Experimental studies on phase relations in iron-rich peralkaline phonolitic melts

Abstract

The experimental investigation of phase equilibria is a powerful method to study the formation of magmatic rocks. This work presents phase equilibrium experiments investigating an iron-rich peralkaline phonolitic composition with variable fluorine and chlorine contents. The starting composition represents a dyke rock, which is a possible parental melt to the peralkaline Ilímaussaq plutonic complex (South Greenland). The dyke composition is perfectly suited for performing phase equilibrium experiments since, in contrast to the Ilímaussaq plutonic rocks, no major cumulate formation processes occurred. Experiments were performed isobarically (100 MPa) at 1000 - 650 °C with variable H2O concentrations (nominally dry to H2O-saturated) and oxygen fugacities (Δ log FMQ - 4 to +1, where FMQ represents the fayalite-magnetite-quartz oxygen buffer). Experimental conditions were applied using gold capsules and graphite-lined gold capsules in an internally heated argon pressure vessel and rapid-quench cold seal pressure vessels. To cover this large T interval a two-step fractional crystallization strategy was applied where glasses, representing residual melt compositions at 800 °C, were synthesized as starting material for consecutive experiments at lower T. The observed mineral phases coexisting with residual melt are titanomagnetite, fayalitic olivine, clinopyroxene, aenigmatite (Na2Fe5TiSi6O20), alkali feldspar and nepheline ( ±native iron). Above 1.5 wt% F in the coexisting melt, fluorite (CaF2) and hiortdahlite (Ca6Zr2Si4O16F4) are stable in favor of clinopyroxene. Sodalite (Na8Al6Si6O24Cl2) and eudialyte (Na15Ca6Fe3Zr3Si26O73(OH)3Cl2) form at Cl melt concentrations of 0.2 - 0.5 wt% (depending on T) and ZrO2 melt concentrations higher than 0.7 wt%, are additionally needed to stabilize hiortdahlite and eudialyte. The phenocryst assemblage of the dyke rock was reproduced at 850 - 800 °C, nominally dry conditions and Δ log FMQ -2. Except amphibole, all major mineral phases of the groundmass assemblage were reproduced at < 750 °C in H2O-poor experiments at Δ log FMQ -1. Therefore, both the phenocryst assemblage and the groundmass assemblage of the dyke rock may crystallize from one peralkaline melt through fractional crystallization. This may indicate that the Ilímaussaq plutonic rocks evolved from one single magma batch. Geothermometry in such highly evolved peralkaline rocks is often complicated by the absence of Fe-Ti oxides, olivine and clinopyroxene. Erroneous results were obtained when testing several thermometers with experimental data from the present study. Therefore, these experiments were used to calibrate four new geothermometers based on the distribution of Mn between clinopyroxene, aenigmatite, eudialyte and melt, and Na/Ca partitioning between clinoyproxene and melt. Preliminary experiments with REE-doped (Nb, La, Ce, Y and Sr) starting compositions show that phase stabilities and the liquid line of descent are similar to experiments using the same starting composition without trace elements, supporting the significance of the experimental results using simplified starting compositions with respect to nature.

Die experimentelle Untersuchung von Phasengleichgewichten ist eine leistungsfähige Methode um die Bildung magmatischer Gesteine zu untersuchen. Diese Arbeit präsentiert Phasengleichgewichtsexperimente an Eisen-reichen peralkalinen phonolitischen Schmelzen mit unterschiedlichen Fluor- und Chlor-Gehalten. Die Ausgangszusammensetzung entspricht einem Ganggestein, das eine mögliche parentale Schmelze für die peralkalinen Plutonite der Ilímaussaq Intrusion (Südgrönland) darstellt. Diese Zusammensetzung ist ideal zur Durchführung von Phasengleichgewichtsexperimenten, weil sie im Gegensatz zu den plutonischen Ilímaussaq-Gesteinen nicht von Kumulat-bildenden Prozessen beeinflusst ist. Die Experimente wurden beim konstantem Druck (100 MPa) bei 1000 - 650 °C und variablen H2O (nominell trocken bis H2Ogesättigt) und variablen Sauerstofffugazitäten durchgeführt (Δ log FMQ -4 bis +1, FMQ entspricht dem Fayalit-Magnetit-Quarz Sauerstoffpuffer). Die Experimente wurden unter Verwendung von Goldkapseln und Gold-Graphit Doppelkapseln in extern beheizten Hydrothermalautoklaven und einer intern beheizten Gasdruckanlage (mit Argon als Druckmedium) durchgeführt. Um das große Temperaturintervall abzudecken wurden neue Ausgangsgläser entsprechend koexistierenden Schmelzen in Experimenten bei 800 °C für Experimente bei niedrigeren Temperaturen synthetisiert. Die synthetisierten Mineralphasen koexistierend mit Restschmelze sind Titanomagnetit, Fayalit-reicher Olivin, Klinopyroxen, Aenigmatit (Na2Fe5TiSi6O20), Alkalifeldspat und Nephelin (±gediegen Eisen). Bei über 1,5 Gew.% F in der koexistierenden Restschmelze wird Klinopyroxen von Fluorit (CaF2) und Hiortdahlit (Ca6Zr2Si4O16F4) ersetzt. Sodalit (Na8Al6Si6O24Cl2) und Eudialyt (Na15Ca6Fe3Zr3Si26O73(OH)3Cl2) benötigen, abhängig von der Temperatur, 0,2 - 0,5 Gew.% Cl in der Restschmelze. Außerdem sind Hiortdahlit und Eudialyt nur stabil, wenn die Restschmelzzusammensetzung mindestens 0,7 Gew.% ZrO2 beinhaltet. Die frühmagmatischen Phänokristalle des untersuchten Ganggesteins wurden bei 850 - 800 °C und nominell H2O-freien und reduzierten Bedingungen (Δ log FMQ -2) experimentell reproduziert. Abgesehen von Amphibol konnten die spätmagmatischen Minerale der Grundmasse bei Temperaturen unter 750 °C, einer H2O-armen koexistierenden Restschmelze und reduzierten Bedingungen (Δ log FMQ -1) reproduziert werden. Folglich können bei fraktionierter Kristallisation sowohl die Phänokristall-Paragenese als auch die Minerale der Grundmasse des Ganggesteins aus einer peralkalinen Schmelze kristallisieren. Das ist ein Hinweis darauf, dass der Ilímaussaq Komplex sich aus einem einzigen Schmelzschub gebildet haben kann. Geothermometrie in solch hochentwickelten peralkalinen Gesteinen ist häufig durch das Fehlen von Fe-Ti Oxiden, Olivin und Ca-reichem Klinopyroxen erschwert. Verschiedene Thermometer wurden anhand der experimentellen Daten dieser Arbeit getestet und erwiesen sich als unzureichend zur Temperaturabschätzung. Daher wurden neue Geothermometer entwickelt, die auf dem Verteilungsverhalten von Mn zwischen Klinopyroxen, Aenigmatit, Eudialyt und Schmelze sowie den Na/Ca Verhältnissen zwischen Klinopyroxen und Schmelze beruhen. Vorläufige Ergebnisse von Experimenten mit Ausgangsgläsern, die zusätzliche Spurenelemente enthalten (Nb, La, Ce, Y und Sr) zeigen, dass Phasenstabilitäten und Restschmelzentwicklung ähnlich den Spurenelement-freien Experimenten sind. Diese Beobachtung unterstützt die Aussagekraft von Experimenten mit vereinfachten synthetischen Ausgangszusammensetzungen bezüglich natürlicher Prozesse.