Late-magmatic to hydrothermal processes in the Ilímaussaq intrusion, South Greenland

Abstract

The 1.16 Ga old, persodic Ilímaussaq intrusion in South Greenland solidified at a depth of about 3 to 4 km, between the granitic basement and the sandstones and pillow-bearing basalts of the Eriksfjord Formation. The intrusion consists of alkali granite, syenites, and agpaitic nepheline syenites, which are cut by late-magmatic veins. This thesis deals with late-magmatic to hydrothermal processes in the Ilímaussaq complex and focuses on the fluid phase. The late-stage fluids are of major interest, since they are capable of mobilising, transporting, and redistributing trace elements. Their special nature may lead to a local enrichment of rare and incompatible elements like Zr, Nb, Ta, and REEs even to economic levels. The first part of this study concerns an endoskarn assemblage, whose occurrence is quite extraordinary regarding the Na-dominated intrusion and the lack of carbonate rocks. The second part deals with the geochemical and isotopic composition of the late-magmatic to hydrothermal fluid present at Ilímaussaq. The endoskarn assemblages comprising the Ca-silicates ilvaite, epidote and Ca-rich garnet occur along fracture zones within the Ilímaussaq intrusion. In contrast to typical skarn assemblages, the Ilímaussaq endoskarns contain albite as a main phase and they did not form in metacarbonate rocks, as these are completely lacking in the vicinity of the intrusion. Instead, the studied endoskarns record late-magmatic to hydrothermal interaction of possibly external Ca-rich fluids with the alkaline to agpaitic rocks and still clearly reflect the magmatic textures of the precursor rocks. Phase relations in the two endoskarn varieties with epidote + albite + Ca-rich garnet ± ilvaite ± retrograde prehnite suggest formation conditions of about 500 °C at high oxygen fugacities slightly above the HM oxygen buffer (FMQ +5 to +7), with later small modifications due to fluid influx or cooling of the original fluid at about 300-350 °C (formation of prehnite) and at about 200-250 °C (oxygen isotopic reequilibration of the albite). One model for the formation of the observed assemblages suggests the decomposition of Ca-bearing minerals like primary eudialyte, clinopyroxene or ternary feldspar and redistribution of the Ca by a metasomatizing late-magmatic fluid. Stable isotope (O, H) investigations, however, favour a model in which seawater was the metasomatizing fluid, which entered the Eriksfjord basalts above the intrusion, reacted with them (spilitization) and brought about 10E-3 mol/L Ca along fractures into the metasomatized rocks. Fluid-rock interaction in the Eriksfjord basalts is documented by abundant chlorite-epidote-quartz assemblages while high fluid/rock ratios allowed the fluid to retain its seawater oxygen isotope composition. Late-magmatic veins, which were investigated in terms of fluid inclusions and stable isotopes in the second part of this study, consist of albite, aegirine, ussingite, fluorite, or, very rarely, quartz and are common in the Ilímaussaq intrusion. The oxygen isotopic composition of the minerals indicates different origins for the quartz veins: while the veins in the alkali granite are orthomagmatic, the veins in augite syenite were either derived from fluids that entered the intrusion from the granitic country rocks or they formed by digestion of, or reaction with, sandstone xenoliths in this rock unit. While albite and aegirine do not contain fluid inclusions suitable for investigations, ussingite contains pure hydrocarbon fluid inclusions and fluorite saline brine inclusions of primary and secondary origin. Quartz comprises predominantly primary and secondary NaCl-dominated brine inclusions with up to 29.7 wt.% NaCl(equiv.) or CH4-H2O-NaCl mixtures. These fluids are interpreted to reflect the fluids in equilibrium with the late-stage melts at Ilímaussaq. The carbon and hydrogen isotope composition of the methane in fluid inclusions in quartz resembles the signature of thermogenic methane, but the higher hydrocarbons are mostly 13C-depleted in relation to methan, which is typical of abiogenically-derived hydrocarbons. The carbon and hydrogen isotope composition of methane in ussingite, is similar to earlier analyses of Ilímaussaq methane, and suggests a magmatic origin. Ion-chromatography of fluid inclusion leachates from the late-stage veins reveals Cl/Br ratios of about 100. As such values seem to be a typical feature of peralkaline magmatic rocks, at least in the Gardar Province of South Greenland, it is suggested that this ratio is typical of Gardar magmatic fluids and may be characteristic of the Cl/Br ratio of the lithospheric mantle from which these alkaline melts were derived. The geochemical composition of the late-stage aqueous fluids shows some variability, but is dominated by sodium chloride and minor to trace amounts of, for example, calcium, potassium, iron, uranium, and fluorine.

Die 1,16 Ga alte persodische Ilímaussaq Intrusion in Südgrönland erstarrte in 3 bis 4 km Tiefe zwischen dem granitischen Grundgebirge und der Wechselfolge von Sandsteinen und Basalten der Eriksfjord Formation. Die Intrusion besteht aus Alkaligraniten, Syeniten und agpaitischen Nephelinsyeniten, die von spätmagmatischen Adern durchdrungen sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit spätmagmatischen bis hydrothermalen Prozessen innerhalb der Intrusion mit Schwerpunkt auf der Fluidphase. Das Verständnis dieser Prozesse ist von großem Interesse, da auf diesem Weg seltene und inkompatible Elemente wie Zr, Nb, Ta und REEs remobilisiert, transportiert und bis zu ökonomisch relevanten Größen angereichert werden können. Im ersten Teil der Arbeit wird die Entstehung einer Endoskarn-Paragenese untersucht, deren Auftreten innerhalb der Na-dominierten Intrusion ungewöhnlich ist, da es keine Karbonatgesteine im Umfeld gibt. Der zweite Teil behandelt die geochemische und isotopische Zusammensetzung des spätmagmatisch bis hydrothermalen Ilímaussaq Fluids. Die Endoskarn-Paragenese tritt entlang von Bruchstrukturen in der Intrusion auf und umfasst Ilvait, Epidot und Ca-reichen Granat. Anders als typische Skarnen haben die Endoskarne in Ilímaussaq jedoch Albit als Hauptbestandteil und bildeten sich nicht in Zusammenhang mit Metakarbonaten. Stattdessen spiegeln sie eine spätmagmatische bis hydrothermale Wechselwirkung eines Ca-reichen, möglicherweise externen Fluids mit den alkalinen bis agpaitischen Gesteinen der Intrusion wider. Die Texturen der Endoskarne zeigen noch die magmatischen Texturen ihrer Vorgängergesteine. Phasenbeziehungen der zwei Endoskarn-Varietäten, die aus Epidot + Albit + Granat ± Ilvait ± Prehnit bestehen, lassen Bildungsbedingungen von ~500 °C bei hoher Sauerstofffugazität (FMQ +5 bis +7) vermuten. Durch erneuten Fluid-Einfluss oder durch Wechselwirkung mit dem noch vorhandenen, abgekühlten Fluid wurde der Mineralbestand bei 300 bis 350 °C (Bildung von Prehnit) und die Sauerstoffisotopie bei ~200 bis 250 °C (Reequilibrierung des Albits) nochmals verändert. Ein möglicher Prozess, der zur Bildung der Paragenesen führen könnte, ist der Zerfall von kalziumhaltigen Mineralen, wie Eudialyt, Klinopyroxen und ternärem Feldspat und die Umverteilung des Kalziums durch ein spätmagmatisches, metasomatisches Fluid. Die Untersuchung stabiler Isotope (O, H) legt jedoch nahe, dass Meerwasser das wechselwirkende Fluid war. Meerwasser drang in die Basalte oberhalb der Intrusion ein, führte zu deren Spilitisierung und transportierte ca. 10E-3 mol/L Ca entlang von Rissen in die alterierten Gesteine. Eine Wechselwirkung zwischen Fluid und Gestein innerhalb der Basalte ist durch das Auftreten der Paragenese Chlorit-Epidot-Quarz belegt. Hohe Fluid/Gesteins-Verhältnisse ermöglichten, dass das Meerwasser die Sauerstoffisotopie beibehielt. Spätmagmatische Adern, die im zweiten Teil dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Fluideinschlüsse und Isotopie untersucht wurden, gehören zum typischen Erscheinungsbild der Ilímaussaq Intrusion. Die Adern beinhalten Albit, Ägirin, Ussingit, Fluorit und in seltenen Fällen auch Quarz. Die Sauerstoffisotopie der Minerale deutet auf verschiedene Entstehungen der Quarz-Adern hin: während die Adern im Alkaligranit orthomagmatischen Ursprungs sind, entstanden die Quarz-Adern im Augit-syenit entweder aus Fluiden, die aus dem granitischen Umgebungsgestein in die Intrusion eingedrungen sind oder aus der Aufarbeitung oder Reaktion mit Sandsteinxenolithen innerhalb der Gesteinseinheit. Ussingit beinhaltet reine Kohlenwasserstoffflüssigkeitseinschlüsse und Fluorit eingeschlossen salinare Lösungen primären und sekundären Ursprungs. Quarz enthält vorwiegend primäre und sekundäre NaCl-dominierte Einschlüsse, die bis zu 29.7 Gew.% NaCl(equiv.) enthalten, oder CH4-H2O-NaCl-Gemische. Diese Fluideinschlüsse repräsentieren höchstwahrscheinlich das Fluid, das mit den späten Ilímaussaq Schmelzen im Gleichgewicht stand. Die Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopie von im Quarz eingeschlossenem Methan gleicht der Signatur von thermogenem Methan, aber die höheren Kohlenwasserstoffe sind im Vergleich zum Methan meist an 13C verarmt, typisch für abiogen entstandene Kohlenwasserstoffe. Die Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopie des Methans in Ussingit ähnelt der Signatur bereits existierender Analysen von Methan der Ilímaussaq Intrusion und deutet auf einen magmatischen Ursprung hin. Ionenchromatographische Untersuchungen der Fluide erbrachte Cl/Br-Verhältnisse um 100. Solche Werte scheinen für peralkaline magmatische Gesteine, zumindest in der Gardar Provinz Südgrönlands, typisch zu sein. Das deutet darauf hin, dass das Verhältnis charakteristisch für den lithospherischen Mantel ist, aus dem die alkalinen Schmelzen stammen. Die chemische Zusammensetzung der späten wässrigen Fluide zeigt eine gewisse Variabilität, ist aber charakterisiert durch Natriumchlorid und geringere Mengen von unter anderem Kalzium, Kalium, Eisen, Uran und Fluorid.