Petrogenesis of PGE-bearing chromitites in layered intrusions

Abstract

Layered intrusions are stratified igneous bodies, which are of outstanding scientific and economic interest. They form due to accumulation of crystals on a solidifying crystal mush and represent ‘natural laboratories’ providing direct insights into fundamental petrological concepts like crystal accumulation or magma differentiation. In addition to their petrological significance, they host some of the world’s most important reserves of base and precious metals, including the platinum-group elements. Among the most prominent, but also most enigmatic, examples of magmatic layers in layered intrusions are Cr-spinel seams or chromitites. Despite the wealth of studies and the long history of research, spanning several decades, the petrogenesis of Cr-spinel layers, i.e. the processes of accumulation and possible subsequent modification, is still incompletely understood and riddles the scientific community till today. This thesis aims to shed some light on this active debate to advance our knowledge and understanding on the petrogenesis of these layers. Therefore, Cr-spinel seams in two case studies, the Bushveld Complex, South Africa and the Rum Layered Intrusion, NW Scotland, were investigated by detailed field observations and micro-analytical examination of the textural and mineral chemical character of the accumulated crystals. These observations were used to elucidate the processes of initial Cr-spinel accumulation and post-cumulus processes, which subsequently modified the primary chemistry and texture.

Post-cumulus processes that modify the original composition or texture of crystals within the crystal mush are known for a long time. Several studies have emphasised the added uncertainty in the interpretation of potentially modified textures and compositions. Thus, this thesis aims to assess post-cumulus changes within the seams to understand the involved mechanism and deduce the original characteristics of cumulus Cr-spinel. Micro-textural analyses of Crspinel in the Bushveld Complex reveal two typical textural types, one characterised by small grains, commonly entrapped in oikocrysts and the other by massive, coarse-grained Cr-spinel. While the former kept its original texture due to the protecting oikocrysts, the latter was modified by adcumulus growth and subsequent textural equilibration. In addition, geochemical observations of the oikocrysts reveal that the Cr-spinel layer was an open system, which was infiltrated by a trace element enriched interstitial melt re-equilibrating with the orthopyroxene oikocrysts. Contrary to the layers of the Bushveld Complex, the investigated seams of the Rum Layered Intrusion retained a more primary texture, indicating less adcumulus growth and textural equilibration. Here it is demonstrated that careful examination of Cr-spinel offers a thorough understanding of the processes involved in post-cumulus modifications, which therefore can be used to identify and deduce the primary characteristics of accumulated crystals.

A huge variety of contrasting petrological models are currently discussed to account for almost monomineralic Cr-spinel seams among them are changes in parameter (e.g. change pressure, oxygen fugacity, composition due to mixing, etc.) or mechanical enrichment processes. In this thesis, micro-analytical measurements of Cr-spinel seams were utilised to trace vertical variations across Cr-spinel seams of the Bushveld Complex and lateral variations in the Rum Layered Intrusion. The compiled data suggest that Cr-spinel accumulation was controlled in both case studies by physico-chemical processes and not by mechanical ones, i.e. neither large-scale crystal settling nor cumulate mobilisation due to Cr-spinel-rich slurries can account for the reported mineral chemistry and texture. Moreover, lateral variations in seam structure and Cr-spinel composition were observed along strike in the Rum Layered Intrusions and to a certain extent in the Bushveld Complex. These variations suggest that the accumulation process was closely linked to repeated influxes of new, primitive magma. These repeated replenishing events within single layers were followed by assimilation of the underlying crystal mush and subsequent fractionation, resulting in the observed lateral and vertical variations.

Lagige Intrusionen sind stratiforme magmatische Körper, welche von herausragendem wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse sind. Sie entstehen durch Anreicherung von Kristallen auf einem sich verfestigenden Kristallbrei und repräsentieren „natürliche Labore“, die direkte Einsichten in fundamentale petrologische Konzepte wie Kristallanreicherung oder Magmendifferentiation liefern. Allerdings sind sie nicht nur von petrologischer Bedeutung, sondern beinhalten auch weltweit wichtige Reserven für Bunt- und Edelmetalle, wie zum Beispiel die Platingruppenelemente. Eines der wahrscheinlich hervorstechendsten, aber auch rätselhaftesten Beispiele für den magmatischen Lagenbau sind Cr-Spinell-Lagen. Trotz der Fülle an wissenschaftlichen Studien und der langen Historie an aktiver Forschung ist die Petrogenese von diesen Lagen, also der Prozess der primären Anreicherung und der möglichen nachfolgen denpostkumulat Veränderung, immer noch nicht verstanden und bleibt damit ein Rätsel in der Wissenschaft. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Petrogenese der Cr-Spinell-Lagen besser zu verstehen. Dafür wurden Lagen in zwei Fallbeispiele ausgewählt: der Bushveld Komplex in Südafrika und die Rum Intrusion, NW Schottland. Beide Intrusionen wurden mit detaillierten Feldbeobachtungen und mikro-analytischen Methoden auf ihren mineralchemischen und texturellen Charakter untersucht. Dank der gesammelten Untersuchungen und Beobachtungen konnte ein genaueres Bild erstellt werden, das die Anreicherung von Cr-Spinell in lagige Intrusionen und die Modifikation des ursprünglichen Charakters erklärt.

Postkumulat Prozesse finden nach der ursprünglichen Anreicherung von Kumuluskristallen statt und können deren primäre Zusammensetzung und Textur beeinträchtigen sowie teils erheblich verändern. Dementsprechend ist es besonders wichtig die Veränderungen zu verstehen und zu bewerten, damit potentielle Unsicherheiten in der Interpretation vermieden werden. Ein Ziel dieser Arbeit ist die postkumulus Veränderungen zu bewerten und dadurch auf die primären Charakteristika der Kumuluskristalle zurückzuschließen. Mikro-texturelle Analysen von Cr-Spinell im Bushveld Komplex zeigen zwei typische, unterschiedliche Texturen: in einem Fall zeigen sich kleine Cr-Spinelle, die typischerweise in poikilitischen Kristallen eingeschlossen sind, während der zweite Fall durch massive, grobkörnige Cr-Spinelle charakterisiert ist. Die erstgenannten Cr-Spinelle behielten ihre ursprüngliche Textur als eingeschlossene Kristalle bei. Die zweite Gruppe wurde durch Adkumulatwachstum und darauffolgende texturelle Equilibrierung nach der Ablagerung verändert. Geochemische Untersuchungen zeigen, dass die Cr-Spinell Lage ein offenes System waren. Die Spurenelementsignaturen der poikilitische Orthopyroxenkristalle weisen auf eine chemische Reequilibrierung mit einer interstitiellen, spurenelementreichen Schmelze hin, die das offene System infiltrierte. Im Gegensatz zu den Cr-Spinell-Lagen des Bushveld Komplexes haben die Lagen der Rum Intrusion ihre ursprüngliche Textur beibehalten. Texturelle Equilibrierung fand hier also nur in einem sehr begrenzten Maße statt. Anhand der beiden Fallstudien kann in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine sorgfältige Charakterisierung der Kumulatchemie und -textur nötig ist, da sie eine Abschätzung der postkumulus Veränderungen sowie Rückschlüsse auf die jeweiligen ursprünglichen Charakteristika der Kumulate ermöglicht.

Verschiedene petrologische Modelle für die Entstehung von fast monominerlischen Cr-Spinell-Lagen werden derzeit diskutiert. Teilweise widersprüchliche Ansätze erklären die Cr-Spinell Anreicherung unter anderem durch Änderungen in Parametern (z.B. Änderung im Druck, Sauerstofffugazität, Temperatur, Magmenzusammensetzung durch Mischung, usw.) oder durch mechanische Anreicherungsprozesse. In dieser Arbeit wurden mikro-analytische Messungen von Cr-Spinell-Lagen verwendet, damit vertikale Variationen entlang der Lagen des Bushveld Komplexes und laterale Variationen in der Rum Intrusion aufgezeichnet werden können. Die zusammengestellten Daten zeigen in beiden Fallstudien eine Anreicherung von Cr-Spinell durch physikalisch-chemische Prozesse statt mechanischer Prozesse. Weder großräumiges Kristallabsaigern noch die Mobilisierung von Kumulaten durch Cr-Spinell-reiche Dichteströme können die beschriebenen Texturen und Mineralchemie erklären. Des Weiteren konnten laterale Variationen in Lagenstruktur und Cr-Spinell Zusammensetzung entlang des Streichens in der Rum Intrusion beobachtet werden. Diese Variationen deuten darauf hin, dass der Anreicherungsprozess eng verknüpft war mit wiederholten Schüben von neuen, primitiven Magmen. Diese Magmenschübe, deren Assimilation des liegenden Kristallbreis und die anschließende Fraktionierung der Magmen, führten schlussendlich zu den beobachteten lateralen und vertikalen Variationen.