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Abundances of Lithium, Beryllium and Boron in Phenocrysts from Santorini Volcano (Greece): Implications on Magma Genesis and Eruption Mechanisms

Cabato, Edweena Joan Alincastre

German Title: Häufigkeiten von Lithium, Beryllium und Bor in Phänokristen von Santorin (Griechenland): Hinweise zu Magmenentstehung und Eruptionsmechanismen

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Abstract

Volcanic eruptions remain a crucial part of human existence, yet many aspects of volcanic systems continue to elude comprehension. The frontier of geochemistry therefore, is also occupied with new tools and schemes to explain more of the magmatic enigma. Among these new approaches is the use of the light elements lithium, beryllium and boron and their isotopes: incompatible in common mineral phases in the magma and sensitive as tracers of source components and material recycling in subduction zones. Analyses through Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) yield Li, Be and B concentration and d7Li profiles that have extraordinary implications on our present knowledge of crystal formation and volcanic eruptions. Populations of plagioclase, pyroxene and olivine phenocrysts in the Nea Kameni dacites and Thera andesites reveal complex and disparate crystallisation histories suggestive of magma injection, mixing and/or mingling. These processes are of particular importance in understanding volcanic systems because mafic intrusions may trigger explosive silicic eruptions, as already observed in several volcanoes. An even more significant, and no less surprising, offshoot of light element analyses in this study are the estimates for magma residence time using certain plagioclase phenocrysts. If our present knowledge of Li diffusion and partition coefficients were correct, data on these phenocrysts suggest very short residence times that could preserve primary Li abundances in entire crystals or their overgrowths. Such indicate extremely rapid crystallisation, occurring within hours, possibly due to decompression and degassing, immediately before or even during eruption. Being one of the first attempts at investigating the behaviour of the three lithophile light elements in situ and in detail, this work further attests to the affluence of information to be derived from phenocrysts. These may start to form early in the magma and continue to grow through varying physico-chemical conditions, forming an archive of crystallisation histories and magma geneses. Hence, these phenocrysts contribute not only to our understanding of the volcanic centre being considered, but would have implications on similar magma systems as well. It is therefore also the aim of this study to forge further investigations on crystals or inclusions, which could yield information that would otherwise be lost in bulk analyses. Through such meticulous work we shall definitely learn more about the driving mechanisms within volcanoes. For some people, this could mean avoiding life-threatening outbursts.

Translation of abstract (German)

Vulkaneruptionen stellen nach wie vor eine für den Menschen natürliche Bedrohung dar. Nicht zuletzt deshalb stehen vulkanische Systeme noch immer im Blickpunkt geowissenschaftlicher Forschung. Dies gilt auch für den Bereich der Geochemie, die fortwährend neue „Werkzeuge“ entdeckt, mit denen die Prozesse der Magmenentstehung und –veränderung erhellt werden können. Hierzu gehören die leichten Elemente Lithium, Beryllium und Bor und ihre Isotope. Diese Elemente verhalten sich bezüglich der meisten magmatischen Minerale inkompatibel und stellen empfindliche Tracer für Magma-Eduktkomponenten und den Stofftransfer in Subduktionszonen dar. Mit Hilfe von Sekundärionenmassenspektrometrie können die Konzentrationen von Li, Be und B sowie die d7Li-Werte in Phänokristen von Vulkaniten und teilweise auch in deren Matrix ortsaufgelöst bestimmt werden. Entsprechende Profile durch Querschnitte von Phänokristen stellen wichtige Informationsquellen für die magmatische Kristallisation und anschließende Eruption in vulkanischen Systemen dar. Populationen von Plagioklas-, Pyroxen- und Olivin-Einsprenglingen in Daziten von Nea Kameni und Andesiten von Thera (Santorin-Vulkankomplex, Ägäis) enthüllen komplexe und verschiedene Kristallisationsgeschichten, die auf Magma-Nachschub und Magma-Mischung hinweisen. Diese Prozesse sind für das Verständnis vulkanischer Systeme besonders wichtig, da nach allgemeiner Ansicht der Nachschub basischen Magmas in eine bereits differenzierte Magmakammer zur Eruption führen kann. Ein weiterer Aspekt der in dieser Studie durchgeführten ortsaufgelösten Analyse der leichten Elemente ist die Möglichkeit, aus den Konzentrations- und Isotopen-Profilen Rückschlüsse auf die Magma-Verweilzeiten einzelner komplexer Phänokristalle zu ziehen. Sofern unsere derzeitige Kenntnis des Verteilungsverhaltens von Li zwischen Plagioklas und Schmelzen sowie der Diffusivität von Lithium in Plagioklas richtig ist, lassen die hier gewonnenen Daten keinen anderen Schluß zu als dass die Magma-Verweilzeiten sehr kurz (in der Größenordnung von wenigen Stunden) sind. Dies wiederum impliziert schnelle Kristallisation, höchstwahrscheinlich getriggert durch Dekompression und Entgasung des Magmas. Diese Studie ist einer der ersten Versuche, das Verhalten der leichten Elemente in vulkanischen Systemen im Detail aufzuklären. Die Kerne der Phänokristen können früh gebildet sein, weiteres Wachstum kann dann bei sich ändernden physiko-chemischen Bedingungen erfolgen, vielleicht sogar syn-eruptiv. Somit tragen diese komplex zusammengesetzten Phänokristalle nicht nur zum Verständnis einzelner Vulkane bei, sondern lassen sich verallgemeinern. Diese Studie sollte dazu anregen, weitere detaillierte Untersuchungen an Phänokristallen und Glaseinschlüssen durchzuführen, da hierdurch Erkenntnisse zu erwarten sind, die mit chemischer Analyse von Gesamtgesteinsproben nicht zu erlangen sind. Hierdurch werden wir mehr über die Prozesse im Inneren von Vulkanen lernen und somit zur Minderung des Risikos durch Vulkaneruptionen beitragen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 7 February 2007
Date Deposited: 02 Apr 2007 14:08
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Vulkan, Diffusion, Magma, Eruption, Spurenelement, Plagioklas, Verteilungskoeffizient
Uncontrolled Keywords: light elements , magma mixing , magma residence time
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