Petrologische und geochemische Untersuchungen an Magmatiten der Gardar-Provinz, Südgrönland

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe moderner petrologischer, geochemischer und isotopengeochemischer Methoden die Genese alkalischer bis peralkalischer Magmen der Gardar-Provinz in Südgrönland zu untersuchen. Die Gardar-Provinz ist eine intrakontinentale Riftzone mittelproterozoischen Alters, in der die magmatische Aktivität von etwa 1.35 bis 1.14 Ga andauerte. Gegenstand der Untersuchungen von Kapitel 1 sind die Basalte der Eriksfjord Formation (EF). Spurenelementdaten und Sr-Nd Isotopendaten der EF Basalte weisen darauf hin, daß ein an inkompatiblen Spurenelementen verarmter Mantel keine signifikante Rolle in ihrer Entstehung gespielt hat. Seltenerd-Element (SEE)–Daten von Klinopyroxenen und Gesamtgesteinen sind eher vereinbar mit einer OIB-ähnlichen Mantelquelle. Um den steilen Vektor der Datenpunkte der Basalte im Sr-Nd-Isotopenkorrelationsdiagramm zu erklären, wurden AFC Modellierungen durchgeführt. Es zeigte sich, daß Assimilation von weniger als 5% Unterkrustenmaterial den steilen Trend erklären kann, wohingegen Assimilation von Oberkrustenmaterial unwahrscheinlich erscheint. Sauerstoffisotopendaten sind mit diesem Ergebnis kompatibel. In Kapitel 2 werden die Ergebnisse der Arbeiten an den Ganggesteinen der Isortoq-Region vorgestellt. Der Isortoq-Gangschwarm setzt sich aus petrographisch unterschiedlichen Gesteinen zusammen, die von Gabbro bis Syenit reichen, und ist deshalb besonders gut geeignet, um einen möglichen Einfluß von krustaler Assimilation auf die Zusammensetzung intrakontinentaler mafischer Magmen zu untersuchen. Alle geochemischen Charakteristika sind kompatibel mit der Assimilation von partiellen Schmelzen von granulitfaziellen Gneisen der Unterkruste, wie sie im Archaischen Kraton Südgrönlands aufgeschlossen sind. Mit EC-AFC-Modellierungen (Energy Constrained – Assimilation and Fractional Crystallization) konnte eine Quantifizierung des krustalen Beitrags vorgenommen werden. Diese Ergab eine Zufuhr von Unterkrustenmaterial von maximal 10% für die am stärksten kontaminierten Gesteine. Dagegen zeigte sich, dass Assimilation von Oberkrustenmaterial bei der Genese der meisten Ganggesteine kaum bedeutend gewesen sein kann. In Übereinstimmung mit seismischen Daten kann deshalb gefolgert werden, daß archaische Gesteine in größerer Tiefe auch in der Isortoq-Region vorkommen und sich somit weiter nach Süden fortsetzen, als das gegenwärtige Erosionsniveau vermuten läßt. Kapitel 3 befaßt sich mit geochemischen und isotopischen Zonierungsmustern in den Plagioklas-Megakristallen der "Big Feldspar Dikes" (BFDs) des Isortoq-Gangschwarms. In den Plagioklas-Megakristallen der BFDs treten teilweise großmaßstäbliche Oszillationsmuster im Hauptelementchemismus auf, die Wellenlängen von bis zu 2500 µm und eine maximale Amplitude von bis zu 7 mol% Anorthit aufweisen. Vermutlich wurden diese Muster durch Bewegungen der Kristalle in einer kompositionell variablen Magmenkammer hervorgerufen. Zwischen dem Kern der Plagioklaskristalle und dem relativ schmalen (< 600 µm), normal zonierten Rand tritt oft eine deutliche Resorptionsfläche auf, die durch einen scharfen Anstieg im Anorthit-Gehalt (XAn) von bis zu 11 mol% gekennzeichnet ist. Diese Resorptionsflächen werden einem plötzlichen Druckabfall von maximal 10-12 kbar zugeschrieben. Kapitel 4 beinhaltet die Untersuchungen zur Entstehung und Entwicklung des bimodalen Grønnedal-Ika Karbonatit-Syenit–Komplexes. Für die Kristallisation der Syenite konnten Temperaturen von 680-910 °C, Silica-Aktivitäten von 0.28-0.43 und Sauerstofffugazitäten von 2-5 log-Einheiten über dem Fayalit-Magnetit-Quarz (FMQ) – Puffer ermittelt werden. Zum Erreichen dieser relativ hohen fO2-Werte ist eine hohe CO2-Fugazität notwendig, die auch als wichtige Voraussetzung für die Karbonatitentstehung in Grønnedal anzusehen ist. Der Geländebefund und geochemische Charakteristika, wie z.B. Gesamtgesteins- und mineralchemische Fraktionierungsindizes sowie radiogene und stabile Isotopenzusammensetzungen, weisen auf einen Ursprung des Karbonatits durch Entmischung aus einer syenitischen Silikatschmelze hin. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse von Spurenelementuntersuchungen an mafischen Mineralen (Klinopyroxen und Amphibol) dreier Intrusionen der Gardar-Provinz präsentiert, um die Verteilung von Spurenelementen in natürlichen alkalinen Systemen zu studieren. Der Einbau einiger der HFSE ("High Field Strength Elements", z.B. Ti, Zr, Hf, Sn) und der SEE scheint hauptsächlich von der Hauptelementzusammensetzung des Minerals gesteuert zu werden. Die Vergleiche zwischen Gesamtgesteinszusammensetzungen und mittels publizierter Verteilungskoeffizienten berechneter Schmelzchemismen zeigen, dass in hochentwickelten magmatischen Systemen Verteilungskoeffizienten nur sinnvoll verwendet werden können, wenn die Mineralchemie und der Chemismus der Systems berücksichtigt werden.

The aim of the present study was to investigate the petrogenesis of alkaline to peralkaline magmas of the Gardar Province in South Greenland with modern petrological and geochemical methods. The Gardar Province is an intracontinental rift zone with magmatic activity lasting from about 1.35 to 1.14 Ga. In chapter 1, the Eriksfjord Formation (EF) basalts are investigated. Trace element and Sr-Nd isotope data suggest that a depleted mantle source did not play a significant role in their genesis. REE data from clinopyroxenes and whole-rocks are instead compatible with a mantle source containing OIB components. To explain the steep vector of the basalts in the Sr-Nd isotope correlation diagram, AFC modelling was carried out. The trend can be explained with assimilation of less than 5% lower crustal material, whereas contamination with upper crustal rocks appears to be unlikely. Oxygen isotope data are compatible with this result. In chapter 2, the results of a study about the petrogenesis of dike rocks form Isortoq are presented. The Isortoq dike swarm consists of petrographically variable rocks from gabbro to syenite. All geochemical features are compatible with assimilation of granulite-facies gneisses of the lower crust, which are exposed on the Archean craton of South Greenland. Using EC-AFC modelling equations, it was shown that the amount of assimilated lower crustal material could reach 10% for the most contaminated rocks. Assimilation of upper crustal material does not appear to have been significant. In agreement with seismic data, it can be concluded that Archean rocks occur at greater depth in the Isortoq region and reach further south than presently exposed. Chapter 3 presents geochemical and isotopic zoning patterns in plagioclase megacrysts of the "Big Feldspar Dikes" (BFDs) of the Isortoq dike swarm. In the megacrysts, there are oscillation patterns in the major element chemistry with wavelengths up to 2500 µm and maximal amplitude of up to 7 mol% anorthite. It seems likely that these patterns are the result of movements of the crystals in a compositional variable magma chamber. Between the core of the crystals and the relatively small (< 600 µm), normal zoned rim there is often a sharp resorption surface, marked by a sharp increase the anorthite content of up to 11 mol%. These resorption surfaces can be explained by a sudden pressure decrease of 10-12 kbar. In chapter 4, the petrogenesis of the bimodal Grønnedal-Ika carbonatite-syenite complex is investigated. For the syenites, temperatures of 680-910 °C, silica activities of 0.28-0.43 and oxygen fugacities of 2-5 log units above the FMQ buffer were determined. To reach these high fO2 values, a high CO2 fugacity is required, which is probably a major condition for the formation of the carbonatite at Grønnedal. Field evidence and geochemical features, such as whole-rock and mineral fractionation indices as well as radiogenic and stable isotope data, suggest an origin of the carbonatite via liquid immiscibility from a syenitic silicate melt. In chapter 5, trace element contents of clinopyroxene and amphibole from three intrusions of the Gardar Province are compared to study the distribution of trace elements in natural alkaline systems. The incorporation of some of the HFSE (e.g. Ti, Zr, Hf, Sn) and the REE appears to be mainly controlled by the major element chemistry of the mineral. The comparison of whole-rock compositions with the melt chemistry calculated using mineral melt partition coefficients reveals that the partition coefficients can only be used if the crystal chemistry and the chemistry of the system are taken into account.