Siderophile and chalcophile elements in the Archean mantle-crust system

Abstract

Late additions of meteoritic components to the Earth brought volatile species essential for a habitable world. The segregation of a metallic core was probably the sole effective process that scavenged iron-loving and sulfide- loving elements, known as siderophile and chalcophile elements, from the bulk silicate Earth (BSE) by different mechanisms. Highly siderophile elements (Os, Re, Ru, Rh, Pt, Pd, Au and Re; HSE) and strongly chalcophile elements (S, Se and Te; SCE) entirely partitioned into the core, which made the BSE be depleted in these elements. However, the abundances of HSE and SCE in the BSE defined by modern peridotites are at least enriched by a factor of 200 relative to the predications from metal-silicate partitioning experiments. Furthermore, relative abundances of HSE and SCE are near chondritic, requiring a chondritic late veneer shortly after the end of core formation. Another meteoritic addition which may have modified the early Earth, besides the late veneer, is the late heavy bombardment which impacted the lunar surface at 4.2-3.75 Ga. However, here are two issues concerning the late veneer and late heavy bombardment. The budgets of HSE and SCE in the BSE constrained by post- Archean mantle peridotites were recently suggested to be a mixture of depleted mantle peridotites and infiltrating melts. Such a mixture may not be representative of the composition in the BSE. Unfortunately, signatures of the late heavy bombardment, such as impact structures, have not been found in early Archean rocks on the Earth. However, the Acasta Gneiss Complex from northern Canada (Chapter 2) and mantle-derived komatiites (Chapter 3-5) are perfect for addressing the two problems. The Acasta Gneiss Complex represents the Hadean-Neoarchean continental crust, whereas komatiites, products of high- degrees of partial melting, should be representative of the chemical composition in the Archean mantle. The ages of the Acasta Gneiss Complex expands from 4.2 Ga to 3.6 Ga, which coincides with the late heavy bombardment on the Moon. The Acasta samples investigated in this study include an ultramafic cumulate, medium-grained metagabbros, layered metagabbros, one type of garnet amphibolite, a hornblendite and metatonalite–trondhjemite–granodiorites (TTG). Abundances of HSE and SCE in the Acasta samples are comparable to those in their post-Archean equivalents, and enrichments of HSE or fractionations of SCE caused by meteoritic impacts are not found in these samples. Such similarities of signatures of HSE and SCE in the Acasta gneisses and their post-Archean counterparts indicate that magmatic characteristics of these elements are not significantly lost during multi-stage metamorphisms. Especially, the TMA Re-Os model age in metadioritic layer AMS 031A of 4.3 ± 0.2 Ga is consistent with the errorchron age of Sm-Nd systematics within uncertainties, illustrating the excellent preservation of magmatic characteristics in AMS 031A. Our data support that the accomplishment of the late veneer mixed in the mantle source of the Acasta predecessors should not be later than 4.2 Ga. Signatures of the late heavy bombardment are absent in the Acasta gneisses. Archean komatiites and komatiitic basalts investigated in this study can be divided into two groups, the post-2.9 Ga komatiites and pre-2.9 Ga komatiites. The post-2.9 Ga komatiites comprise the 2.4 Ga Victoria’s lava lake of the Vetreny Belt, the 2.7 Ga Tony’s lava flow of the Belingwe Greenstone Belt and the 2.7 Ga Pyke Hill lava flows of the Abitibi Greenstone Belt. The pre-2.9 Ga komatiites include the ~3.3 Ga Weltevreden Formation and ~3.5 Ga Komati Formation of the Barberton Greenstone Belt and the ~3.5 Ga Carl’s flow of the Schapenburg Greenstone Remnant. In this study we determined abundances of a group of trace elements, including S, Se, Te, Cu, Ag, Mo, Tl, In, Cd, Sm and Ba, by employing the isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) method. Magmatic signatures of the majority of the elements of interest are well preserved in the 2.7 Ga Tony’s lava flow of the Belingwe Greenstone Belt. Ratios of incompatible chalcophile elements, such as Se/Te, Cu/Ag and Se/Cu in the Belingwe komatiites are comparable to those of the BSE defined by post-Archean fertile mantle peridotites. The chemical composition of the mantle source of the Tony’s lava flow constrained by variations of element-MgO plots are indistinguishable from those of the BSE within uncertainties. Our data are in well agreement with the chalcophile element composition in the BSE defined by post-Archean mantle peridotites. Near-chondritic ratios of S, Se and Te in the Belingwe mantle source require a late veneer of volatile-rich materials. Near- BSE Cu/Ag and Cd/In ratios are in favor of nonchondritic materials which may have built the volatile element inventory in the Earth. Significant amounts of S, Se and Te in the 2.4 Ga Victoria’s lava lake of the Vetreny Belt were lost by magmatic degassing, and Cu and Ag in the 2.7 Ga Pyke Hill lava flows of the Abitibi Greenstone Belt were disturbed remarkably. Magmatic characteristics of volatile chalcophile elements, including S, Se, Te, Cu and Ag are not preserved in the ~3.3 Ga Weltevreden Formation of the Barberton Greenstone Belt and ~3.5 Ga Carl’s flow of the Schapenburg Greenstone Remnant. Ratios of S, Se and Te in the Abitibi komatiites and samples from the Komati Formation are comparable to that of the Belingwe komatiites and BSE. Ratios of Cu and Ag in samples from Victoria’s lava lake and the Komati Formation also resemble those of the Belingwe komatiites and BSE. Ratios including Cu/Se and Ag/Se of the Komati Formation, however, are much higher than those of the Belingwe komatiites and BSE. The decoupling of both groups of elements, i.e. S, Se and Te versus Cu and Ag, supports the hypothesis that S, Se and Te were delivered by late veneer and may not have been fully homogenized in the mantle source of the Komati Formation. This interpretation is consistent with the progressive mixing model [Maier, W.D., Barnes, S.J., Campbell, I.H., Fiorentini, M.L., Peltonen, P., Barnes, S.-J. and Smithies, R.H., 2009. Progressive mixing of meteoritic veneer into the early Earth's deep mantle. Nature 460, 620-623.]. Our fractional melting model for S and Cu shows that the mantle source of the Weltevreden Formation may have undergone substantial early melt extractions, up to 20%, whereas early melt extractions were likely limited in the Belingwe mantle source. Magmatic characteristics of Tl and Ba are rarely preserved in the investigated komatiites and komatiitic basalts. With the exception of Mo and Cd in the Belingwe komatiites and Victoria’s lava lake, igneous signatures of Mo and Cd are not retained in these samples. In contrast, indium in the investigated samples was not modified by late-stage alteration. Ratios of In and Yb in Al-depleted Barberton-type komatiites from the Komati Formation are slightly lower than those in Al-enriched komatiites of the Weltevreden Formation and Al-depleted Barberton-type komatiites of the Schapenburg Greenstone Belt. High In/Yb ratios indicate the participation of garnet in the formation of these komatiites. BSE-normalized Ce/Sm ratios of pre-2.9 Ga Al- depleted Barberton-type komatiites are higher than post-2.9 Ga Al-undepleted Munro-type komatiites, whereas BSE-normalized Ba/Sm ratios of pre-2.9 Ga Al- depleted Barberton-type komatiites are lower than post-2.9 Ga Al-undepleted komatiites. Besides, abundances of light rare earth elements in Al-depleted Barberton-type komatiites are higher than those of Al-undepleted Munro-type komatiites. These signatures indicate the mantle sources of pre-2.9 Ga Al- depleted Barberton-type komatiites could have been enriched by delamination of reworked mafic crust.

Der späte Eintrag von meteoritischem Material auf die Erde brachte volatile Elemente, die essenziell für eine bewohnbare Erde sind. Die Segregation eines metallischen Kerns vom Mantel war wahrscheinlich der einzige Prozess, der eisen- und sulfidliebende Elemente, die auch als siderophile und chalcophile Elemente bekannt sind, der silikatischen Gesamterdzusammensetzung entzogen hat. Hochsiderophile Elemente (Os, Re, Ru, Rh, Pt, Pd und Re; HSE) und stark chalkophile Elemente (S, Se, Te; SCE) partitionierten komplett in den Erdkern, was dazu führte, dass die HSE und SCE Gehalte in der Silikaterde gegen Null gingen. Wenn jedoch die HSE und SCE Gehalte der Gesamtsilikaterde mit Hilfe von rezenten Mantelperidotiten bestimmt werden, sind diese um den Faktor 200 angereichert im Vergleich zu Vorhersagen aus Metall-Silikat Verteilungsexperimenten. Zudem sind die relativen Häufigkeiten der HSE und SCE nahe am chondritischen Wert, was einen späten Eintrag von chondritischem Material („late Veneer“) kurz nach der Kernbildung bedingt. Ein weiterer meteorischer Eintrag auf der Erde neben dem „Late Veneer“ war wahrscheinlich das „Letzte starke Bombardement“ („late heavy bombartment“), das die Mondoberfläche zwischen 4.2 und 3.75 Milliarden Jahren getroffen hatte. Es gibt jedoch zwei Probleme mit dem „late Veneer“ und dem „late heavy bombartment“. Die aus post-Archaischen Mantelperidotiten abgeleiteten Gehalte an HSE und SCE für die Gesamtsilikaterde repräsentieren möglicherweise Mischungen aus verarmten Mantelperidotiten und infiltrierenden Schmelzen. Somit sind diese Mischungen möglicherweise nicht repräsentativ für die silikatische Gesamterde. Unglücklicherweise wurden bisher keine Hinweise auf das „Late heavy bombartment“, wie z. Bsp. Impaktstrukturen, in Früharchaischen Gesteinen der Erde gefunden. Jedoch sind der Acasta Gneiss Complex im nördlichen Kanada (Kapitel 2) und aus dem Erdmantel stammende Komatiite (Kapitel 3-5) perfekt für die Bearbeitung dieser beiden Probleme. Der Acasta Gneiss Complex repräsentiert Hadaeische bis Neoarchaische kontinentale Kruste, die Komatiite sind hingegen Produkte von höheren Aufschmelzgraden des Archaischen Mantels und somit sollten sie in ihrer chemischen Zusammensetzung repräsentativ für diesen sein. Der Zeitraum, den die Bildung der Acasta Gneise abdeckt, zieht sich von 4.2 Mrd. bis 3.6 Mrd. Jahre, überlappend mit dem „Late heavy bombardment“. Die bearbeiteten Acasta Proben beinhalten ein ultramafisches Kumulat, mittelkörnige Metagabbros, lagige Metagabbros, einen Granatamphibolit, einen Hornblendit und Metatonalit-Trondhjemit-Granodiorite (TTG). Die gemessenen HSE und SCE Gehalte in den Acasta Proben sind vergleichbar mit denen von äquivalenten post-Archaischen Gesteinen. Anreicherungen der HSE oder Fraktionierungen der SCE, hervorgerufen durch Impakt-induziierte Entgasung, wurden nicht gefunden. Solche Ähnlichkeiten in den HSE und SCE Signaturen in den Acasta Gneisen und deren post-Archaischen Äquivalenten zeigen, dass die magmatischen Charakteristika dieser Elemente während multiplen metamorphen Ereignissen nicht signifikant verloren gingen. Dies gilt im speziellen für die TMa Re-Os Modellalter in der lagigen Metadioritprobe AMS031A, deren Alter 4.3 ± 0.2 Mrd. Jahre beträgt und innerhalb der Unsicherheit im Einklang mit dem Sm-Nd Alter steht. Dies zeigt die exzellente Erhaltung von magmatischen Charakteristika in Probe AMS 031A. Unsere Daten unterstützen, dass der „late Veneer“ gegen 4.2 Mrd. Jahre in die Mantelquellen der Gesteine eingemischt wurde aus denen die Acasta Gneise hervorgegangen sind. Signaturen des „late heavy bombartment“ fehlen in den Acasta Gesteinen. Archaische Komatiite und komatiitische Basalte, die in dieser Arbeit analysiert wurden, können in zwei Gruppen unterteilt werden: Die post-2.9 Mrd. Jahre alten Komatiite und die prä-2.9 Mrd. Jahre alten Komatiite. Die post-2.9 Mrd. Jahre alten Komatiite beinhalten den 2.4 Mrd. Jahre alten Victoria’s lava lake des Veltreny Grünsteingürtels, den 2.7 Mrd. Jahre alten Tony’s lava flow des Belingwe Grünsteingürtels und den 2.7 Mrd. Jahre alten Pyke Hill lava flow des Abitibi Grünsteingürtels. Die prä-2.9 Ga Komatiite beinhalten die ca. 3.3 Mrd. Jahre alte Weltevreden Formation und die ca. 3.5 Mrd. Jahre alte Komatii Formation des Barberton Grünsteingürtels sowie den 3.5 Mrd. Jahre alten Carl’s flow des Schapenburg Grünsteingürtelüberrests. In dieser Arbeit wurden die Häufigkeiten einer Gruppe von Spurenelementen, bestehend aus S, Se, Te, Cu, Ag, Mo, Tl, In, Cd, Sm und Ba, mit Hilfe der Isotopenverdünnungsmethode und induktiv-gekoppelter Massenspektrometrie (ID- ICP-MS) gemessen. Magmatische Signaturen einer Vielzahl von Elementen sind im Tony’s flow des Beligwe Grünsteingürtels gut erhalten. Verhältnisse von inkompatiblen chalkophilen Elementen wie Se/Te, Cu/Ag, Se/Cu in den Belingwe Komatiiten sind vergleichbar mit denen der silikatischen Gesamterde, deren Zusammensetzung durch fertile Mantelperidotite definiert wurde. Die chemische Zusammensetzung der Mantelquelle des Tony´s lava flow, belegt durch verschiedene graphische Element-MgO Darstellungen, ist innerhalb des Fehlers ununterscheidbar von jener der BSE. Unsere Daten stimmen gut mit der Zusammensetzung der chalkophilen Elemente in der durch post-Archaische Mantelperidotite definierten BSE überein. Nahezu chondritische Verhältnisse von S, Se und Te in der Mantelquelle der Belingwe Komatiite benötigen eine Zugabe von volatil-reichem Material in Form des „late Veneers“. BSE-ähnliche Cu/Ag und Cd/In Verhältnisse sprechen für nicht-chondritisches Material, dass den Bestand an volatilen Elementen auf der Erde gebildet haben könnte. Signifikante Mengen an S, Se und Te in dem 2.4 Mrd. Jahre alten Victoria´s lake des Vetreny Grünsteingürtels sind durch magmatische Ausgasung verloren gegangen, und Cu und Ag in dem 2.7 Mrd. Jahre alten Pyke Hill lava folw des Abitibi Grünsteingürtels sind erheblich gestört. Magmatische Charakteristiken von volatilen chalkophilen Elementen wie S, Se, Te, Cu und Ag sind nicht erhalten in der ~3.3 Mrd. Jahre alten Weltevreden Formation des Barberton Grünsteingürtels oder in dem ~3.5 Mrd. Jahre alten Carl´s flow des Schapenburg Grünsteingürtelüberrests. Elementverhältnisse von S, Se und Te in den Abitibi Komatiiten und Proben aus der Komati Formation sind vergleichbar mit den Belingwe Komatiiten und der silikatischen Gesamterde. Elementverhältnisse von Cu und Ag in Proben des Viktoria´s lake und der Komati Formation ähneln ebenfalls denen der Belingwe Komatiite sowie der silikatischen Gesamterde. Kupfer/Se und Ag/Se Verhältnisse der Komati Formation sind jedoch viel höher als die der Belingwe Komatiite und der silikatischen Gesamterde. Die Entkopplung beider Gruppen von Elementen, das sind, S, Se und Te auf der einen Seite, und Cu und Ag auf der anderen Seite, unterstützt die Hypothese, dass S, Se und Te durch den „late Veneer“ eingetragen wurden und dass die Mantelquelle der Komati Formation möglicherweise noch nicht vollständig homogenisiert war. Diese Interpretation stimmt mit dem progressiven Mischungsmodell von Maier et al. (2009) überein [Maier, W.D., Barnes, S.J., Campbell, I.H., Fiorentini, M.L., Peltonen, P., Barnes, S.-J. and Smithies, R.H., 2009. Progressive mixing of meteoritic veneer into the early Earth's deep mantle. Nature 460, 620-623.]. Unser Schmelzfraktionierungsmodel für S und Cu zeigt, dass die Mantelquelle der Weltevreden Formation einen erheblichen frühen Schmelzentzug bis zu 20% erfahren hatte, wohingegen nur geringfügiger früher Schmelzentzug in der Mantelquelle der Belingwe Komatiite eine Rolle spielte. Hauptsächlich lithophile Elemente wie Mo, Cd, In, Sm, Ba und Tl könnten ebenfalls Aufschluss über die Petrogenese der Komatiite liefern. Magmatische Charakteristiken von Tl und Ba sind selten erhalten in den bearbeiteten Komatiiten und komatiitischen Basalten. Mit der Ausnahme von Mo und Cd in den Belingwe Komatiiten und im Victoria´s lake, sind magmatische Signaturen von Mo und Cd in den meisten Proben nicht erhalten. Im Gegensatz dazu wurde Indium nicht durch spätere Alteration in den untersuchten Proben verändert. Verhältnisse von den Granat-sensitiven Elementen In und Yb in Al-verarmten Komatiiten des Barberton-Typs der Komati Formation sind leicht niedriger als jene in den Al- angereicherten Komatiiten der Weltvreden Formation sowie als jene der Al- verarmten Komatiiten des Barberton-Typs in dem Schapenburg Grünsteingürtel. Hohe In/Yb Verhältnisse in den Proben der Weltevreden Formation und des Schapenburg Grünsteingürtels deuten auf die Beteiligung von Granat bei der Bildung dieser Komatiite hin. Auf die silikatische Gesamterde normierte Ce/Sm Verhältnisse von prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten Barberton-Typ Komatiiten sind höher als die der post-2.9 Mrd. Jahre alten Al-unverarmten Munro-Typ Komatiiten. Dahingegen sind die auf die silikatische Gesamterde normierten Ba/Sm Verhältnisse der prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten Barberton-Type Komatiite niedriger als die der post-2.9 Mrd. Jahre alten Al- unverarmten Komatiite. Außerdem zeigen die leichten seltenen Erdelemente in Al-verarmten Barberton-Typ Komatiiten eine höhere Häufigkeit als in den Al- unverarmten Munro-Typ Komatiiten. Diese Signaturen deuten darauf hin, dass die Mantelquellen der prä-2.9 Mrd. Jahre alten Al-verarmten Barberton-Typ Komatiite durch Delamination von umgelagerter mafischer Kruste angereichert worden sein könnten.