Melt-Rock interaction and refertilization of oceanic lithosphere – a highly siderophile element and Os isotope study, Totalp Massif, Switzerland

Abstract

Mantle peridotites have long been interpreted as residues of partial melting and extraction of basaltic melt. Over the past decades, evidence has accumulated for refertilization of depleted peridotites by interaction with migrating mafic melt. In order to study fundamental processes relevant for the understanding of melt transport, element fluxes and recycling in the suboceanic mantle, a detailed highly siderophile element (HSE; Os, Ir, Ru, Pt, Pd and Re) and Re-Os isotope study was conducted on lherzolites and associated pyroxenite layers from the Jurassic oceanic Totalp ultramafic massif, eastern Switzerland. The present thesis presents evidence for significant HSE fractionation and redistribution during melt-rock interaction near the asthenosphere-lithosphere boundary in the convecting upper mantle. Earlier episodes of partial melting and melt depletion as well as late accretion or core-mantle interaction are overprinted and effectively obscured during refertilization. Totalp pyroxenite layers, which are interpreted as cumulates from migrating mafic melt, have high Pt, Pd and Re concentrations coupled with highly radiogenic 187Os/188Os. Suprachondritic Pt/Ir, Pd/Ir and Re/Os in pyroxenites likely reflect the highly fractionated HSE signature of the melt. Coprecipitation of sulfides along cumulate precipitation of pyroxenes in an open system, with limited or no contribution from host peridotite is a suitable explanation for observed HSE signatures in Totalp pyroxenites. Radiogenic initial 187Os/188Os in pyroxenites indicates a melt source with a long-term enrichment in Re/Os. Recycled oceanic crust present as tectonically emplaced eclogite slivers not equilibrated with their host peridotite within a 'marble-cake mantle' as melt source is consistent with the data presented. Composite pyroxenite – peridotite samples show textural evidence of material transport from websteritic layers into associated lherzolite by pyroxene-rich veins, indicating possible imprint of melt signatures onto peridotite host rocks. Totalp fertile lherzolites show chondritic to suprachondritic Pt/Ir, Pd/Ir and Re/Os, along with subchondritic to slightly suprachondritic 187Os/188Os. These signatures are inconsistent with an origin as simple melt residues or mixtures between melt and wall rock, but may be explained by addition of melt-derived sulfide to refertilized Totalp lherzolites during melt-rock interaction, resulting in preferential addition of incompatible HSE (Pt, Pd and Re) over compatible HSE (Os, Ir and Ru). Totalp lherzolites can thus be considered refertilization products influenced by smaller amounts of melt, while pyroxenites represent melt-dominated systems. Because of their lower liquidus, pyroxenite layers contribute extensively to melt generation from a layered peridotite-pyroxenite mantle and thus contribute extensively to oceanic basaltic volcanism. Fractionated HSE and radiogenic Os isotope signatures from oceanic basalts may be understood as pyroxenite-derived signatures. Pyroxenite layers in the lower oceanic lithosphere constitute a high-Re reservoir in the convecting mantle, thus accounting for 'missing' Re estimated by mass balance calculations. Furthermore, suggestions of pyroxenites as the source for high 186Os-187Os signatures observed in plume- related basalts, as opposed to core-mantle interaction, is not supported, as Totalp pyroxenites contain too little Os and have too low Pt/Re to account for observed radiogenic 186Os/188Os signatures.

Mantelperidotite wurden lange als Residuen von partieller Aufschmelzung und Schmelzextraktion betrachtet. In den letzten Jahren mehren sich Hinweise auf Refertilisierung verarmter Peridotite durch Interaktion mit mafischem Magma. Peridotite und Pyroxenite aus dem jurassichen Totalpmassiv (Graubünden) wurden im Rahmen dieser Studie auf hochsiderophile Spurenelemente (HSE) und Os- Isotopie analysiert, um besseres Verständnis für Magmentransport, Elementflüsse und Recycling ozeanischer Kruste in der tieferen ozeanischen Lithosphäre zu erlangen. Die vorliegende Arbeit zeigt signifikante Fraktionierung und Umverteilung von HSE nahe des Lithosphären- Asthenosphärenübergangs im konvektierenden Mantel. In Peridotiten können durch Refertilisierung geochemische Signaturen früherer Aufschmelzung und Schmelzextraktion, Akkretion und Kern-Mantel-Interaktion bis zur Unkenntlichkeit überlagert werden. Pyroxenitlagen im Totalpmassiv, die als Pyroxenkumulate von migrierenden Schmelzen interpretiert werden, weisen hohe Konzentrationen von Pt, Pd und Re auf, zusammen mit extrem radiogenem 187Os/188Os. Suprachondritisches Pt/Ir, Pd/Ir, Re/Os and 187Os/188Os reflektieren die fraktionierte HSE-Signatur der Schmelze. Präzipitation von Sulfiden während der Bildung von Pyroxenkumulaten in einem offenen System mit geringer Interaktion mit Peridotit kann die beobachteten HSE-Signaturen erzeugen. Radiogenes 187Os/188Os in den Pyroxeniten deutet auf eine Magmenquelle mit hohem Re/Os und langer Isolationszeit im Mantel. Subduzierte ozeanische Kruste, die nicht equilibriert in Form von Eklogitlinsen in einem 'marble-cake mantle' vorliegt, stellt eine solche potentielle Magmenquelle dar. Mit Websteritlagen assoziierte Peridotite weisen Anzeichen von Schmelztransport durch pyroxenitreiche Adern in Peridotit hinein auf. Die stark fraktionierte HSE-Signatur der Schmelze, angereichert an Pt, Pd, Re und radiogenem 187Os/188Os wurde dabei teilweise auf den Peridotit übertragen, erkennbar an chondritischen bis suprachondritischen Verhältnissen von Pt/Ir, Pd/Ir und Re/Os in Lherzoliten, verbunden mit sub- bis suprachondritische 187Os/188Os. Diese Signaturen sind nicht durch einfache Schmelzextraktion oder Mischung von Schmelze und Peridotit zu erklären, weisen aber auf erhebliche Umverteilung von HSE durch Refertilisierung hin. Inkompatible HSE (Pt, Pd, Re) werden dabei im Vergleich zu kompatiblen HSE (Os, Ir, Ru) angereichert. Lherzolite können folglich im Zuge von Interaktion von verarmtem Peridotit mit relativ geringen Mengen an Schmelze entstehen, während Pyroxenite schmelzdominierte Systeme dastellen. Die Anwesenheit von Pyroxenitlagen in der tiefen ozeanischen Lithosphäre zieht eine Reihe von Implikationen für Basaltgenese und HSE-Verteilung im Mantel nach sich. Aufgrund ihrer niedrigeren Liquidustemperatur tragen Pyroxenite überproportional zur Schmelzbildung aus einer Peridotit-Pyroxenit-Mantelquelle bei. Fraktionierte HSE-Muster und radiogene Os-Isotopie in Basalten können als Signatur von Pyroxenit in der Magmenquelle interpretiert werden. Pyroxenite stellen weiterhin ein Re-reiches Reservoir dar, in dem ein Teil des 'fehlenden' Re enthalten sein könnte. Vermutungen, daß Pyroxenite (als Alternative zu Kern- Mantle-Interaktion) Ursache der radiogenen 186Os/187Os-Signatur von 'plume'-assoziierten Basalten sind, können nicht bestätigt werden.