English Title: Helium, Neon and Argon isotopic composition of ultramafic rocks from the subcontinental lithospheric mantle of the Red Sea region

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Abstract

Für diese Arbeit wurden massenspektrometrische Analysen der Helium-, Neon- und Argon-Isotopenzusammensetzung von Mantel-Fluiden in Gesteinen des subkontinentalen lithosphärischen Mantels im Gebiet des Roten Meeres durchgeführt. Zuvor wurde mittels Ar-Analysen eine empirische Vorauswahl geeigneter Proben getroffen. Extraktion der Edelgase erfolgte preferentiell durch stufenweises mechanisches Zerkleinern der Gesteinsproben im Ultrahochvakuum. Die genaue Bestimmung der He- und vor allem Ne-Isotopenzusammensetzung führte zur Identifikation einer Fluid-Komponente, die vom Afar-Plume eingetragen wurde und bis zu 15% des Mantel-Ne betragen kann. Diese Fluide sind wahrscheinlich zu Beginn der Grabenbildung im Roten Meer nach der Platznahme des Afar-Plumes vor 30 Ma in die Lithosphäre eingetragen worden. Eine Probe weist keine Beiträge einer Plume-Komponente auf. Die Zusammensetzung dieser Probe wird als beste Näherung für den unbeeinflussten lithosphärischen Mantel dieser Region angesehen. Die Ergebnisse lassen sich am besten durch eine Zweikomponenten-Mischung zwischen Fluiden des Afar-Plumes und der ursprünglichen Lithosphäre erklären. Dies ist auch auf die lokale Asthenosphäre übertragbar, die sich offensichtlich erst bei der Platznahme des Afar-Plumes durch partielle Aufschmelzung des tieferen lithosphärischen Mantels bildete und dadurch die Grabenbildung ermöglichte. Die Ar-Isotopenzusammensetzung ist charakterisiert durch eher niedrige 40Ar/36Ar-Verhältnisse im Vergleich zu normaler Asthenosphäre. Eine Probe wies hohe, auf in situ radiogene Beiträge zurückzuführende 40Ar/36Ar-Werte auf. Das errechnete Modell-Alter von 580-740 Ma entspricht dem Bildungsalter der Lithosphäre selbst. Für fast alle Proben konnten zum Teil stark fraktionierte Elementverhältnisse beobachtet werden, die sich bei Bildung und Entzug partieller Schmelzen einstellten.

Translation of abstract (English)

Mass spectrometric analyses of the helium, neon and argon isotopic composition of mantle fluids in subcontinental lithospheric mantle rocks from the Red Sea region were performed. The noble gases were preferentially extracted from the samples by sequential crushing with a ball mill in ultra high vacuum. Precise measurement of He and especially Ne isotopic composition led to the identification of plume-related fluids which contribute up to 15 % of the mantle Ne. Incorporation of these fluids was associated with the emplacement of the Afar plume head 30 Ma ago. One sample shows no sign of plume related fluids. Its composition is therefore regarded as best approximation of the pre-rift lithospheric mantle. The results can be explained in terms of binary mixing between pre-rift lithospheric and plume-related fluids. This model can be extended to the local asthenospheric mantle, implying formation of the asthenosphere by partial melting of deeper layers of lithospheric mantle after the emplacement of the Afar-plume, and thus enabling the rifting process. The Ar isotopic composition is characterized by rather low 40Ar/36Ar-ratios compared to the global asthenosphere. One sample contained high 40Ar/36Ar-ratios caused by addition of in situ radiogenic 40Ar*. A calculated model age of 580-740 Ma corresponds to the age of the local lithospheric mantle. Most samples show highly fractionated elemental ratios indicative of partial melting and melt extraction processes in the lithospheric mantle.