Reactions between alkali rich melts and mafic upper mantle minerals with applications to alkali metasomatism

Abstract

The Earth’s mantle cannot be viewed directly by geoscientists. To understand the chemistry and physical properties of the mantle we can use data from pieces of the mantle brought to the surface by volcanic eruptions, obducted mantle segments, experimentally reproducing the conditions of the deep earth, computational models and by seismology. It is widely accepted that the majority of the upper region of the mantle consists of olivine, orthopyroxene, clinopyroxene and an Al phase (plagioclase, spinel or garnet). Any loss or gain of chemical components mediated by a fluid, melt or diffusion is referred to as metasomatism. Investigating metasomatic processes that operate in the mantle is vital to understand the compositional and mineralogical variability of the mantle and the origins of mantle derived magmas. Much work has been conducted on this topic over the last decades but there are still many unanswered questions. This thesis takes a detailed look at how extremely alkali enriched silicate melts react with mafic upper mantle minerals during metasomatism. Such extreme melt compositions are typically formed at much shallower pressures in the Earth’s crust, however there is a large body of evidence to suggest that in some cases evolved alkali rich melts can be present at much higher pressures in the mantle. These melts may then metasomatise the mantle producing secondary mineral assemblages dominated by amphibole, phlogopite and diopside. Natural samples from the Heldburg Phonolite, Central Germany, where fragments (xenoliths) from the upper mantle that have been incorporated into an alkali rich evolved phonolite melt, are studied to observe how phonolite melts may react with mantle rocks. The mafic mantle minerals of olivine, orthopyroxene and spinel are consumed by the melt to form secondary polymineralic reaction rims. In addition to this, experiments were conducted at upper mantle pressures and temperatures to reconstruct the textures, compositions and mineralogy of the naturally occurring reaction rims. Pressure, temperature, time and H2O content of the melt were varied to provide constrains on the conditions of formation of the reaction rims observed in the Heldburg Phonolite. A range of analytical techniques and calculations were used to gain insights into how chemical components are exchanged between the mafic mantle phases within xenoliths and the host phonolite melt. Rates of reaction rim growth calculated from the experiments are then used to give quantitative estimates of the residence times of xenolithic material in the Heldburg Phonolite. To understand the processes by which minerals react with melts, the experimental samples were viewed at the nano-scale using transmission electron microscopy. This technique was used to view the micro-structures the reaction rims and the role of intergranular fluid during mineral replacement reactions. These findings have implications beyond the specific system studied and provide a potential mechanism of chemical fractionation mediated by fluid along grain boundaries during metasomatism.

Der Erdmantel ist für Geowissenschaftler nicht direkt zugänglich. Zum Verständis chemischer und physikalischer Eigenschaften des Mantels dient einerseits die Untersuchung von Mantelbruchstücken, die durch vulkanische Eruptionen oder durch Obduktion an die Oberfläche gebracht werden, oder man erhält Daten aus experimentell reproduzierten Bedingungen der tiefen Erde, von Computermodellen, oder aus seismologischen Untersuchungen. Es wird allgemein akzeptiert, dass der obere Erdmantel im wesentlichen aus Olivin, Orthopyroxen, Klinopyroxen und einer Al-reichen Phase (Plagioklas, Spinell oder Granat) besteht. Jedwede Ab- oder Zunahme chemischer Komponenten transportiert durch ein Fluid, eine Schmelze oder durch Diffusion wird als Metasomatose bezeichnet. Die Untersuchung metasomatischer Prozesse bei Mantelbedingungen ist grundlegend für das Verständnis kompositioneller und mineralogischer Variabilität des Mantels und des Ursprungs von im Mantel entstandenen Magmen. Zu dieser Thematik wurde in den letzten Jahren viel erarbeitet, jedoch gibt es immer noch viele unbeantwortete Fragen. In dieser Arbeit wird detailiert die Reaktion von extrem alkali-reichen silikatischen Schmelzen mit mafischen Mineralen des oberen Mantels während der Metasomatose untersucht. Solche Schmelzen extremer Zusammensetzung bilden sich typischerweise durch Differentiation bei geringeren Drücken in der Erdkruste, jedoch gibt es viele Hinweise darauf, das sich alkali-reiche Schmelzen auch bei höheren Drücken im Mantel bilden können. Solche Schmelzen können dann im Mantel metasomatische Reaktionen bewirken, wobei es zur Bildung sekundärer Mineralvergesellschaftungen mit Amphibol, Phlogopit und Diopsid als dominierende Phasen kommt. Um zu untersuchen, wie phonolithische Schmelzen mit Mantelgesteinen reagieren, wurden natürliche Proben des Heldburg Phonoliths, Thüringen, untersucht, in dem alkali-reiche Schmelze im Kontakt mit Fragmenten (Xenolithen) des oberen Mantels vorliegt. Dabei reagierten die mafischen Mantelminerale Olivin, Orthopyroxen und Spinell mit der Schmelze unter Bildung von sekundären polymineralischen Reaktionssäumen. Es wurden zusätzlich Experimente unter Druck- und Temperaturbedingungen des oberen Mantels durchgeführt, um die Texturen, Zusammensetzungen und die Mineralogie der natürlich auftretenden Reaktionssäume zu rekonstruieren. Dabei wurden Druck, Temperatur, Versuchszeit und Wassergehalt der Schmelze variiert, um die Bildungsbedingungen der Reaktionssäume beim Heldburg Phonolith zu bestimmen. Es wurden verschiedene analytische Techniken und Berechnungen verwendet, um Einblicke darüber zu gewinnen, wie der Austausch der chemischen Komponenten zwischen den mafischen Phasen des Xenoliths und der vorliegende Schmelze erfolgte. Die aus der Experimenten ermittelten Raten des Reaktionssaumwachstums wurden verwendet um quantitative Abschätzungen von Aufenthaltszeiten der Xenolithe beim Heldburg Phonolith zu ermitteln. Zum Prozessverständnis der Mineral-Schmelze Reaktion wurden Untersuchungen der experimentellen Proben mit dem Transmissionselektronenmikroskop im Nanobereich durchgeführt. Diese Technik diente zur Aufklärung der Mikrostrukturen der Reaktionssäume und zur Bestimmung der Rolle intergranularer Fluide bei den Austauschreaktionen. Die Beobachtungen haben weiterführende Implikationen auch für andere Systeme und liefern Hinweise auf Mechanismen, fluid-bedingter chemischer Fraktionierung entlang von Korngrenzen während der Metasomatose.