The geochemistry of oceanic basalts: constraints on melting and composition of the Earth's mantle

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2013-06-05
Issue Year
2013
Authors
Brandl, Philipp A.
Editor
Abstract

Magmatic activity in the ocean basins is the largest contributor to the volume of global magmatism. Most oceanic igneous activity is focused along the mid-ocean ridges. The mid-ocean ridge systems spans more than 60,000 km around the globe and is one of the primary geodynamic settings that allows to investigate the exchange of elements and heat between the Earth’s interior and its surface. The geodynamic changes from a steady state along the mid-ocean ridges may thus influence the environmental conditions on Earth such as plate tectonics, eustatic sealevel (as a function of ridge depth) and climate (by volcanic degassing). Detailed studies of oceanic volcanism and magmatism in general are thus required to better constrain global processes and elemental cycles. This thesis focuses on three major aspects that, in combination, significantly enhance our understanding of eruptive processes at mid-ocean ridges, melting in the mantle and mantle evolution over extended periods of time of 10–100 Ma. I used the major element composition of fresh mid-ocean ridge basalt (MORB) glasses to reconstruct the mantle potential temperature at which the parental magmas formed (chapter 3). The samples used have been obtained from old seafloor (6–170 Ma) through ocean drilling and thus allow to infer on the thermal evolution of the mantle since the Jurassic. The results of this study indicate that mantle temperatures remain higher under supercontinents (by continental insulation) and MORB erupted immediately after breakup record 50–150°C higher mantle temperatures compared to values several million years after the initial opening of an ocean. Current models of the melting processes in the mantle are still insufficient to allow a precise quantitative estimate of the mantle composition and the physical conditions of melting. My studies on Seamount 6 (chapter 4) and the extinct spreading centre of the Galapagos Rise (chapter 5) contribute to our understanding of melting at or near mid-ocean ridges. Geochemical analyses of samples from these two locations preserve an extreme chemical variability, indicating a large compositional variability of their mantle source. State-of-the-art melting models give further insights into the melting behaviour of depleted and enriched mantle material. Enriched melts form deeper, but become progressively more diluted at higher degrees of partial melting in melts from the ambient depleted mantle. As a result, the geochemical signatures of mantle heterogeneity are increasingly diluted at high degrees of partial melting (e.g., at mid-ocean ridges) and the composition of the depleted mantle may therefore be more depleted than previously thought. The third aspect of my thesis deals with the accretion of oceanic crust along mid-ocean ridges in order to constrain its precise composition and internal structure. The study at the southern Mid-Atlantic Ridge (chapter 6) reveals insights into accretionary processes and volcanostratigraphy of the oceanic crust at slow spreading rates (20–55 mm a−1 full spreading rate). The eruption of geochemically distinct melts within only few kilometres distance indicates that the mantle even in these slow spreading regions is highly heterogeneous and that melts underneath the ridge axis rise in small, chemically isolated batches. Eruptive stages are interrupted by phases of amagmatic, tectonic activity. Oceanic crust at slow-spreading centres is in consequence heterogeneous not only in terms of its structure but also chemical composition. The primary conclusions of this thesis with respect to the geochemical interpretation of oceanic basalts are: a) supercontinents and continental breakup have a major impact on temperature and convection in the mantle, b) oceanic basalts represent complex mixtures of melts of a heterogeneous mantle source and their geochemical interpretation is not straightforward and c) oceanic crust formed at slow-spreading ridges is composed of highly variable crustal units formed by the eruption of chemically isolated batches of magma.

Abstract

Ein Großteil der magmatischen Aktivität auf unserer Erde findet in den ozeanischen Becken statt, vor allem entlang der Mittelozeanischen Rücken. Diese umspannen den Globus auf einer Länge von 60.000 km und stellen eine der wichtigsten Schnittstellen für den Austausch von Elementen und Hitze zwischen dem Erdinneren und der Oberfläche dar. Geodynamische Änderungen entlang der Mittelozeanischen Rücken beeinflussen möglicherweise auch die Umweltbedingungen auf der Erde, wie beispielsweise die Plattentektonik, eustatische Meeresspiegelschwankungen (als Funktion der Rückentiefe) und Klima (durch vulkanische Entgasung). Genaue Untersuchungen zum Verständnis ozeanischen Vulkanismus und Magmatismus sind daher wichtig, um die globalen Prozesse und Stoffkreisläufe besser zu verstehen. Diese Doktorarbeit behandelt im Wesentlichen drei Hauptaspekte, die zusammengenommen zu unserem Verständnis der Prozesse an Mittelozeanischen Rücken, Schmelzentstehung im Mantel und Mantelentwicklung über Zeitskalen von 10–100 Millionen Jahren beitragen. Die Hauptelementzusammensetzung frischer, glasiger mittelozeanischer Rückenbasalte (MORB) kann dazu benutzt werden, die Temperaturen zu rekonstruieren, die im Erdmantel während der Schmelzbildung herrschten. Meine Proben, die von altem Ozeanboden (6–170 Mio. Jahre) stammen und durch Bohrungen gewonnen wurden, ermöglichen es, die thermische Entwicklung des Erdmantels seit dem Jura zu untersuchen. Die Ergebnisse dieses Projekts (Kapitel 3) weisen darauf hin, dass es unter Superkontinenten zu einem Aufstau der Hitze kommt, die auf eine Isolierung des Erdmantels durch die aufliegende, kontinentale Lithosphäre verursacht wird. In der Folge sind die Temperaturen des Erdmantels nach dem Auseinanderbrechen des Kontinents 50–150°C heißer als dies heute, nach mehreren Jahrmillionen der Ozeanbodenspreizung, an Mittelozeanischen Rücken beobachtet wird. Die Aufschmelzprozesse im Erdmantel sind nach wie vor nicht gut genug untersucht, um genaue Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Erdmantels und die physikalischen Bedingungen während der Aufschmelzung zu ziehen. Meine Arbeiten am submarinen Vulkan ”Seamount 6“ (Kapitel 4) und der erloschenen Spreizungsachse des ”Galapagos Rise“ (Kapitel 5) tragen zu unserem Verständnis der Schmelzbildung an oder nahe Mittelozeanischer Rücken bei. Die geochemische Analysen der Gesteine dieser beiden Lokalitäten spiegeln eine extreme chemische Bandbreite wieder, die auf eine große chemische Variabilität des Erdmantels hinweisen. Die Anwendung moderner Schmelzmodellierungen ermöglicht weitere Einblicke in das Aufschmelzverhalten chemisch verarmter und angereicherter Mantelquellen. Chemisch angereicherte Schmelzen entstehen bereits in größerer Tiefe werden aber bei steigenden Aufschmelzgraden zunehmend durch die Schmelze des verarmten oberen Mantels verdünnt. Als Folge geht die geochemische Signatur des angereicherten Mantels bei höheren Aufschmelzgraden (wie z.B. an Mittelozeanischen Rücken) verloren und es ist möglich, dass der verarmte Mantel chemisch noch stärker verarmt ist als dies bisher vermutet wurde. Der dritte Teil meiner Doktorarbeit befasst sich mit dem Entstehungsprozess ozeanischer Kruste, um mehr über deren genaue Zusammensetzung und Struktur zu erfahren. Die Untersuchungen am südlichen Mittelatlantischen Rücken (Kapitel 6) gewähren Einblick in den Akkretionsprozess und die vulkanische Stratigraphie ozeanischer Kruste an langsam spreizenden Achsen (volle Spreizungsrate: 20–55 mm a−1). Die Eruption chemisch stark unterschiedlicher Lavaeinheiten, in nur wenigen Kilometern Entfernung voneinander weist auf einen stark heterogenen Erdmantel hin. Sie zeigen, dass Schmelzen unter der Rückenachse in kleinen, chemisch isolierten Körpern aufsteigen. Unterbrochen werden die einzelnen Eruptivphasen von Zeitabschnitten, in denen überwiegend amagmatische, tektonische Aktivität statt findet. Als Folge ist die ozeanische Kruste langsam spreizender Rücken nicht nur im Bezug auf die interne Struktur, sondern auch in ihrer chemischen Zusammensetzung stark variabel.

DOI
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