Archean to present day evolution of the lithospheric mantle beneath the Kaapvaal craton : processes recorded in subcalcic garnets, peridotites and polymict breccia

Entwicklung des lithosphärischen Mantles unterhalb des Kaapvaal-Kratons vom Archaikum bis heute : in subkalzischen Granaten, Peridotiten und polymikten Brekzien aufgezeichnete Prozesse

  • The geodynamic processes and the chemical and thermal evolution of the mantle beneath the Kaapvaal craton (South Africa) was investigated with further regard to diamond formation. For this, 31 coarse-grained peridotites and 21 individual subcalcic garnets from heavy mineral concentrates (HMC) from the Finsch mine were studied for their major and trace element compositions, Lu-Hf and Sm-Nd isotope composition. Furthermore, processes in the Earth’s mantle that follow kimberlite sampling and propagation were studied in polymict peridotite breccia from Kimberley mines. Inter mineral equilibrium of the peridotites was tested by comparing the results from different, independent thermometers. These, well equilibrated peridotites stem from a restricted pressure of 5 to 6.5 GPa (depth ~160-200 km) and a temperature range of 1050-1250°C, following the 40 mW/m2 conductive geotherm. The majority of the samples display a well developed anti-correlation of oxygen fugacity with pressure, which is in contrast to the sheared and oxidised, younger kimberlite erupted peridotites from Kimberley. All analysed samples have homogeneous trace element mineral chemistry. Variations in trace elements among Finsch peridotites reflect their complex nature and the intricate development of the subcratonic mantle. The 3.6 Ga is the oldest crustal age recorded in the Kaapvaal craton, and is confirmed by the Lu-Hf model age of a highly radiogenic subcalcic garnet in this study. Therefore, this age probably represents the oldest depletion (partial melting event) of the subcratonic mantle beneath the Kaapvaal craton. Both, subcalcic garnets and Finsch peridotites yield Lu-Hf isochron ages of around 2.5 Ga, which probably represent the last depletion event of the Kaapvaal craton. Several older (than 2.5 Ga) depletions were also necessary to explain higher isochron initials of the both isochrones. The Cr# and HREE concentrations and ratios of the Finsch subcalcic garnets and peridotites indicate that partial melting of the Kaapvaal craton happened at different depths. One group of subcalcic garnets (group-1) experienced depletion at high pressure in the garnet stability field and another one (group-2) at low pressures in the spinel or plagioclase stability field. Major and trace elements indicate that up to 50%, of the melt was remover from the primitive (primer) mantle in at least two melting events. Thus, first continental crust was created early (> 2.5 Ga) from high degrees of partial melting of the lithospheric mantle. According to the Sm-Nd isotope signatures at least two metasomatic events took place significantly after 2.5 Ga. As monitored by group-1 subcalcic garnets, the first enrichment was produced by a fluid and occurred at around 1.3 Ga. The second metasomatic event was much later at 500-300 Ma ago and has changed both Nd and Hf isotopic compositions of group-2 subcalcic garnet as well as some Finsch peridotites. During partial melting any carbon species will be dissolved in the melt and removed from the residue. Therefore, any diamond growth before the last depletion (~2.5 Ga) would have been probably completely removed from the lithospheric mantle. Consequently, carbon was apparently reintroduced into the system, i.e. during Metasomatism, and triggered the growth of diamonds. The Sm-Nd isotope systematics of the subcalcic garnets of this study indicates that enrichment occurred at ~1.3 Ga or later, which implies non-Archean, late diamond growth in Finsch. Fertilisation of the subcontinental craton associated with the percolation of group-2 (~120 Ma) or even younger (~90 Ma) group-1 kimberlites and their precursors are not observed in Finsch peridotites, but are well presented in mantle xenoliths from Kimberley. Therefore, these younger events were studied on specific mantle xenoliths, polymict breccia from Kimberley. A polymict peridotite found at the Boshof road dump, Kimberley, represents a mechanical mixture of upper mantle clasts and minerals (opx, cpx, garnet and olivine) of different lithologies, cemented by fine-grained olivine and minute amounts of interstitial ilmenite, phlogopite and sulphide. According to Ni in garnet thermometry, single porphyroclastic garnets were sampled and mixed during ascent in a 100 km stratigraphic column, starting from ~250 km until ~120 km. During this ascent, melt has reacted with the porphyroclasts and at theirrims neoblastic minerals were formed, i.e. neoblastic opx around opx porphyroclast, neoblastic garnet around garnet porphyroclast, and neoblastic opx around cpx porphyroclast. Analyses of those neoblastic minerals indicate that volatile-rich, kimberlite-like melt was the agent that collected the mantle minerals and amalgamated this xenolith. Several complex processes were responsible for the formation of the polymict breccia. They comprise melt degassing at high pressures that probably created “explosive” Brecciation of the cratonic roots (~250 km), propagation of the melt that collected different porphyroclasts on a way and amalgamation at around 120 km. The whole process of “explosive” brecciation, turbulent transport and mixing of mantle porphyroclasts and melt, porphyroclast dissolution and neoblast precipitation happened very fast and was part of the kimberlite formation. Therefore, the here studied sample probably represents one frozen part (with variable mantle clasts) of the kimberlitic magma precursor, with kimberlite eruption at ~90 Ma years ago in Kimberley.
  • In dieser Arbeit wurde die geodynamische, chemische und thermische Entwicklung des Kaapvaal Kratons (Südafrika) rekonstruiert. Dazu wurden 31 grobkörnige Peridotite und 21 einzelne subkalzische Granate aus Schweremineralkonzentraten der Finsch-Mine, bezüglich ihrer Haupt- und Spurenelementzusammensetzung und ihrer Lu-Hf und Sm-Nd Isotopensystematik, untersucht. Die Prozesse, die in Zusammenhang mit der Förderung von Peridotit-Xenolithen durch Kimberlitischschmelzen stehen, sind an polymikten Brekzien untersucht geworden. Ziel dieser Untersuchungen war es die Entwicklung des Mantels unterhalb des Kaapvaal Kratons zu rekonstruieren, mit Hinblick auf den Zeitpunkt und die Mechanismen der Diamantbildung. Die Anwendung unterschiedlicher unabhängiger Thermometer ergab, dass sich die Proben, bezüglich ihrer Hauptelemente, im Gleichgewicht befinden. Es stellte sich heraus, dass alle Peridotite aus einem beschränkten Druck- und Temperaturbereich (von 5-6.5 GPa und 1050-1250°C) kommen, und auf dem geothermischen Gradient von 40 mW/m2 liegen. Bei allen Peridotiten ist eine negative Korrelation von Sauerstofffugazität und Druck zu beobachten. Dies steht im Gegensatz zu den meisten Peridotiten jüngerer Kimberlitlokalitäten, welche deutlich geschert und oxidiert sind. Alle analysierten Minerale aus den Finsch-Peridotiten sind, bezüglich ihrer Spurenelemente, homogen. Die starken Spurenelementvariationen zwischen den Proben reflektieren die komplexe Geschichte der Peridotite und des subkratonischen Mantels. Die älteste Krustenbildung im Kaapvaal Kraton (Südafrika) ist vor ca. 3.6 Ga datiert und dieses Alter wurde auch in dieser Studie in Form des Lu-Hf Modellalters eines hoch-radiogenen subkalzischen Granats ermittelt. Dieses Alter vermutlich repräsentiert das älteste Schmelzbildungsereignis im Mantel des Kaapvaal Kratons. Die in dieser Studie untersuchten Finsch-Peridotite und subkalzische Granate bilden je eine Lu-Hf Isochrone, welche ein Minimalalter von 2.5 Ga für ein 2. (letztes) Schmelzereignis ergibt. Die hohen Initiale der Isochronen deuten auch auf deutlich ältere Schmelzbildungsereignisse hin. Die Schmelzbildung im heutigen Mantel des Kaapvaal Kratons hat in unterschiedlichen Tiefen, entweder bei hohen Drücken mit Granat im Residuum, oder bei niedrigen Drücken im Spinel- oder Plagioklasstabilitätsfeld, stattgefunden. Darauf deuten geochemische Parameter, wie z.B die Cr#, oder HREE-Gehalte und Verhältnisse hin. Insgesamt können Schmelzgrade von bis zu 50% erreicht worden sein, was ein Modell bestätigt, nachdem die frühe kontinentale Kruste durch extrem hohe Schmelzgrade im lithospherischen Mantel gebildet wurde. Wenigstens zwei metasomatische Ereignisse haben deutlich nach der partiellen Schmelzbildung vor 2.5 Ga stattgefunden und vor allem die Sm-Nd Isotopensystematik beeinflusst. Die subkalzischen Granaten der Gruppe-1 deuten darauf hin, dass vor ca. 1.3 Ga eine Metasomatose durch ein wässriges Fluid stattfand. Deutlich später, vor ca. 300-500 Ma, fand eine Metasomatose statt, welche sowohl die Nd, als auch die Hf-Isotopie beeinflusste und sich in den subkalzischen Granaten der Gruppe-2 und einigen Peridotiten widerspiegelt. Während der partiellen Aufschmelzung werden Kohlenstoffphasen von der Schmelze gelöst und somit dem Mantel entzogen. Von daher sollten sich Diamanten, die bereits vor der letzten Schmelzbildung vor 2.5 Ga gebildet wurden, bei diesem Ereignis wieder aufgelöst haben. Kohlenstoff für das Diamantwachstum muss dann anschließend wieder durch Metasomatose, in Zusammenhang mit subduziertem Material, eingebracht worden sein. Die Sm-Nd Isotopensystematik von subkalzischen Granaten impliziert, dass diese Metasomatose nicht vor ca. 1.3 Ga stattgefunden hat. Dies impliziert spätes (postarchaisches) Diamantwachstum in Finsch. „Rezente“ (120-90 Ma) Anreicherungsereignisse, welche mit dem Kimberlit oder mit dem Kimberlitvorläufer in Zusammenhang stehen, sind nicht in Finsch-, jedoch in Kimberley Peridotiten zu sehen. Diese rezenten Ereignisse wurden in der hier untersuchten polymikten Brekzie aufgezeichnet. Eine polymikter Peridotit, welcher in der Kimberley-Mine gefunden wurde, stellt eine mechanische Mischung von Klasten und Mineralen (Opx, Kpx, Granat und Olivin) verschiedener Lithologien des oberen Mantels dar, welche durch feinkörnigen Olivin und geringe Mengen an Ilmenit, Phlogopit und Sulfid zementiert wurde. Durch Temperaturbestimmungen mit dem „Ni-in-Granat“ Thermometer konnte gezeigt werden, dass die einzelnen porphyroklastischen Granate beim Aufstieg der Kimberlitschmelze entlang einer stratigraphischen Mantelsäule von ca. 100 km (von ca. 250 bis 120 km Tiefe) aufgesammelt wurden. Dabei hat die Schmelze mit den porphyroklastischen Mineralen reagiert und an den Rändern neoblastische Minerale gebildet. Analysen dieser neoblastischen Minerale deuten darauf hin, dass die Mantelminerale durch eine volatil-reiche, kimberlitische Schmelze gesammelt und der Xenolith amalgamisiert wurde. Insgesamt haben also eine Reihe komplexer Prozesse zur Bildung der polymikten Brekzie geführt. Diese beinhalten Entgasung, gekoppelt mit einer explosiven Brekzienbildung am Grund des kratonischen Kiels (~250 km), Schmelzaufstieg and Amalgamisierung bei ca. 120 km. Die erhaltenen chemischen Ungleichgewichte implizieren, dass der gesamte Prozess des turbulenten Transports, der Mischung der Porphyroklasten, ihr teilweises Anlösen und die Neoblastenbildung sehr schnell von Statten gegangen sein muss. Der hier untersuchte polymikte Peridotit repräsentiert vermutlich ein eingefrorenes Beispiel all dieser Prozesse, die zur Kimberlitbildung insgesamt führten und schließlich in einer Kimberliteruption vor ca. 90 Ma in Kimberley endeten.

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Metadaten
Author:Marina Lazarov
URN:urn:nbn:de:hebis:30-68730
Referee:Gerhard Brey
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/09/02
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2008/08/04
Release Date:2009/09/02
Tag:Kimberlite; Lu-Hf und Sm-Nd Geochronologie; Mantel Xenolith; Polymikte Peridotit
Kaapvaal craton; Lu-Hf and Sm-Nd geochronology; kimberlite; mantle xenoliths; polymict peridotite
GND Keyword:Kaapvaal Kraton
Source:Earth and Planetary Science Letters, 279 (1-2), 1-10; Lithos -9IKC special issue, doi: 10.1016/j.lithos.2009.03.035; Lithos - 9IKC special issue, doi: 10.1016/j.lithos.2009.05.037
HeBIS-PPN:215436423
Institutes:Philosophie und Geschichtswissenschaften / Geschichtswissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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