. Ces formations, localement conservées, équilibrées sous les continents dans le faciès granulite, représenteraient les parties supérieures de complexes stratifiés passant en profondeur, sous le Moho, aux lherzolites à spinelle litées.Conquéré Fernand. Pétrologie des pyroxénites litées dans les complexes ultramafiques de l'Ariège (France) et autres gisements de lherzolites à spinelle. II. Pétrogenèse : une discussion. In: Bulletin de la Société française de Minéralogie et de Cristallographie, volume 100, 2, 1977. pp. 123-137

'Etapes de l''altération d''une dolérite de la région du Huelgoat (Finistère)'

International audienc

Pétrologie des pyroxénites litées dans les complexes ultramafiques de l'Ariège (France) et autres gisements de lherzolite à spinelle. I. Compositions minéralogiques et chimiques, évolution des conditions d'équilibre des pyroxénites

The layered pyroxenites in the main lherzolitic bodies from Ariege recrystallized from primary paragenesis composed of Al₂O₃-rich bronzites and Al₂O₃ and MgSiO₃-rich augites in variable proportions, commonly associated with small amounts of spinel (pleonaste to picotite). Pyrope-rich garnet or olivine are present in a few types. The relationships between pyroxenites and adjacent peridotites, as well as the mineralogical and chemical zonation of the layers, indicate that the primary paragenesis represent segregates of the phases which crystallized successively from melts ranging from picritic tholeiitic to normative nepheline basalt compositions. Olivine being the liquidus phase in the primary melt, its extraction leads to orthopyroxene as the primary phase in the residual liquid. As this segregation process goes on, bronzite is replaced by clinopyroxene and by clinopyroxene plus garnet in the last residual melts preserved in the ultramafic body. This crystallization sequence and the initial chemical composition of the pyroxenes are compatible with P-T conditions starting at 1600° C between 15 kb and 20 kb and ending under isobaric or quasi isobaric conditions at about 1200° C. The primary paragenesis recrystallized during two major episodes, the first one before the plastic flow, the second one during the deformations. Observed subsolidus reactions and the chemical compositions of the recrystallized minerals indicate that the last major episode of recrystallization occurred at 800°-900° C between 12 kb and 15 kb, i. e. near crystallization pressures. From a review of published data it is concluded that the pyroxenites associated with spinel lherzolites everywhere in the world, either in complexes or among xenoliths in alkali basalts, originate from the same segregation process. They seem to have crystallized and recrystallized under physico-chemical conditions close to those defined in the Ariege district, i. e. in the uppermost parts of the upper mantle, between about 35 to 70 km deep. Temperatures and pressures under which pyroxenites crystallized imply that spinel lherzolite bodies have been built up either from a crystal mush, mainly of olivine and orthopyroxene, or from a liquid of picritic composition. Examination of this alternative can be reduced to the discussion of two hypothesis : in the first one, the layered pyroxenites crystallize from melts originated by one or several partial fusion processes occurring as ultramafic bodies move towards the surface ; in the second one, periodites as well as pyroxenites are of primary magmatic origin. Both hypothesis are discussed in the second part of this paper.Les pyroxénites litées dans les principaux massifs de lherzolites à spinelle de l'Ariège ont recristallisé à partir de paragenèses primaires constituées de bronzites riches en alumine et d'augites riches en magnésium et aluminium dans des proportions variables, généralement accompagnées de petites quantités de spinelle (pléonaste à picotite), plus rarement de grenat ou d'olivine. Les relations des pyroxénites avec les péridotites encaissantes et la zonation minéralogique et chimique des lits indiquent que les paragenèses primaires sont des ségrégats des phases successivement formées dans des liquides dont la composition évolue de celles de picrites tholéiitiques à celles de basaltes à néphéline normative. L'extraction de l'olivine, qui cristallise au liquidus du magma primaire, conduit à l'individualisation de liquides résiduels dans lesquels l'orthopyroxène devient la phase de liquidus. Le processus de ségrégation se poursuivant, la bronzite est remplacée par le clinopyroxène, accompagné de grenat dans les derniers liquides résiduels conservés dans la masse ultramafique. Cette séquence de cristallisation et la composition chimique initiale des pyroxènes sont compatibles avec des températures débutant à 1 600° C, la cristallisation se terminant à environ 1 200° C dans des conditions isobares ou quasi isobares comprises entre 15 et 20 kb. Les paragenèses primaires recristallisent au cours de deux épisodes majeurs dont le premier est antérieur à l'écoulement plastique, le second synchrone des déformations subies par les roches. Les réactions de subsolidus observées et la composition des phases recristallisées indiquent que le dernier stade principal de recristallisation intervient dans l'Ariège à 800°-900° C, entre 12 et 15 kb, soit à des pressions voisines de celles contrôlant la cristallisation. La compilation des données recueillies dans d'autres gisements, complexes ou enclaves, conduit à la conclusion que les pyroxénites associées aux lherzolites à spinelle, partout où elles affleurent, sont issues d'un même processus de ségrégation et ont cristallisé et recristallisé dans des conditions physico-chimiques voisines de celles déterminées dans l'Ariège, dans les parties les plus supérieures du manteau, à une profondeur comprise approximativement entre 35 et 70 km. Les températures et pressions qui contrôlent la cristallisation des pyroxénites impliquent que les complexes de lherzolites à spinelle se sont constitués soit à partir d'une mousse de cristaux essentiellement d'olivine et d'orthopyroxène soit à partir d'un liquide de composition picritique. La discussion de cette alternative se ramène à celle de deux hypothèses. Dans la première, les pyroxénites du litage cristallisent à partir des liquides issus d'une ou de fusions partielles affectant un corps ultramafique au cours de son ascension vers la surface ; dans la seconde, les péridotites comme les pyroxénites sont d'origine première magmatique. Les deux hypothèses sont confrontées contradictoirement dans la seconde partie de ce mémoire.Conquéré Fernand. Pétrologie des pyroxénites litées dans les complexes ultramafiques de l'Ariège (France) et autres gisements de lherzolite à spinelle. I. Compositions minéralogiques et chimiques, évolution des conditions d'équilibre des pyroxénites. In: Bulletin de la Société française de Minéralogie et de Cristallographie, volume 100, 1, 1977. pp. 42-80

Quelques précisions sur les caractères minéralogiques et chimiques des pyroxénolites à grenat du massif des Beni Bousera (Maroc) et sur leur signification pétrogénétique

The primary liquid of partial fusion, in the Beni Bousera ultra-basic Massif (Morocco), gives, by fractionnal cristallization, various assemblages that can be distinguished on the basis of ore mineral associations and silicate paragenesis. Residual liquids, of variable compositions, would have cristallized as garnet clinopyroxenites, with granulite facies primary assemblages (Ca Tschermak rich cpx + garnet + ilmenite) or eclogite facies primary assemblages (omphacitic cpx + garnet + rutile).La cristallisation fractionnée d'un liquide primaire issu de la fusion partielle des péridotites des Beni Bousera (Maroc) conduirait à l'individualisation de divers assemblages minéralogiques, caractérisés tant par leurs paragenèses opaques que par les associations de silicates. Les liquides résiduels, de compositions variées, auraient cristallisé directement sous forme de clinopyroxénolites à grenat dont l'étude minéralogique et chimique montre qu'elles présentent des assemblages primaires qui appartiennent aussi bien au faciès granulite (cpx riche en molécule de Tschermak + grenat + ilménite) qu'au faciès éclogite (cpx omphacitique + grenat + rutile).Conquéré Fernand, Kornprobst Jacques. Quelques précisions sur les caractères minéralogiques et chimiques des pyroxénolites à grenat du massif des Beni Bousera (Maroc) et sur leur signification pétrogénétique. In: Bulletin de la Société française de Minéralogie et de Cristallographie, volume 95, 1, 1972. Réunion annuelle de l'Association Française de Cristallographie, Lille, 6-8 mai 1971

Nouvelles données sur la composition des ferripléonastes dans les basaltes alcalins

Conquéré Fernand, Vilminot Jean-Claude. Nouvelles données sur la composition des ferripléonastes dans les basaltes alcalins. In: Bulletin de la Société française de Minéralogie et de Cristallographie, volume 92, 3, 1969. pp. 314-315