The influence of petrogenetic processes on the composition of ocean island basalts [Elektronische Ressource] : studies of lavas from Hawaii and Tubuai Islands / Marie Jamais

Marie Jamais

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• Publié le: 01 janvier 2007
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Extrait

The influence of petrogenetic processes
on the composition of Ocean Island Basalts:
Studies of lavas from Hawaii and Tubuai Islands




Dissertation
Zur Erlangung des Grades
“Doktor des Naturwissenschaften”

Am Fachbereich
Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz



Marie Jamais
Geb. am 06.12.1976 in Nancy, Frankreich


Mainz, 2006








All views and results in this thesis are those of the authors, unless stated
otherwise.

Ich versichere hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig verfasst zu haben
und alle benutzen Hilfsmittel und Quellen in der Arbeit angegeben zu haben.




























à mon père,
et à son éternelle soif de connaissance































































Abstract

Ocean Island Basalts (OIB) provide important information on the chemical and physical
characteristics of their mantle sources. However, the geochemical composition of a generated
magma is significantly affected by partial melting and/or subsequent fractional crystallization
processes. In addition, the isotopic composition of an ascending magma may be modified during
transport through the oceanic crust. The influence of these different processes on the chemical
and isotopic composition of OIB from two different localities, Hawaii and Tubuai in the Pacific
Ocean, are investigated here.
In a first chapter, the Os-isotope variations in suites of lavas from Kohala Volcano,
Hawaii, are examined to constrain the role of melt/crust interactions on the evolution of these
187 188lavas. As Os/ Os sensitivity to any radiogenic contaminant strongly depend on the Os
content in the melt, Os and other PGE variations are investigated first. This study reveals that Os
and other PGE behavior change during the Hawaiian magma differentiation. While PGE
concentrations are relatively constant in lavas with relatively primitive compositions, all PGE
contents strongly decrease in the melt as it evolved through ~ 8% MgO. This likely reflects the
sulfur saturation of the Hawaiian magma and the onset of sulfide fractionation at around 8%
187 188MgO. Kohala tholeiites with more than 8% MgO and rich in Os have homogeneous Os/ Os
values likely to represent the mantle signature of Kohala lavas. However, Os isotopic ratios
become more radiogenic with decreasing MgO and Os contents in the lavas, which reflects
assimilation of local crust material during fractional crystallization processes. Less than 8%
upper oceanic crust assimilation could have produced the most radiogenic Os-isotope ratios
recorded in the shield lavas. However, these small amounts of upper crust assimilation have
only negligible effects on Sr and Nd isotopic ratios and therefore, are not responsible for the Sr
and Nd isotopic heterogeneities observed in Kohala lavas.
In a second chapter, fractional crystallization and partial melting processes are constrained
using major and trace element variations in the same suites of lavas from Kohala Volcano,
Hawaii. This inverse modeling approach allows the estimation of most of the trace element
composition of the Hawaiian mantle source. The calculated initial trace element pattern shows
slight depletion of the concentrations from LREE to the most incompatible elements, which
indicates that the incompatible element enrichments described by the Hawaiian melt patterns are
entirely produced by partial melting processes. The “Kea trend” signature of lavas from Kohala Volcano is also confirmed, with Kohala lavas having lower Sr/Nd and La/Th ratios than lavas
from Mauna Loa Volcano.
Finally, the magmatic evolution of Tubuai Island is investigated in a last chapter using the
trace element and Sr, Nd, Hf isotopic variations in mafic lava suites. The Sr, Nd and Hf isotopic
data are homogeneous and typical for the HIMU-type OIB and confirms the cogenetic nature of
the different mafic lavas from Tubuai Island. The trace element patterns show progressive
enrichment of incompatible trace elements with increasing alkali content in the lavas, which
reflect progressive decrease in the degree of partial melting towards the later volcanic events. In
addition, this enrichment of incompatible trace elements is associated with relative depletion of
Rb, Ba, K, Nb, Ta and Ti in the lavas, which require the presence of small amount of residual
phlogopite and of a Ti-bearing phase (ilmenite or rutile) during formation of the younger
analcitic and nephelinitic magmas.


Zusammenfassung

Ozeaninselbasalte liefern wichtige Informationen über die chemischen und physikalischen
Eigenschaften ihrer Ausgangsgesteine im Erdmantel. Die chemische Zusammensetzung von
Mantelschmelzen wird jedoch entscheidend während des partiellen Schmelzens und der
anschließenden fraktionierten Kristallisation verändert. Zudem kann auch die isotopische
Zusammensetzung von Mantelschmelzen während des Transports durch die ozeanische Kruste
verändert werden. Anhand von Laven zweier ozeanischer Inseln, Hawaii und Tubuai im
Pazifischen Ozean, wird in dieser Dissertation der Einfluss dieser sekundären Prozesse auf die
chemische und isotopische Zusammensetzung von Schmelzen des Erdmantels untersucht.
Im ersten Kapitel wird untersucht welchen Einfluss die Wechselwirkung zwischen
Schmelzen des Kohala Vulkans (Hawaii) und der umgebenden Kruste während des
Magmentransports und der Magmendifferenzierung auf die Os Isotopenzusammensetzung der
Schmelze hat. Da die Os Konzentration der Schmelze entscheidend dafür ist wie stark die
187 188Os/ Os Werte durch Assimilation von umgebendem Krustenmaterial beeinflusst werden,
werden in einem ersten Schritt die Variation der Konzentrationen der Platin Gruppen Elemente
während der magmatischen Differenzierung untersucht. Dabei zeigt sich, dass sich das
Verhalten von Os und anderen Platingruppenelementen während der Magmendifferenzierung
ändert. Die Konzentrationen der Paltingruppenelemente in Laven mit primitiver
Zusammensetzung bleiben relativ konstant, nehmen aber stark ab sobald die Laven einen MgO Gehalt von etwa 8wt. % unterschreiten. Dieser Effekt geht wahrscheinlich auf die
Schwefelsättigung und die damit beginnende Schwefelfraktionierung der Magmen bei etwa 8%
MgO zurück. Tholeiite mit mehr als 8% MgO und hohen Os Gehalten haben homogene
187 188Os/ Os Werte, die sehr wahrscheinlich der des aufschmelzenden Erdmantels unter Kohala
entsprechen. Die Os Isotopenverhältnisse steigen allerdings mit abnehmendem Os Gehalt der
Magmen an, was ein Hinweis für Assimilation der lokalen Kruste während der fraktionierten
Kristallisation ist. Assimilation von weniger als 8% der oberen ozeanischen Kruste ist
ausreichend um die radiogensten Osmium-Isotopeverhältnisse der Kohala Laven zu erklären. Da
solch relative geringe Mengen an assimilierter Kruste keinen nennenswerten Effekt auf die Sr
und Nd Isotopenverhältnisse haben, kann die beobachtete Variation der Sr und Nd
Isotopenverhältnisse nicht allein auf diesen Effekt zurückgeführt werden.
Im zweiten Kapitel werden die Auswirkungen von partieller Schmelzbildung und
fraktionierter Kristallisation auf die Haupt- und Spurenelementkonzentrationen der Kohala
Laven untersucht. Mit Hilfe von inversen Spurenelementmodellierungen wurden zudem die
Spurenelementkonzentrationen in der Mantelquelle geschätzt. Die errechneten
Spurationen zeigen eine leichte Verarmung der leichten Seltenen Erd
Elemente gegenüber den inkompatibelsten Spurenelementen, was zeigt dass deren Anreicherung
in den Schmelzen allein ein Resultat der partiellen Schmelzbildung ist und nicht auf eine
Anreicherung dieser Element relativ zu den leichten Seltenen Erd Elemente in der Mantelquelle
zurückzuführen ist. Die niedrigeren Sr/Nd und La/Th Verhältnisse der Kohala Laven im
Vergleich zu Laven von Mauna Loa zeigen zudem, dass diese Laven den Laven des
sogenannten “Kea Trends” zuzuordnen sind.
Im letzten Kapitel wird die chemische Entwicklung mafischer Laven von Tubuai anhand
deren Spurenelement- und Sr, Nd, Hf Isotopenvariationen untersucht. Die Sr, Nd, und Hf
Isotopenverhältnisse in allen Laven sind homogen, was auf den Ursprung der Laven aus einer
homogenen Mantelquelle hindeutet. Sie sind typisch für Ozeaninselbasalte des HIMU Typs. Die
zunehmende Anreicherung an inkompatiblen Spurenelementen mit zunehmender Alkalinität der
Laven lässt auf Entstehung durch zunehmend niedrigere partielle Schmelzgrade schließen. Die
damit einhergehende relative Verarmung an Rb, Ba, K, Nb, Ta and