Original paper
Geochemische und experimentelle Untersuchungen zur Genese der kalireichen Magmatite
[Geochemical and experimental studies on the genesis of ultrapotassic igneous rocks]
Foley, Stephen F.
Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen Band 167 Heft 1 (1994), p. 1 - 55
162 references
published: Jun 10, 1994
ArtNo. ESP154016701001, Price: 29.00 €
Kurzfassung
Eine detaillierte Betrachtung der Geochemie und der experimentellen Petrologie der drei kalireichen Magmatitgruppen führt zur Schlußfolgerung, daß diese als Hybride aus heterogenen Ausgangsgesteinen, nämlich alkalischen Gängen und lithosphärischem peridotitischem Nebengestein, entstanden sind. Lamproite entstehen aus einer Reihe primärer Magmen mit SiO2-Gehalten zwischen 42 Gew-% (Olivin-Lamproite) und 53 Gew-% (Leuzit-Lamproite). Das Ausgangsgestein war glimmerreich und der peridotitische Anteil verarmt in Ca, Al and Na im Vergleich mit dem primitiven Mantel. Hochdruck-Liquidusexperimente unterstützen die Hypothese, daß die Vielfalt der primären Magmazusammensetzungen durch Druckunterschiede unter reduzierenden Schmelzbedingungen zu erklären ist: Leuzit-Lamproite bilden sich bei weniger als 20 kbar, diamantführende Olivin-Lamproite bei mehr als 55 kbar Druck. Experimente bei gleichem Druck und gleicher Temperatur, aber mit verschiedenen Fluidzusammensetzungen (CH4 > H2O, H2O>CH4, CO2 > H2O), die Sauerstoffugazitäten zwischen Eisen-Wüstit (IW) und Magnetit-Wüstit (MW) entsprechen, zeigen, daß fO2 einen stärkeren Effect als Druck und Temperatur auf die Glimmerchemie hat. Bei fO2 um IW mit CH4 > H2O im Fluid zeigt Glimmer niedrigere Al- und Ba- sowie höhere Si- und K-Gehalte als bei höherer fO2 (H2O > CH4 im Fluid). Die Fluor-Gehalte sind höher (wegen niedrigerer H2O-Aktivität) und die Ti-Gehalte niedriger. Bei viel höherer fO2, wo CO2 ein wichtiger Bestandteil des Fluids ist, sind die Ba- und besonders die Ti-Gehalte in Glimmer deutlich höher. Die experimentellen Befunde deuten darauf hin, daß die typische starke Abnahme im Al-Gehalt, sowie die hohen Ti-Gehalte der Phlogopit-Einsprenglinge in Lamproiten am besten durch Fraktionierung unter H2O-reichen Bedingungen zu erklären sind. Das extrem hohe K/Al-Verhältnis der Lamproite kann durch partielles Schmelzen eines Glimmer-Harzburgits erklärt werden, wenn die Kristallisationsbedingungen des Glimmers im Ausgangsgestein, d. h. das Kalium-Anreicherungsereignis im Mantel, den reduzierendsten experimentellen Bedingungen (IW) entsprachen. Die typisch hohen Ba-Gehalte der Lamproite sind wahrscheinlich auf akkzessorische Titanate im Ausgangsgestein zurückzuführen. Die Genese lamproitischer Magmen unter reduzierenden Bedingungen erklärt auch andere mineralogische und chemische Kennzeichen, nämlich (a) höhere Fe2O3-Gehalte in den späteren Spinell- und Leuzit-Generationen, (b) die Stabilität von Armalcolit, (c) niedrige C-Gehalte, und (d) SiO2-reiche Zusammensetzung der Leuzit-Lamproite. Eine kritische Zusammenfassung von Liquidus-Experimenten an ultrapotassischen Vulkaniten und partiellen Schmelzexperimenten an volatilhaltigen Lherzolithzusammensetzungen zeigt, daß diese zwei experimentellen Ansätze zu unvereinbaren Ergebnissen geführt haben. Die Liquidusexperimente deuten darauf hin, daß Klinopyroxen und Glimmer eine viel wichtigere Rolle spielen, als es die Peridotit-Schmelzmodelle erlauben. Spurenelement- und Isotopenmodelle liefern zusätzliche Einwände gegen ein homogenes peridotitisches Ausgangsgestein. Die alkalischen Gänge im Ausgangsgestein sind bei früheren magmatischen Ereignissen, deren Schmelzen in Manteltiefen erstarren, entstanden. Die Gänge sind Glimmer- und Klinopyroxen-reich und können Akkzessorien beinhalten, die im peridotitischen Nebengestein nicht stabil sind. Beispiele sind K-Richterit, Priderit und Mitglieder der Lindsleyite-Mathiasite Mischkristallreihe. Olivin ist selten oder fehlt in den Gängen, da er während der Kristallisation von Glimmer wegreagiert wird. Die erste Schmelze im durchaderten lithosphärischen Mantel ist stark alkalisch und entsteht aus der Gangparagenese, da hier inkompatible und volatile Elemente angesammelt sind. Mit steigender Temperatur wird diese Schmelze mit Schmelzkomponenten aus dem Nebengestein durch zwei Hybridisierungsmechanismen gemischt: (1) Auflösung der Nebengesteinsminerale: Die erste Schmelze der Gangparagenese wird wegen Oberflächeneffekten in das peridotitische Nebengestein hineingesaugt, wo refraktäre Minerale des Peridotits (vorwiegend Olivin und Orthopyroxen) unterhalb ihrer Schmelztemperaturen aufgelöst werden. (2) Mischkristallschmelzen: Die Endglieder von Mischkristallreihen (z. B. Glimmer, Amphibol, Spinell und Apatit), die häufig in Gangparagenesen vorkommen, schmelzen bei sehr unterschiedlichen Temperaturen mit dem Effekt, daß sie den Temperaturabstand zwischen den Solidi des Ganges und des Nebengesteins überbrücken. Schmelzkomponenten aus dem Nebengestein werden dadurch mit der Gangschmelze gemischt, während die refraktären Minerale des Ganges noch stabil sind. Das Vorkommen von Vulkaniten mit Spurenelement- und Isotopencharakteristiken, deren Indizierung der tektonischen Umgebung widersprechen, können durch Speicherung solcher Signaturen in den Mantelgängen erklärt werden. Gänge verschiedenen Alters werden in einem späteren Schmelzereignis zusammen reaktiviert. Die ultrapotassischen Magmatite repräsentieren demnach Schmelzen, die zum größten Teil aus der Gangparagenese entstanden sind. Mit weiterem partiellem Schmelzen wird die Gangschmelze mit Schmelzkomponenten aus lithosphärischem Nebengestein und aus der Asthenosphäre stark verdünnt. Dieser Prozeß erklärt Ähnlichkeiten der Spurenelementmuster kalireicher Vulkanite mit denen häufiger kontinentaler Basaltarten, mit dem extremen Beispiel der Alkali-Pikrite.
Abstract
The geochemistry and experimental petrology of the three ultrapotassic igneous rock groups can be explained by an origin by hybridization of melts from alkalirich veins and peridotitic wall-rocks. Lamproites form from primary magmas ranging in SiO2 content between about 42 (olivine lamproite) and 53 wt % (leucite lamproite). Source rocks are mica-rich, but poor in Ca, Al and Na in comparison to primitive mantle. High-pressure experiments support the hypothesis that the range of primary lamproite magmas can be explained by difference in their pressure of origin: leucite lamproites form at pressures below 20 kbar, whereas diamond-bearing olivine lamproites originate at more than 55 kbar. Experiments at the same pressure and temperature with differing fluid compositions (CH4 > H2O, H2O > CH4, CO2 > H2O) show that oxygen fugacity has a stronger effect on mica chemistry than does variation in pressure or temperature. Micas in experiments with H2O > CH4 have higher Al- and Ba-contents and lower Si, and K-contents than those in experiments with CH4 > H2O. Fluorine contents are lower due to the high water activity, and Ti contents higher. At higher fO2, at which CO2 forms an important species in the fluid, Ba- and Ti-contents are appreciably higher. The experimental results show that the rapid decrease in Al and the high Ti contents of phlogopites in natural lamproites is best explained by fractionation in H2O-rich conditions. The extremely high K/Al of lamproites can be directly attributed to melting of mica in the source rock if melting conditions correspond to the most reducing of the experiments (fO2 = IW). The typically high Ba contents of lamproites must then be attributed to melting of accessory phases in the source. The origin of lamproitic magmas under reducing conditions also explains other chemical and mineralogical characteristics, namely: (i) high Fe2O3 in later generations of spinel and leucite, (ii) the stability of ar malcolite, (iii) low C-contents, and (iv) the SiO2-rich composition of leucite lamproites. A critical assessment of liquidus experiments on ultrapotassic igneous rocks and partial melting experiments on lherzolites shows that the ultrapotassic rocks could not have formed from lherzolitic source rocks. Clinopyroxene and mica are much more common in the liquidus experiments than melting of lherzolite would allow. Trace elements and isotope measurements provide further arguments against a homogeneous source rock. The alkali-rich veins in the source regions are the results of earlier magmas which solidified at depth. The veins commonly contain abundant mica and clinopyroxene and may contain accessories which are not stable in the peridotitic wall-rock. Examples are priderite, K-Richterite and LIMA. Olivine is uncommon or absent in the veins, since it is consumed by the crystallization of mica. The first, strongly alkaline melt of veined peridotite is restricted to the vein assemblage due to the concentration of incompatible elements and volatiles. With increasing temperature this melt becomes hybridized by a component from the wall-rock by means of two mechanisms: (1) Dissolution of wall-rock minerals: The first melt is sucked into the wall-rock due to surface energy minimization, where it dissolves wall-rock minerals (especially olivine and orthopyroxene) at temperatures below the wall-rock solidus. (2) Solid-solution melting: Vein assemblages contain several minerals which consist of extensive solid-solution series (e.g. mica, amphibole, spinel and apatite). These minerals melt progressively over large temperature ranges and thus effectively bridge the temperature gap between the melting points of vein and wall-rock. A melt component from the wall-rock is therefore mixed in with the vein-derived melt whilst the most refractory vein minerals are still stable. Volcanics with contradictory trace element and isotopic indicators of tectonic setting can be explained by storage of these characteristics in vein assemblages within the mantle. Veins of differing age will be reactivated together during a later melting event. Ultrapotassic rocks represent melts originating dominantly from the vein assemblage. Continued melting may result in dilution of the vein-derived melt by components from both lithospheric and asthenospheric peridotite. This process explains parallels in trace element patterns between ultrapotassic rocks and commoner basaltic rocks, with the extreme example of alkali-picrites.
Keywords
Geochemistry • lamproites • wall-rocks • trace elements • volcanics • mica