Universität zu Köln

Marien, Christian ORCID: 0000-0002-7975-7780 (2024). Archean chemical geodynamics: from past processes to modern analogues. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Since its formation 4.50 billion years ago, the Earth is in a steady differentiation process. Starting with Earth’s last big accretion event, the moon forming giant impact led to the formation of a global magma ocean. Cooling led to the initial segregation into Earth’s metallic core and the silicate mantle. Further cooling then led to the crystallization of the ultramafic mantle and the first mafic crust formed. Volatile elements, released from the mantle by degassing and additionally added by volatile-rich meteorites after the core-mantle differentiation, formed an initial atmosphere as well as oceans. Since this early time, various geodynamic processes influence the development of the respective geological reservoirs, as well as the physicochemical exchange. Some of these processes are still not fully understood and are part of this thesis. In the Archean, higher temperatures of the Earth’s mantle led to high melting rates, resulting in the formation of a mafic to ultramafic crust and the successive incompatible element depletion of the upper mantle. These so-called Archean greenstone belts consist primarily of mafic basalts and ultramafic komatiites and cumulates, which are characteristic of the higher temperatures and melting rates in the Archean mantle. In contrast, present-day melting rates of the upper mantle are lower and result in the formation of a much thinner oceanic crust. During the Archean, intra-crustal differentiation of the mafic crust formed the basis for the continental crust formation, which today covers nearly 40 % of the Earth’s surface. This thesis investigates different aspects of the evolution history of the early Earth and compares them with modern, partly better understood processes. In three chapters, major and trace elements as well as radiogenic Pb-Sr-Nd-Hf isotope compositions of mafic and felsic rocks and mineral separates from the Pilbara Craton (Western Australia), from the North Atlantic Craton (SW Greenland) and from Fiji in the Southwest Pacific are characterized in more detail. In the first chapter, a combined dataset of the radiogenic U/Th-Pb, Rb-Sr, and Sm-Nd isotope compositions of mineral phases of mafic and ultramafic rocks from the Pilbara Craton and the North Atlantic Craton is presented for the first time. Using these isotope systems, it is possible to further understand the depletion history of the Archean mantle. It will be shown that the mafic rocks from the Pilbara Craton can be assigned to two different mantle domains. The first group of pyroxene separates show primitive mantle signatures in both the initial Nd and Pb isotope systems. Since the host rocks are derived from the lower mantle by plume events, the pyroxene separates provide information on the evolution of the U-Th-Pb isotope evolution before it was overprinted by subduction processes in the late Archean. The second group of pyroxene separates show lower initial Pb isotope compositions than the first group. In conjunction with the initial radiogenic Nd isotope compositions, it can be shown that the later host rocks originate from a depleted mantle source. This allows for the first time the isotopic distinction of two Archean mantle domains and the depletion of the upper mantle in the U-Th-Pb system. In the second chapter, interstitial carbonates of well-preserved Mesoarchean pillow lavas of the Archean Pilbara Craton, Australia, provide new geochemical insights into the composition of Archean seawater and its interaction with basaltic crust. A comprehensive dataset on calcites of major and trace elements, radiogenic 147Sm-143Nd, 87Rb-87Sr, and stable C-O isotopes was collected and two types of calcites can be distinguished. The first group of interstitial carbonates yield new insights about Archean fluid-rock interactions of boiling seawater with the basaltic host rock. The second type of carbonates, in contrast, exhibit modern seawater-like compositions, but from an anoxic milieu and therefore hints to stratified Archean oceans that are to some degree not buffered by hydrothermal influx. Furthermore, high Sr concentrations and lower initial 87Sr/86Sr(i) isotope compositions, suggest an increasing influence of crustal weathering on the composition of Paleoarchean seawater through time, and a progressive decoupling from the Archean mantle. In the third chapter, this thesis addresses to what extent the Archean TTGs (tonalitic, trondhjemitic, granodioritic suites) petrogenesis differs from that of present-day chemically similar oceanic plagiogranites. In older studies, it is generally assumed that Archean TTGs were formed by melting processes under eclogitic conditions, which cannot be reached in modern intra-oceanic settings. More recent studies, however, show that under certain conditions TTG formation could have been formed at lower amphibolitic conditions. For this purpose, tonalitic and trondhjemitic plutons from Viti Levu, Fiji, were investigated for their major and trace element compositions. Special emphasis was put on the high-field strength element (HFSE) budget and the Pb-Sr-Nd-Hf isotope compositions. Felsic rocks from Fiji show more than one distinct process is responsible for the formation of the felsic Fijian plutons, but three: fractional crystallization of two different mafic magmas and the partial melting of the mafic crust by so-called ‘underplating’. Especially the last process resembles the Archean dehydration melting process that is able to form voluminous felsic plutons in a predominantly mafic crust. Thus, it lays the foundation for new continental crust. However, the trace element composition of the modern felsic plutons from Fiji also show that the p-T conditions, responsible for Archean TTG formations, are not achieved. Thus, although their petrogenesis resemble the ancient process, they are no modern analogues.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Erde durchläuft seit ihrer Entstehung vor 4.50 Milliarden Jahre einen stetigen Differenzierungsprozess. Zu Beginn kam es zur Segregation vom metallischen Erdkern und silikatischen Erdmantel. Das Abkühlen in der frühen Erdgeschichte führte schnell zur Kristallisation des ultramafischen Erdmantels und es bildete sich eine erste mafische Erdkruste. Volatile Elemente, die bei diesem Prozess durch Entgasung aus dem Erdmantel freigesetzt wurden und auch über Meteoriten zur Erde nach der Kern-Mantel-Differenzierung hinzugefügt wurden, bildeten eine erste Atmosphäre sowie Ozeane. Seit dieser frühen Zeit beeinflussen diverse geodynamische Prozesse die Entwicklung der einzelnen geologischen Reservoire, sowie den physikochemischen Austausch. Manche dieser Prozesse sind zum Teil noch immer nicht ganz verstanden und sind auch Teil dieser Arbeit. Im Archaikum führten höhere Temperaturen im Erdmantel zu hohen Aufschmelzraten, wodurch mehrere 10er km mächtige mafische bis ultramafische Gesteinsformationen entstanden und der obere Erdmantel sukzessive an inkompatiblen Elementen verarmte. Diese sogenannten archaischen Grünsteingürtel bestehen primär aus mafischen Basalten und ultramafischen Komatiiten, die charakteristisch für die höheren Temperaturen und Aufschmelzraten im archaischen Mantle sind. Im Gegensatz dazu sind die heutigen Aufschmelzraten des oberen Erdmantels geringer und resultiert in die Entstehung der wesentlich dünneren ozeanischen Kruste. Während des Archaikums bildete die intrakrustale Differenzierung der mafischen Kruste die Grundlage zur Entstehung der kontinentalen Kruste, die heute knapp 40 % der Erdoberfläche bedeckt. Diese Arbeit untersucht verschieden Aspekte der Entwicklungsgeschichte der frühen Erde und vergleicht diese unter anderen mit modernen, z.T. besser verstandenen Prozessen. In drei Kapiteln werden Haupt- und Spurenelemente sowie radiogene Sr-Pb-Nd-Hf Isotopenzusammensetzungen an mafischen und felsischen Gesteinen und Mineral-separaten vom Pilbara Kraton (Western Australia), vom Nordatlantischen Kraton (SW Grönland) und von Fidschi im Südwestlichen Pazifik genauer charakterisiert. Im ersten Kapitel wird zum ersten Mal eine kombinierte Messung der radiogenen U-Th-Pb, Rb-Sr und Sm-Nd Isotopenzusammensetzung an Mineralphasen von mafischen und ultramafischen Gesteinen aus dem Pilbara Kraton und vom Nordatlantischen Kraton vorgestellt. Mit Hilfe dieser Isotopensysteme ist es möglich, die Verarmungsgeschichte des archaischen Erdmantels weiter zu verstehen. Wie gezeigt wird, lassen sich die mafischen Gesteine vom Pilbara Kraton zwei unterschiedlichen Mantelsektionen zuordnen. Die erste Gruppe von Pyroxenseparate zeigt eine primitive Mantelsignatur in der initialen Nd und Pb Isotopenzusammensetzung. Da die Wirtsgesteine durch Plum-Ereignisse aus dem unteren Erdmantel stammen, geben sie Aufschluss über die Entwicklung des U-Th-Pb Isotopensystems bevor es durch Subduktions-Prozesse im späten Archaikum überprägt wurde. Die zweite Gruppe an Pyroxenseparate wiederrum zeigt im Vergleich zur ersten Gruppe eine unradiogenere initiale Pb Isotopen-zusammensetzung. In Verbindung mit der initialen radiogenen Nd Isotopie kann gezeigt werden, dass die Wirtsgesteine aus einer verarmten Mantelquelle stammen. Dies macht zum ersten Mal den isotopische Unterscheidung zweier archaischer Mantelquellen und die Verarmung des oberen Mantels im U-Th-Pb System möglich. Im zweiten Kapitel liefern Karbonate aus den Zwickeln gut erhaltener mesoarchaischer Kissenlaven vom Pilbara Kraton, Western Australia, neue geo-chemische Erkenntnisse über die Zusammensetzung des archaischen Meerwassers und dessen Wechselwirkung mit der basaltischen Kruste. Für die Calcite wurde ein umfassender Datensatz von Haupt- und Spurenelementen, radiogenen 147Sm-143Nd, 87Rb-87Sr und stabilen C-O-Isotopen gesammelt, und es lassen sich zwei Generationen von Calciten unterschieden. Die erste Gruppe der Zwickelcalcite liefert neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen dem kochenden Meerwasser und dem frisch eruptierten basaltischen Wirtsgestein im Archaikum. Die zweite Gruppe von Calciten weist dagegen eine, dem modernen Meerwasser ähnliche Zusammensetzung auf, stammt aber aus einem anoxischen Milieu. Daher deutet die Anwesenheit dieser Calcite darauf hin, dass das archaische Meerwasser geschichtet war und zumindest zum Teil nicht durch den hydrothermalen Zufluss gepuffert war. Darüber hinaus deuten hohe Sr Konzentrationen und eine niedrige initiale Sr Isotopenzusammensetzung auf einen sukzessiv zunehmenden Einfluss der Krustenverwitterung auf die Zusammensetzung des archaischen Meerwassers im Mesoarchaikum und auf eine fortschreitende Abkopplung vom archaischen Mantel hin. Final wird die Frage angegangen, in wie weit sich die Petrogenese von archaischen TTGs (Tonalite, Trondhjemite, Granodiorite) von heutigen, chemisch sehr ähnlichen, Plagiograniten unterscheidet. Hierfür wurden tonalitische und trondhjemitische Plutone von Viti Levu, Fidschi, auf ihre Haupt- und Spurenelementzusammensetzung hin untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt wurde hierbei auf die High-Field-Strength-Elemente, kurz HFSE, und die Pb-Sr-Nd-Hf Isotopenzusammensetzung gelegt. In älteren Studien wird allgemein davon ausgegangen, dass die archaischen TTGs durch Aufschmelzprozesse mafischer Kruste unter sehr hohen, eklogitischen Drücken entstanden sind, die heute in der ozeanischen Kruste nicht mehr zu erreichen sind. Neuere Studien zeigen hingegen, dass diese unter auch unter amphibolitischen Bedinungen entstanden sein können. Felsische Gesteine aus dem mittleren Bereich des vulkanischen Bogens zeigt, dass nicht nur einen Prozess für die Entstehung der felsischen Plutone verantwortlich ist, sondern gleich drei: fraktionierte Kristallisation von zwei unterschiedlichen mafischen Magmen und das partielle Aufschmelzen der mafischen Kruste durch sogenannten “Underplating”. Vor allem der letzte Prozess ähnelt dem im archaischen Äon und ist in der Lage voluminöse felsische Plutone in einer primär mafischen Kruste entstehen zu lassen und somit die Grundlage für neue kontinentale Kruste zu legen. Die Spurenelementzusammensetzung der modernen Tonalite und Trondhjemite von Fidschi zeigen jedoch auch, dass die p-T-Bedingungen, die für die archaischen TTGs zuständig waren, nicht ganz erreicht werden. Somit ähneln sie zwar den alten Prozessen, sind jedoch nicht gleichzusetzen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Marien, Christian chrismarien@gmx.de orcid.org/0000-0002-7975-7780 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-749244
Date:	2024
Place of Publication:	Köln
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 Earth sciences Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Geodynamics English Geochemistry English Geology English Volcanology English Archean English Mafic crust formation English Continental crust formation English Carbonate English Mineral separates English Plagiogranites English Australia, Pilbara English Greenland, Seqi English Fiji English Pb isotopes English Sr isotopes English Nd isotopes English Hf isotopes English HFSE English Radiogenic isotope evolution English
Date of oral exam:	12 January 2024
Referee:	Name Academic Title Münker, Carsten Prof. Dr. Kleinschrodt, Reiner Prof. Dr.
Funders:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), SPP 1833, Projektnr. Mu1406/181, European Research Council (ERC), Projektnr. 669666
Projects:	Building a Habitable Earth, Infant Earth
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74924