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Water in Earth's mantle : Metasomatism and melting

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Putak Juriček, Marija:
Water in Earth's mantle : Metasomatism and melting.
Bayreuth , 2024 . - 269 p.
( Doctoral thesis, 2022 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006605

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GRK 2156: Deep Earth Volatile Cycles
270542396

Project financing: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Abstract in another language

This thesis investigates the role of water in generating some geochemical and geophysical features in the upper mantle that are thought to be related to melting and metasomatism.

Dehydration melting of amphibole has been proposed as a possible mechanism causing the lithosphere-asthenosphere boundary. However, the stability of amphibole under the reduced water activities expected in the upper mantle has never been thoroughly studied. Thus, the first part of the thesis addresses this problem by experiments under carefully controlled water activity. Piston cylinder runs were performed at 2 to 4.5 GPa and 900 to 1350 ℃. Water activity was adjusted by diluting an excess hydrous fluid with molecular nitrogen, and the N2-H2O fluids were equilibrating with a synthetic oxide mixture of peridotite composition. Phase assemblages in the run products were studied by a combination of powder XRD and electron microscopy. Reducing water activity in the peridotite-H2O system had two effects on amphibole stability. With decreasing water activity, the amphibole stability limit is simultaneously depressed to lower pressures and elevated to higher temperatures, as a result of two distinctly different amphibole-out reactions. Melting was observed at the high-temperature amphibole-out boundary, but a solid-state decomposition reaction of amphibole occurred at the high-pressure stability limit. To further assess the stability of amphibole, a thermodynamic model including the effects of water dissolution in nominally anhydrous minerals was constructed. The model suggests that traces of amphibole may be common in the oceanic, but not in the continental lithosphere. In continental settings, the presence of amphibole is likely evidence for metasomatic water addition. Dehydration melting of amphibole may occur only under exceptional circumstances, and it therefore is not a plausible explanation for the seismic discontinuity at the lithosphere-asthenosphere boundary.

Subduction-related volcanism produces melts with distinct geochemical features. Some arc magmas bear a distinct ‘geochemical fingerprint’ of the subducted sediments. Sediment melts were therefore proposed as the main metasomatic agent in subduction zones. Piston cylinder experiments were performed in a sediment-H2O system at 2.5 to 4.5 GPa and temperatures of 600 and 700 ℃ to test if saline hydrous fluids may also transfer the sediment ‘geochemical fingerprint’ into the melt production zone, or if sediment melting is strictly required. Fluid salinities were varied between 0 and 7 wt.% Cl, and the diamond trap method was used to separate the fluid from solid metapelitic residues. The fluid and minerals in the run products were analyzed by LA-ICP-MS. With increasing salinity, the fluid/mineral partition coefficients for most trace elements, including LREE, were enhanced. Bulk fluid/sediment trace element partition coefficients were calculated and the composition of arc melts produced by hydrous mantle melting upon introduction of saline sediment-derived fluids was modelled. Comparison of the model melts with natural samples suggests that the most plausible agent of mass transfer in subduction zones is a saline sediment- and basalt-derived hydrous fluid mixture. Even a minor contribution of a saline sediment-derived fluid may be enough to explain the “sediment fingerprint” observed in natural samples.

Traces of water in the mantle may stabilize low degree partial melts at the lithosphere-asthenosphere boundary. However, the relationship between the melt water content and the melting point depression in the peridotite-H2O system is not well constrained, as representatively low melt water concentrations are difficult to control in experiments. Moreover, the solidus in the peridotite-H2O system is hard to recognize and interpretations of run products may be highly subjective. A study in the anorthite-diopside-H2O system was designed to precisely determine the relationship between the melt water content and melting point depression. The haplobasaltic melts produced in this system are similar to tholeiites that are produced by partial melting of peridotite. However, as the anorthite-diopside-H2O system is eutectic, a large melt fraction is formed immediately at the solidus. This allows easy detection of incipient melting. All experiments were performed at water-saturated conditions at 0.02 to 0.2 GPa, to simulate low water fugacity, and temperatures between 1000 and 1500 ℃, using a rapid-quench internally heated gas pressure vessel. One series of experiments was performed with a 1:1 mixture of pure pre-synthesized anorthite and diopside to determine the solidus depression as a function of water fugacity. In another series of experiments, large haplobasaltic glass cylinders were used to measure water solubility in the melt as determined by FTIR. The relationship between the melt water content and solidus depression, as determined in this study, was combined with previously published water mineral/basalt partition coefficients for major upper mantle phases. The resulting model of peridotite melting predicts low degree partial melting along the oceanic lithosphere-asthenosphere boundary with approximately 200 ppm of water in the bulk mantle. Additional melting point depression due to the presence of CO2 may be required to form partial melt along the continental lithosphere asthenosphere boundary.

Abstract in another language

Diese Dissertation untersucht die Rolle von Wasser bei der Bildung von Schmelzen und bei metasomatischen Prozessen im Mantel.

Dehydratations-Schmelzen von Amphibol wurde vorgeschlagen als eine mögliche Ursache für die Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre. Die Stabilität von Amphibol unter den reduzierten Wasseraktivitäten im oberen Mantel wurde jedoch niemals sorgfältig untersucht. Im ersten Teil dieser Dissertation werden daher entsprechende Piston-Cylinder-Experimente beschrieben, die bei 2 bis 4.5 GPa und 900 bis 1350 ˚C unter sorgfältig kontrollierter Wasseraktivität ausgeführt wurden. Die Wasser-Aktivität wurde eingestellt, indem ein Wasser-haltiges Fluid mit N2 verdünnt wurde. Ein synthetischer Peridotit wurde dann in Gegenwart von diesem N2-H2O-Fluid aus einer Oxid-Mischung auskristallisiert. Neugebildete Phasen in den Reaktionsprodukten wurden durch Röntgenbeugung und Elektronen-Mikroskopie identifiziert. Eine Verringerung der Wasser-Aktivität verschiebt das Stabilitätsfeld von Amphibol zu niedrigeren Drücken und zu höheren Temperaturen. Ursache hierfür sind zwei verschiedene Abbaureaktionen. Die Grenze des Stabilitätsfelds zu hohen Temperaturen wird definiert durch die Solidustemperatur, während die Amphibol-Stabilität zu hohem Druck durch eine Festkörper-Reaktion begrenzt wird. Um die Stabilität von Amphibol im Mantel vorherzusagen, wurde ein Modell entwickelt, das auch die Lösung von Wasser in nominal wasserfreien Mineralen berücksichtigt. Spuren von Amphibol sind wohl verbreitet in der ozeanischen, aber nicht in der kontinentalen Lithosphäre. Im subkontinentalen Mantel wird Amphibol wohl nur bei metasomatischer Zufuhr von Wasser gebildet. Dehydratations-Schmelzen von Amphibol kommt im Mantel nur unter sehr ungewöhnlichen Bedingungen vor und ist daher keine plausible Erklärung für die Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre.


Vulkane oberhalb von Subduktionszonen produzieren Magmen mit einer charakteristischen Spurenelement-Zusammensetzung. In manchen Magmen findet man einen geochemischen „Fingerabdruck“ von subduzierten Sedimenten. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, dass Sediment-Schmelzen das Hauptmedium für den Stofftransport von der subduzierten Platte in die Zone der Schmelzbildung sind. Piston-Cylinder-Experimente wurden in einem Sediment-H2O-System bei 2,5 bis 4,5 GPa und 600 bis 700 ˚C durchgeführt, um zu testen, ob nicht salzhaltige Wasser-reiche Fluide ebenfalls den chemischen „Sediment-Fingerabdruck“ in den Magmen erzeugen könnten. Die Salzgehalte in den untersuchten Fluiden lagen zwischen 0 und 7 Gew. % Cl. Um die Fluide von den festen Mineralen in den Experimenten zu trennen, wurden Fallen aus Diamant-Pulver benutzt. Sowohl die abgeschreckten Fluide als auch die Minerale wurden mit LA-ICP-MS analysiert. Mit zunehmender Salinität steigen die Fluid/Mineral-Verteilungskoeffizienten der meisten Elemente (einschließlich der LREE) an. Gesamt-Gesteins/Fluid-Verteilungskoeffizienten wurden berechnet und die Zusammensetzung von Schmelzen wurde modelliert, die durch die Zufuhr von salzhaltigen Fluiden aus Sedimenten zum Mantel erzeugt werden. Der Vergleich der Modelle mit natürlichen Schmelzzusammen-setzungen zeigt, dass der Stofftransport in den Subduktionszonen wahrscheinlich durch eine Mischung von salzhaltigen, Wasser-reichen Fluiden aus den subduzierten Basalten und den Sedimenten erfolgte. Bereits minimale Anteile von Fluiden aus Sedimenten können die typische „Sediment-Signatur“ in Magmen erzeugen.

Spuren von Wasser im Mantel könnten geringe Anteile von Teilschmelzen an der Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze stabilisieren. Die Beziehung zwischen dem Wassergehalt in den Teilschmelzen und der Schmelzpunkt-Erniedrigung im Peridotit-H2O-System ist jedoch nicht gut bekannt, da sich die entsprechenden niedrigen Wassergehalte in Experimenten nur schwer genau einstellen lassen. Darüber hinaus ist der Solidus im Peridotit-H2O-System schwer zu erkennen und die Interpretation von Versuchsprodukten in diesem System kann sehr subjektiv sein. Das System Anorthit-Diopsid-H2O wurde untersucht, um den Zusammenhang zwischen Wassergehalt in der Schmelze und Schmelzpunkterniedrigung genau zu bestimmen. Die in diesem System erzeugten „haplobasaltischen“ Schmelzen ähneln den Tholeiten, die beim Teilschmelzen von Peridotit entstehen. Da das Anorthit-Diopsid-System jedoch eutektisch ist, bilden sich große Schmelzmengen sofort am Solidus, so dass die Schmelztemperatur genau bestimmt werden kann. Alle Experimente wurden in einer „Rapid-Quench“ innenbeheizten Gasdruckapparatur bei 0,02 bis 0,2 GPa und 1000 bis 1500 ˚C ausgeführt, um niedrige Wasser-Fugazitäten zu simulieren. Eine Serie von Experimenten wurde mit einer Anorthit-Diopsid-Mischung (1:1) ausgeführt, um die Schmelzpunkterniedrigung als Funktion der Wasser-Fugazität zu bestimmen. In einer weiteren Reihe von Experimenten wurden Glaszylinder aus „Haplobasalt“ benutzt, um die Wasserlöslichkeit in Schmelzen mit Hilfe von FTIR-Analysen zu messen. Die Beziehung zwischen Wassergehalt in der Schmelze und Schmelzpunkt-erniedrigung wurde kombiniert mit publizierten Daten über die Mineral/Basalt-Verteilungs-koeffizienten von Wasser unter den Bedingungen des oberen Mantels. Das resultierende Modell für die Schmelzbildung in Peridotit zeigt, dass bei einem Wassergehalt von etwa 200 ppm Schmelzbildung an der Grenze zwischen ozeanischer Lithosphäre und Asthenosphäre zu erwarten ist. Um Schmelze an der Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze unter Kontinenten zu bilden, ist möglicherweise eine zusätzliche Schmelzpunkerniedrigung durch CO2 notwendig.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: upper mantle; water, amphibole; lithosphere-asthenosphere boundary; subduction zones; partial melting
Institutions of the University: Research Institutions > Central research institutes > Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics - BGI
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT) > Experimental Geosciences
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT) > Deep Earth Volatile Cycles
Research Institutions
Research Institutions > Central research institutes
Graduate Schools
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT)
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 500 Natural sciences
500 Science > 550 Earth sciences, geology
Date Deposited: 13 Jan 2024 22:00
Last Modified: 13 Jan 2024 22:00
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/88208