Constraints on the Magmatic History of Paleo- and Mesoarchean Meta-Igneous Rocks of the Eastern Kaapvaal Craton, Southern Africa

Abstract

Understanding the formation and stabilization of Archean crust is important for our knowledge about geological processes that operated on the early Earth. The eastern Kaapvaal Craton in southern Africa represents a unique and well-preserved fragment of Paleo- to Mesoarchean continental crust that is ideal to shed some light on this conundrum. Hence, this dissertation aims to answer the following questions: I) Was the early Earth´s crust solely formed in the Archean or did Hadean crustal or mantle-derived material contribute to Archean crust formation?; if so, what was the nature of these Hadean reservoirs? II) How did the mantle sources that contributed material to crustal thickening evolve throughout the Paleo- to Mesoarchean, and in what kind of geological setting did this crust formation occur, early plate subduction or mantle plume-controlled magmatism? The methods applied to answer these two questions are major and trace element analysis in combination with analysis of the whole-rock 176Lu-177Hf, 147Sm-143Nd, and 146Sm-142Nd isotope systems. The long-lived 176Lu-177Hf and 147Sm-143Nd isotope systems were applied to trace mantle differentiation in the Archean, whereas the short-lived 146Sm-142Nd isotope system was applied to trace crust-mantle differentiation in the Hadean. To answer the first research question whether or not Hadean crust or mantle-derived material contributed to Archean crust formation, granitoids and amphibolites of the eastern Kaapvaal Craton, namely the Ancient Gneiss Complex (AGC) of Swaziland and the Barberton Greenstone Belt (BGB) in the Mpumalanga Province of South Africa were investigated for abundance variations of 142Nd. The well-preserved crustal and mantle-derived samples cover an age range from 3.66 to 3.22 Ga and are representative of major geological units of the AGC and the lower Onverwacht Group of the BGB. The investigated samples yielded μ142Nd values ranging from -8 ppm to +3 ppm with typical uncertainties smaller than ± 4.4 ppm, relative to the JNdi-1 terrestrial standard. The μ142Nd values of these 17 measured samples show a bimodal distribution with ten samples showing a tendency towards slightly negative μ142Nd anomalies and seven samples having μ142Nd values similar to the terrestrial reference. The only clearly resolvable μ142Nd anomalies were found in a 3.44 Ga Ngwane Gneiss sample of the AGC and in amphibolites of the ca. 3.45 Ga Dwalile Greenstone Remnant, infolded in the AGC, revealing μ142Nd values that range from 7.9 ± 4.4 to 6.1 ± 4.3 ppm. The μ142Nd deficits do not correlate with age, lithological unit, or sample locality. Instead, the mantle-derived rocks of the BGB and AGC were likely formed by derivation from two distinct mantle reservoirs that can be distinguished by their μ142Nd signatures. One mantle reservoir preserved the enriched 142Nd signature at least until 3.46 Ga, and one modern-like mantle reservoir that did not preserve a 142Nd signature. Furthermore, the granitoids showing negative μ142Nd anomalies likely formed by re-melting and incorporation of Hadean protocrustal material and preserved their negative μ142Nd signature at least until 3.22 Ga. However, it cannot be resolved whether the negative μ142Nd signature in this Hadean protocrustal material was ultimately derived from crust-mantle differentiation of a modern-like or from an already enriched mantle source. In contrast, the oldest gneisses showing no μ142Nd anomaly are up to 3.64 Ga in age, indicating that a modern terrestrial 142Nd reservoir was already present by early Archean times and coexisted with the enriched 142Nd mantle reservoir. To constrain the evolution of the mantle sources providing material to crustal thickening in the Paleo- to Mesoarchean, metabasalts and metakomatiites of the lower Onverwacht Group of the BGB, and ca. 2.9 to 2.8 Ga metabasalts collected in the vicinity of the Kubuta Ranch in central Swaziland (AGC) were investigated. The metabasalts of the 3.55 to 3.48 Ga Sandspruit and Theespruit Formations of the lower Onverwacht Group can be subdivided into three groups, based on their incompatible trace element characteristics: a light rare earth element (LREE) depleted group, a LREE-undepleted group, and a LREE-enriched group. Positive εHf(t) and εNd(t) values of ca. +3 to +4 and 0 to +2, respectively, together with depletions in Th and LaCN/YbCN below one for the LREE-depleted metabasalts indicate derivation from an incompatible element-depleted mantle source, possibly the ancient upper mantle. However, chondritic εHf(t) and εNd(t) values combined with positive Th and LaCN/YbCN of the LREE-enriched samples indicate a contribution from older AGC crust in the petrogenesis of these samples. Trace element patterns of metakomatiites and metabasalts of the 3.48 to 3.45 Ga Komati Formation of the lower Onverwacht Group are generally flat relative to primitive mantle, with slight depletions in heavy rare earth elements and Th and overall positive εHf(t) of +2.5 ± 3.5 (2s.d.) and εNd(t) of +0.5 ± 2.2 (2s.d.) for both metalava types. The similarity in trace element and Hf-Nd isotope characteristics suggests a common magmatic origin for the basalts and komatiites by high degrees of melting of an incompatible element-depleted mantle source containing residual garnet. Hence, the komatiites are interpreted as being plume generated, whereas the basalts are interpreted to be the products of fractional crystallization from the komatiitic parental magma. Based on the current data set, and in combination with previously published data, I propose a geodynamic evolution model for volcanic rocks of the lower Onverwacht Group that involves the evolution from a continent-type setting (for the Sandspruit and Theespruit Formations) to an oceanic setting (for the Komati Formation) as a consequence of continental rifting. The ca. 2.9 to 2.8 Ga Kubuta metavolcanic rocks are most likely genetically related to the ca. 3.0 Ga Usushwana Igneous Complex in west-central Swaziland and the ca. 2.9 Ga Hlagothi Complex located in KwaZulu-Natal Province of South Africa. The coeval ca. 3.0 Ga Nsuze and ca. 2.9 Ga Mozaan Groups of the Pongola Supergroup of south-central Swaziland and northern KwaZulu-Natal Province have similar elemental anomalies, albeit slightly elevated concentrations, compared to the Kubuta metavolcanic rocks. This study shows that the Nsuze and Mozaan Groups were sourced from komatiitic parental magmas derived from a weakly depleted mantle source, whereas the Usushwana, Hlagothi, and Kubuta units were sourced from a more depleted mantle reservoir comparable to modern depleted upper mantle. Prior to eruption, all mafic rocks underwent assimilation-fractional crystallization processes involving ca. 3.5 Ga crustal rocks of the AGC. Combining these geochemical observations with literature age data leads to a refined petrogenetic model for continental flood volcanism in a Mesoarchean large igneous province (LIP) on the eastern Kaapvaal Craton. This refined model includes the presence of two distinct mantle sources in the formation of this continental LIP – a deep mantle plume producing komatiite melts as well as ambient upper mantle producing more incompatible element-depleted melts such as the Kubuta rocks. Collectively, the Paleo- to Mesoarchean mantle-derived rocks investigated in this study record the transitional development from a submerged continental setting to an oceanic setting and back to a continental setting within a time period of about 600 Ma.

Das Verständnis der Bildung und Stabilisierung von Archaischer Kruste ist fundamental für unser Wissen über die geologischen Prozesse, die auf der frühen Erde stattgefunden haben. Der östliche Kaapvaal-Kraton im südlichen Afrika repräsentiert ein einmaliges und gut erhaltenes Fragment von paläo- bis mesoarchaischer, kontinentaler Kruste, das ideal ist um neue Erkenntnisse zur Lösung dieses Rätsel zu liefern. Daher beabsichtige ich in dieser Dissertation die folgenden Fragen zu beantworten: I) Wurde die Kruste der frühen Erde nur im Archaikum gebildet oder hat auch Hadaisches Krusten- oder Mantelmaterial zur Bildung von archaischer Kruste beigetragen? Und wenn dies zutrifft, was waren die Eigenschaften dieses Hadaischen Reservoirs? II) Wie haben sich die Mantelquellen, die Material zur Krustenverdickung geliefert haben, während dem Paläo- zum Mesoarchaikum entwickelt, und in welcher Art geologischem Regime hat Krustenbildung damals stattgefunden? Zwei mögliche geologische Regime, die zur Kurstenverdickung im Archaikum beigetragen haben könnten sind zum einen frühe Subduktion oder zum anderen durch einen Mantelplume kontollierten Magmatismus. Zur Beantwortung dieser beiden Fragestellungen wurden Gesteinsproben auf ihre Haupt- und Spurenelementkonzentrationen in Kombination mit den Gesamtgesteins-isotopien der 176Lu-177Hf, 147Sm-143Nd und 146Sm-142Nd Isotopensysteme analysiert. Die langlebigen 176Lu-177Hf und 147Sm-143Nd Isotopensysteme wurden angewendet um Manteldifferentiation im Archaikum festzustellen, wohingegen das kurzlebige 146Sm-142Nd Isotopensystem verwendet wurde um die Differentiation von Kruste und Mantel im Hadaikum zu identifizieren. Um die Frage zu beantworten, ob hadaisches Krusten- oder Mantelmaterial in der Bildung der archaischen Kruste involviert war, wurden Granitoide und Amphibolite des östlichen Kaapvaal-Kratons, genauer des Antiken Gneis Komplexes und des Barberton Grünsteingürtels in der südafrikanischen Mpumalanga-Provinz, untersucht. Die gut erhaltenen Krusten- und Mantelproben decken eine Alterspanne von 3.66 bis 3.22 Ga ab und sind repräsentativ für die großen geologischen Einheiten des Antiken Gneis Komplexes und der unteren Onverwacht Gruppe des Barberton Grünsteingürtels. Die untersuchten Proben ergaben μ142Nd-Werte zwischen -8 ppm und +3 ppm mit typischen Unsicherheiten kleiner als ± 4.4 ppm, relativ zum terrestrischen Standard JNdi-1. Die μ142Nd-Werte der 17 gemessenen Proben zeigen eine bimodale Verteilung mit zehn Proben, die eine Tendenz zu leicht negativen μ142Nd-Werten aufweisen, und sieben Proben, deren μ142Nd-Werte ähnlich zu dem terrestrischen Referenzmaterial sind. Die einzigen auflösbaren μ142Nd-Anomalien wurden in einer 3.44 Ga alten Probe des Ngwane Gneises des Antiken Gneis Komplexes und in Amphiboliten des ca. 3.45 Ga alten Dwalile Grünsteingürtels, der in den Antiken Gneis Komplexe eingefaltet ist, gefunden. Diese Gesteine weisen μ142Nd-Werte von -7.9 ± 4.4 bis -6.1 ± 4.3 ppm auf. Die μ142Nd-Defizite korrelieren weder mit dem Alter, noch der lithologischen Einheit oder der Proben-lokation. Unsere Ergebnisse zeigen vielmehr, dass zwei verschiedene Mantelquellen in die Bildung der mafischen Gesteine des Barberton Grünsteingürtels und des Antiken Gneis Komplexes involviert waren, welche anhand ihrer 142Nd-Signaturen unterschieden werden können. Das eine Mantelreservoir konservierte die angereicherte 142Nd-Signatur mindestens bis 3.46 Ga, und das andere Mantelreservoir hat keine 142Nd-Signatur enthalten und entspricht in seiner Geochemie einem modernen Mantelreservoir. Des Weiteren wurden die Granitoide, die negative μ142Nd-Anomalien enthalten, durch Aufschmelzung und Einarbeitung von Hadaischer Protokruste gebildet und konservierten ihre negative 142Nd-Signatur bis mindestens 3.22 Ga. Jedoch kann nicht aufgelöst werden, ob die negative 142Nd-Signatur dieser Hadaischen Protokruste letzendlich aus der Differentiation von einer Mantelquelle stammt, die bereits an 142Nd angereichert war oder die im 142Nd ähnlich einer modernen Mantelquelle war. Im Gegensatz dazu, sind die ältesten Gneise, die keine μ142Nd-Anomalien enthalten, bis zu 3.64 Ga alt. Dies deutet darauf hin, dass ein terrestrisches 142Nd-Reservoir mit modernem geochemischem Charakter schon zu früharchaischen Zeiten existiert hat und mit dem angereicherten 142Nd-Mantelreservoir koexistierte. Um die Entwicklung der Mantelquellen zu untersuchen, die Material zur Krustenverdickung im Paläo- bis Mesoarchaikum beigetragen haben, wurden Metabasalte und Metakomatiite der unteren Onverwacht Gruppe des Barberton Grünsteingürtels sowie ca. 2.9 bis 2.8 Ga alte Metabasalte, die in der Nähe der Kubuta Ranch in Zentralswasiland (Antiker Gneis Komplex) genommen wurden, ausgewählt. Die Metabasalte der 3.55 bis 3.48 Ga alten Sandspruit und Theespruit Formationen der unteren Onverwacht Gruppe können in drei Gruppen unterteilt werden, basierend auf ihren inkompatiblen Elementcharakteristika: Eine an leichten Seltenen Erden verarmte Gruppe, eine nicht an leichten Seltenen Erden verarmte Gruppe und eine an leichten Seltenen Erden angereicherte Gruppe. Positive εHf(t)- und εNd(t)-Werte von ca. +3 bis +4 beziehungsweise 0 bis +2, zusammen mit Verarmungen in Th und LaCN/YbCN für die an leichten Seltenen Erden verarmten Metabasalte deuten auf die Abstammung von einer Mantelquelle hin, die an inkompatiblen Elementen verarmt ist, möglicherweise der ehemalige obere Mantel. Allerdings deuten chondritische εHf(t)- und εNd(t)-Werte zusammen mit positiven Th-Anomalien und LaCN/YbCN-Verhältnissen der an leichten Seltenen Erden angereicherten Proben auf einen Beitrag des älteren Antiken Gneis Komplexes in der Petrogenese dieser Proben hin. Spurenelementmuster der Metakomatiite und Metabasalte der 3.48 bis 3.45 Ga alten Komati Formation der unteren Onverwacht Gruppe sind im Allgemeinen flach, relativ zum primitiven Mantel, mit leichten Verarmungen in den schweren Seltenen Erden und Th, sowie generell positiven εHf(t) von +2.5 ± 3.5 (2s.d.) und εNd(t) von +0.5 ± 2.2 (2s.d.) für beide Typen von Metalaven. Die Ähnlichkeit der Spurenelement- und Hf-Nd-Isotopencharakteristika deutet auf eine gemeinsame magmatische Herkunft dieser Basalte und Komatiite hin, die durch hohe Aufschmelzgrade einer an inkompatiblen Elementen verarmten Mantelquelle mit zurückbleibendem Granat in der Mantelquelle entstanden sind. Hierbei werden die Komatiite als Mantelplumerzeugnisse interpretiert, wohingegen die Basalte als Produkte von fraktionierter Kristallisation der komatiitischen parentalen Schmelze interpretiert werden. Basierend auf dem vorliegenden Datensatz, in Kombination mit vorherigen publizierten Daten, schlage ich ein geodynamisches Entwicklungsmodell für die vulkanischen Gesteine er unteren Onverwacht Gruppe vor, das die Entwicklung von einem kontinentalen (für die Sandspruit und Theespruit Formationen) zu einem ozeanischen (für die Komati Formation) Regime als Konsequenz von kontinentaler Spreizung beinhaltet. Die 2.9 bis 2.8 Ga alten metavulkanischen Kubuta-Gesteine sind vermutlich genetisch verwandt mit dem ca. 3.0 Ga Usushwana magmatischen Komplex in Westzentralswasiland und dem ca. 2.9 Ga Hlagothi Komplex in der KwaZulu-Natal-Provinz von Südafrika. Die zeitgleichen ca. 3.0 Ga Nsuze und ca. 2.9 Ga Mozaan Gruppen der Pongola Supergruppe von Südzentralswasiland und der nördlichen KwaZulu-Natal-Provinz haben ähnliche elementare Anomalien, wenn auch leicht erhöhte Konzentrationen verglichen mit den metavulkanischen Kubuta-Gesteinen. Diese Studie zeigt, dass die Nsuze und Mozaan Gruppen von einer komatiitischen parentalen Schmelze abstammen, die von einer schwach verarmten Mantelquelle gespeist wurden. Im Gegensatz dazu stammen die Usushwana-, Hlagothi- und Kubuta-Einheiten von einer verarmteren Mantelquelle, die vergleichbar ist mit dem modernen verarmten oberen Mantel. Vor der Eruption haben alle mafischen Gesteine Assimilations- und Kristallisationsprozesse erfahren. Hierbei waren die ca. 3.5 Ga alten, krustalen Gesteine des Antiken Gneis Komplexes mögliche Kontaminanten. Die Kombination von geochemischen Beobachtungen mit Altersdatierungen aus der Literatur führt zu einem verfeinerten petrogenetischen Modell für kontinentalen Flutbasaltvulkanismus in einer mesoarchaischen, magmatischen Großprovinz auf dem östlichen Kaapvaal-Kraton. Dieses verfeinerte Modell schließt die Präsenz von zwei verschiedenen Mantelquellen in die Bildung dieser kontinentalen magmatischen Großprovinz ein. Einerseits einen tiefen Mantelplume, der komatiitische Schmelzen produziert, andererseits den oberen Mantel, der an inkompatiblen Elementen verarmte Schmelzen, wie zum Beispiel die Kubuta-Gesteine, produziert. Zusammenfassend kann man sagen, dass die untersuchten paläo- bis mesoarchaischen, mafischen Gesteine dieser Studie den Übergang von einem kontinentalen zu einem ozeanischen und wieder zurück zu einem kontinentalen Regime innerhalb einer Zeitperiode von etwa 600 Ma dokumentieren.