| dc.contributor.advisor | Wörner, Gerhard Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Wellhäuser, Alexander | |
| dc.date.accessioned | 2020-07-09T14:43:24Z | |
| dc.date.available | 2020-07-09T14:43:24Z | |
| dc.date.issued | 2020-07-09 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-140E-6 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8084 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 910 | de |
| dc.subject.ddc | 550 | de |
| dc.title | Generating early continental crust | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Wörner, Gerhard Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2020-05-18 | |
| dc.description.abstractger | Archaische Kratone sind Relikte der geodynamischen Prozesse, die das Antlitz der Erde in ihrer frühen Entwicklung prägten. Sie bestehen aus Plutoniten felsischer Zusammensetzung, umschlossen von gefalteten vulkanisch und sedimentär geprägten Abfolgen. Jedoch bilden diese Gesteine kein repräsentatives Archiv der krustalen Entwicklung, sondern sind einzelne Fragmente, räumlich und zeitlich voneinander getrennt. Je älter die geologischen Formationen, desto uneindeutiger ist ihre Entstehungsgeschichte, nicht zuletzt aufgrund von zum Teil mehrfacher metamorpher Überprägung. Vor allem die Zusammensetzung der Granitoide unterscheidet sich deutlich von jüngeren, postarchaischen magmatischen Gesteinen. Am weitesten verbreitet in archaischen Plutonen ist eine Assoziation von Tonaliten, Trondhjemiten und Granodioriten (TTG). Deren gemeinsames Auftreten ist möglicherweise der Schlüssel zum Verständnis des vorherrschenden geodynamischen Systems im Archaikum und beinhaltet entscheidende Hinweise zum Einsetzten der modernen Plattentektonik. Die wahrscheinlich größten Unsicherheiten in der Entstehung von TTGs ist die Verfügbarkeit von Wasser während der Schmelzbildung und ihr Differentiationsmechanismus.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist, die Druck- und Temperaturbedingungen sowie Menge des benötigten Wassers bei der Entstehung von TTG Schmelzen mithilfe verschiedener Herangehensweisen einzugrenzen: (i) einer experimentellen Ti-Sättigungsstudie an einem eoarchaischen Granodiorit aus dem Nuvvuagittuq Grünsteingürtel der Nordöstliche Superior Provinz in Kanada sowie der Kalibration eines Ti-Löslichkeitsmodells für Silikatschmelzen; (ii) der Betrachtung der in Liquidusnähe gesättigten Mineralphasen mithilfe von Kristallisationsexperimenten und Modellierung, sowie der Herausarbeitung möglicher kotektischer Pfade an dem selben Granodiorit und (iii) der Kalibration eines auf publizierten, wasserhaltigen Schmelzexperimenten beruhenden Hilfsvektorregressionsmodells (SVR) zur Bestimmung von Temperatur und Druckbedingungen sowie Wassergehalt der Schmelze am Liquidus, basierend auf der Hauptelementzusammensetzung. Die drei Methoden werden auf einen TTG Datensatz chemischer Analysen, zusammengetragen aus verschiedenen Publikationen, angewendet.
Die Ti-gesättigten Liquidustemperaturen, berechnet für den TTG Datensatz, liegen im Durchschnitt zwischen 750 und 900 °C und definieren ein Minimum für die Schmelzbildungstemperatur. Jedoch sind viele berechnete Ti-Temperaturen unterhalb einer aufgrund der Hauptelementzusammensetzung zu erwartenden Liquidustemperatur. Entsprechend können diese Gesteine an ihrem Liquidus nicht mit Rutil oder Ilmenit gesättigt gewesen sein, was Konsequenzen für die Interpretation der TTG-typischen Nb-Verarmung hat. Diese, generell mit der Liquidussättigung mit Rutil in Verbindung gebracht, ist vorhanden, unabhängig davon ob die jeweilige Zusammensetzung am Liquidus mit Rutil oder Ilmenit gesättigt sein kann oder nicht. Daher ist die Bedeutung von Rutil und Ilmenit für die TTG Schmelzentstehung wahrscheinlich begrenzt und die Nb-Verarmung entweder vom Ausgangsgestein ererbt oder das Resultat anderer Titan-führender Phasen wie zum Beispiel Amphibol oder Glimmer. Basierend auf dem Vergleich mit experimentellen Schmelzen müssen 8-12 Gew.% H2O in den TTG-Schmelzen gelöst sein, damit der Liquidus innerhalb des berechneten Temperaturintervalls erreicht wird. Diese Wassermenge spricht für die Anwesenheit eines freien Fluides während der Schmelzbildung. Das SVR-Modell bestätigt die Menge des benötigten Wassers für die Ti-gesättigten Liquidustemperaturen mit einer unabhängigen Kalibration.
Für wässrige Bedingungen sprechen auch mögliche TTG-Differentiationspfade. Die Verhinderung von Plagioklaskristallisation bei Wassergehalten über 5 Gew.% führt zu einem konstanten K2O/Na2O-Verhältnis, typisch für die Differentiation hin zu trondhjemitischen Schmelzen. Unter wasserärmeren Bedingungen entstehen durch Anwesenheit von Plagioklas granodioritische und granitische Schmelzen, vergleichbar mit rezenten Magmen. Daher muss das archaische magmatische System wasserreich gewesen sein.
Es ist wahrscheinlich, dass TTGs nicht auf einem einzelnen kotektischen Pfad liegen sondern, eher auf mehreren von Hornblende/Klinopyroxen - Granat/Orthopyroxen kontrollierten kotektischen Pfaden, deren Position von Druck und Wassergehalt abhängig ist.
Das geodynamische System, in dem sich TTGs entwickeln, muss in der Lage sein genügend Wasser für eine K2O arme Schmelzentwicklung zur Verfügung zu stellen. Ein Recyclingmechanismus, der subduktionsartig hydratisierte basaltische Kruste in die Schmelzentstehungsregion bringt, ist dafür ein plausibler Rahmen. | de |
| dc.description.abstracteng | Archean cratons are the products of geodynamic processes governing the evolution of the early Earth. They comprise felsic granitoids enclosed by folded volcano-sedimentary successions. However, these rocks may not be representative archives but rather accidental fragments in time and space. The further back the rock record reaches in time, the more ambiguous it becomes, not least because of multiple subsequent overprinting events. The composition of Archean granitoids is distinctly different to post-Archean felsic rocks that are associated with modern continental crust forming processes. Most common is an association of tonalites trondhjemites and granodiorites (TTG). The joint occurrence of TTG potentially holds key insights about the Archean geodynamic environment, including the timing of the onset of modern-day plate tectonics, which is yet to be resolved. A major uncertainty regarding their formation is the availability of H2O during melting of their protolith and the mechanism of their differentiation.
This research focusses on constraining P-T-H2O conditions of TTG melt formation by combining different approaches: (i) an experimental Ti saturation study on an Eoarchean granodiorite from the Nuvvuagittuq greenstone belt, North-eastern Superior Province and subsequent calibration of a Ti solubility model for silicate melts, (ii) an experimental and modelling investigation of saturated liquidus phases and potential cotectic paths on the same rock and (iii) using published glass analyses of hydrous melting experiments to calibrate a support vector machine regression (SVR) model capable to predict temperature, pressure and H2O conditions of a TTG sample based on the major element composition. The three methods are applied to a compilation of natural TTG analyses from published literature. Ti saturated liquidus temperatures for natural TTGs are on average between 750 and 900 °C, constraining a minimum melt formation temperature. However, many TTGs have temperatures below expected liquidus temperatures based on their major element composition. Congruously these can not have been saturated with rutile or ilmenite at their liquidi. This has consequences for the interpretation of the Nb depletion in TTGs, as it is observed, irrespective of whether or not a composition could have been saturated in Ti. Therefore the role of Ti accessory phases in TTG formation might be limited. The Nb depletion could instead be inherited from a precursor rock or the result of other Ti-bearing phases involved in TTG formation, as for example amphibole or mica. Based on comparison with experimental data, TTGs in equilibrium with a Ti phase at the liquidus require 8-12 wt% H2O dissolved to be at liquidus conditions. This elevated amount favours the presence of a free fluid during melting. The SVR model independently confirms the amount of H2O required for Ti saturated liquidus temperatures.
Hydrous conditions are also favoured when retracing the differentiation paths of TTG via crystallisation experiments and modelling. Plagioclase suppression by H2O contents >5 wt% results in a low K2O/Na2O ratio throughout differentiation that is typical for melt evolution towards a trondhjemitic composition. Less hydrous conditions result in granodioritic and granitic melt compositions, as is commonly observed in post-Archean magmatic systems.
Therefore the Archean environment producing TTGs must have been more hydrous than recently active magmatic systems that produce felsic crust. It is most likely that TTGs do not align along a single cotectic path, but along several hbl/cpx - grt/opx controlled cotectics, whose position is shifted by varying pressure and/or H2O conditions.
The geodynamic environment that gave rise to TTGs must provide an elevated amount of H2O. This favours a model of the recycling of hydrated basalt into the region of melt formation in a subduction-like setting. | de |
| dc.contributor.coReferee | Rushmer, Tracy A/Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Kley, Jonas Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Pack, Andreas Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Schmidt, Burkhard Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Turner, Simon Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Ti solubility | de |
| dc.subject.eng | experimental petrology | de |
| dc.subject.eng | Archean | de |
| dc.subject.eng | thermocalc | de |
| dc.subject.eng | liquidus study | de |
| dc.subject.eng | Nuvvuagittuq | de |
| dc.subject.eng | TTG formation | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-140E-6-4 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Geowissenschaften und Geographie | de |
| dc.subject.gokfull | Geologische Wissenschaften (PPN62504584X) | de |
| dc.identifier.ppn | 172416337X | |