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Mantel-Xenolithe des Harrat Uwayrid (Saudi-Arabien) : Archive der stofflichen und thermischen Entwicklung des lithosphärischen Erdmantels im Bereich eines passiven Kontinentalrandes

Kaliwoda, Melanie

English Title: Mantle xenoliths of the Harrat Uwayrid (Saudi Arabia) : Records of the chemical and thermal evolution of the lithospheric mantle along a passive continental margin

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PDF, German
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Abstract

Der Harrat Uwayrid, im Nordwesten der Arabischen Halbinsel gelegen, ist ein spätmiozänes bis quartäres Vulkanfeld, das im Zusammenhang mit der Bildung des Roten Meeres, eines embryonalen Ozeans, entstand. Die jüngeren, alkali-reichen, SiO2-untersättigten und weit gehend undifferenzierten Vulkanite im Zentralteil dieses Vulkanfeldes führen häufig Mantel-Xenolithe, d.h. Fragmente des lithosphärischen Erdmantels, die von den schnell aufsteigenden basischen Magmen mitgerissen und an die Erdoberfläche transportiert wurden. Diese Fragmente geben Informationen über die stoffliche und thermische Entwicklung des panafrikanisch gebildeten und känozoisch überprägten lithosphärischen Mantels. Auf Grund ihres primären und sekundären Mineralbestandes lassen sich die Xenolithe in unter-schiedliche Gesteinstypen unterteilen. Bei den meisten Xenolithen handelt es sich um Spinell-Peridotite, die alle Clinopyroxen führen und sich an Hand der XCr-Werte [= Cr/(Cr+Al)] ihrer Spinelle sowie der XMg-Werte [= Mg/(Mg+Fe2+)] ihrer Olivine in vier kompositionelle Untergruppen aufteilen lassen. Zudem wurden einige Spl-Pyroxenite untersucht. Viele Xenolithe zeigen Anzeichen einer oder mehrerer metasomatischer Überprägungen. Beispielsweise enthält der Spinell-Pargasit-Phlogopit-Olivin-Websterit neben den Hauptmineralen Clinopyroxen, Orthopyroxen und Olivin als Nebengemengteile Ba-reichen Pargasit und Ba-Phlogopit sowie Sr-haltigen Baryt. Die drei letztgenannten Mineralphasen sind das Resultat einer älteren Metasomatose zu Beginn der vulkanischen Aktivität. Durch Rekristallisation entstand anschließend ein neues texturelles Gleichgewicht. Fast alle Xenolithe enthalten intergranulare Glasfilme und �nester, in denen sich auch Einsprenglinge von Olivin, Clinopyroxen, Spinell und Amphibol befinden können. Die Texturen der Xenolithe belegen, dass die früheren Schmelzen nicht aus den Transportmagmen stammen, sondern sich bereits vor der Beprobung durch letztere in den Gesteinen befanden. Stellenweise haben die Minerale des Altbestandes mit den infiltrierten Schmelzen reagiert. Dabei kam es zur Bildung Cr-reicher Spinellränder und schwammiger, chemisch veränderter Clinopyroxenränder, zur Bildung sekundärer Pargasite und Kaersutite oder zum Zerfall von Phlogopit. Chemische Zonierungsprofile durch Mineralkörner zeigen, dass viele Xenolithe eine Abkühlung erlitten haben, die bei manchen Xenolithen von einer Aufheizung gefolgt war. Insgesamt sind bei fast allen Xenolithen die chemischen Heterogenitäten innerhalb ihrer Mineralkörner nicht besonders groß und wirken sich auf die Ergebnisse geothermobarometrischer Berechnungen nur geringfügig aus. Die ermittelten Temperaturen liegen zwischen ca. 800 und 1100 °C und die Ca-Gehalte der Olivine belegen Äquilibrierungsdrücke zwischen ca. 1.1 und 1.8 GPa. Die abgeleiteten P�T-Bedingungen sind mit einer kontinentalen Modell-Geotherme, die einem Oberflächen-Wärmefluss von ca. 90 mW m-2 entspricht, kompatibel. Mit Hilfe ortsaufgelöster Messungen der Li-, Be- und B-Konzentrationen, die mit einem Sekundärionenmassenspektrometer an 15 ausgewählten Xenolithen erfolgten, wurde herausgefunden, dass in fast allen Xenolithen eine Gleichgewichtsverteilung von Li zwischen Olivin, Clinopyroxen und Orthopyroxen vorliegt. Dies bestätigt Untersuchungen von Seitz & Woodland (2000) an unterschiedlichen Mantel-Xenolithen aus anderen Regionen. Die durchgeführten Be-Messungen in Olivin, Orthopyroxen, Clinopyroxen und anderen Mantelphasen lieferten die ersten derartigen Daten an Mantel-Xenolithen. Bislang war man nicht in der Lage, die niedrigen Be-Konzentrationen in Mineralen des Erdmantels (meist < 100 ng/g) zu bestimmen. Diese Arbeit enthält zudem eine bislang nicht zur Verfügung stehende große Anzahl verlässlicher B-Konzentrationsdaten von Erdmantel-Mineralen. Des weiteren zeigt sich eine Temperaturunabhängigkeit in der Verteilung von Li, Be und B zwischen Olivin, Orthopyroxen und Clinopyroxen. Metasomatisch stärker überprägte Mantel-Xenolithe eignen sich hervorragend, um mit Hilfe von Li, Be und B, das metasomatische Agens (Fluidphase vs. Schmelze) zu ermitteln. Da Be in F-armen wässerigen Fluidphasen nicht transportierbar ist, weisen hohe Li/Be- und B/Be-Verhältnisse bei gleichzeitig erhöhten Li- und B-Konzentrationen auf eine metasomatische Überprägung durch eine Fluidphase hin. Dagegen werden bei einer Überprägung durch Schmelzen die Konzentrationen aller drei leichten Elemente erhöht. Insgesamt lässt sich feststellen, dass der lithosphärische Mantel unter der Nordostflanke des Rote-Meer-Grabens im Zuge der Riftbildung thermisch und stofflich überprägt wurde.

Translation of abstract (English)

Harrat Uwayrid is a volcanic field located on the eastern rift flank of the Red Sea graben in the northwestern part of the Arabian peninsula. Volcanic activity started in the late Miocene with mildly alkaline flood basalts and ended with Quaternary basanitic and foiditic cinder cones and flows that are most abundant in the central part of the volcanic field and contain abundant mantle xenoliths. These xenoliths contain important information on the thermal and chemical evolution of the lithospheric mantle. Most xenoliths are ordinary spinel peridotites with variable amounts of clinopyroxene. Based on XCr [= Cr/(Cr+Al)] of spinel and XMg [= Mg/(Mg+Fe2+)] of olivine, these peridotites can be classified into four types. Apart from the spinel peridotites, several spinel websterites, one spinel wehrlite, one clinopyroxene-bearing orthopyroxenite, one olivine-bearing clinopyroxenite and an exotic spinel-pargasite-phlogopite-olivine websterite were investigated. Most xenoliths bear evidence for (multiple) metasomatic overprint. The spinel-pargasite-phlogopite-olivine websterite, for example, contains Sr-bearing baryte in addition to Ba-rich pargasite and Ba-phlogopite. All three minerals are in textural equilibrium with the main mineral phases olivine, orthopyroxene and clinopyroxene indicating that the metasomatic overprint by which K, Ba, Sr and other components were added to the rock was followed by complete recrystallization. The abundances of Li and B in all minerals are relatively high, while those of Be are low, suggesting that the metasomatic agent was an aqueous fluid rather than a hydrous melt. Before incorporation into the host magma, the rock was infiltrated by melts that reacted with its minerals (second metasomatism). Phlogopite grains, for example, were decomposed into Ba-K-rich feldspar (celsian), Cr-rich spinel and Ba-K-rich melt (�> glass) along their rims. Almost all xenoliths contain intergranular glass that locally forms larger patches. In most of these patches, small phenocrysts of olivine, clinopyroxene, spinel and amphibole are present. The original melts from which microphenocrysts and glass were formed, were not derived from the host magmas, as indicated by textural evidence. Locally, the minerals of the mantle rocks reacted with the infiltrated melts resulting in Cr-rich rims of spinel, spongy-type rims of clinopyroxene, the formation of secondary pargasite/kaersutite or decomposition of phlogopite. Chemical zonation patterns of mineral grains display limited heterogeneity in all but five xenoliths. The mantle source domains of most xenoliths experienced a prolonged period of cooling that, in some xenoliths, was followed by a heating event. Temperature (T) and pressure (P) estimates for all xenoliths fall into the ranges 800 to 1100 °C and 1.1 to 1.8 GPa. These P�T conditions are compatible with a continental model steady-state geotherm corresponding to a surface heat flow of ~ 90 mW m-2. This result is in line with literature data obtained on xenolith populations from other Neogene to Quaternary volcanic fields in Saudi Arabia. However, direct measurements of surface heat flow in some volcanic fields yielded values that are considerably lower than 90 mW m-2. This apparent discrepancy indicates that thermal equilibrium (after the input of heat from the convecting part of the mantle) has not yet been reached in the lithosphere beneath Saudi Arabia. In the course of this study, detailed zonation patterns of Li, Be and B in minerals of 15 selected xenoliths were determined by secondary ionization mass spectrometry (SIMS). Li zonation patterns of clinopyroxene grains from most xenoliths exhibit a core-to-rim decrease, while Be and B are nearly constant. This rimward decrease in Li was most probably caused by a diffusive loss of Li into intergranular melts that infiltrated the lithospheric sources of the xenoliths before sampling by the host magmas. Using Li abundances measured in the cores of mineral grains and average abundances of Be and B, nearly constant inter-mineral partition coefficients for all three elements were obtained: DLiOl/Cpx = 1.74 ± 0.41, DLiOl/Opx = 1.75 ± 0.33, DLiOpx/Cpx = 0.98 ± 0.22; DBeOl/Cpx = 0.019 ± 0.008, DBeOl/Opx = 0.520 ± 0.031, DBeOpx/Cpx = 0.39 ± 0.25; DBOl/Cpx = 0.63 ± 0.19, DBOl/Opx = 1.03 ± 0.66, DBOpx/Cpx = 0.66 ± 0.23. Within the range of ~ 800 to 1100 °C, the partitioning of Li, Be and B between olivine, clinopyroxene and orthopyroxene is apparently independent of temperature. Li/Be and B/Be ratios can be used to discriminate between different metasomatic agents. Metasomatism by aqueous fluids that are not enriched in fluorine results in the addition of Li and B, while all three low atomic mass elements are added by melts.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 14. January 2005
Date Deposited: 07. Feb 2005 07:29
Date: 2004
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Xenolith, Saudi-Arabien, Oberer Erdmantel, Geothermobarometrie, Lithium, Beryllium
Uncontrolled Keywords: lithosphärischer Erdmantel , Geotherme , Metasomatose , Ba-Phlogopit , leichte Elementemantle xenoliths , metasomatism , thermobarometry , light elements
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