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PDF, English - main document Download (11MB) | Lizenz: Zircon Petrochronology and Thermochemical Modeling of Quaternary Magmatic Systems in Western North America (The Geysers, Eastern Snake River Plain, Blackfoot) by Angeles De La Torre, Carlos Antonio underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0

Abstract

Zircon (ZrSiO4) is an accessory mineral commonly present in a wide range of igneous, metamorphic, and sedimentary rocks. When crystallized in-situ, it is a powerful tool for reconstructing chemical and thermal processes in the Earth’s crust at high fidelity and with fine temporal resolution. In this dissertation, zircon from a range of mafic to silicic volcanic fields in the western United States was investigated by combining U-Th-Pb geochronology, trace element geochemistry, and δ18O and ɛHf isotopic data. This integrated petrochronological approach of studying zircon age and composition in combination with textural constraints yielded new insights into magma origins, evolution, and geothermal potential associated with Quaternary volcanism. The first part of this study investigates zircon crystallization in the Eastern Snake River Plain (ESRP) and the adjacent Craters of the Moon volcanic field (COM) in southern Idaho. While the ESRP is dominated by voluminous olivine tholeiite lava flows with subordinate trachyandesite and rhyolite lavas, the COM field comprises mainly Fe-rich trachybasalts and rare evolved basaltic trachyandesites. In both settings, zircon is present in intermediate–silicic host rocks. High-resolution U-Pb and U-Th dating and trace element analysis confirm that zircon in these magmas formed autocrystically during protracted fractional crystallization, rather than being inherited from interstitial melts in a crystal mush. Equivalent evolutionary trends in zircon and whole-rock chemistry support this conclusion. Ultimately, zircon saturation in these systems was facilitated by strong enrichment of Zr via fractional crystallization. In the resulting high-Zr, compositionally intermediate ESRP and COM melts, zircon became saturated at unusually high temperatures and in comparatively primitive magma compositions. Since ESRP and COM zircon formed demonstrably in situ, zircon δ¹⁸O and εHf isotopic compositions are also reliable source indicators. These data suggest that ESRP and COM magmas originated from a similar mantle source, but subsequently evolved along different pathways. In the case of the ESRP, magma assimilated hydrothermally altered low-18O felsic rocks in the upper crust, whereas for the COM magmas, two sequential stages of assimilation occurred involving Archean lower crust and normal-δ¹⁸O upper crustal rocks, respectively. These findings underscore the importance of detailed petrochronological analyses of zircon and demonstrate that its presence in magmatic systems dominated by mafic melts has petrogenetic significance. Building on this framework, the second paper shifts focus to the Geysers Plutonic Complex (GPC) in California, where a rare combination of deep plutonic and cogenetic volcanic rocks is accessible due to extensive geothermal drilling. The GPC and its volcanic equivalents represent a compositionally evolved intrusive complex emplaced between ~700 and nearly 4000 m depth, based on geothermal drill well penetration. Zircon in these rocks records a history of magma evolution marked by early formation of highly fractionated microgranite porphyry, followed by emplacement of larger volumes of less evolved granite and granodiorite. Trace element and isotopic data (δ¹⁸O and εHf) from zircon reveal multiple magma types with different degrees of crustal assimilation. Using previously reported zircon age distributions, a thermal model was developed to reconstruct the magmatic history of the GPC. The model relates zircon saturation to magma temperature and successfully reproduces the observed zircon age distributions for the GPC. In the best-fit model scenario, the main volume of the GPC intruded during a brief, intense flare-up phase lasting for c. 50,000 years. This magma pulse was embedded into a longer interval of low-flux magmatism which lasted for at least c. 900,000 years. The agreement between the modeled volume of the intrusion and the extrapolated GPC volume validates the potential of zircon-based thermal modeling for reconstructing upper crustal magma reservoirs and their thermal histories. The final case study returns to southern Idaho and evaluates the geothermal potential of the Blackfoot Volcanic Field (BVF), a Pleistocene bimodal volcanic field located ~60 km southeast of the Snake River Plain-Yellowstone hotspot track. Despite hosting some of the youngest topaz rhyolites globally, the geothermal significance of this field remained uncertain. Zircon geochronology and geochemistry were used to constrain its eruptive and magmatic history. U-Pb and U-Th dating revealed two distinct eruptive phases: an early (1,006–785 ka) episode forming mainly the northern domes and a late (63–55 ka) pulse during which the southern domes erupted. Corresponding isotopic data for the BVF indicate a strong Archean crustal component in the parental magmas, consistent with their off-axis position relative to the hotspot. A thermal model for a 120 km³ magma reservoir emplaced 95,000 years ago and at 6 km depth successfully reproduces the timing of zircon crystallization and magma volumes for the southern domes and their subvolcanic equivalents. It also predicts that temperatures at ~4 km depth still exceed 300 °C today. The lack of surface geothermal manifestations within the BVF is attributed to a structurally complex hydrologic system that dilutes and diverts geothermal fluids. Collectively, these three case studies illustrate the broad applicability of zircon petrochronology in characterizing the temporal, thermal, and compositional evolution of magmatic systems underneath Quaternary volcanic fields. Zircon saturation can occur in intermediate magma compositions associated with voluminous basaltic magmas, extending the potential of zircon petrochronology for refining models of magma generation, evolution, and emplacement to systems beyond those conventionally investigated. When paired with thermal modeling, zircon data can provide insights into the thermal state of crustal magmatic systems, including those with geothermal energy potential. This thesis demonstrates the integrative power of zircon as a tool for decoding crustal magmatism and guiding geothermal exploration.

Translation of abstract (German)

Zirkon (ZrSiO₄) ist ein akzessorisches Mineral, das in einer Vielzahl magmatischer, metamorpher und sedimentärer Gesteine vorkommt. In-situ gebildeter Zirkon erlaubt es, chemische und thermische Prozesse in der Erdkruste zeitlich hochauflösend zu rekonstruieren. In dieser Dissertation wurde Zirkon aus mehreren Vulkanfeldern im Westen der USA, in denen mafisch bis felsische Magmen gefördert wurden, mittels U-Th-Pb-Geochronologie und Spurenelementgeochemie sowie isotopenanalytisch (δ¹⁸O und εHf) untersucht. Dieser petrochronologische Ansatz, der die kombinierte Analyse von Alter, Zusammensetzung und Gefüge für akzessorische Minerale wie Zirkon integriert, ermöglicht neue Einblicke in die Herkunft, Entwicklung sowie das geothermische Potenzial quartärer magmatischer Systeme. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Zirkonkristallisation in den Eastern Snake River Plain (ESRP) und angrenzenden Craters of the Moon (COM) Vulkanfeldern im Süden Idahos. Während das ESRP Vulkanfeld hauptsächlich aus voluminösen Olivin-Tholeiit-Lavaströmen mit untergeordneten Trachyandesit- und Rhyolith-Laven gebildet wird, kommen im COM hauptsächlich eisenreiche Trachybasalte und, untergeordnet, differenzierte basaltische Trachyandesite vor. In beiden Regionen findet sich Zirkon in intermediären bis silikatischen Wirtsgesteinen. Hochauflösende U-Pb- und U-Th-Datierungen sowie Spurenelementanalysen belegen, dass Zirkon in diesen Magmen originär im Zuge lang andauernder fraktionierter Kristallisation entstand und nicht aus Restschmelzen eines Kristallbreis stammt. Übereinstimmende Entwicklungstrends in der Zirkon- und Gesamtgesteinschemie stützen diese Interpretation. Die Zirkonsättigung wurde in diesen Magmensystemen durch starke Anreicherung von Zr infolge fraktionierter Kristallisation erreicht. In den daraus resultierenden Zr-reichen, intermediären Magmen der ESRP und COM Vulkanfelder kristallisierte Zirkon bei ungewöhnlich hohen Temperaturen und aus vergleichsweise primitiven Magmenzusammensetzungen. Da Zirkon in den ESRP und COM Magmen nachweislich in situ entstand, liefern δ¹⁸O- und εHf-Isotopenzusammensetzungen verlässliche Informationen zur Magmenquelle. Diese Daten deuten auf einen gemeinsamen mantelbasierten Ursprung der Schmelzen hin, die jedoch anschließend unterschiedlichen Entwicklungspfaden folgten: Im ESRP Vulkanfeld assimilierte das Magma hydrothermal veränderte, an δ¹⁸O-verarmte felsische Oberkruste, während die COM-Magmen zwei aufeinanderfolgende Assimilationsphasen durchliefen. Dabei wurden zunächst Gesteine der archaischen Unterkruste und später der Oberkruste assimiliert, die eine normale δ¹⁸O-Zusammensetzung aufweisen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des petrochronologischen Ansatzes in der Untersuchung von Zirkon, auch für magmatische Systeme die von mafischen Schmelzen dominiert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen liegt der Fokus der zweiten Fallstudie auf dem Geysers Plutonic Complex (GPC) in Kalifornien, wo aufgrund umfassender geothermischer Bohrungen ein seltener Einblick in plutonische Gesteine und ihre vulkanischen Äquivalente möglich ist. Der GPC stellt einen chemisch differenzierten Intrusionskörper dar, der sich zwischen etwa 700 und knapp 4000 m Tiefe gebildet hat. Zirkonanalysen belegen eine frühe magmatische Phase, bei der hochdifferenzierte Mikrogranit-Porphyre gebildet wurden. Darauf folgte die Platznahme einiger entwickelter Granite und Granodiorite, die den Hauptteil des GPC ausmachen und in vulkanischen Gesteinen an der Oberfläche ihre Entsprechung haben. Spurenelement- und Isotopenanalysen (δ¹⁸O und εHf) an Zirkon dieser Gesteine belegen mehrere Magmentypen, die sich durch variable Anteile krustaler Assimilation unterscheiden. Aufbauend auf bestehenden Altersverteilungen von Zirkon wurde ein thermisches Modell entwickelt, das die magmatische Geschichte des GPC anhand der mit der Abkühlung einhergehenden Zirkonsättigung rekonstruiert. Dieses Modell bildet sowohl die Altersverteilung als auch die Temperaturentwicklung der Magmen ab. Dabei kam es während eines intensiven Magmenpulses, der nur über ca. 50.000 Jahre anhielt, zu einem verstärkten Anwachsen des GPC Magmenkörpers. Dieser Puls war wiederum Teil eines über ~900.000 Jahre andauernden Zeitraums, während dessen nur geringe Magmenmengen zugeführt wurden. Die Übereinstimmung zwischen modelliertem und geologisch extrapoliertem Intrusionsvolumen bestätigt die Aussagekraft zirkonbasierter thermischer Modelle zur Rekonstruktion oberkrustaler Magmenreservoire. Die dritte Fallstudie ist wiederum im südlichen Idaho angesiedelt und untersucht das geothermische Potenzial des Blackfoot-Vulkanfelds (BVF), eines pleistozänen, bimodalen Vulkanfelds rund 60 km südöstlich des Yellowstone-Hotspot-Tracks. Trotz des Vorkommens rhyolitischer Vulkane, die zu den jüngsten Topas-Rhyolithen weltweit zählen, blieb das geothermische Potenzial des BVF lange unklar. Mithilfe von Zirkongeochronologie und -geochemie wurde die eruptive und magmatische Entwicklung des Vulkanfeldes untersucht. U-Pb- und U-Th-Datierungen von Zirkon belegen zwei eruptive Phasen, während derer mehrere Lavadome gebildet wurden: eine frühe (1.006–785 ka) hauptsächlich im nördlichen Teil des Vulkanfelds und eine späte (63–55 ka) im Süden. Isotopendaten zeigen eine starke archaische Krustenkomponente in den Magmen an, was mit der randständigen Lage des Vulkanfeldes relativ zum Hotspot einhergeht. Die beobachteten Zirkonkristallisationsdauern und Magmenvolumina im südlichen BVF (einschließlich einer oberflächennahen subvulkanischen Intrusion) werden modellhaft durch die Abkühlung eines ursprünglich 120 km³ umfassenden Magmenreservoirs, welches sich vor 95,000 Jahren in 6 km Tiefe bildete, erklärt. Ebenso lässt die thermische Modellierung erwarten, dass Temperaturen von über 300 °C in ~4 km Tiefe bis heute vorherrschen. Das Fehlen geothermischer Anzeichen an der Oberfläche lässt sich auf ein strukturell komplexes hydrologisches System zurückführen, in dem durch den ehemaligen Magmenkörper aufgeheizte Fluide verdünnt und abgelenkt werden. Zusammenfassend belegen diese drei Studien die vielseitige Anwendbarkeit der Zirkon-Petrochronologie zur Charakterisierung der zeitlichen, thermischen und chemischen Entwicklung magmatischer Systeme, aus denen sich Eruptionen in quartären Vulkanfeldern speisen. Die Sättigung von Zirkon kann in intermediären Schmelzen auch in basaltisch dominierten Umgebungen auftreten, wodurch sich das Anwendungsspektrum der Zirkon-Petrochronologie auf magmatische Systeme jenseits der häufig untersuchten felsischen Gesteinszusammensetzungen erweitert. In Kombination mit thermischen Modellen liefert Zirkon wichtige Einblicke in den thermischen Zustand der Kruste – auch im Hinblick auf deren geothermisches Potenzial. Diese Dissertation zeigt die weitreichenden Möglichkeiten, die das Mineral Zirkon zur Entschlüsselung magmatischer Prozesse in der Kruste bietet und wie dies die Erkundung geothermischer Vorkommen unterstützen kann.