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Geochemistry and petrology of lamprophyres from the Hellenides and the European Variscides

Soder, Christian

German Title: Geochemie und Petrologie von Lamprophyren der Helleniden und der europäischen Varisziden

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Mantle-derived potassic to ultrapotassic magmatism is a typical feature of collisional orogens and is also occasionally present above oceanic subduction zones. Lamprophyres are part of this magmatism and are of particular interest, as they carry information about the chemical and mineralogical conditions of the uppermost mantle. They offer insights into the process of element cycling during subduction and collision, when a strong physical and chemical interactions between the geochemical reservoirs, specifically between the continental crust, the oceanic crust as well as the upper mantle, take place. This thesis presents examples from active subduction settings (the Greek Hellenides) as well as fossil subduction and collision zones (the European Variscides). Both studies focus on detailed whole-rock geochemical and isotopic data sets. Additional information about the lithospheric evolution are obtained from high-pressure xenoliths hosted in these lavas. Xenoliths from Variscan lamprophyres provide a snapshot of the lower orogenic crust during the Variscan collisional process and record the dynamics of regional extension. The island of Kos at the eastern end of the South Aegean Volcanic Arc hosts numerous late Neogene amphibole and mica lamprophyres. The Sr and Nd isotope ratios of these mantle-derived rocks correlate negatively in narrow ranges, extending from the undepleted end of the mantle array towards values typical for continental crust. The crust-like signature is linked to the addition of subducted SE Mediterranean sediments, which dominate the Pb isotopic composition of all lamprophyres. The mantle endmember of the Sr–Nd isotope mixing array is strongly enriched in incompatible trace elements and shows anorogenic affinities. Whole-rock geochemistry indicates that the lamprophyres originated from the depleted lithospheric mantle above the Hellenic subduction zone that was modified by (i) K-rich silicic partial melts or supercritical fluids from subducted metasediments and (ii) melts from the asthenosphere below the subducting slab. The first metasomatic component formed phlogopite-orthopyroxene-rich veins, whereas the second led to the formation of amphibole-bearing clinopyroxenites. Subsequent melting preferentially affected these enriched domains. Variable dilution by contributions from ambient peridotite and mixing between both components caused the large chemical variation observed in the lamprophyres. The asthenosphere-derived component represents incipient melt with a carbonatite-like trace element signature (e.g. superchondritic Nb/Ta and Zr/Hf; low Ti/Eu). This metasomatic agent was probably introduced into the mantle wedge along ruptures in the slab of the retreating Hellenic subduction zone. Lamprophyres dominated by the sediment signature have isotopic and chemical similarities to basaltic rocks erupted along the South Aegean Volcanic Arc. The much stronger enrichment in incompatible trace elements of the lamprophyres is related to only minor dilution by melts from the ambient mantle. Partial melting in the lithospheric mantle is attributed to extensional tectonics, probably during a stage of rapid slab rollback, with a limited availability of fluid as a fluxing agent. Lamprophyre emplacement occurred along sinistral ’en-échelon’ structures in a crustal-scale shear zone, which separates Anatolia from the faster extending Aegean back-arc basin. In the Variscides, K-rich magmatic rocks form intrusions throughout the internal zones of the orogen (durbachites, melanocratic quartz-monzonites/-syenites, lamprophyres, lamproites, trachybasalts, basaltic trachyandesites, shoshonites). Based on a detailed whole-rock geochemical dataset of post-collisional dykes from SW Germany and E France, a generic petrogenetic model for this chemically and isotopically heterogeneous mantle-derived magmatism is presented. The lamprophyres have crust-like trace element patterns and elevated initial 87Sr/86Sr and 207Pb/204Pb as well as low 143Nd/144Nd ratios. High mantle-compatible element concentrations reflect significant contributions from mantle peridotite to the melts. This hybrid nature requires at least two source components: continental material and mantle peridotite. Continental subduction during Variscan collisional processes resulted in the physical and chemical interaction between the crust and the upper mantle. Systematic sampling of dyke rocks across tectonic zones of contrasting development reveals two groups of mantle-derived potassic to ultrapotassic rocks with distinct trace element patterns and isotopic compositions. Deeply subducted crustal lithologies were affected by high-degree partial melting at mantle depth due to the breakdown of hydrous phases like phengite. Whether the trace element signature is transferred unmodified into these melts or not, largely depends on the behaviour of accessory phases (e.g. zircon, allanite or monazite) that sequester significant amounts of incompatible trace elements. For instance, high Th/La–Sm/La and low Th/U ratios of some lamprophyres are related to residual allanite during generation of the metasomatic crustal melts. The melts migrate from the slab into the overlying lithospheric mantle, react with peridotite and solidify to phlogopite–pyroxenites. Reaction between siliceous melt and peridotitic wallrock leads to the crystallisation of orthopyroxene ± garnet at the expense of olivine, resulting in a depletion in Al2O3 and garnet-compatible trace elements in the coexisting melt. Progressive wall-rock interaction causes enrichment in incompatible trace elements and eventually produces peralkaline melt compositions. Post-collisional extension preferentially triggers melting within the metasomatic domains. Mobilisation of the diverse olivine-poor hybridisation products generates geochemically and mineralogically heterogeneous melt-compositions, ranging from medium-K basalts to peralkaline lamproites. Crustal xenoliths entrained in post-collisional Variscan lamprophyres from the crystalline Odenwald (Mid-German Crystalline Zone, MGCZ) include felsic granulites and retrogressed eclogites. Classical thermobarometry, Zr-in-rutile thermometry and equilibrium phase diagrams (pseudosections) reveal temperatures of 700–800°C and pressures of 1.7–1.8 GPa. Both lithologies record isothermal decompression and provide evidence for the presence of partial melt. The felsic granulite is partially molten at peak conditions. Instead, the solidus of the eclogite is crossed during isothermal decompression, causing fracturing of mineral grains and crystallisation of a plagioclase-bearing assemblage along grain boundaries and cracks crossing garnet, indicating pressures of 1.2±0.2 GPa. Both lithologies got entrained into the mantle-derived magma, causing a high-temperature overprint at temperatures in excess of 1100°C that resulted in the development of diverse fine-grained microstructures. As no deformation or cooling related to a tectonic exhumation process occurred, rare mineralogical and textural features are preserved. Compositional sector zonation in garnet is caused by rapid crystallisation, related to reaction overstepping. Sudden nucleation and crystallisation possibly takes place due to shearing and fluid-inflow during incipient decompression. During continuing extension, the wet solidus is crossed. Small amounts of partial melt cause a drastic reduction in rock strength due to brittle failure. A consequence of rheological weakening may be a localisation of deformation, resulting in crust-scale shear zones. Such shear zones may accommodate orogenic extension, provide pathways and trigger the ascend of the mantle-derived lamprophyres. For this reason, the lower crustal xenoliths are rare documents of the Variscan collision process, resulting in crustal thickening to at least 60 km, and the subsequent regional extension. A Lower Carboniferous age of metamorphism is supported by SIMS U-Pb zircon dating, which gave ages of 332±7 (2σ) Ma (felsic granulite) and 335±6 Ma (eclogite). An age of 440±10 Ma obtained for the oldest zircon population in the eclogite is interpreted as the age of the magmatic protolith. Abundant discordant zircons with oscillatory zonation in the felsic ganulite have an upper concordia intercept at 2110±25 Ma, giving the age of crystallisation of the granitic protolith. While Silurian magmatism is well established within the MGCZ, Paleoproterozoic basement was previously unknown and is generally very rare in the European Variscides.

Translation of abstract (German)

Das Auftreten kaliumreicher Mantelmagmen ist ein typisches Phänomen von Kollisionsorogenen. Diese Magmen treten volumenmäßig deutlich hinter die weit verbreiteten granitischen Gesteine zurück, sind jedoch von besonderem Interesse, da sie Informationen über die chemische und mineralogische Zusammensetzung des oberen Erdmantels liefern. Sie geben dadurch Einblicke in Wechselwirkungsprozesse, die während Subduktion und Kollision zwischen ozeanischer bzw. kontinentaler Kruste sowie dem peridotitischen Erdmantel ablaufen. In dieser Studie werden sowohl Beispiele aus dem Bereich einer aktiven Subduktionszone (den griechischen Helleniden) sowie fossilen Subduktions- und Kollisionszonen (den europäischen Varisziden) behandelt. Beide Studien basieren im Wesentlichen auf geochemischen und isotopischen Gesamtgesteinsanalysen von potassischen bis ultrapotassischen Magmen (Lamprophyren). Zusätzliche Informationen über die Entwicklung der kontinentalen Lithosphäre können jedoch auch von Xenolithen mit Hochdruckparagenesen gewonnen werden, welche in einigen der untersuchten Ganggesteinen vorkommen. Diese Einschlüsse liefern eine Momentaufnahme der unteren orogenen Kruste im post-kollisionalen Stadium und dokumentieren damit den spätvariszischen Kollisions- sowie Extensionsprozess. Auf der Insel Kos, am östlichen Ende des quartären Südägäischen Vulkanbogens, treten zahlreiche Amphibol- und Glimmer-Lamprophyre auf. Diese Ganggesteine zeigen eine deutlich ausgeprägte negative Korrelation in ihren Sr- und Nd-Isotopenzusammensetzungen. Die Isotopenverhältnisse variieren zwischen Werten des unverarmten Erdmantels und typischen Signaturen der kontinentalen Kruste. Die kontinentalen Signaturen werden auf subduzierten Sedimenten zurückgeführt. Das Mantel-Endglied der Sr–Nd-Mischungsreihe ist durch sehr starke Anreicherung an inkompatiblen Elementen gekennzeichnet und besitzt eine anorogene Spurenelementsignatur. Basierend auf der Gesamtgesteins-Geochemie der Magmen ist anzunehmen, dass die Lamprophyre aus dem verarmten lithosphärischen Erdmantel stammen, der über der Hellenischen Subduktionszone chemisch und mineralogisch modifiziert wurde. Die Anreicherung erfolgte durch K- und Si-reiche partielle Schmelzen aus subduzierten Metasedimenten und durch Schmelzen aus dem asthenosphärischen Mantel unterhalb der subduzierenden Platte. Die erstgenannte Komponente kristallisierte zu Phlogopit-Orthopyroxen-reichen Adern und Gängen im lithosphärischen Mantel, die zweite zu Amphibol-führenden Klinopyroxeniten. Erneutes partielles Schmelzen des lithosphärischen Mantels führte zur bevorzugten Remobilisierung der angereicherten Bereiche. Unterschiedliche Mischungsverhältnisse zwischen Schmelzen beider Komponenten, sowie unterschiedlich starke Verdünnung durch Zumischung partieller Schmelzen aus dem umgebenden Peridotit, führte zu der ausgeprägten geochemischen und mineralogischen Variabilität der Lamprophyre von Kos. Die aus der Asthensphäre stammende Komponente resultiert aus einer niedriggradigen Schmelze mit Karbonatit-artiger Spurenelement-Signatur (z. B. super-chondritische Verhältnisse von Nb/Ta und Zr/Hf; niedriges Ti/Eu). Diese metasomatische Komponente wurde womöglich über Risse innerhalb der subduzierenden Platte in den Mantelkeil der zurückweichenden Hellenischen Subduktionszone zugeführt. Lamprophyre mit einer deutlich ausgeprägten Sediment-Signatur zeigen isotopische und chemische Ähnlichkeiten mit den basaltischen Gesteinen, die entlang des Südägäischen Inselbogens eruptiert sind. Die deutlich stärkere Anreicherung an inkompatiblen Spurenelementen der Lamprophyre ist durch bevorzugtes Schmelzen von pyroxenitischen Bereichen und nur untergeordneten Beimengungen von ’basaltischen’ Schmelzen aus peridotitischem Mantel bedingt. Partielle Schmelzbildung im lithosphärischen Mantel geht vermutlich auf extensionale tektonische Prozesse zurück, die mit einer Phase erhöhten Zurückrollens der Subduktionszone in Zusammenhang stehen. Die Platznahme der Lamprophyre erfolgte in sinistrale „en-échelon“-Strukturen einer womöglich die gesamte Kruste ergreifenden Scherzone, die Anatolien von dem sich schneller ausdünnenden Ägäischen Back-arc-Becken trennt. Die internen Zonen des Variszischen Gebirges sind durch das Auftreten zahlreicher K-reicher Plutonite, Subvulkanite und Vulkanite gekennzeichnet (Durbachite, melanokrate Quarz-Monzonite/-Syenite, Lamprophyre, Lamproite, Trachybasalte, basaltische Trachyandesite, Shoshonite). Basierend auf einem detaillierten Gesamtgesteins-Datensatz post-kollisionaler Ganggesteine aus Ostfrankreich und Südwestdeutschland wird ein neues petrogenetisches Modell für diese chemisch und isotopisch heterogenen Mantelmagmen vorgestellt. Die Lamprophyre besitzen Spurenelement-Muster sowie Sr–Nd–Pb-Isotopenzusammensetzungen, die der kontinentalen Kruste entsprechen. Hohe Konzentrationen Mantel-kompatibler Elemente zeigen deutliche peridotitische Beiträge in diesen Schmelzen an. Diese „hybride“ Natur erfordert mindestens zwei Komponenten in der Quelle der Magmen: kontinentales Material und Mantelperidotit. Kontinentale Subduktion während des variszischen Kollisionsprozesses verursachte eine physikalische und chemische Interaktion zwischen Kruste und oberem Erdmantel. Die systematische Beprobung von Ganggesteinen quer zur tektonischen Zonengliederung des Orogens mit unterschiedlicher Vorgeschichte lässt zwei Gruppen von K-reichen Mantelmagmen erkennen, die jeweils charakteristische Spurenelement- und Isotopensignaturen besitzen. In tief subduzierten krustalen Lithologien bildeten sich hochgradige partielle Schmelzen aufgrund des Instabilwerdens von wasserhaltigen Phasen wie Phengit. Ob die Spurenelement-Signatur der kontinentalen Kruste unverändert auf diese Schmelzen übertragen wird, hängt größtenteils vom Verhalten akzessorischer Minerale (wie z.B. Zirkon, Allanit (Orthit) oder Monazit) ab, welche signifikante Anteile an Spurenelementen aufnehmen. Die hohen Th/La–Sm/La- und niedrigen Th/U-Verhältnisse einiger Lamprophyre zeigen beispielsweise residuellen Allanit während der Bildung der metasomatischen, krustalen Schmelzen an. Diese Schmelzen migrieren von der subduzierten Platte in den überlagernden lithosphärischen Mantel und reagieren mit dem Peridotit, wo sie schließlich kristallisieren und Phlogopit-Pyroxenite bilden. Die Reaktion zwischen diesen Silizium-reichen Schmelzen und dem peridotitischen Nebengestein resultiert in der Kristallisation von Orthopyroxen ± Granat auf Kosten von Olivin, was zu einer Verarmung der koexisterenden Schmelze an Al2O3 und Granat-kompatiblen Spurenelementen führt. Fortschreitende Wechselwirkung zwischen Schmelze und Nebengestein verursacht eine passive Anreicherung an inkompatiblen Elementen und kann zu peralkalinen Schmelzzusammensetzungen führen, die schließlich im lithosphärischen Mantel kristallisieren. Während post-kollisionaler und späterer Extension erfahren diese metasomatischen Bereiche bevorzugtes Aufschmelzen. Die Mobilisierung der diversen Olivin-armen Hybridisierungsprodukte resultiert in geochemisch und mineralogisch heterogenen Magmen, die von Amphibol-Lamprophyren bis hin zu peralkalinen Lamproiten variieren. Einige Lamprophyre des kristallinen Odenwaldes (Mitteldeutsche Kristallinzone, MGCZ) enthalten eine große Anzahl von Mantel- und Krustenxenolithen. Unter diesen befinden sich felsische Granulite sowie retrograde Eklogite. Klassische Thermobarometrie, Zr-in-Rutil-Thermometrie und Gleichgewichts-Phasendiagramme ergeben Temperaturen von 700°C (Eklogit) und 800°C (felsischer Granulit) bei Drücken von 1.7–1.8 GPa. Beide Lithologien zeigen isotherme Dekompression an und geben Hinweis auf die Anwesenheit von partiellen Schmelzen. Hierbei zeigt der Eklogit bei Drücken von 1.2±0.2 GPa eine Überprägung im Stabilitätsfeld von Plagioklas. Die neue Paragenese kristallisiert entlang von Korngrenzen und Brüchen, die sich in Granat bilden und gibt Hinweis auf Kristallisation aus einer Schmelze. Schließlich erfahren die Lithologien eine Hochtemperatur-Überprägung im aufsteigenden Magma bei Temperaturen über 1100°C, was zur Entwicklung diverser feinkörniger Mikrostrukturen führt. Der Transport zur Oberfläche im Lamprophyr-Magma erfolgte rasch. Die Xenolithe enthalten deshalb mineralogische und strukturelle Merkmale, die bei tektonischen Exhumierungsprozessen durch Deformation und retrograde Abkühlung womöglich einer starken Überprägung unterliegen würden. Der Granat der Eklogite ist sektorzoniert, was rasches Kristallwachstum anzeigt und mit Reaktions-Überschreitung im Zusammenhang steht. Die Erhaltung dieses Zonarbaus bedeutet, dass die während Dekompression und unter Anwesenheit partieller Schmelzen stattfindende Überprägung nur kurzfristig gewirkt haben kann und unmittelbar auf die eklogitfazielle Metamorphose folgte. Die plötzliche Nukleation und Kristallisation ist möglicherweise mit Scherbewegungen und Fluidzutritt bei gleichzeitiger Dekompression verbunden. Bei fortgesetzter Extension wird der nasse Solidus überschritten. Geringgradige Teilschmelzen bewirken eine drastische Verringerung der Gesteinsfestigkeit durch sprödes Versagen. Eine Folge dieser rheologischen Schwächung kann eine Lokalisierung von Deformationsprozessen und schließlich die Ausbildung krusten-skaliger Scherzonen sein. Entlang solcher Scherzonen können post-kollisionale Extensionsprozesse ablaufen sowie Lamprophyr-Magmen aus dem Erdmantel aufsteigen. Die Unterkusten-Xenolithe sind somit seltene Dokumente des variszischen Kollisionsprozesses und zeigen eine Krustenverdickung auf mindestens 60 km an. Darüber hinaus verleihen sie Einblicke in die Dynamik des post-kollisionalen Extensionsprozesses. Ein unterkarbonisches Metamorphosealter von 332±7 Ma (felsischer Granulit) und 335±6 Ma (Eklogit) konnte durch U-Pb-Datierungen an Zirkonen mittels SIMS bestätigt werden. Die älteste Zirkon-Population im Eklogit besitzt ein Alter von 440±10 Ma, was als magmatisches Protolith-Alter interpretiert wird. Zirkone mit oszillierendem Zonarbau im felsischen Granulit sind diskordant und besitzen einen oberen Einstichpunkt auf der Konkordia bei 2110±25 Ma, der das Kristallisationsalter des granitischen Protoliths anzeigt. Während silurischer Magmatismus innerhalb der MGCZ gut dokumentiert ist, war paläoproterozoisches Grundgebirge bisher nicht bekannt, und ist generell in den europäischen Varisziden sehr selten anzutreffen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 20 July 2017
Date Deposited: 09 Nov 2017 09:21
Date: 2017
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Geochemie, Gesteinskunde, Lamprophyre, Subduktion, Mantel-Metasomatose, Xenolithe
Uncontrolled Keywords: geochemistry, lamprophyres, subduction, mantle metasomatism, xenoliths
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