Petrologische und geochemische Untersuchungen an alkalinen, peralkalinen und agpaitischen Magmatiten der mittelproterozoischen Gardar-Provinz, Südgrönland

Abstract

Kapitel 1 stellt die Ergebnisse einer petrologischen und isotopengeochemischen Studie an relativ primitiven Ganggesteinen im Westen der Gardar-Provinz zusammen. Die detaillierte Untersuchung der Entwicklung der chemischen Zusammensetzung der wichtigsten Mineralphasen der Ganggesteine zeigen, dass fraktionierende Kristallisation dieser Mineralphasen eine bedeutende Rolle bei der Genese der verschiedenen Gesteinstypen spielt. Die O-, Sr-, Nd- und Os-isotopische Untersuchungen zeigen allerdings auch, dass die Mutterschmelzen der Isortoq-Gesteine zwar ursprünglich aus Mantelregionen stammen, diese jedoch durch Assimilation von krustalem Material chemisch und isotopisch verändert wurde. Eine Quantifizierung der Assimilationsvorgänge ergab maximal etwa 10 % Unterkrusteneinfluß bei den am stärksten kontaminierten Gesteinen. Kapitel 2 bis 4 beschäftigen sich mit der Petrologie und Geochemie der hochfraktionierten Alkalimagmatite der Gardar-Provinz. Die geochemische und isotopische Entwicklung der untersuchten Magmatite wird durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedenster Prozesse gesteuert. Fraktionierende Kristallisation und krustale Kontamination sind die beiden wesentlichen Prozesse, die den Fraktionierungspfad der Mutterschmelze mitbestimmen. Das Auftreten von SiO2-untersättigten und SiO2-übersättigten Intrusionen innerhalb der Gardar-Provinz ist durch die unterschiedliche Bedeutung von krustaler Kontamination für die einzelnen Intrusivkörper zu erklären. SiO2-untersättigte Intrusionen entwickeln sich im wesentlichen durch fraktionierende Kristallisation von alkalibasaltischen Schmelzen im geschlossenen System. Im Gegensatz dazu stellen SiO2-übersättigte Intrusionen vermutlich stärker kontaminierte Äquivalente der selben Mutterschmelzen dar, für die eine Entwicklung im offenen System angenommen werden muss. Die primären geochemischen und isotopischen Charakteristika können allerdings durch sekundäre Prozesse wie hydrothermale und post-magmatische Alteration, Sub-Solidus Re-äquilibrierung und dem Einfluss externer (meteorischer) Fluidquellen überprägt werden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Anfälligkeit bzw. Resistenz gegenüber solchen Prozessen ist die Kombination von verschiedenen stabilen und radiogenen Isotopensysemen (H, O, Sr, Nd, Os) ein gut geeignetes Werkzeug diese unterschiedlichen Prozesse zu unterscheiden. In vielen Fällen zeigt die detaillierte Analyse verschiedener Mineralparagenesen peralkaliner Plutonite eine komplizierte und mehrstufige Entwicklungsgeschichte an. Die Analyse von Gesamtgesteinsproben würde in solchen Fällen nur zu Durchschnittswerten führen und daher eine vernünftige geologische Interpretation nicht zulassen. Nur die genaue Trennung und Analyse der verschiedenen Mineralparagenesen und die dadurch erst mögliche Differenzierung der einzelnen beteiligten Prozesse kann zu verlässlichen Aussagen und Interpretationen zur Magmengenese und zur spätmagmatischen Entwicklung in solchen Gesteinstypen führen. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse einer Spurenelementstudie an mafischen Mineralen (Klinopyroxene und Amphibole) dreier Alkaligesteinsintrusionen der Gardar-Provinz präsentiert. Beide untersuchten Minerale zeigen in ihrer Hauptelementzusammensetzung einen Entwicklungstrend von Ca-dominierten über intermediäre bis hin zu Na-dominierten Gliedern. Prinzipiell sind alle untersuchten Minerale durch sehr hohe Gehalte an inkompatiblen Spurenelementen gekennzeichnet, die im Vergleich zum durchschnittlichen primitiven Mantel teilweise bis zu 10000-fach angereichert sind, was einen hochfraktionierten Charakter der Gesteine impliziert. Die beiden wichtigsten Prozesse, die den Einbau von Spurenelementen in die betreffenden Minerale steuern sind einerseits die chemische Zusammensetzung und die Struktur der Schmelzen oder Fluidphasen, aus denen sie kristallisieren und zum anderen kristallchemische und strukturelle Voraussetzungen des betreffenden Minerals. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass diese beiden Faktoren für verschiedene, nach ihrem geochemischen Verhalten verwandte Elementgruppen, von unterschiedlicher Bedeutung sein können. Die Verteilung der meisten Spurenelemente zwischen Klinopyroxen und Amphibol scheint relativ unabhängig von der Schmelzzusammensetzung und der Hauptelementzusammensetzung der Minerale zu sein. Im Vergleich mit Literaturdaten aus basaltischen, basanitischen und ultramafischen Systemen zeigt sich eine große Übereinstimmung mit den hier bestimmten Verteilungskoeffizienten, trotz bedeutender Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Schmelzen und der Kristalle. Für einen Grossteil der Spurenelemente zeigt sich eine leichte Präferenz für Amphibol. Einige Elemente (v. a. Rb, U, Th, Ba) weichen stark von dieser Tendenz ab. Dies wurde in solchen Proben beobachtet, in denen intensive hydrothermale und autometasomatische Prozesse vermutlich zu einer sekundären Umverteilung dieser Elemente führten.

Chapter 1 presents the results of a petrological and isotope-geochemical study of relatively primitive dyke-rocks from the western part of the Gardar Province. Detailed investigations on the chemical composition of the major mineral phases show that fractional crystallization is a major process in the genesis of the various dyke rocks. Based on O-, Sr-, Nd-, and Os-isotopic data, a principal mantle origin for the parental melts is indicated, which were, however, chemically and isotopically modified by crustal assimilation during ascent. Quantification of these assimilation processes indicates a maximum amount of about 10 % of lower crustal material for the most contaminated rock types. Chapter 2 to 4 deal with the petrology and geochemistry of highly fractionated alkaline rocks of the Gardar Province. The chemical and isotopic evolution of these rocks is governed by the complex interaction of various processes including fractional crystallization and crustal contamination as the major processes. The occurrence of silica-oversaturated and silica-undersaturated intrusive complexes within the Gardar Province can be explained by different amounts of crustal contamination within the various complexes. Whereas silica-undersaturated complexes mainly evolve via fractional crystallization of alkali basaltic melts under closed-system conditions, silica-oversaturated complexes may represent more contaminated equivalents of comparable parental melts, for which an open-system evolution must be assumed. The primary geochemical and isotopic characteristics may be altered by secondary processes including hydrothermal and post-magmatic alteration, sub-solidus re-equilibration and the influx of external fluid sources. Because of their variable resistance against such secondary processes, a combination of stable (H, O) and radiogenic (Sr, Nd, Os) isotope systems seems to be very useful in deciphering these different processes. In many cases the detailed analysis of the different mineral assemblages in peralkaline plutonic rocks revealed a complicated and multi-source evolution. Whole-rock analyses in similar cases would be inadequate and lead to complex results and wrong geologic interpretations. Even mineral separates may be problematic if adequate conclusions on magma genesis and late-stage history are desired, since some of the processes mentioned above may overlap each other. Chapter 5 presents results of a trace element study on mafic minerals (clinopyroxene and amphibole) of three alkaline plutonic complexes of the Gardar Province. The major element chemical composition of the investigated clinopyroxenes and amphiboles evolves from Ca-dominated via intermediate to Na-dominated members. In general, most trace elements are highly enriched compared to primitive mantle values, which is in accordance with the highly evolved character of the host rocks. The major processes influencing the relative trace element abundances in both minerals are the chemical composition of the parental melts/fluids and crystal chemical controls. We found that the relative influence of these two factors varies for different groups of geochemically similar elements. In general, the partitioning of most trace elements between clinopyroxene and co-genetic amphibole seems to be fairly independent of melt composition or major element composition of the host crystals. Most trace elements show a slight preference for amphibole, which is most pronounced for Nb, Ta, U, Th, Rb, Ba and Li. Exceptions to this general trend occur in rocks affected by late-stage fluid circulation resulting in the re-distribution of some mobile elements.