Geobarometry, phase relations and elasticity of eclogite under conditions of Earth’s upper mantle

Titelangaben

Beyer, Christopher:
Geobarometry, phase relations and elasticity of eclogite under conditions of Earth’s upper mantle.
Bayreuth , 2015 . - 217 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultätsübergreifende Einrichtung)

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Abstract

Eclogite rocks, composed mainly of garnet and clinopyroxene, form principally as a metamorphic product of oceanic crust as it undergoes subduction. The equilibrium between garnet and clinopyroxene is sensitive to temperature and pressure, therefore eclogitic outcrops and xenoliths can reveal important information on the chemical and mineralogical processes occurring during such episodes. This is particularly the case for lithospheric eclogitic xenoliths from Archean cratons, which can potential reveal information on ancient (> 1 Ga) subduction events. To obtain information on the depth of origin of eclogitic xenoliths the first project of this thesis was designed to establish a thermodynamically grounded geobarometer, which is based on the incorporation of tetrahedrally coordinated aluminum in clinopyroxene coexisting with garnet: 2/3 Ca3Al2Si3O12 + 1/3 Mg3Al2Si3O12 = CaAl2SiO6 + CaMgSi2O6 Grossular Pyrope CaTs Diopside The reaction was calibrated against high-pressure and high-temperature experiments carried out in the multi-anvil and piston-cylinder apparatus between pressures of 3 and 7 GPa and temperatures from 1200 to 1550 °C. Starting materials were hydrous and anhydrous synthetic mixtures of basaltic bulk compositions that yielded homogeneous bimineralic garnet-clinopyroxene phase assemblages. The experimental data set was expanded by employing results from previous experimental studies conducted in eclogitic systems, which widened the range of applicable conditions and compositions. The calibration reproduces experimental pressures of bimineralic eclogite assemblages, in addition to SiO2-saturated and kyanite-bearing eclogites, to within 0.4 GPa at the 95 % confidence interval. The barometer was then used to examine equilibration pressures recorded by natural mantle eclogites from various xenolith locations covering a wide pressure, temperature, and compositional range. The results seem to indicate that many eclogite xenoliths fall towards the hotter side of the range of geothermal temperatures displayed by peridotitic xenoliths from the same localities. The second project calibrates the composition of majoritic garnets, which contain excess silicon substituted onto the octahedrally coordinated garnet site, coexisting with clinopyroxene as a function of pressure, temperature and bulk composition. Majorite substitution for a given bulk composition increases with pressure, and its proportion can in principal be used as a geobarometer. Single majoritic garnet crystals are found as inclusions in diamonds, which are generally used to support a sublithospheric origin in the deeper upper mantle or transition zone. The chemical compositions of such inclusions indicate that they have formed from a number of different lithologies, including mafic, ultramafic and pyroxenitic. These inclusions give important insight into the environment where diamonds crystallize and the evolution of deep subducted crustal material. The empirical barometer studied here is based on the three major majoritic substitutions: 2Al3+ = Mg2+ + Si4+ (Mj), Mg2+ + Al3+ = Na1+ + Si4+ (NaSi), Mg2+ + Al3+ = Na1+ + Ti4+ (NaTi), and the secondary effect of chromium on the stability of Mj. The barometer was calibrated against experiments conducted in the multi-anvil apparatus between pressures of 6 and 16 GPa and temperatures of 1000 to 1400 °C. In order to expand the applicability to a wide range of compositions experiments were performed in three different mafic compositions and in one pyroxenitic composition. Moreover, existing experimental data in mafic and ultramafic systems, including mid-ocean ridge basalts, kimberlite, komatiite and peridotite bulk compositions were included in the calibration covering pressures from 6 to 20 GPa and temperatures from 900 to 2200 °C. Applying the geobarometer to natural majoritic diamond inclusions reveals clearly that eclogitic and pyroxenitic inclusions form dominantly at conditions near the top of the transition zone (300-400 km). Peridotitic inclusions, however, have formed generally at shallower depths ~200 km within the Earth’s upper mantle. This may reflect the differences expected for the oxygen fugacity between peridotitic and eclogitic/pyroxenitic rocks. If diamonds form through the reduction of carbonate or CO2 bearing melts then most peridotitic rocks would be already within the diamond stability field by depths of 200 km. At greater pressures carbon would remain immobilized as diamond and there is no mechanism by which new diamonds can form. Eclogitic rocks formed by the subduction of oceanic crust, however, should form an intrinsically more oxidized environment that remains within the carbonate stability field to much higher pressures. The diamond stability field would be eventually reached, however, due to either the effect of pressure on controlling Fe3+/Fe2+ equilibria or due to partial melting, which would preferentially remove ferric iron and lower the Fe3+/∑Fe of the residue, on which the oxygen fugacity is mainly dependent. In fact deep partial melting as slabs heat up may be the mechanism by which both the local oxygen fugacity is lowered, carbon is mobilized and pyroxenite rocks are formed, with the latter occurring through reaction with the surrounding peridotite. The third project was focused on the elasticity of garnet solid solutions formed from eclogitic compositions. Garnet is an important mineral because it is a major phase in the upper mantle and dominates mafic rocks at these conditions. The elastic behavior of garnet solid solutions plays a role in the interpretation of seismic data and is important for estimating the density contrast between subducting slabs and the surrounding mantle. High-precision single-crystal X-ray diffraction measurements at high pressure have been conducted on three different ternary garnet solid solutions with varying chemical composition in order to examine possible non-ideal contributions to the volume and compressibility of garnet solid solutions. Furthermore one experiment has been conducted at high pressures and high temperatures to examine the effect of temperature on the elasticity of complex garnet solid solutions. Experimental results reveal that the concentration of the almandine (Fe3Al2Si3O12) component has a significant effect on the elasticity, whereby 10 – 20 mole% of almandine is sufficient to overprint the previously reported minima of the bulk modulus along the pyrope grossular join. It has also been shown that minor compositional variations of Ca and Mg within the Mg Fe Ca garnet ternary are not resolvable within the analytical errors. Therefore, the two eclogitic samples have similar bulk moduli within the analytical uncertainties. In contrast to previous studies, no evidence was found that garnets have a K’ significantly different from 4. The high-temperature experiment revealed that the relatively small fraction of almandine in a solid solution increased the softening of garnet with temperature. Finally, the experimental volumes and calculated densities have been compared to the self-consistent thermodynamic model of Stixrude and Lithgow-Bertelloni (2005, 2011). The comparison clearly reveals that volume and elastic properties cannot be linearly interpolated as a function of composition. Moreover, it has been shown that the excess properties vary not only as a function of composition and pressure, but also as a function of temperature. The final project is focused on the partitioning of fluorine (F) between garnet, clinopyroxene, and silicate melt within eclogitic compositions. Fluorine is the most abundant halogen on Earth and plays an important role in the formation of ultrapotassic lithologies, i.e. lamproites that contain several wt.% F, in contrast to the average lithospheric mantle that contains only tens of µg/g F. The cycling and partitioning behavior of fluorine in the Earth’s mantle are not well understood. High-pressure experiments have been conducted in the multi-anvil apparatus to obtain mineral-melt partition coefficients between garnet, clinopyroxene, and coexisting silicate melt of fluorine in a mafic system under conditions of the Earth’s upper mantle. The results show that mafic crust can host significantly more fluorine than the surrounding ultramafic mantle, due to the much higher proportion of clinopyroxene and its high fluorine partition coefficient of D_F^(clinopyroxene/melt)= 0.057 – 0.074. Combining the fluorine partitioning data with water partitioning data yields a plausible process to generate lamproitic magmas with a high F/H2O ratio. The enrichment of fluorine relative to H2O is triggered by multiple episodes of small degree melting which deplete the residual more in H2O than in fluorine, caused by the approximately three times smaller mineral-melt partition coefficients of H2O.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit aus Granat und Klinopyroxen bestehenden Eklogiten, die als metamorphe Hochdrucksteine der ozeanischen Kruste subduziert werden. Eklogite-Aufschlüsse und Mantelxenolithe liefern wertvolle Informationen über die chemischen und mineralogischen Prozesse, die während der Subduktion ablaufen. Lithosphärische Eklogite aus Xenolithen von Archaischen Kratonen haben teilweise ein Alter von mehr als 1 Ga und liefern damit Informationen über Subduktionsprozesse der frühen Erde. Um den Druck und die Tiefe für die Entstehung von Eklogiten bestimmen zu können, wurde im ersten Kapitel ein Geobarometer entwickelt, welches auf thermodynamischen Parametern beruht, die den Einbau von vierfach koordiniertem Aluminium in Klinopyroxen im Gleichgewicht mit Granat beschreiben: 2/3 Ca3Al2Si3O12 + 1/3 Mg3Al2Si3O12 = CaAl2SiO6 + CaMgSi2O6 Grossular Pyrop CaTs Diopsid Die Kalibrierung des Barometers basiert auf Hochdruckexperimenten, die bei Drücken zwischen 3 und 7 GPa und Temperaturen von 1200 bis 1550 °C in Vielstempel- und Stempelzylinder Pressen durchgeführt wurden. Die Startzusammensetzungen waren synthetische wasserhaltige und wasserfreie basaltische Gläser, die zu einer homogenen Mischung aus Granat und Klinopyroxen kristallisierten. Der Datensatz wurde mit Literaturdaten erweitert, um die Anwendung so universell wie möglich zu machen. Die Kalibrierung reproduziert experimentelle Drücke von bimineralischen Eklogiten mit 0.4 GPa innerhalb des 95 % Konfidenzintervalls. Das Barometer wurde bei natürlichen Eklogit Xenolithen von verschiedenen Lokalitäten angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass viele Eklogit-Xenolithe bei höheren geothermischen Temperaturen equilibriert sind als Peridotit-Xenolithe von der gleichen Lokalität. Im zweiten Kapitel wurde die Änderung der Zusammensetzung von majoritischen Granaten kalibriert, welche häufig als Einschlüsse in Diamanten aus großen Tiefen zu finden sind. Majoritische Granate sind anhand des überschüssigen Silikons zu erkennen, welches sechsfach koordiniert ist. Es gibt prinzipiell drei majoritische Phasentransformationen: Al3+ = Mg2+ + Si4+ (Mj), Mg2+ + Al3+ = Na1+ + Si4+ (NaSi), Mg2+ + Al3+ = Na1+ + Ti4+ (NaTi) und zusätzlich den sekundären Einfluss von Chrom auf die Stabilität der Mj-Komponente. Diese majoritischen Substitutionen sind druckabhängig und lassen sich somit als potentielles Geobarometer nutzen. Ein Geobarometer kann Aufschluss über die Entstehungstiefe von Diamanten geben und inwiefern diese einen sublithosphärischen Ursprung im tieferen Erdmantel und der Übergangszone haben. Das Barometer wurde mit einer Vielzahl von Hochdruckexperimenten in unterschiedlichen mafischen Zusammensetzungen bei Drücken zwischen 6 und 16 GPa und Temperaturen zwischen 1000 und 1400 °C kalibriert. Der Datensatz wurde mit existierenden Experimenten in ultramafischen und mafischen Systemen erweitert. Die Kalibrierung wurde auf eklogitische, pyroxenitische und peridotische Granat-Einschlüsse in Diamanten angewandt und deren Druck zu bestimmen. Das Barometer zeigt eine bimodale Verteilung der Einschlüsse: Eklogitische und pyroxenitische Einschlüsse sind bei Drücken, die einer Tiefe von 300 - 500 km entsprechen, entstanden. Peridotitische Diamanten hingegen entstanden bei deutlich geringeren Drücken, die einer Tiefe von ungefähr 200 km entsprechen. Dies könnte ein Indiz für die unterschiedliche intrinsische Sauerstofffugazität zwischen eklogitischen und peridotitischen Gesteinen sein. Falls Diamanten durch die Reduktion von Karbonat oder einem CO2-führenden Fluid entstanden wären, wären Peridotite bereits bei einer Tiefe von 200 km innerhalb des Diamantstabilitätsfeldes entstanden. In größeren Tiefen ist Kohlenstoff in Form von Diamanten stabil und es gibt keinen bekannten weiteren Mechanismus durch den weitere Diamanten entstehen könnten. Eklogitische Gesteine, als Produkte der metamorphen Umwandlung von ozeanischer Kruste, entstehen wahrscheinlich in einer Umgebung mit höherer Sauerstofffugazität was dazu führt, dass diese Gesteine das Diamantstabilitätsfeld erst bei höheren Drücken erreichen. Sie könnten das Diamantstabilitätsfeld erreichen, indem entweder durch den Druckeffekt das Fe3+/Fe2+ Verhältnis geändert wird, oder indem durch partielles Aufschmelzen dreiwertiges Eisen bevorzugt in die Schmelze geht und somit das verbleibende Gestein reduziert wird. Das Aufheizen tief subduzierten Gesteins und das dadurch ausgelöste partielle Aufschmelzen könnte der Mechanismus sein, welcher die lokale Sauerstofffugazität verringert und Kohlenstoff mobilisiert. Der Kohlenstoff könnte somit durch Reaktion mit dem umgebenden peridotitischen Mantel pyroxenitische Lithologien formen. Das dritte Kapitel behandelt die Elastizität von Granat-Mischkristallen mit komplexen Zusammensetzungen. Granate sind die wichtigste aluminiumführende Phase in mafischen Gesteinen des Erdmantels und spielen eine wichtige Rolle in der Analyse von seismischen Daten und der Interpretation von Dichtekontrasten zwischen subduzierten Platten und dem umgebenden Mantel. Zur Bestimmung des Kompressionsmoduls wurden hochpräzise Einkristall-Röntgenmessungen an komplexen Granat-Mischkristallen in der Diamantstempelzelle bei hohen Drücken und Temperaturen zur Bestimmung des Volumens und der Kompressibilität durchgeführt. Die Messungen zeigen, dass das eisenreiche Granat Endglied Almandin (Fe3Al2Si3O12) einen starken Einfluss auf das Kompressionsmodul (KT0) des Mischkristalls hat. Schon kleinere Mengen Almandin erhöhen das Kompressionsmodul des Mischkristalls erheblich. Im Widerspruch zu einigen anderen Studien, zeigte keiner der gemessenen Granate einen K’T0 deutlich größer als 4. Die Ergebnisse aus dem Hochtemperatur-Experiment zeigten, dass schon ein geringer Anteil an Almandin einen deutlichen Einfluss auf die Verringerung des Kompressionsmoduls mit steigender Temperatur hat. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit dem thermoelastischen Modell von Stixrude und Lithgow-Bertelloni (2005, 2011) verglichen. Dabei zeigte sich, dass in dem Modell nicht berücksichtigte Exzess-Volumina zur Kalkulation von falschen Volumina der Mischkristalle und deren Dichten führen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Exzess-Volumina nicht nur eine Funktion von Druck und Zusammensetzung sind, sondern auch von der Temperatur abhängig. Daher ist es wichtig, dass Exzess-Volumina berücksichtig werden, um anhand thermoelastischer Modelle Rückschlüsse aus seismischen Daten über die Zusammensetzung des Erdmantels zu ziehen. Im letzten Kapitel wurde die Verteilung von Fluor (F) zwischen Granat, Klinopyroxen und silikatischer Schmelze bei hohem Druck bestimmt. Fluor ist das am häufigsten vorkommende Halogen im Erdmantel und spielt vermutlich eine wichtige Rolle bei der Entstehung von kaliumreichen Gesteinen, wie Kimberliten und Lamproiten, die mehrere Gewichtsprozent F enthalten können. Jedoch gibt es bisher nur wenige Studien, die sich mit dem Verteilungsverhalten und möglichen Reservoiren von F im Erdmantel beschäftigen. Die Ergebnisse zeigen, dass Klinopyroxen von den nominell fluorfreien Phasen den höchsten Verteilungskoeffizient hat und damit potentiell auch am meisten F speichern kann. Daher kann basaltische, subduzierte Kruste, welche reich an Klinopyroxen ist, relativ zum umgebenden ultramafischen Mantel, mehr Fluor transportieren. Durch die Kombination der F Verteilungskoeffizienten mit Wasser-Verteilungskoeffizienten ist es möglich, durch wiederholtes partielles aufschmelzen von mafischen Fragmenten, F/H2O Verhältnisse zu generieren, die denen von Lamproiten entsprechen. Der Grund hierfür ist, dass der F-Verteilungskoeffezient für mafische Gesteine ca. dreimal höher ist als der entsprechende Wasser-Verteilungskoeffzient. Daher wird Wasser stärker im Residuum verarmt als Fluor.