Distinguishing Magmatic and Metamorphic Processes in Peralkaline Rocks Petrogenesis and geochemical evolution of the Norra Kärr Complex, Southern Sweden

Abstract

Der 1,49 Ga alte Norra Kärr-Intrusivkomplex (Schweden) besteht aus deformierten und metamorphisierten peralkalischen Nephelinsyeniten. Norra Kärr liegt im Transskandinavischen Magmatischen Gürtel und wurde entweder 1) als Teil eines Vulkanbogens während des prä-kollisionalen Stadiums der Danopolonischen / Hallandischen Orogenese oder 2) entlang eines aktiven Kontinentalrandes an der südwestlichen Grenze des Fennoskandischen Schildes intrudiert. Die Intrusion ist heute als eine nach Westen einfallende Synform erhalten, die während der Svekonorwegischen Orogenese vor ca. 1,15 Ga unter mäßigen bis hohen grünschieferfazialen Bedingungen deformiert wurde. Die stark verfalteten Gesteine sind eine ideale Fallstudie, um die Effekte magmatischer und metamorpher/hydrothermaler Prozesse in alkalischen Gesteinen sowie die Rolle der Metamorphose bei der Anreicherung und Umverteilung von Seltenerdelementen (REE) zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden detaillierte petrographische und mineralogische Analysen der verschiedenen Lithotypen durchgeführt. Die Arbeit wurde weiterhin durch mineralchemische Untersuchungen mittels Elektronenstrahl-Mikrosonde sowie mit Spurenelementdaten von Eudialyt und Klinopyroxen ergänzt. Eine primär-magmatische Lagerung ist trotz der intensiven Deformation der Gesteine während der Svekonorwegischen Orogenese erhalten. Die Spurenelementchemie von Eudialyt zeigt gut entwickelte negative Eu-Anomalien und starke Sr- und Ba-Abreicherungen, die gut der Gesamtgesteinsgeochemie entsprechen. Diese implizieren, dass die Nephelinsyenite von Norra-Kärr durch intensive fraktionierte Kristallisation aus einem alkalibasaltischen Magma hervorgegangen sind. Die magmatische Mineralparagenese kristallisierte dabei aus einer subsolvus-syenitischen Schmelze bei kontinuierlich abnehmenden Temperaturen (700-450°C) und Siliciumdioxidaktivitäten (0,6-0,3). Aufgrund der anfänglich relativ niedrigen Peralkalinität unter reduzierenden Bedingungen wurde Zirkonium in Aegirin eingebaut. Die spätere Destabilisierung des Zr-reichen Aegirins deutet auf eine steigende Peralkalinität, Sauerstoff-Fugazität sowie Wasseraktivität hin, welche im Anschluss zur Bildung von frühmagmatischem Katapleiit führten. Die Kristallisation von Mn- und Seltenerdelement-(REE)-armem Eudialyt erfolgte dagegen erst nach ausreichender Anreicherung der Restschmelze mit Cl, REE und HFSE. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die metamorphen Bedingungen während der Svekonorwegisch-Grenvilleschen Orogenese auf Temperaturen zwischen 400 und 550°C und einen Siliciumdioxid-Aktivitätsbereich von 0,25-0,4 geschätzt. Deformation und hydrothermale Alteration führten zur Bildung von postmagmatischem Al-reichen Aegirin. Der Übergang von der magmatischen zur metamorphen Mineralparagenese wird durch die Zunahme des REE-Gehalts in Eudialyt markiert. Die außergewöhnliche Anreicherung von Schweren REE in spätmetamorphem Eudialyt ist auf eine Restanreicherung zurückzuführen: Leichte REE wurden bevorzugt mobilisiert, um lokale sekundäre Minerale zu bilden, während die schweren REE zurückblieben und sich in Eudialyt anreicherten. Insgesamt hat diese Arbeit die systematischen Veränderungen der Mineralchemie von Eudialyt und Klinopyroxen mithilfe von feldgeologischen und petrographischen Methoden beleuchtet, und die magmatische sowie die metamorphe Geschichte des Norra Kärr-Intrusivkomplexes rekonstruiert. Die so neu gewonnenen Erkenntnisse über das Verhalten gesteinsbildender Silikate in alkalischen Gesteinen bei mittlerer grünschiefer- bis unterer amphibolitfazialer Metamorphose können auf andere metamorphisierte peralkalische Gesteinen übertragen bzw. an solchen getestet werden.

The 1.49 Ga Norra Kärr complex (Sweden) consists of a layered succession of deformed and metamorphosed peralkaline nepheline syenites. The complex was emplaced into the Transscandinavian Igneous Belt either in a volcanic arc setting during the pre-collisional stage of the Danopolonian or Hallandian orogeny or, alternatively, in an active margin setting along the southwestern border of the Fennoscandian Shield. The Norra Kärr intrusive rocks are preserved within a westward-dipping synform, deformed and metamorphosed at moderate to high greenschist-facies conditions during the Sveconorwegian orogeny at 1.15 Ga. Due to the marked metamorphic overprint, the nepheline syenites of the Norra Kärr complex are used in this dissertation as a case study to distinguish the effects of magmatic and metamorphic/hydrothermal processes on the (re-)distribution of high field strength and rare earth elements (REE) in alkaline rocks. For this purpose, a detailed petrographic and mineralogical investigation of the different lithotypes that constitute the Norra Kärr Complex was carried out and combined with studies on the elemental composition of the ore-forming minerals based on electron probe microanalyses. This was further complemented by trace element data for eudialyte-group minerals and clinopyroxenes using laser ablation inductively-coupled mass spectrometry. Regardless of the intense deformation during the Sveconorwegian–Grenvillian orogeny, indications for primary magmatic layering of the Norra Kärr intrusion are retained. The trace element chemistry of eudialyte-group minerals mimic whole-rock compositions and display well-developed negative Eu-anomalies and strong Sr- and Ba-depletions in chondrite-normalized diagrams. These imply that the Norra Kärr nepheline syenites formed by intense fractional crystallization from an alkali basaltic parental magma. The magmatic mineral assemblage crystallized from a subsolvus syenite melt at continuously decreasing temperatures (700–450°C) and silica activity (0.6–0.3). Owing to initially relatively low peralkalinity and reducing conditions, zirconium was first incorporated into aegirine. Subsequent destabilization of the Zr-rich aegirine indicates increasing peralkalinity, oxygen fugacity and water activity, which resulted in the formation of early magmatic catapleiite. Later crystallization of magmatic Mn- and REE-poor eudialyte-group minerals happened as soon as Cl, REE and high field strength elements were sufficiently enriched in the residual melt. Metamorphic conditions during the Sveconorwegian–Grenvillian orogeny are constrained to temperatures between 400 and 550°C and a silica activity range of 0.25–0.4. Because of deformation and interaction with hydrothermal fluids, post-magmatic Al-rich aegirine as well as post-magmatic eudialyte-group minerals enriched in REE, Y and Mn were formed. The transition from a magmatic to a metamorphic environment is also recorded by an increase of the REE-content of eudialyte-group minerals. An exceptional enrichment of heavy REE in late metamorphic eudialyte may be the result of residual enrichment: light REE were preferentially mobilized to form local secondary light rare earth-rich rinkite-group mineral assemblages, while the heavy REE stayed behind and formed eudialyte enriched in heavy REE. This study has documented systematic changes of the mineral chemistry of eudialyte-group minerals as well as clinopyroxenes of the Norra Kärr Complex. Based on field relationships and petrographic arguments, these changes have been associated with the magmatic and metamorphic history of the complex. New insights are thus provided into the behavior of rock-forming silicates in alkaline rocks under medium greenschist to lower amphibolite facies conditions. The results can be tested on and transferred to other metamorphosed peralkaline rocks.