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The Concentration of Lithium in Plagioclase Crystals of the Minoan Tephra, (Santorini, Greece)

Panienka, Sandra

German Title: Lithiumkonzentrationen in Plagioklaskristallen der Minoischen Tephra, (Santorini, Griechenland)

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gesteine aus den Ablagerungsprodukten der Minoischen Eruption, die im zweiten Jahrausend vor Christus auf der ägäischen Vulkaninsel Santorin zu einem Kalderakollaps führte, analysiert. Es wurden insgesamt zehn Bimsproben aus den vier Minoischen Einheiten (A–D) – darunter eine kristallreiche Probe – und zehn mafische Schlackekomponenten untersucht. Der Schwerpunkt lag auf Lithiumkonzentrations- und Lithiumisotopenprofilen, die mit Hilfe eines Sekundärionenmassenspektrometers (SIMS) in minoischen Plagioklaskristallen gemessen wurden. Innerhalb der Minoischen Einheit A war die Breite der Lithiumkonzentrationsverteilungen am größten, was sich durch besonders hohe und niedrige Lithiumgehalte in den unterschiedlichen Schlackekomponenten widerspiegelte. Die Verteilung von Lithium innerhalb der Bimse variiert kaum innerhalb der Minoischen Einheiten A–D. Die Plagioklase der Minoischen Ablagerungsprodukte eignen sich hervorragend für Lithiumstudien, da sie sowohl Lithium im Gleichgewicht als auch im Ungleichgewicht in einzelnen Kristallen zeigen. Unter Gleichgewichtsbedingungen korreliert Lithium negativ mit dem Anorthit-Gehalt in den minoischen Plagioklasen. Dabei zeigen sich unterschiedliche Steigungen für Plagioklas mit X_An < 0.60 und X_An > 0.60. Die Lithiumkonzentration als Funktion des X_An lässt sich mit Hilfe zweier Modelle, die auf den Arbeiten von Blundy (1994) und Coogan (2011) basieren, modellieren und über einen least squares fit an die gemessenen Daten anpassen. Daraus ergibt sich ein ln K_D > -2.5 für Lithium in Plagioklasen mit einer schwachen Korrelation und ein ln K_D < -5 für Lithium in Plagioklasen mit starker Korrelation. Die Mischkristallreihe zwischen den Plagioklas-Endgliedern Albit und Anorthit ist nicht kontinuierlich, sondern durch Phasenübergänge und Mischungslücken charakterisiert. Die Unterschiede in den ln K_D Werten können daher wahrscheinlich auf den C1 – I1 Phasenübergang in Plagioklas zurückgeführt werden, der bei magmatischen Temperaturen ungefähr im Bereich von An_(55-60) verläuft. Minoische Plagioklase mit schwacher Korrelation befinden sich im C1 Phasenfeld, während Plagioklase mit starker Korrelation im I1 Phasenfeld liegen. Neben der Lithium-Verteilung im Gleichgewicht zeigen minoische Plagioklase außerdem Lithium-Diffusion an den Kristallrändern. Lithium diffundiert (mit einigen Ausnahmen) auf einer Länge von 30-40 µm in den Plagioklas. Auf den ersten Mikrometern ist die Diffusion des Lithiums in den Kristall durch Diffusion aus dem Kristall heraus überprägt. delta^7 Li Isotopenprofile zeigen außerdem, dass die Diffusion in den Plagioklas hinein von einer Phase ausging, die im Lithium stärker angereichert war, als dies durch Matrixglas oder Schmelzeinschlüsse widergespiegelt wird. Die unterschiedlichen Diffusionsprofile wurden mit Hilfe eines Zweistufen-Modells in einem Programm für Diffusionsmodellierung rekonstruiert. Diffusion aus einer im Lithium angereicherten Phase heraus und in den Plagioklas und die Schmelze hinein konnte für Zeiträume von wenigen Sekunden bei magmatischen Temperaturen im Bereich von ~860°C simuliert werden und fand wahrscheinlich in der Magmenkammer kurz vor der Eruption statt. Profile, die das Herausdiffundieren von Lithium an Plagioklasrändern zeigen, sind nach der Ablagerung bei ~300°C entstanden. Bei ~300°C sind die Lithium-Diffusionskoeffizienten in Glas und Plagioklas so verschieden, dass innerhalb von 40 Tagen das Glas homogenisiert werden kann, während im Plagioklas nur am äußersten Rand (~10 µm) Lithium aus dem Kristall heraus diffundiert. Daraus folgt, dass Verteilungskoeffizienten, die für Lithium zwischen Plagioklas und Matrixglas berechnet werden, in diesem Fall falsch sind. Denn diese würden unter der (falschen) Annahme ermittelt, dass die Ränder der Plagioklase und das Glas in der Matrix die Lithiumkonzentrationen im Gleichgewicht kurz vor der Eruption bei magmatischen Temperaturen widerspiegeln. Das Lithium, das in der Schmelze kurz vor dem Ausbruch angereichert wurde, hatte allerdings genug Zeit, nach der Ablagerung wieder aus dem Glas heraus zu entgasen und die Li-Konzentration am Rand der Plagioklase war nicht im Gleichgewicht.

Translation of abstract (English)

For this thesis lithium concentration and delta^7 Li profiles were analyzed by secondary ion mass spectrometry in plagioclase phenocrysts sampled from tephra of the Late Bronze Age Minoan eruption that took place at Santorini, Greece, in the second millenium B.C. In the four Minoan Units A–D lithium concentrations are most variable in Minoan A, which is due to the wide span of concentrations found in plagioclase of mafic Minoan scoria clasts that were erupted simultaneously. Lithium concentrations in plagioclase of the pumice samples were almost homogeneous throughout all units. Under equilibrium conditions lithium shows a negative correlation with anorthite content in Minoan plagioclase. Based on this correlation, plagioclase crystals can be divided into two groups: (1) Plagioclase crystals with a weak correlation and X_An < 0.60, and (2) Plagioclase crystals with a strong correlation and X_An > 0.60. Two simple models based on Blundy (1994) and Coogan (2011) were applied and fit to the observed data by performing a least squares fit. Fitting resulted in a ln K_D > -2.5 for plagioclase with X_An < 0.60 and a ln K_D < -5 for plagioclase with X_An > 0.60. This phenomenon may be associated with the C1 – I1 transition line which divides the C1 phase field from the I1 phase field close to An_(55-60) at magmatic temperatures. Plagioclase crystals with X_An < 0.60 plot in the C1 phase field while plagioclase crystals with X_An > 0.60 plot in the I1 phase field. Disequilibrium of lithium in Minoan plagioclase phenocrysts is characterized by diffusion of lithium into the crystal on short diffusion lengths, mainly of ~30-40 µm. Diffusion profiles are overprinted by a loss of lithium at the rim. delta^7 Li profiles show that diffusion into the crystal was caused by a phase with higher lithium concentrations than recorded by melt inclusions or matrix glass. Recreation of analyzed lithium profiles by applying a two-step model based on numerical diffusion modeling yielded the following results: 1. Diffusion into the crystal took place at ~860°C prior to the eruption at time scales of seconds and must have been caused by a lithium-rich vapor flux from deeper parts of the Minoan plumbing system. 2. Diffusive loss of lithium took 40d at ~300°C and must have happened after emplacement due to degassing of lithium from the pumice deposits. These results have an important impact on lithium partition coefficients calculated under the assumption that the analyzed lithium concentrations in pumice matrix glass reflect those in the melt prior to the eruption. Those partition coefficients are incorrect, because all the lithium concentrations analyzed in matrix glass represent those after degassing of lithium from the pumice deposits came to a hold at much lower temperatures, and because the lithium concentrations at the rim of the plagioclases do not represent an equilibrium.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 27 January 2012
Date Deposited: 03 Feb 2012 11:33
Date: 2012
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Uncontrolled Keywords: Minoische Eruption , Plagioklas , Lithium Isotope , Phasenübergang , DiffusionMinoan Eruption , Plagioclase , Lithium Isotopes , phase transition , diffusion
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