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Lithium, Beryllium and Boron in high-K Rhyolites from Lesbos Island, Greece

Helbling-Marschall, Angela Herta

German Title: Lithium, Beryllium und Bor in hoch-K Rhyolithen von der Insel Lesbos, Griechenland

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Abstract

This study investigates the behaviour of Li, Be, and B in volcanic rocks as part of the subduction cycle. The partitioning of Be and B during melt evolution and volcanic processes is examined and the volcanic setting is characterized using petrological,geochemical, and isotopic tools. The geological setting of Lesbos Island within the Aegean-Anatolian area is part of a complex system of convergence and collision of the Eurasian, African and Arabian plates. Several conflicting models for the tectonic setting of the Miocene volcanism in the Aegean exist, with the quintessential question being, if the volcanic rocks are related to subduction or to crustal extension. Lesbos Island lies in the northeastern Aegean Sea and consists of thick Miocene volcanic deposits, which overlie a metamorphic basement. The object of this study are two vertical sample profiles (Profile A and Profile B) through the Early Miocene Polychnitos Ignimbrite, an over 100m thick ignimbrite deposit in the centre of the island. The ignimbrite contains large portions of pristine glass and therefore allows the direct observation of the quenched melt. The typical composition of the pristine high-K rhyolitic glass is SiO2 69wt%, K2O 7wt%, H2O 4wt%. The magma source was characterized using the B isotopic composition of the volcanic glass with relatively high d11B (-2.30±1.28‰ to -3.22±1.07‰), fluidmobile trace element contents and ratios (B=101µg/g, B/Nb=3.90) in comparison to upper continental crust, and results from Sr, Nd, and Pb isotope analyses.The elevated d11B values demonstrate, that the magma sources for samples from the Profile A and Profile B have been enriched by slab-derived fluids, while crustal material was not assimilated. Magma chamber P-T conditions for samples from Profile A were investigated using a combination of six methods, feldspar thermobarometry, accessory mineral saturation thermometry, and H2O solubility in rhyolitic melts. Pressures in the magma chamber were between 75MPa and 150MPa (corresponding magma chamber depth 2.6km to 5.3km) and temperatures between 815ºC and 848ºC. Equilibrium between melt and phenocrysts was reached under these conditions. Taking advantage of the high amount of pristine glass, partition coefficients were determined for Be and B between glass, and plagioclase and alkali feldspar (DBe Pl/glass=0.36 (An20); DBe Pl/glass=0.43 (An28); DB Pl/glass=0.009; DBe Akf/glass=0.06;DB Akf/glass=0.005) and establish a well-founded data set for high-silica magmatic systems. A positive correlation between the An content of the plagioclase and DBe Pl/glass was confirmed. Using selected trace element contents in the volcanic glass (Sr, Ba, Pb) and simple fractionation models it is shown, that samples from the two vertical profiles did not have a common parent melt and that neither melt evolved from the other by fractional crystallisation and / or crystal assimilation. A separate origin of samples from the two vertical profiles was shown by the significantly different Sr isotopic composition of contained plagioclase phenocrysts (Profile A 87Sr/86Sr = 0.70827(5); Profile B 87Sr/86Sr = 0.70798(7)). However, both melts have undergone a substantial amount of fractional crystallisation, as expected for rhyolitic melts, and as shown through enrichment of Be (5.2µg=g), Nd (46µg=g), and Nb (25µg=g) of the volcanic glass in comparison to upper continental crust. The two vertical profiles, Profile A and Profile B, are demonstrated to stem from two separate ignimbrite units within the Polychnitos Ignimbrite, and to have originated from separate volcanic vents, separate volcanic plumbing systems, and ultimately from separate magma source areas within the mantle. The two magmas have evolved separately, yet in a similar way: prior to melting both source areas have been subject to metasomatism from slab fluids, both magmas have undergone a substantial amount of fractional crystallisation without assimilation of ancient crustal material, and both melts have assimilated plagioclase xenocrysts from a cogenetic magma, probably from older volcanics within the same volcanic plumbing system. Despite substantial petrographic differences throughout both vertical profiles, especially in Profile A, each profile is geochemically homogeneous throughout glass and phenocrysts for all analysed elements, with the exception of lithium. Evidence for significant Li diffusion was detected in glass and minerals, and together with high-temperature devitrification, was used to develop a model combining late degassing (after deposition), Li diffusion and hydrothermal “cooking” of the matrix. The systematics of lithium, beryllium, and boron were investigated within a wellcharacterised petrological and geochemical background of mantle signatures, melt evolution, magma chamber conditions and post-depositional processes.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Studie wird das Verhalten von Li, Be und B in vulkanischen Gesteinen als Teil des Subduktionszyklusses untersucht. Die Verteilung von Be und B während der Magmenentwicklung und bei vulkanischen Prozessen wird erforscht und die vulkanischen Rahmenbedingungen mit Hilfe petrologischer, geochemischer und isotopischer Methoden charakerisiert. Die geologische Situation von Lesbos innerhalb der Ägäisch-Anatolischen Region ist Teil eines komplexen Systems von Konvergenz und Kollison der eurasischen, afrikanischen und arabischen Platten. Es gibt mehrere widersprüchliche Modelle für die tektonischen Rahmenbdedingungen des miozänen Vulkanismus, deren wesentliche Fragestellung es ist, ob die vulkanischen Gesteine in Beziehung zu Subduktion oder Krustenextention stehen. Die Insel liegt in der Nord-Ost-Ägäis und besteht aus mächtigen miozänen vulkanischen Ablagerungen, die metamorphem Grundgebirge auflagern. Studienobjekte sind zwei vertikale Probenprofile (Profil A und Profil B) durch den untermiozänen Polychnitos-Ignimbrit, eine über 100m mächtige Ignimbritablagerung im Zentrum der Insel. Der Ignimbrit enthält große Anteile frischen Glases, das die direkte Untersuchung der abgeschreckten Schmelze erlaubt. Die typische Zusammensetzung des hoch-K Rhyolit-Glases ist SiO2 69wt%, K2O 7wt%, H2O 4wt%. Die Magmenquelle wurde mit Hilfe der B-isotopischen Zusammensetzung des vulkanischen Glases charakterisiert, relativ hohen d11B Werten (-2.30±1.28‰ bis-3.22±1.07‰), den Gehalten und Verhältnissen fluid-mobiler Spurenelemente (B=101µg/g, B/Nb=3.90) im Vergleich zu oberer kontinentaler Kruste und den Ergebnissen aus Sr-, Nd-, and Pb-Isotopen-Untersuchungen. Die erhöhten d11B Werte zeigen, dass die Magmenquellen der Proben aus Profil A und Profil B durch Fluide aus der subduzierten Platte angereichert und kein Krustenmaterial assimiliert wurde. Die Bedingungen in der Magmenkammer für Proben aus Profil A wurde durch die Kombination Feldspat-Thermobarometrie, Thermometrie anhand der Sättigung akzessorischer Minerale und der Löslichkeit von H2O in rhyolitischen Schmelzen begrenzt. In der Magmenkammer herrschten Drücke zwischen 75MPa und 150MPa (Tiefe der Magmenkammer 2.6km–5.3km) und Temperaturen von 815ºC–848ºC. Unter diesen Bedingungen wurde Gleichgewicht zwischen Schmelze und Phänokristen erreicht. Es wurden Verteilungskoeffizienten für Be and B zwischen Glas und Plagioklas und Alkalifeldspat bestimmt (DBe Pl/Glas=0.36 (An20); DBe Pl/Glas=0.43 (An28); DB Pl/Glas=0.009; DBe Akf/Glas=0.06; DB Akf/Glas=0.005) und begründen einen gut fundierten Datensatz für silikatreiche magmatische Systeme. Eine positive Korrelation zwischen An Gehalt von Plagioklas und DBe Pl/Glas wurde bestätigt. Mit Hilfe von Spurenelementgehalte und Fraktionierungsmodellen kann gezeigt werden, dass Proben der zwei vertikalen Profile keine gemeinsame Stammschmelze haben können und dass keine der beiden Schmelzen aus der anderen durch Kristallfraktionierung und/oder Kristallassimilierung entstanden sein kann. Der getrennte Urspung der zwei vertikalen Profile wurde durch die signifikant unterschiedliche Sr-isotopische Zusammensetzung der enthaltenen Plagioklas-Phänokristen gezeigt (87Sr/86Sr 0.70827(5) Profil A, 87Sr/86Sr 0.70798(7) Profil B). Beide Schmelzen durchliefen beachtliche Kristallfraktionierung und wie durch die Anreicherung von Be (5.2µg=g), Nd (46µg=g) und Nb (25µg=g) im Vergleich zu oberer kontinentaler Kruste klar wird. Die zwei vertikalen Profile, Profil A and Profie B, stammen nachweislich aus zwei getrennten Ignimbriteinheiten innerhalb des Polychnitos-Ignimbrits, und unterschiedlichen Eruptionsorten, unterschiedlichen Magmafördersystemen und unterschiedlichen Magmenquellen im Erdmantel. Die zwei Magmen haben sich getrennt voneinander entwickelt, jedoch in ganz ähnlicher Art und Weise: vor der Schmelzbildung wurden beide Quellregionen durch Fluide aus der subduzierten Platte metsomatisch überprägt, beide Magmen wurden deutlich durch Kristallfraktionierung differenziert, ohne Assimilation von altem Krustenmaterial, und beide Magmen assimilierten Plagioklas-Xenokristen eines kogenetischen Magmas, wahrscheinlich älterer Vulkanite aus dem selben Fördersystem. Trotz deutlicher petrographischer Unterschiede innerhalb der beiden vertikalen Probenprofile, besonders in Profil A, sind Glas und Phänokristen in beiden Profilen geochemisch homogen bezüglich aller analysierten Elemente, mit der Ausnahme von Lithium. In Glas und Mineralen wurden Belege für gravierende Lithiumdiffusion entdeckt und zusammen mit Hinweisen auf Hochtemperatur- Devitrifikation benutzt um ein Modell zu entwickeln, dass eine späte Entgasung (nach der Ablagerung), Li-Diffussion und hydrothermales “Kochen” der Matrix kombiniert. Die Lithium-, Beryllium- und Bor-Systematik wurde vor einem gut definierten petrologisch-geochemischen Hintergrund von Mantelsignaturen, Magmenentwicklung, Magmenkammerbedingungen und Post-Ablagerungs-Prozessen untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 23 November 2011
Date Deposited: 25 Nov 2011 11:41
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Lithium, Beryllium, Bor, Rhyolith, Ignimbrit, Lesbos, Griechenland, Geochemie, Isotopengeologie, Gesteinskunde, Verteilungskoeffizient
Uncontrolled Keywords: partition coefficient , geochemistry , petrology , isotope geology , light elements
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