Untersuchungen zur Entwicklung von agpaitischen Gesteinen in der Gardar Provinz in Südgrönland

Abstract

Agpaite sind peralkaline Gesteine, die komplexe Na-Ti-Zr-Silikate wie Eudialyt anstelle von Fe-Ti-Oxiden und Zirkon enthalten, und in denen Halogene sowie Spurenelemente (HFSE, SEE) stark angereichert sind. Allerdings sind ihre genauen Bildungsprozesse noch nicht vollständig verstanden. Die 1,3 bis 1,1 Ga alte Gardar Provinz in Südgrönland eignet sich hervorragend für die Untersuchung der Agpaitbildung, da sich hier nicht nur die Typlokalität für Agpaite (Ilímaussaq Intrusion), sondern auch die miaskitische Motzfeldt Intrusion befindet, in der nur ein kleiner Teil Agpaite kristallisierte. Der Übergang von „normalen“ miaskitischen zu agpaitischen Gesteinen wurde daher am Beispiel der Motzfeldt Intrusion untersucht. Eine zweite Studie sollte den Spurenelementgehalt in Fluoriden der Gardar Provinz vergleichen und Aufschluss über mögliche Anreicherungsprozesse liefern. Im dritten Teil wurden Ganggesteine auf ihren Halogengehalt untersucht. Diese gelten als Zufuhrkanäle des Magmatismus der Gardar Provinz und geben somit Einblicke in die Magmenquelle und -entwicklung. Die miaskitischen Gesteine der Motzfeldt Intrusion sind durch Feldspat, Amphibol, Pyroxen, Nephelin, Fe-Ti Oxide, Zirkon und Fluorite gekennzeichnet. Die Agpaite enthalten Aegirin, Feldspat, Nephelin und Eudialyt. Die Gesteine zeigen eine kontinuierliche Entwicklung von Na-Ca-Fe2+(-Mg)-Reichtum in den Miaskiten hin zu Na-Fe3+-Dominanz in den Agpaiten. Bildungstemperaturen reichen von ca. 1000 °C in den Miaskiten bis zu 500 °C in den Agpaiten. Sauerstoff-Fugazitäten schwanken zwischen -0,5 bis -2 (DELTA)FMQ. Die homogene Nd- und O-Isotopensignatur legt eine einheitliche Magmenquelle für beide Gesteinstypen nahe. Das Auftreten von Calcit-Kristallen in niedrigsalinaren Fluideinschlüssen (< 10 Gew.% NaCl eq.) belegt den Einfluss von CO2 in der Entwicklung der Miaskite. In den Agpaiten hingegen treten keine Calcit-Kristalle in Fluideinschlüssen auf. Sie sind vielmehr durch signifikante Mengen von CH4 gekennzeichnet. Die O-H-Isotopie des Fluideinschlusswassers zeigt eine meteorische Signatur, während die Kohlenstoffisotopie von CO2 z.T. auf einen Mantelursprung schließen lässt. Der Übergang von Miaskiten zu Agpaiten kann für die Motzfeldt Intrusion durch die schematische Reaktion 8 FeO + CO2 + 2 H2O = CH4 + Fe2O3 beschrieben werden. Der Wechsel von Fe2+-CO2-dominierten Miaskiten zu Fe3+-CH4-dominierten Agpaiten wird mit abnehmender Temperatur, ansteigendem Alkali-Gehalt und den allgemein reduzierten Bedingungen in Verbindung gebracht. Die SEE Gehalte von Fluoriden und Calciten wurden in den drei Gardar Intrusionen Ilímaussaq, Motzfeldt und Ivigtut untersucht. Alle Proben zeigen in Chondrit-normierten SEE Mustern eine negative Eu Anomalie, die auf eine Feldspatfraktionierung zurückgeführt wird. Primär magmatische Fluorite in Motzfeldt und Ilímaussaq weisen eine nahezu identische Anreicherung der leichten SEE auf, unabhängig ob in agpaitischen oder miaskitischen Gesteinen. Dies lässt auf einen ähnlichen Bildungsprozess und ähnliche Fluorit-Schmelz-Verteilungskoeffizienten sowohl für Miaskite als auch Agpaite schließen. Hydrothermal gebildete Fluorite zeigen unterschiedliche Spurenelementcharakteristika, die auf verschiedene Phänomene wie Komplexierung, Wechselwirkung mit einem (CO2-)F-reichen Fluid, Mobilisierung von Elementen aus dem Umgebungsgestein sowie verschiedene Fluid-Generationen hindeuten. Hydrothermale Proben des granitischen Ivigtut-Komplexes weisen flache bis schwach an schweren SEE angereicherte SEE-Muster auf. Diese Merkmale sowie der stark ausgeprägte Tetrad-Effekt sind typisch für intensive Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen in Si-reichen, hoch-fraktionierten Systemen. Ganggesteine der Gardar Provinz zeigen einen kontinuierlichen Fraktionierungstrend von Basalten zu Trachyten. Die variierenden, geochemischen Eigenschaften der Ganggesteine deuten auf einen Ursprung aus einem heterogenen, metasomatisch überprägten Mantel hin. Die Anreicherung von LILE, LSEE und Sr zusammen mit der Abreicherung an HFSE, Nb und Ti belegen eine Subduktions-bezogene Metasomatose, zu der es während der ketilidischen Orogenese vor ca. 1,8 Ga kam. Die hohen F-Gehalte der Gänge (< 1,2 Gew.%) deutet auf Teilschmelzung des lithosphärischen Mantels hin, in dem F-Apatit und F-Phlogopit auftreten. Cl/Br (Gewichts-) Verhältnisse der Ganggesteine liegen meist über 500 und Cl/F Verhältnisse unter 1. Dies kann auf den Verlust einer Fluidphase im Zuge der Kristallisation der Gänge zurückgeführt werden und wird durch den Vergleich mit Daten von Gesteinen und Fluiden der Ilímaussaq und Ivigtut Intrusionen unterstützt. Die Gesteine/Minerale der Intrusionen haben ähnliche Cl/Br- und Cl/F-Verhältnisse (Cl/Br > 300; Cl/F < 1) wie die Gänge. Jedoch zeigen Fluideinschlüsse komplementäre Verhältnisse: Cl/Br ~100 und Cl/F > 10. Analog zu mit experimentellen Daten verhalten sich die Halogene in der Schmelze somit zunehmend inkompatibel in der Reihenfolge F < Cl < Br.

Apgaitic rocks are peralkaline rocks with complex Na-Ti-Zr silicates like eudialyte instead of common Fe-Ti oxides and zircon and exhibit a strong enrichment of halogens and trace elements (REE, HFSE). However, the detailed processes which form these exotic rocks are not yet fully understood. The 1.3 to 1.1 Ga old failed-rift Gardar Province in South Greenland is very well suited for the investigation of the agpaite formatione. The Province is not only the type locality of agpaitic rocks (Ilímaussaq), but also comprises the Motzfeldt intrusion where only a (volumetrically) small magmatic batch crystallised agpaitic rocks within a large occurrence of miaskitic ones. A second, comparative study of trace elements in fluorides of the Gardar Province provides insights into enrichment processes. Finally, the geochemistry and the halogen contents of primitive dyke rocks from the Gardar Province sheds light on the magmas’ source region and the evolution of the halogens. The rocks of the Motzfeldt intrusion are dominated by feldspar, amphibole, clinopyroxene, nepheline, Fe-Ti oxides, zircon and fluorite. The agpaitic rocks are characterised by aegirine, feldspar, nepheline and varying amounts of eudialyte. The rocks show a continuous evolution from Na-Ca-Fe2+(-Mg) in the miaskitic to Na-Fe3+ enrichment in the agpaitic rocks. Formation temperatures range from ca. 1000 °C in the miaskitic rocks down to 500 °C in the agpaitic rocks. Calculated oxygen fugacities range from -0.5 to -2 (DELTA)FMQ. The homogeneous Nd and O isotopic signatures suggest one single magma source for both rock types. The occurrence of calcite crystals in low salinity fluid inclusions (< 10 wt.% NaCl eq.) testifies the presence of CO2 during the evolution of the miaskitic rocks. Fluid inclusions in the agpaitic rocks lack calcite crystals, however, they contain considerable amounts of methane. The isotopic composition of the inclusions’ water suggests a meteoric origin whereas the carbon isotopes of inclusions’ CO2 partially reflects a mantle origin. The transition from miaskitic to agpaitic rocks in the Motzfeldt intrusion can be explained by a continuous fractionation process summarised by the redox-reaction 8 FeO + CO2 + 2 H2O = CH4 + 4 Fe2O3. The change from Fe2+-CO2 in the miaskites to Fe3+-CH4 in the agpaites is related to decreasing temperature, increasing alkali content and the generally reduced conditions of the rocks. The REE content of fluorides and associated minerals was investigated from three different Gardar intrusions: Ilímaussaq, Motzfeldt and Ivigtut. All investigated samples show a negative Eu anomaly in chondrite-normalised REE patterns which is attributed to feldspar fractionation in the parental magmas. The primary magmatic fluorites from the agpaitic Ilímaussaq intrusion and from the miaskitic and agpaitic parts of the Motzfeldt intrusion show identical enrichments of LREE. This points to a common formation process and similar fluorite-melt partition coefficient irrespective of miaskitic or agpaitic evolution. REE patterns of hydrothermal fluorites reflect the influence of various processes like complexation, migration of a (CO2-) F-rich fluid, country rock leaching and the influence of multiple fluid generations. The hydrothermal samples from the granitic Ivigtut complex show rather flat normalised pattern or a slight enrichment in heavy REE and a strong tetrad effect. These characteristics record extensive fluid-rock interaction in a Si-rich, highly fractionated system. Dyke rocks are common throughout the Gardar Province and exhibit a continuous fractionation trend from basalts to trachytes. The dykes show a diverse geochemistry which is related to a heterogeneous, metasomatised mantle source. The enrichment of LILE, LREE and Sr together with depletion of HFSE, Nb and Ti evidence a subduction-related metasomatism during the Ketilidian orogeny some 600 Ma before the Gardar magmatism. The dykes have high fluorine contents up to 1.2 wt% F which is likely associated to partial melting of lithospheric mantle enriched in F-apatite and F-phlogopite. Cl/Br (weight) ratios are commonly > 500 while Cl/F ratios are < 1. These ratios point to a fluid degassing/separation process during the evolution of the dykes. This is supported by mineral/rock and fluid inclusion data from the Ilímaussaq and Ivigtut intrusions. The rock ratios are similar to the investigated dykes (high Cl/Br > 300; low Cl/F < 1) whereas associated fluid inclusion data have complementary low Cl/Br ~ 100 and high Cl/F > 10. Therefore, halogens show an increasing incompatibility in the Gardar melts in the order F < Cl < Br which is in accordance with published experimental data.