The down-hole magmatic-metamorphic evolution in basalts and gabbros monitored by Fe-Ti oxides: A complete section of Superfast Spreading Crust at IODP Site 1256D
Final Report Abstract
Die IODP Multi-Cruise-Mission "Superfast Spreading Crust" erbohrte erfolgreich ein vollständiges Profil durch die obere ozeanische Kruste in die darunterliegenden Gabbros (Site 1256D; östliche äquatoriale Pazifik; 15 Ma alte Kruste vom East Pacific Rise). Die erbohrten Gesteine dokumentieren eine komplexe Interaktion zwischen magmatischen, metamorphen und hydrothermalen Prozessen: Primär-Kristallisation von Basalten, Sheeted Dikes und Gabbros, Hoch- und Tieftemperatur-Alteration via hydrothermale Zirkulation; Kontaktmetamorphose von hydrothermal alterierten Dikes zu granulitfaziellen "granoblastischen Dikes" über der axialen Magmenkammer; Assimilation und partielles Schmelzen von granoblastischen Dikes in der axialen Magmenkammer; in situ Kristallisation eines MORB-Magmas in der axialen Schmelzlinse. Durch eine Reihe von fokussierten petrologisch/geochemischen Teilprojekten wurden einzelne Aspekte der komplexen, ineinandergreifenden Prozesse der magmatische/metamorphen Geodynamik der ozeanischen Kruste an schnell-spreizenden Rückensystemen beleuchtet. Die Entwicklung der granoblastischen Überprägung mit der Tiefe ist mit einer systematischen Veränderung der Texturen, Mineralzusammensetzungen, und Gleichgewichtstemperaturen (930-1050° via 2-Pyroxen-Geothermometer) verbunden, konsistent mit dem Modell einer Wärmequelle in der Tiefe, die nur die axiale Magmenkammer darstellen kann. Thermische Modelle zeigen, dass die Wärmewirkung der beiden erbohrten Gabbrointrusionen nicht ausreicht, um die beobachtete Kontaktmetamorphose bzgl. Temperatur-Entwicklung und thermischen Gradient zu erklären. Die granoblastischen Dikes werden als Teile einer "dynamic conductive boundary" interpretiert, eine Konsequenz aus dem extrem hohen Temperatur-Gradienten am Gabbro/Dike-Übergang (oben: Temperatur von <= 400°C, etabliert durch hydrothermale Zirkulation; unten: axiale Magmenkammer mit ~ 1200°C Magma-Temperatur). Die erbohrten Gabbros vom Site 1256 zeichnen sich durch eine ausgeprägte Heterogenität und Domänen-Vielfalt aus. Mineralzusammensetzungen (Haupt- und Spurenelemente), Geothermometrie und petrologisches Modellieren zeigen, dass die "subophitischen" und "granularen" Domäen einem gemeinsamen Differentiations-Trend folgen. Die subophitischen Domänen entsprechen einem relativ primitiven, hoch-temperierten MORB-Magma, mit sehr ähnlicher Zusammensetzung wie jene Magmen, die die extrusiven Lithologien im oberen Teil des Profils gefördert haben. Die granularen Domänen dagegen entsprechen der Entwicklung desselben Magmas nach ca. ~ 80 % fraktionierter Kristallisation, bei der auch eine hohe Wasseraktivität präsent war, die durch die Assimilation von vorher alteriertem Dike-Material erklärt werden kann. Relikte des Assimilationsprozesses sind sowohl petrographisch beobachtbar, als auch mineralchemisch nachgewiesen. Ein Modell für die Fossilifizierung der axialen Schmelzlinse am Site 1256 wird präsentiert. Der petrographische Record der erbohrten Basalte, Sheeted Dikes, granoblastischen Dikes und Gabbros dokumentiert, dass Fe-Ti Oxide bei allen zu Grunde liegenden, miteinander interferierenden magmatischen, metamorphen und hydrothermalen Prozessen gebildet werden bzw. durch Reaktion umgebildet werden. Anwendungen des Fe-Ti Oxid-Thermo-oxybarometer konnten die Temperatur-Sauerstofffugazitäts-Trends für die verschiedenen Stadien der magmatisch/metamorphen Entwicklung des Gabbro/Dike-Übergang klären, wobei die meisten Proben Re-Äquilibrierung bei relativ niedrigen Temperaturen (< = 600 °C) unter hoch-oxidierten Bedingungen (~Delta N N O ~ 3; NNO = Nickel-Nickeloxid-Puffer) aufweisen, was als Folge der Wechselwirkung zwischen den Gesteinen und hydrothermalen, zirkulierenden, vom Meerwasser abzuleitenden Fluiden gedeutet wird. Über eine in-situ Analyse von Eisen-Isotopen in Fe-Ti Oxiden und Fe-Sulfiden wurden neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen hydrothermaler Zirkulation und primären magmatischen Prozessen gewonnen. Schlüsselbeobachtung ist, dass die temperatur-abhängigen Inter-Mineral-Fraktionierungen von Eisenisotopen zwischen Magnetit und Ilmenit in den erbohrten Gesteinen systematisch zu höheren Werten verschoben sind, wenn man sie mit den theoretischen Werten vergleicht. Auf der anderen Seite entsprechen synthetisierte und im Gleichgewicht befindliche Magnetit-Ilmenit-Paare, deren Eisenisotope auch im Rahmen der Studie in-situ analysiert wurden, sehr wohl den theoretischen Werten. Erklären lässt sich diese Diskrepanz durch pervasive Wechselwirkung zwischen Gestein und Meerwasser-dominiertem hydrothermalen Fluid. Darüber hinaus weisen diese Beziehungen das Potential auf, die Temperaturen für diese Wechselwirkungsprozesse abzuschätzen, was in dieser Studie erstmalig etabliert wurde.
Publications
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