Universität zu Köln

Jansen, Mike Wolfgang (2023). Ancient mantle heterogeneities in modern intraplate lavas – insights from new analytical tools. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Since more than 4.57 billion years, several geodynamic processes are shaping the Earths ex- and interior. While several geodynamic processes occurring on the Earth’s surface can be addressed using first order geological methods, geochemical studies on volcanic rocks provide important constraints on its inaccessible interior. Already since the 1950’s, several studies have investigated long-lived radiogenic isotope systems (Sr, Nd, Hf, Pb) and trace-element compositions to study the composition and nature of the Earth’s mantle. While it was long thought that the Earth’s mantle is compositionally rather homogenous, studies on Ocean Island Basalts have indicated a rather heterogenous composition and several compositional endmembers that can be identified using geochemical evidence. Most recently, the application of short-lived isotopes, including 182Hf-182W, 146Sm-142Nd and 129I-129Xe in modern basalts have further indicated the survival of primordial mantle reservoirs that must have formed during the early Hadean Eon (during the first ~100 Ma in solar system history) and survived mantle convection until today. Among the previously mentioned short-lived isotope systems, the 182Hf-182W (half-life = 8.9 Ma, (Vockenhuber et al., 2004)) has been increasingly used to detect the participation of primordial mantle reservoirs in terrestrial rocks from the Archean as well as modern Ocean Island Basalts. The occurrence of deficient 182W isotope compositions and a positive correlation with 3He/4He ratios found in modern plume related volcanic rocks has thereby been interpreted as evidence for the long-term survival of mantle reservoirs that record fractionation of Hf and W during Earth’s primary differentiation (silicate-silicate or metal-silicate) or core-mantle interaction occurring either early – or at any time later in Earth’s history. The combination of seismic- and geochemical data as well as modelling constraints have further provided evidence for Large Low Shear Velocity Provinces and Ultra Low Velocity Zones, seismically anomalous zones that are present at the roots of deep mantle plumes, as potential source reservoirs that are capable of long-term isolation. Many young ocean island basalts show small 182W deficits, in particular if they are sourced from deep-rooted mantle plumes. The origin of this anomaly is still ambiguous and proposed models focus on core-mantle interaction or the presence of reservoirs in the lower mantle that have been isolated since the Hadean. In order to evaluate the role of upper mantle reservoirs, we report the first 182W data for intraplate basalts where a deep plume origin is still debated (Ascension Island, Massif Central, Siebengebirge and Eifel) and intraplate volcanic rocks associated with either plume or subduction zone environments (Italian Magmatic Provinces). Further, we compare these data with volcanic settings where seismic investigations have indicated a deep mantle plume origin (La Réunion, Baffin Island) (Chapter I). Additionally, we present detailed 182W data on oceanic intraplate volcanic rocks from the South Atlantic Ocean, including the three primary mantle plumes Tristan-Gough, Discovery and Shona, that are sourced by deep-mantle plume(s) and have shown to tap temporally changing magma sources (Chapter II). In summary, the 182W composition in all intraplate volcanic provinces of questionable plume origin overlap the composition of modern upper mantle to within 3 ppm. The absence of resolvable 182W anomalies in these intraplate basalts, which partially tap the lithospheric mantle, suggests that primordial components are neither present in the central and southern European lithosphere nor in the upper mantle in general. In contrast, 182W compositions in samples from La Réunion and the Tristan-Gough hotspot track span a range from modern upper mantle values to deficits as low as μ182W = −8.8 ppm and indicate a heterogenous contribution of primordial reservoirs to these mantle plumes. Given that seismic data has shown these plumes to be rooted at the core-mantle boundary, our data provide further evidence that Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVPs) and Ultra Low Velocity Provinces (ULVPs) play a key role as potential hosts for primordial reservoirs in the lower-mantle. Given the heterogenous distribution of primordial signatures in rising plumes, our data provide evidence for lower-mantle dynamics as the driving force for material incorporation. Further, observed co-variation of 182W with Sr-Nd-Pb isotope values further confirms that the deep mantle sources of the South Atlantic volcanism comprise variable amounts of primordial material that is diluted by younger, post Hadean recycled material. Interestingly, the proto-Iceland plume basalts from Baffin Island have uniform and modern mantle-like 182W of around 0 despite extremely high (3He/4He) and thus provide evidence for decoupled He-W systematics in rising plumes. Quaternary rocks of the East and West Eifel volcanic fields in western Germany are a key suite of intraplate volcanic rocks that can provide insights into volcanism of the Central European Volcanic Province and into continental intraplate volcanism in general. Coupled trace-element and radiogenic Sr-Nd-Hf-Pb-Os isotope compositions provide detailed evidence for heterogenous mantle sources and compositionally distinct magmatic pulses (Chapter III). While a mantle plume origin for volcanism has been questioned, our new data and modelling constraints are in good agreement with admixtures of litospheric and asthenospheric mantle sources. Using geochemical evidence, our data further indicate the presence residual eclogitic components present within the upper mantle underneath central Europe and also indicate a potential influence of carbonatite metasomatism. Compiling available geochemical data for Quaternary as well as Tertiary volcanic provinces in central Germany (e.g., Siebengebirge, Vogelsberg, Rhön) shows that similar spatial, temporal and compositional relationships can be traced throughout all eruptive stages of central European volcanism. Conclusively, our data argue in favor of discrete melt pulses and pooling of polybaric melts from asthenospheric (plume-like) and lithospheric mantle sources underneath central Europe.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Alte Mantelheterogenitäten in modernen Intraplate-Laven - Erkenntnisse aus neuen Analyseverfahren German
Translated abstract:	Abstract Language Seit mehr als 4,57 Milliarden Jahren formen diverse geodynamische Prozesse die Erdkruste und den Erdmantel. Während die meisten geodynamischen Prozesse an der Erdoberfläche mit klassischen geologischen Methoden untersucht werden können, liefern geochemische Studien an Vulkaniten wichtige Erkenntnisse über den unzugänglichen Erdmantel. Bereits seit den 1950er Jahren haben Studien langlebiger, radiogener Isotopensysteme (Sr, Nd, Hf, Pb) und der Spurenelementzusammensetzungen von Vulkaniten wichtige Informationen über die Zusammensetzung und die Beschaffenheit des Erdmantels geliefert. Während man lange Zeit davon ausging, dass der Erdmantel eine eher homogene Zusammensetzung besitzt, haben Untersuchungen an Ozean-Insel Basalten auf eine eher heterogene Zusammensetzung und die Existenz mehrerer Kompositioneller Endglieder hingedeutet, welche sich anhand geochemischer Daten identifizieren lassen. In jüngster Zeit hat die Untersuchung kurzlebiger Isotopensysteme wie 182Hf-182W, 146Sm-142Nd und 129I-129Xe in modernen Basalten das „Überleben“ von primordialen Mantelreservoiren angedeutet, welche sich während des frühen Hadaikums (während der ersten ~100 Ma in der Geschichte des Sonnensystems) gebildet haben und von der Mantelkonvektion weitgehend isoliert geblieben sind. Von den bereits erwähnten kurzlebigen Isotopensystemen wurde 182Hf-182W (Halbwertszeit = 8,9 Ma, (Vockenhuber et al., 2004)) zunehmend dazu verwendet, um die Beteiligung von primordialen Mantelreservoiren in terrestrischen Gesteinen aus dem Archaikum sowie in modernen Ozean-Insel Basalten nachzuweisen. Das Auftreten defizitärer 182W-Isotopenzusammensetzungen und eine positive Korrelation mit 3He/4He in modernen Mantel-Plumes wurde dabei als Beweis für die langfristige Isolation von Mantelreservoiren interpretiert. Diese Reservoire könnten dabei Isotopensignaturen der Fraktionierung von Hf und W während der primären Differenzierung der Erde (Silikat-Silikat oder Metall-Silikat) oder der Kern-Mantel-Wechselwirkung beinhalten. Eine Wechselwirkung von Kern und Mantel kann dabei sowohl in der Erdfrühgeschichte als auch zu einem später Zeitpunkt erfolgt sein. Die Kombination von seismischen und geochemischen Daten sowie Modellierungen haben außerdem gezeigt, dass seismisch anomale Zonen (Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVPs) und Ultra low Velocity Zones (ULVZs)) an der Kern-Mantel Grenze vorhanden sind, welche als potenzielle Quellenreservoire dienen. Die seismischen Eigenschaften dieser Provinzen deuten dabei auf eine potentielle, langfristige Isolation hin. Viele junge Ozean Insel Basalte weisen geringe 182W-Defizite auf, insbesondere wenn sie aus tiefen Mantelplumes gespeist werden. Der Ursprung dieser Anomalien ist noch weitegehend ungegeklärt. Bisher postulierte Modelle konzentrieren sich auf eine Kern-Mantel-Wechselwirkung oder das Vorhandensein von Reservoiren im unteren Mantel, die seit dem Hadaikum isoliert geblieben sind. Um weitere Erkenntnisse über das Vorhandensein primordialer Mantelquellen, vor allem im auch im oberen Mantel weiter zu gewinnen, wurden im Rahmen dieser Studie die ersten 182W Daten für Intraplatten-Basalte, deren Zusammenhang mit einem Plume noch ungeklärt ist, gesammelt. Die Lokationen umfassen dabei ozeanische- und kontinentale Intraplatten-Basalte (Ascension Island, Zentralmassiv, Siebengebirge und Eifel), sowie Vulkanite deren Ursprung entweder mit einem Mantel-Plume oder Subduktionszonen in Verbindung gebracht werden (Italienische Magmatische Provinzen). Weiterhin vergleichen wir diese Daten mit Lokationen bei denen seismische Untersuchgen eindeutig eine tiefe Mantel-Quelle angezeigt haben (La Réunion, Baffin Island) (Kapitel I). Darüber hinaus präsentieren wir einen detaillierten 182W-Datensatz für ozeanische Intraplatten-Vulkanite aus dem Südatlantik, einschließlich der drei primären Mantel-Plumes Tristan-Gough, Discovery und Shona, welche von der Kern-Mantel Grenze gespeist werden und deren Magmen-Quellen eine räumlich/ zeitliche Variation zeigen (Kapitel II). Zusammenfassend lässtfeststellen, dass alle Intraplatten-Basalte, bei denen eine tiefe Mantelquelle nicht eindeutig nachweisbar ist, im Fehler von ± 3 ppm mit der 182W-Zusammensetzung des modernen oberen Erdmantels übereinstimmen. Das Fehlen auflösbarer 182W-Anomalien in diesen Intraplatten-Basalten, welche teilweise den lithosphärischen Mantel beproben, deutet darauf hin, dass primordiale Komponenten weder in der mittel- und südeuropäischen Lithosphäre noch im oberen Mantel im Allgemeinen vorhanden sind. Im Gegensatz dazu, zeigen die 182W-Zusammensetzungen in Proben von La Réunion und des Tristan-Gough-Hotspots eine deutlich heterogene Zusammensetzung und zeigen 182W Defizite von bis zu μ182W = -8.8 ppm, welche einen Eintrag primordialer Reservoire andeuten. Im Einklang mit seismischen Studien welche eine Quelle an der Kern-Mantel-Grenze belegen, liefern unsere Daten somit weitere Hinweise auf die seismisch anomalen „Large Low Shear Velocity Provinces (LLVPs)“ oder „Ultra Low Velocity Zones (ULVZs)“ als potentielle Mantel-Quellen primordialen Ursprungs. Angesichts der heterogenen Verteilung der primordialen Signaturen in den aufsteigenden Magmen legen unsere Daten weiterhin nahe, dass dynamische Prozesse im tiefen Mantel die treibende Kraft für die Inkorporation primordialen Materials sind. Weiterhin zeigen unsere Daten eine Korrelation von 182W und Sr-Nd-Pb Isotopenzusammensetzungen, welche eine „Verdünnung“ von primordialen Signaturen durch die Beimischung von jüngerem, recyceltem Material andeutet. Interessanterweise weisen die protoisländischen Plume-Basalte von Baffin Island trotz extrem hoher (3He/4He) Werte ein einheitliches und modernes, mantelähnliches 182W von etwa 0 auf und liefern damit Hinweise auf eine entkoppelte He-W-Systematik in aufsteigenden Plumes. Die Quartären Vulkanite der Ost- und Westeifel sind ein wichtiges Vorkommen von Intraplatten-Vulkaniten, deren Untersuchung wichtige Informationen über den Vulkanismus in Mitteleuropa und Intraplatten Vulkanismus auf der ganzen Welt liefen können. Spurenelement- und radiogene Sr-Nd-Hf-Pb-Os Isotopenzusammensetzungen liefern dabei detaillierte Belege für heterogene Mantelquellen und kompositorisch unterschiedliche magmatische Pulse (Kapitel III). Während der Ursprung des Vulkanismus durch einen Mantel-Plume noch immer nicht abschließend geklärt wurde, deuten die hier präsentierten Daten deutlich auf eine Mischung von litosphärischen und asthenosphärischen Mantel-Quellen hin. Weiterhin finden wir deutliche Signaturen restitischer Eklogite sowie den möglichen Einfluss von Karbonat-Metasomatose in den Quellen der Eifelmagmen. Die Zusammenstellung verfügbarer geochemischer Daten für quartäre und tertiäre Vulkanprovinzen in Mitteldeutschland (z.B. Siebengebirge, Vogelsberg, Rhön) zeigt, dass ähnliche räumliche, zeitliche und kompositorische Zusammenhänge über alle eruptiven Phasen mitteleuropäischen Vulkanismus hinweg nachvollzogen werden können. Zusammenfassend sprechen unsere somit Daten für Schmelzimpulse und deine Mischung von polybarischen Schmelzen aus asthenosphärischen (plume-artigen) und lithosphärischen Mantel-Quellen unter Mitteleuropa. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jansen, Mike Wolfgang m.w.jansen@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-651575
Date:	March 2023
Place of Publication:	Kölner UniversitätsPublikationsServer
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Natural sciences and mathematics Chemistry and allied sciences Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language 182W English Isotopes English Volcanology English Geology English Geochemistry English UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	24 November 2022
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Herwartz, Daniel Dr Heim, Christine Prof. Dr.
Funders:	European Research Commission, Grant 669666
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/65157