Determination of the cooling history of magmatic intrusions using diffusion geochronometry
Final Report Abstract
Die Abkühlung und Kristallisation von Magma im Erdinneren ist ein wichtiger Mechanismus zur Abkühlung der Erde. Ein direkt damit verknüpfter Prozess ist die hydrothermale Zirkulation von Fluiden, welche z.B. für die Bildung großer Erzlagerstätten verantwortlich sind. Unser Wissen über die Abkühlung magmatischer Intrusivkörper basiert jedoch hauptsächlich auf Modellberechnungen und nur wenige quantitative Eckdaten über die Abkühlgeschichte sind verfügbar. Verschiedene Arten des Wärmetransports (z.B. Konduktion, hydrothermale Zirkulation, Konvektion in der Schmelze) hinterlassen deutlich unterschiedliche Muster der Abkühlrate über ein bestimmtes Temperaturintervall. Im Rahmen dieser Studie sollten Abkühlraten in verschiedenen räumlichen Positionen eines Intrusivkörpers ermittelt werden. Dies sollte helfen zu unterscheiden, welcher der möglichen Abkühlmechanismen in einer Intrusion dominiert hat. Quantitative subsolidus Abkühlraten natürlicher Gesteine sollten durch die Anwendung verschiedener Diffusions-Chronometer bestimmt werden (das kürzlich entwickelte Mg-in-Plagioklas und das etablierte Ca-in-Olivin Geospeedometer). Durch die Benutzung zweier unabhängiger Methoden sollten die Belastbarkeit und Konsistenz der ermittelten Abkühlraten getestet und sichergestellt werden. Die gewonnenen Daten sollten mit Vorhersagen zu Abkühlraten aus analytischen und numerischen Wärmetransportmodellierungen verglichen werden, um die dominanten Mechanismen des Wärmetransports zu ermitteln. Hierbei ist zu beachten, dass sämtliche verfügbaren Vorhersagen zum Verlauf der Abkühlraten mit der Tiefe der Intrusion schnellere Abkühlraten am Rande, und langsamere Abkühlrate zur Mitte der Intrusion hin vorhersagen. Als Fallbeispiel sollte die bekannte und gut studierte Skaergaard Intrusion dienen. Nach der petrologischen und petrographischen Charakterisierung des Probenmaterials stellte sich heraus, dass die Zusammensetzung der Gesteine bei einem Großteil der Proben (besonders im stratigraphisch höheren Bereich der Skaergaard Intrusion) außerhalb des Kalibrationsbereichs der geplanten Diffusions-Chronometer liegt. Dies war zu einem gewissen Grad erwartbar (die Zunahme des Fe-Gehaltes der Proben mit steigender stratigraphischer Höhe war bekannt), der Einfluss auf die Diffusions-Chronometer war jedoch nicht bekannt. Wir konnten feststellen, dass besonders für das Cain-Olivin Diffusionschronometer die ermittelten Abkühlraten je nach verwendeter Kalibration für den Verteilungskoeffizienten stark voneinander abweichen. Der Effekt wird mit steigender stratigraphischer Höhe innerhalb der Intrusion (und somit mit steigendem Fe-Gehalt) immer stärker. Wir halten daher nur die Abkühlraten im Bereich der sogenannten Lower bis Middle Zone der Skaergaard Intrusion für belastbar. Innerhalb dieses Bereichs, der immerhin noch etwa die Hälfte der Stratigraphie der Intrusion abdeckt, nehmen die ermittelten Abkühlraten (für beide Methoden, Mg-in-Plagioklas und Ca-in-Olivin) vom Rand der Intrusion zur Mitte hin kontinuierlich zu, die Abkühlraten am Rand sind also langsamer, als jene zur Mitte der Intrusion hin. Dies widerspricht sämtlichen Modellen zur Abkühlung einer solchen Intrusion. Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir keine plausible Erklärung für diese Beobachtung.
Publications
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Insights into the subsolidus cooling history of the Skaergaard Intrusion, Greenland – An application of diffusion chronometry. Geo Bonn2018 Abstracts; Bonn, Germany. (2018)
Malz N., Namur O. & Faak K.
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Quantifying cooling rates of the Skaergaard intrusion – application of the Mg-in-plagioclase diffusion chronometer. EMPG 16 Abstracts, Clermont-Ferrand, France. (2018)
Malz N., Faak K. & Namur O.
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Subsolidus Cooling of Large Igneous Bodies – A Study of the Skaergaard Intrusion, Greenland. Goldschmidt Abstracts 2019, Barcelona, Spain. (2019)
Malz N., Faak K., Namur O. & Chakraborty S.
