Universität zu Köln

Reifenröther, Ramon (2020). The Budget of Tungsten in Altered Oceanic Crust. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF DissertationRamonReifenroetherF.pdf - Accepted Version Download (3MB) | Preview

Abstract

The key task of modern geochemistry and petrology is to understand the present and past development of the solid Earth and to deduce the mechanisms of its formation. Since it is only possible to study fresh rocks within the first 10 km of the Earth (all other exhumed rocks from greater depth were subject to metamorphism or alteration), geochemists learned how abundances and ratios of specific elements provide information of Earth’s crust-mantle-dynamics, subduction zone dynamics or core-mantle processes. Tungsten is one of these key elements in modern geochemistry since it is both a moderately siderophile as well as a highly incompatible element. In consequence, during early differentiation of the Earth, ca. 90% of Earth’s W was sequestered into the core, leaving the Earth’s mantle strongly depleted (ca. 12 ppb, König et al., 2011; Palme and O’Neill, 2014). Since uranium, thorium and tantalum are similarly magma-incompatible but did not the behave siderophile in early Earth’s history, combined W-Th-U-Ta systematics are a very powerful tool to mass balance W in various reservoirs on Earth. Because of their similar incompatibility, ratios of W-Th-U-Ta have long been regarded as constant in most silicate reservoirs. In contrast to this view, it was demonstrated that W is highly mobile in late magmatic hydrous environments and can be concentrated in hydrothermal systems up to ore grade. Furthermore, W enrichments relative to U, Th and Ta in many arc lavas have been found and were attributed to fluid-controlled enrichment in the sub-arc mantle wedge. During sub-arc enrichment, ratios of W/Th, W/U and W/Ta are elevated to various extents, depending on the type of subduction component involved. These findings require a closer assessment of the W behaviour in altered oceanic crust (AOC), which is a major source of subduction components in sub-arc mantle environments. Since W data from the oceanic crust are mainly available from fresh MORB glasses, little is known, whether seafloor alteration of the oceanic crust could trigger W redistribution in oceanic crust on its way to the subduction factory. Furthermore, AOC covers more than 60 % of the Earth’s surface, and thus the knowledge of W redistribution in the oceanic crust during alteration is of pivotal importance to understand the global geochemical cycle of W. Altered oceanic crust is known to be a geochemical sink for some elements (Alkali metals, Mg, S, U) and source for others, e.g., Ca, Si, and Sr. Serpentinization of peridotitic oceanic crust is known as major sink for B and K, Rb, Cs, Na. Other elements like Lu, Hf, Zr, Th, and Ta remain largely unaffected by alteration. The combination of mobile and immobile elements makes the combined study of W, U, and Th a powerful tool to investigate the behaviour of W in altered oceanic crust. In this thesis, results of precise isotope dilution measurements of Lu-Hf-Zr-Nb-U-Th-Ta-W are presented for oceanic crust with variable extent and type of alteration. Besides W, Ta, U and Th the precise measurement of Lu, Hf, Zr, Nb allows to further characterize the initial magmatic diversity of the magma source regions. One of the key findings in this thesis is the demonstration of selective W enrichment during alteration of oceanic crust. This behaviour of W in marine environments was unknown before and could only be constrained by elemental ratios in arc systems. Furthermore, the thesis demonstrates that there is a systematic enrichment of W relative to the similarly incompatible Th, U, and Ta during hydrothermal alteration, pointing towards a progressive enrichment of W in the upper altered oceanic crust, with enrichment factors being as high as 13 relative to fresh MORB and 200 relative to fresh peridotites. It could be demonstrated as well that elevated W/Th is best suited to study selective W mobility in altered oceanic crust. Moreover, the isotopic state of altered oceanic crust (expressed as δ186/184W) was unknown before. The results show how especially low-T oxidative weathering and high-T talc formation result in a lighter stable W isotope composition whereas initial serpentinization is not reflected in the isotopic state of oceanic crust. These findings indicate that progressive alteration of peridotitic oceanic crust releases isotopically heavy fluids, resembling the heavy counterpart of the light alteration mineral assemblage, that may represent a net source for isotopically heavy seawater W. Moreover, the heavy stable W isotope signatures from arc magmas potentially originates from fractionation during low-T dehydration of subducting slabs or release of isotopically heavy interstitial fluids form subduction slabs. The lighter stable W isotope composition of magmas more distant from the subduction zone thus may resemble the dehydration of an alteration mineral assemblage, light in stable W isotopes. The combined study of W/Th and δ186/184W thus provides a powerful tool to distinguish between various alteration styles, the input of oceanic crust in subduction zones and the origin of W in seawater.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Das Wolfram-Budget in alterierter ozeanischer Kruste German
Translated abstract:	Abstract Language Die Hauptaufgabe moderner Geochemie und Petrologie ist das Verständnis vergangener und heutiger Entwicklungen der festen Erde, sowie das Untersuchen der Mechanismen der Erdentstehung. Da es nur möglich ist, frische Gesteine der obersten 10 km der Erdkruste zu untersuchen (alle Gesteine tieferen Ursprungs sind stark alteriert oder metamorph überprägt), haben Geochemiker Methoden entwickelt mittels der Vorkommen und Verhältnisse spezifischer Elemente Rückschlüsse auf Kruste-Mantel Dynamik, Subduktionszonendynamik und Kern-Mantel Prozesse zu ziehen. Wolfram ist eines dieser Schlüsselelemente in der modernen Geochemie da es sowohl moderat siderophil als auch hoch inkompatibel ist. Auf Grund dieser Eigenschaften sind ca. 90 % des irdischen Wolframs während der Differentiation der Erde in den Kern migriert. Somit ist der Erdmantel stark verarmt (ca. 12 ppb, König et al., 2011; Palme and O’Neill, 2014). Da Uran, Thorium und Tantal ähnlich magmeninkomatibel wie W sind, aber nicht siderophil während der Kernbildung waren, hat sich die kombinierte W-Th-U-Ta Systematik zu einem bedeutenden Hilfsmittel entwickelt um Massenbilanzen für W in den verschiedenen geochemischen Reservoiren zu berechnen. Auf Grund ihrer ähnlichen Magmeninkompatibilität wurden die Elementverhältnisse von W-Th-U-Ta in den meisten silikatischen Umgebungen lange Zeit als konstant angesehen. Demgegenüber wurde eine hohe W-Mobilität in spätmagmatischen, wasserreichen Umgebungen festgestellt, wodurch es zu Anreicherungen bis hin zu Vererzung in hydrothermalen Systemen kommen kann. Darüber hinaus wurden W-Anreicherungen relativ zu U, Th und Ta in zahlreichen Inselbogenvulkaniten gefunden. Diese werden in Verbindung zu fluidkontrollierten Anreicherungen im Mantelkeil unterhalb des Vulkanbogens gebracht. Während dieser fluidkontrollierten Anreicherung variieren die erhöhten W/Th, W/U und W/Ta mit den Unterschieden im subduzierten Ausgangsmaterial. Diese Erkenntnisse heben die Notwendigkeit einer genaueren Betrachtung des Verhaltens von W in der alterierten ozeanischen Kruste hervor. Sie stellt ein Hauptquelle des subduzierten Materials im Mantelkeil dar. Bisher sind nur wenige W-Daten der ozeanischen Kruste von Gläsern der mittelozeanischen Rücken verfügbar. Somit ist nur wenig bekannt, ob Meerwasseralteration der ozeanischen Kruste bereits zu Umlagerungen von W auf dem Weg zur Subduktionszone führen kann. Alterierte ozeanische Kruste bedeckt mehr als 60 % der Erdoberfläche, somit ist die Kenntnis von W-Umlagerungen während ihrer Alteration von großer Bedeutung für das Verständnis des weltweiten geochemischen Zyklus von W. Alterierte ozeanische Kruste ist bekannt als geochemische Senke für einige Elemente (Alkalimetalle, Mg, S, U) und als Quelle für andere wie beispielsweise Ca, Si und Sr. Insbesondere die Serpentinisierung peridotitischer ozeanischer Kruste ist eine Senke für Li, B und K, Rb, Cs and Na. Andere Elementgehalte wie beispielsweise von Lu, Hf, Zr, Th und Ta werden dagegen kaum von Alteration beeinflusst. Die Kombination aus mobilen und immobilen Elementen macht die Systematik aus W, U und Th zu einem wichtigen Hilfsmittel, um das Verhalten von Wolfram in alterierter ozeanischer Kruste zu untersuchen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse hochpräziser Isotopenverdünnungsmessungen von Lu-Hf-Zr-Nb-U-Th-Ta-W an unterschiedlich stark alterierter ozeanischer Kruste vorgestellt. Neben W, Ta, U und Th erlauben präzise Messungen von Lu, Hf, Zr, und Nb eine weitere Charakterisierung der initialen Magmendiversivität der Proben und ihrer Ursprungsregion. Eines der Hauptergebnisse dieser Arbeit ist der Nachweis selektiver W-Anreicherungen in alterierter ozeanischer Kruste. Auf dieses Verhalten von W in marinen Umgebungen konnte bisher nur aus Ergebnissen von Studien an Inselbogenmagmen geschlossen werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass W während hydrothermaler Alteration relativ zu den ähnlich inkompatiblen Th, U und Ta systematisch angereichert wird. Die resultierenden Anreicherungsfaktoren reichen dabei von 13 relativ zu frischem MORB bis hin zu 200 gegenüber unalterierten Peridotiten. Es konnte des Weiteren gezeigt werden, dass ein erhöhtes W/Th-Verhältnis am besten geeignet ist W-Anreicherungen zu identifizieren. Die Isotopie der ozeanischen Kruste (ausgedrückt als δ186/184W) war im Vorfeld unbekannt. Diese konnte in der Arbeit bestimmt werden und ihr Einfluss auf die Zusammensetzung von Meerwasser umrissen werden. So konnte gezeigt werden, wie insbesondere niedrig-T, oxidierende Verwitterung und hoch-T Talkbildung zu einer leichten stabilen W-Isotopie führen. Demgegenüber werden stabile W-Isotope nicht während initialer Serpentinisierung fraktioniert. Diese Ergebnisse zeigen wie voranschreitende Alteration peridotitischer Ozeankruste zum Ausfluss von schweren Fluiden (das schwere Gegengewicht zur isotopisch leichten Alterationsfazies) ins Meerwasser führen. Diese Fluide stellen womöglich eine Quelle der schweren W Isotopie des Meerwassers dar. Darüber hinaus stammt die schwere Isotopie von Inselbogenmagmen vermutlich von Isotopenfraktionierung während der Dehydrierung der subduzierten ozeanischen Kruste oder isotopisch schweren Alterationsfluiden, welche bei der Dehydrierung aus der ozeanischen Platte ausgepresst werden. Die leichtere W-Isotopie von Magmen welche weiter entfernt von der Subduktionszone ausfließen, repräsentieren in diesem Modell die Dehydration der isotopisch leichten Alterationsfazies. Das Studium von W/Th und δ186/184W stellt daher ein umfassendes Werkzeug dar, anhand dessen verschiedene Alterationstypen, sowie der Ursprung des Meerwasser-Wolframs und der Einfluss der subduzierten ozeanischen Kruste auf die Zusammensetzung von Inselbogenmagmen untersucht werden kann. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Reifenröther, Ramon ramon.reifenroether@outlook.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-305120
Date:	27 May 2020
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:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Tungsten enrichment English Altered Oceanic Crust English Stable W isotope composition English
Date of oral exam:	27 May 2020
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Kleinschrodt, Reiner Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/30512