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Aufbau und Entwicklung des Vulkans Mauna Kea anhand von gesteinsmagnetischen und magneto-mineralogischen Untersuchungen an Kernen des “Hawaii Scientific Drilling Project” (HSDP-2)

Vahle, Carsten

English Title: Structure and evolution of Mauna Kea volcano derived from rock magnetic and magneto-mineralogical investigations on cores of the "Hawaii Scientific Drilling Project" (HSDP-2)

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PDF, German
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Abstract

Die vorliegende Arbeit liefert einen wichtigen gesteinsmagnetischen Datensatz, insbesondere für submarine Gesteine, der aus einer gesteinsmagnetischen Perspektive einen Einblick in den Aufbau und die Entwicklungsgeschichte von hawaiianischen Schildvulkanen über ein Zeitintervall von ca. 420 ka vermittelt. Hierfür wurden Basalte (Intrusionen, Pillowlaven, Hyaloklastite und massive Basalte sowie subaerische Lavaströme) der 3109 m tiefen HSDP-2 Bohrung des „Hawaii Scientific Drilling Project“ mit Hilfe von verschiedenen gesteinsmagnetischen und mineralogischen Methoden untersucht: Volumensuszeptibilität (k) und deren Anisotropie (AMS), Feld- (fHd) und Temperaturabhängigkeit (k(T)), Abmagnetisierungsverhalten der natürlich remanenten Magnetisierung, Polarisations- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Elektronenstrahl-Mikrosonde. Die Bohrlokalität befindet sich an der Flanke der zwei größten Schildvulkane der Erde, des Mauna Keas und Mauna Loas auf Hawaii und ermöglicht somit einen Zugang zu einem geowissenschaftlichen Archiv von Lavaeinheiten des Mauna Kea Vulkans, die einen Zeitraum von ca. 420 ka umfassen. Das generelle Ziel des HSDP, ist ein besseres Verständnis von Mantelplumes zu erhalten sowie die geochemische Entwicklung eines Ozeaninsel-Vulkans während der verschiedenen Entwicklungsstadien zu untersuchen, während diese Arbeit einen Einblick in die magnetische Struktur eines Hotspot gebundenden Schildvulkans liefert. Die magnetischen Eigenschaften werden von unterschiedlichen primären und sekundären Prozessen kontrolliert, die mit den Entstehungsbedingungen der Laven in Verbindung stehen und sich auf das magnetische Verhalten der relevanten Phasen (im Wesentlichen Titanomagnetit und Ilmenohämatit) auswirken. In Abhängigkeit von der Lithologie und Teufe zeigen sich signifikante Veränderungen, die z.B. an die Magmenzusammensetzung und die Abkühlungsgeschichte der Gesteine gebunden sind. Diese Veränderungen werden teilweise auch von der Zusammensetzung des Chromspinells reflektiert, der zusätzlich zum Titanomagnetit und Ilmenohämatit untersucht wurde. Diese Arbeit hat gezeigt, dass die magnetische Suszeptibilität dabei sowohl von der Mantelquellen-Komponente als auch vom Aufschmelzgrad abhängig ist. Neben der Magmenzusammensetzung spielen die Kristallisationstemperatur, die Sauerstofffugazität und die Abkühlungsgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle für die magnetischen Eigenschaften. Diese Faktoren wirken sich dabei nicht nur auf den Titanomagnetit- und Ilmenohämatit-Anteil aus, sondern auch auf die Form und Zusammensetzung der Kristalle. Das magnetische Verhalten der submarinen Gesteine beruht auf dendritischen, kreuz- bis skelettförmigen, homogenen Ti-reichen Titanomagnetit (Tc zwischen ca. 20 und 350 °C) und Ilmenohämatit mit Korngrößen von < 1 – 100, selten bis 300 µm (für Titanomagnetit). In einigen Einheiten (besonders Pillowlaven und massive Basalte) deutet sich durch eine Irreversibilität der k(T)-Kurven Maghemitisierung an, deren Einfluss nahe am Kontakt zum Nebengestein zunimmt. Die subaerischen Einheiten besitzen ein ähnliches Korngrößenspektrum wie die submarinen Gesteine, während ein signifikanter Unterschied dagegen in der Textur besteht (eher skelettförmig bis idiomorph). Dies ist auf eine deutlich langsamere Abkühlung zurückzuführen, die sich darüber hinaus durch das Auftreten von Subsolidus-Reaktionen und Hoch-Temperatur Oxidation äußert. Daher ist das magnetische Verhalten der subaerischen Laven sowohl an homogenen Ti-reichen Titanomagnetit als auch Körner mit Magnetit-naher Zusammensetzung und Ilmenit-Entmischungslamellen gebunden, wobei Curie-Temperaturen zwischen ca. 500 und 585 °C dominieren. Mit Hilfe von Korrelationen zwischen gesteinsmagnetischen und magneto-mineralogischen Eigenschaften und z.B. der Mächtigkeit der Einheiten, internen Fließgrenzen und der geochemischen Zusammensetzung war eine Ableitung der Magmazufuhrrate und Eruptionsdauer möglich, die sich darüber hinaus in bestimmten Mustern der Suszeptibilitätsprofile widerspiegeln. Im Rahmen dieser Dissertation wurden Messungen der Feldabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität an natürlichen Basalten erstmalig detailliert für einen umfangreichen Probensatz angewandt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Feldabhängigkeit nicht nur von der Zusammensetzung des Titanomagnetits abhängt, sondern auch eine Funktion der Korngröße, der Temperatur und der Anisotropie von k (durch die Form und Anordnung der Titanomagnetit-Körner) ist.

Translation of abstract (English)

This thesis presents a comprehensive rock magnetic database, especially for submarine units of a shield volcano and provides insights into the structure and the evolutionary history of Hawaiian shield volcanoes over a time period of ca. 420 ka from a rock magnetic viewpoint. For this purpose, basalts (intrusions, pillow lava, hyaloclastite, massive basalt and subaerial lava flows) from the 3109 m deep HSDP-2 borehole of the “Hawaii Scientific Drilling Project” have been investigated by means of different types of magnetic measurement and mineralogical methods: volume susceptibility (k) and its anisotropy (AMS), field (fHd) and temperature dependence (k(T)), demagnetization of natural remanent magnetization, polarizing and scanning electron microscopy as well as electron microprobe investigations. The drill site is located on the flank of the two largest shield volcanoes on Earth, the Mauna Kea and Mauna Loa at Hawaii, and provides access to a geoscientific archive consisting of a lava sequence having erupted during ca. 420 ka of Mauna Keas volcanic activity. While the general target of the HSDP is to improve the knowledge about mantle plumes as well as to examine the geochemical evolution of a ocean island volcano during the different evolutionary stages, this thesis is presented to advance knowledge regarding the magnetic structure of a shield volcano in a hot spot-related environment. The rock magnetic properties are controlled by different primary and secondary processes, which are related to the extrusion conditions of lava and affect the magnetic behavior of the relevant phases (basically titanomagnetite and ilmenohematite). Significant changes have been observed, dependent on lithology and depth, which are e.g. related to magma composition and cooling history. These changes are also partly reflected by the composition of chromian spinel, which are also considered in addition to titanomagnetite and ilmenohematite. This study has shown that the magnetic susceptibility is controlled by the source component of the mantle as well as by the degree of melting. Beside magma composition, crystallization temperature, oxygen fugacity and cooling rate have an impact on magnetic properties. The influence of these factors is not only restricted to the amount of titanomagnetite and ilmenohematite but also by change in crystal shape and composition. The magnetic behavior of the submarine rocks is based on dendritic, cruciform to skeletal, homogeneous Ti-rich titanomagnetite (Tc ranging between ca. 20 and 350 °C) and ilmenohematite with grain sizes of < 1 to 100, rarely 300 µm (for titanomagnetite). In some units, especially pillows and massive basalts, maghemitization is indicated by irreversible k(T)-curves, whereas the influence is increased at the contact to host rock. Although subaerial lava has similar grain size variations like the submarine units the textures of these grains are significantly different (more skeletal to idiomorphic). This is related to the slower cooling, which is additionally indicated by sub-solidus reactions and high-temperature oxidation. Therefore, the magnetic behavior of subaerial lava is based on homogeneous Ti-rich titanomagnetite as well as grains with magnetite-rich composition and ilmenite exsolution lamellae, but Curie temperatures of ca. 500 – 585 °C are dominating. By investigating a combination of rock magnetic and magneto-mineralogical properties with e.g. unit thickness, internal flow boundaries and the geochemical composition an estimation of magma supply rate and eruption duration was possible, which can be correlated with the patterns in the susceptibility profiles. In the framework of this dissertation field dependent susceptibility measurements have been performed for the first time on such a large data record of natural basalts. It has been shown, that the field dependence is not only related to titanomagnetite composition, but also to grain size, temperature and degree of anisotropy (due to shape and distribution of grains).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dokturmutter: Kontny, Prof. Dr. Agnes
Date of thesis defense: 30. June 2005
Date Deposited: 22. Aug 2005 07:30
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Magnetisierung, Magnetische Suszeptibilität, Basalt, Hawaii, Tiefbohrung, Lavastrom
Uncontrolled Keywords: magnetische Eigenschaften , Magnetomineralogie , Abkühlungsgeschichte , vulkanische Entwicklungmagnetic properties , magnetic mineralogy , cooling history , volcanic evolution
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