Megacrysts in volcanic rocks of the Cameroon volcanic line [Elektronische Ressource] : constraints on magma genesis and contamination / von Kai Rankenburg

Kai Rankenburg

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• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Megacrysts in Volcanic Rocks of the Cameroon
Volcanic Line - Constraints on Magma Genesis
and Contamination






Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften


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


von
Kai Rankenburg
aus Frankfurt am Main










Frankfurt (2002)
vom Fachbereich Geowissenschaften/Geographie der Johann Wolfgang Goethe - Universität
als Dissertation angenommen.

Dekan: Professor Dr. Wolfgang Oschmann, Universität Frankfurt

Erstgutachter: Professor Dr. Gerhard Brey, Universität Frankfurt

Zweitgutachter: Professor Dr. Albrecht W. Hofmann, Max-Planck-Institut für Chemie, Ab-
teilung Geochemie, Mainz

Datum der Disputation: 29.11.2002
Erklärung
Ich versichere hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig verfasst zu haben und alle benutzten
Hilfsmittel und Quellen in der Arbeit angegeben zu haben. Diese Arbeit wurde an keiner an-
deren Fakultät als Dissertation eingereicht.


Mainz, den 12. September 2002
Zusammenfassung I
Zusammenfassung

1. Primäre Magmen als Mantelsonden
'Primäre' Magmen sind solche, die durch partielles Aufschmelzen des oberen Erdmantels ge-
neriert werden und deren Zusammensetzungen nicht durch sekundäre Prozesse (wie z.B. Kris-
tallisation, Kontamination, Magmen-Mischung, -Entmischung, oder -Entgasung) modifiziert
sind. Primäre Magmen sind für den Geochemiker von besonderem Interesse, da sie als Son-
den in den tiefen Erdmantel dienen und damit zur Kartierung von Größe und Charakter von
Mantelheterogenitäten herangezogen werden können. Der Nachweis des 'primären' Charakters
eines Magmas ist jedoch nicht immer eindeutig, da Magmen auf ihrem Weg von der Mantel-
quelle zur Erdoberfläche modifiziert werden können (z.B. O'Hara (1968), Thirlwall, (1997)).
Studien an Ozeaninselbasalten haben dennoch den Vorteil, dass die Schmelzen eine ver-
gleichsweise dünne, hochschmelzende, und kompositionell ähnliche Kruste passieren, und
damit die Ausmaße einer möglichen Kontamination geringer sind. Unser heutiges Bild der
Zusammensetzung, Größe und Verteilung von Mantelheterogenitäten basiert deshalb weitge-
hend auf den Studien an primitiven Ozeaninselbasalten. Die Untersuchung langlebiger radio-
87 147 238 235 232 187aktiver Nuklide wie z.B. Rb, Sm, U, U, Th und Re ist dabei von besonderem
Vorteil, da die Tochterisotope dieser Nuklide bei Schmelz- oder Kristallisationsprozessen
nicht signifikant fraktioniert werden. Der isotopische 'Fingerabdruck' der Quellregion im
Erdmantel wird somit während einer Schmelzbildung auf das Magma übertragen und bleibt
während folgender Kristallisationsprozesse unverändert. Um oberflächlich eruptierte Basalte
als Mantelsonden zu verwenden, muss man allerdings sichergestellt werden, dass das Magma
nicht durch andere Magmen (oder Nebengesteine) verschiedener isotopischer Zusammenset-
zung kontaminiert wurde.
Schon die ersten Bestandsaufnahmen radiogener Isotope an Ozeaninselbasalten zeigten die
langzeitliche Heterogenität des Erdmantels auf (z.B. Faure & Hurley (1963), Hedge & Walt-
hall (1963), Gast et al. (1964)). Nachfolgende detaillierte Studien von z.B. Hart et al. (1973),
Schilling (1973), Zindler et al. (1979) und Poreda et al. (1986) belegten den fundamentalen
geochemischen Unterschied zwischen Mantelschmelzen, die an den mittelozeanischen Rü-
cken zu Tage treten (mid-ocean-ridge basalts: MORB), gegenüber solchen, die von sogenann-
ten 'hot spots' oder Manteldiapiren stammen. Der 'verarmte' Charakter der Mantelquelle von
MORB-Schmelzen wurde auf ein einfaches Modell zurückgeführt, in welchem die Mantel-
quelle eine frühere Schmelzextraktion erfuhr, die zur Bildung der kontinentalen Kruste führte Zusammenfassung II
(z.B. Hofmann (1988)). Da während einer Schmelzbildung die in den Mantelphasen inkompa-
tiblen Elemente bevorzugt in die Schmelze partitionieren, wird der Mantel an inkompatiblen
Spurenelemente abgereichert, was langzeitlich auch zu 'verarmten' isotopischen Signaturen
führt. Die variable geochemische Signatur von Ozeaninselbasalten wurde demgegenüber
durch Mischung von verarmtem oberem Mantel mit 'primitivem' Mantel erklärt (DePaolo &
Wasserburg, 1976), (O'Nions et al., 1979), (Allègre et al., 1979). Weitere Studien zeigten
aber, dass auch andere Mantelkomponenten an der Bildung von Ozeaninselbasalten beteiligt
sein müssen, die gegenüber dem 'primitiven' Mantel angereichert sind (z.B. O'Nions et al.
(1977), Richardson et al. (1982), White & Hofmann (1982), Stille et al. (1983), Roden et al.
(1984), Roden et al. (1994), Woodhead & McCulloch (1989), White & Hofmann (1982),
Palacz & Saunders (1986), Wright & White (1987), Farley et al. (1992), Palacz & Saunders
(1986), Nakamura & Tatsumoto (1988), Woodhead (1996)). Zindler & Hart (1986) zeigten,
dass sich die gesamten Isotopensignaturen des ozeanischen Mantels auf die Mischung von
vier prinzipiellen Endgliedern zurückführen lassen: Verarmter MORB-Mantel (DMM), sowie
drei angereicherte Endglieder EM1, EM2 und HIMU. Die Interpretation der angereicherten
Endglieder basiert auf der Idee, dass subduziertes Material regeneriert und in die Quellregio-
nen (Manteldiapire) der Ozeanbasalte inkorporiert wird (Hofmann & White, 1982).
Wie oben beschrieben, beruht die Systematik der Mantelheterogenitäten auf der Vorausset-
zung, dass die den Studien zugrunde liegenden Laven 'primär' sind, d.h. unkontaminierte
Mantelschmelzen repräsentieren. Demgegenüber haben Studien an kontinentalen Intraplatten-
vulkaniten immer mit isotopisch und an inkompatiblen Spurenelementen angereicherten
Komponenten zu rechnen, wie sie zweifellos im subkontinentalen lithosphärischen Mantel
(SCLM) als auch in der kontinentalen Kruste zu finden sind. So führten z.B. Halliday et al.
206 204(1988) und Halliday et al. (1990) eine positive Pb/ Pb-Anomalie in Gesteinen der Came-
roon Volcanic Line (CVL) auf die Interaktion primärer Magmen mit einer metasomatisch
überprägten Lithosphäre zurück. Lee et al. (1996) erbrachten in einer Studie von Mantelxeno-
lithen der CVL eindeutige Belege für deren langzeitlich angereicherten Charakter. Überdies
belegen Daten von Marzoli et al. (1999) die Interaktion einiger kontinentaler CVL-Magmen
mit kontinentaler Kruste. Zusammenfassung III
2. Ziel dieser Arbeit
Die in dieser Studie analysierten Laven und Megakristalle des Biu und Jos Plateaus (nördliche
CVL, Abb. 1.2) überdecken einen großen Teil der isotopischen Heterogenität der CVL (Abb.
1.1). Die Bestimmung der Ursachen der Heterogenität der Magmen des Biu und Jos Plateaus
sollte also Rückschlüsse auf die Genese der gesamten CVL erlauben. Eine Möglichkeit zur
Identifikation oberflächennaher Kontamination einer Suite von Laven bietet der Vergleich der
isotopischen Zusammensetzung der Laven mit kogenetischen phenokristischen oder xe-
nokristischen Phasen, die im Mantel kristallisierten. Die Laven des Biu und Jos Plateaus ent-
halten zahlreiche 'Megakristalle' homogener Zusammensetzung bis ~5 cm Größe. Als Mine-
ralphasen treten Klinopyroxen (cpx), Granat (gnt), Ilmenit, Plagioklas, sowie untergeordnet
Amphibol, Spinell, Phlogopit, Olivin, Zirkon und Korund auf. Die Untersuchungen der Gene-
se von Megakristallen und die sich daraus ergebenden Aussagen über die Beschaffenheit des
Erdmantels ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. In Kapitel zwei wird zunächst die geneti-
sche Relation der Megakristalle mit ihren Wirtsmagmen aufgezeigt, während sich Kapitel drei
mit der Isotopensystematik von Megakristallen und Laven des Biu und Jos Plateaus befasst.
Als Ergebnis der Studie ist festzuhalten, dass die kontinentale Signatur in Laven des ozeani-
schen Sektors der CVL, vormals als EM1-Quellkomponente (Lee et al., 1994), oder LOMU-
238 204Komponente interpretiert (Douglass et al., 1999) (LOMU: low µ = niedriges U/ Pb, das
206 204langzeitlich zu niedrigen Pb/ Pb-Verhältnissen führt; im Gegensatz zu HIMU), auch
durch oberflächennahe Assimilation krustalen Materials erklärt werden kann. Möglicherweise
geschah dies durch Assimilation kontinentaler Sedimente, oder Assimilation von Blöcken
kontinentalen Materials, die in der ozeanischen Lithosphäre während des kontinentalen
Bruchs im Mesozoikum als 'Treibgut' zurückblieben.

3. Methodik
Um die Megakristalle als Sonde zur Wirtsmagmenchemie im oberen Mantel zu verwenden,
muss zunächst deren Verwandtschaft im Erdmantel aufgezeigt werden. In der Literatur wur-
den verschiedene Modelle zur Genese der Megakristall diskutiert. Einerseits kommen die Mi-
neralphasen der Megakristalle auch in assozi