Archean to present day evolution of the lithospheric mantle beneath the Kaapvaal craton [Elektronische Ressource] : processes recorded in subcalcic garnets, peridotites and polymict breccia / von Marina Lazarov

Marina Marcout

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Archean to present day evolution of the lithospheric
mantle beneath the Kaapvaal craton -
Processes recorded in subcalcic garnets, peridotites and polymict
breccia






Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften







von
Marina Lazarov
aus Pancevo
(Serbien)



Frankfurt (Juni, 2008)




Archean to present day evolution of the lithospheric mantle
beneath the Kaapvaal craton -
Processes recorded in subcalcic garnets, peridotites and polymict
breccia








Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften







Vorgelegt beim Fachbereich Geowissenschaften/Geographie
der Johann Wolfgang Goethe-Universität
in Frankfurt am Main





von
Marina Lazarov
aus Pancevo
(Serbien)




Frankfurt (Juni, 2008)



Von Fachbereich Geowissenschaften (FB: Mineralogie) der
Johann Wolfgang Goethe-Universität als Dissertation angenommen.













Dekan: Prof. Dr. G. P. Brey

Gutachter: Prof. Dr. G. P. Brey
Prof. Dr. A. B. Woodland
Prof. Dr. F.E. Brenker
Hon.-Prof. Dr. J. Harris











Datum der Disputation: 04. 08. 2008.


Table of contents



Zusammenfassung I

Summary and conclusions XII

Chapter 1 - Introduction 1
1.1. Research topic and significances 2
1.2 Geological setting of the Kaapvaal craton 4
1.2.1 Development of the Kaapvaal craton 5
Witwatersrand – East block
Kimberley – West block
Proterozoic and Phanerosoic development of Kaapvaal craton
1.2.2 Kimberlite magmatism 7
1.3 Outline of the thesis 8
1.4 Goals of this study 8

Chapter 2 – Methodology 9
2.1. Samples studied 10
2.2 Major and minor element analyses 10
3+ 2.3 Determination of Fe in garnet 11
2.4 X-ray fluorescence 11
2.5 Trace element analyses 11
2.6 Isotope analysis 12

Chapter 3 – Time steps of depletion and enrichment in the Kaapvaal craton as
recorded by subcalcic garnets from Finsch (SA) 14
Abstract 15
3.1 Introduction 15
3.2 Samples and analytical methods 16
Trace element analysis
Isotope analysis
3.3 Results 18
3.3.1 Major and trace elements 18
3.3.2 Isotope systematics 20
3.4 Discussion 22
3.4.1 Timing of depletion of the subcalcic garnet protoliths 23
3.4.2 Timing of reenrichment of the host rocks 24
3.4.3 Origin of subcalcic garnets and implications for diamond formation 26
3.5 Summary and inferences 27

Chapter 4 – Mantle formation and modification based on Finsch mine
28 peridotites (Kaapvaal craton, S.A.)
4.1 Introduction 29
4.2 Petrography and modal mineralogy 29
4.3 Results 31
4.3.1 Mineral major and minor elements 31
Olivine
Orthopyroxene
Clinopyroxene
Garnet
Rutile
Spinel
Phlogopite, amphibole and secondary cpx 36
4.3.2 Mineral trace elements
Olivine
Orthopyroxene
Clinopyroxene
Garnet
4.4 Discussion 42
4.4.1 Geothermobarometry and equilibration of major elements 42
4.4.2 Oxygen fugacity 45
4.4.3 Trace elements partitioning 46
Garnet/cpx partitioning
Garnet/opx partitioning
Cpx/opx partitioning
4.4.4 Depletion 50
4.4.5 Constraints on Si enrichment in Finsch peridotites 53
4.4.6 Modal and cryptic metasomatism of the Finsch peridotites 55
4.4.7 Chemical composition - depth relationship 60
4.5 Summary and Conclusions 61

Chapter 5 – Lu-Hf and Sm-Nd dating of mantle depletion and enrichment: a
63 case study on Finsch mine peridotites (Kaapvaal craton - SA)
5.1 Introduction 64
5.2 Mineral isotope compositions 64
5.2.1 Lu-Hf ispositions of opx, cpx and grt 64
5.2.2 Sm-Nd isotope compositions of opx, cpx and grt 66
5.3 “Mineral purity” or kimberlite contamination of minerals from the Finsch 67
peridotites
5.4 Discussion 69
5.4.1 Mineral isochron ages 69
Lu-Hf isochrone ages for garnet-clinopyroxene pairs
Sm-Nd isochron ages for garnet-clinopyroxene pairs
5.4.2 Whole rock Lu-Hf isotope constraints on the evolution of Finsch 71
SCLM
5.4.3 Whole rock Sm-Nd isotope constraints on the evolution of Finsch 72
SCLM
5.4.4 Depletion and enrichment processes recorded in Lu-Hf and Sm-Nd 73
isotope systematic of the Finsch peridotites
5.5 Summary and Conclusion 77

Chapter 6 – Formation of a Polymict Peridotite by Brecciation of
Subcontinental Lithospheric Mantle 78
6.1 Introduction 79
6.2 Petrography of the peridotite breccia 79
6.2.1 Description of hand specimen 79
6.2.2 Description of thin sections 81
Description of part A f parts B and C
6.3. Chemistry of porphyroclasts and newly grown rims in parts B and C 85
6.3.1 Major element chemistry 85
Olivine
Orthopyroxene
Garnet
Clinopyroxene
6.3.2 Trace element chemistry of orthopyroxene and garnet porphyroclasts 90
Orthopyroxene
Garnet 6.4 Thermobarometry 92
6.4.1 Ni-Thermometry of porphyroclastic garnets 93
6.4.2 Thermobarometry of rim overgrowth garnet-opx pairs 93
6.5 Discussion 94
6.5.1 “Explosive” brecciation at the base of the lithosphere 95
6.5.2 Chemical homogeneity of porphyroclasts 95
6.5.3 Major and trace element characteristics of pervasive melt 96
6.5.4 Conditions of polymict peridotite amalgamation
6.5.5 Model of kimberlite propagation and formation of the polymict
peridotite 97
6.6 Conclusion 98

References 99

Appendices 110

Supplement 214



































Zusammenfassung


Zusammenfassung


Der Erdmantel unter dem Kaapvaal Kraton (Südafrika) hat eine über 3.6 Ga lange und komplexe
Geschichte. Er ist zwar der am meisten untersuchte subkratonische Mantel, jedoch sind viele Fragen,
bezüglich der Bildung und Modifizierung des Kaapvaal Kratons, immer noch offnen. Ziel dieser
Arbeit ist es, die geodynamische, chemische und thermische Entwicklung des Kaapvaal Kratons zu
rekonstruieren. Dazu sind 31 grobkörnige Peridotite und 21 einzelne subkalzische Granate aus
Schweremineralkonzentraten der Finsch-Mine, bezüglich ihrer Haupt- und Spurenelement-
zusammensetzung und ihrer Lu-Hf und Sm-Nd Isotopensystematik, untersucht worden. Die Prozesse,
die in Zusammenhang mit der Förderung von Peridotit-Xenolithen durch Kimberlitschmelzen stehen,
sind an polymikten Brekzien untersucht geworden.

Eine kurze Einführung, über den heutigen Kenntnisstand zur Bildung und Modifizierung vom
kratonischen Mantel, ist in Kapitel 1 beschrieben. In diesem Kapitel sind des Weiteren der
geologische und tektonische Hintergrund des Kaapvaal Kraton und eine kurze Einführung zur
Entstehung von Kimberliten und Diamanten beschrieben. Eine detaillierte Beschreibung der
analytischen Methoden, die in dieser Arbeit benutzt werden, bietet Kapitel 2. Die Entstehung von
subkalzischen Granaten und deren Verhältnis zur Bildung von Diamanten ist im Kapitel 3 diskutiert.
Die petrographiche Beschreibung, Haupt- und Spurenelementkonzentrationen und -Verhältnisse der
Finsch-Minerale und -Gesamtgesteine sind in Kapitel 4 dargestellt. Im selben Kapitel werden auch die
Berechnungen von Drücken und Temperaturen (mit Hilfe von Thermobarometrie), sowie der
Sauerstofffugazitäten der Peridotite (berechnet aus den Gehalten an 3-wertigem Fe in Granat)
diskutiert. Wie für die meisten Niedrigtemperatur-Peridotite vom Kaapvaal Kraton, so wurden auch
für die hier untersuchten Finsch-Peridotite niedrige Mg/Si vorgefunden, was auf hohe
Orthopyroxengehalte hindeutet. Dies wird ebenfalls in Kapitel 4, diskutiert, sowie lithologische
Tiefenprofile des Kaapvaal Kratons. Des Weiteren bietet dieses Kapitel eine Diskussion über die
Verteilung von Spurenelementen zwischen koexistierenden Mineralphasen. Die Menge an Schmelze,
die aus den Peridotiten extrahiert wurde, wird mit Hilfe von Haupt- und Spurenelementgehalten der
Finsch Peridotite (Kapitel 4) und der subkalzischen Granate (Kapitel 3), berechnet. Alle hier
bearbeiteten Proben wurden an inkompatiblen Elementen angereichert. Mit Hilfe der
Spurenelementmuster können Rückschlüsse über die Art der Anreicherung gezogen werden (Kapitel
3, 4, 5). Die Ereignisse, die zu einer partiellen Schmelzbildung im Kapvaal Kraton geführt haben,
wurden mit dem Lu-Hf Isotopensystem und die Ereignisse metasomatischer Anreicherung mit dem
Sm-Nd Isotopensystem datiert. Diese Datierungen wurden sowohl an subkalz