Schmickler, Bettina: An unusually complete suite of eclogite types: Eclogite xenoliths from the Zero kimberlite, South Africa

I. Petrography, mineral chemistry and oxygen isotopes. II. The source of eclogites inferred from trace elements.

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Schlüsselwörter
Eklogitxenolithe aus Kimberliten, Zero-Kimberlit, Kalium in Cpx, Entmischungen aus Cpx, Sanidin Entmischungen, Kheis belt, Kuruman Provinz, Kumulate
Eclogitexenoliths from kimberlites, Zero-kimberlite, Potassium in cpx, Exsolutions from cpx, Sanidine exsolutions, Kheis belt, Kuruman province, cumulates

Sachgruppe der DNB
31 Geowissenschaften
Basisklassifikation
38.29 Petrologie: Sonstiges
Göttinger Online Klassifikation
VKB 050

Dissertation zur Erlangung des Doktortitels, angenommen von: Georg-August-Universität Göttingen, Mathematisch-naturwissenschaftliche Fakultäten, 2002-04-24

Abstract (GER)

In der vorliegenden Arbeit wurden die Eklogitxenolithe des Zero Kimberlites untersucht, die aufgrund ihrer Vielfalt an Paragenesen und ihres Alters eine aussergewöhnliche Xenolithsuite darstellen. Der Zerokimberlit intrudierte zusammen mit 11 weiteren nichtdiamantführenden Kimberliten vor 1.6 Milliarden Jahren am Westrand des Kaapvaal Kratons in der Kurumanprovinz (Südafrika), welche die älteste Kimberlitprovinz auf dem Kaapvaal Kraton ist. Gefördert wurden neben einem aussergewöhnlichen Disthen-Eklogit, bimineralische Eklogite sowie eher selten auftretende Orthopyroxen-führende Eklogite mit und ohne Sanidin. In allen Paragenesen tritt aus Klinopyroxen entmischter Granat auf. In den Orthopyroxen-führenden Eklogiten tritt ebenfalls Orthopyroxen und, wenn vorhanden, auch Sanidin entmischt aus Klinopyroxen auf. Das ungewöhnliche Vorkommen von Quarz-, Klinopyroxen- und Kalifeldspateinschlüssen in ideomorphen Granatkernen der Eklogite erscheint zunächst als Hinweis auf einen krustalen Ursprung, welcher allerdings im Kontrast zu den δ18O-Werten der Eklogite steht. Mit Werten zwischen 5.18 - 5.47 liegen diese, im Bereich des unkontaminierten Mantels und lassen damit auf eine Mantelherkunft schließen. Ohne die Herkunft der Eklogite näher zu betrachten, beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit dem P-T-t-Pfad, den die Eklogitsuite beschreibt. Mit Hilfe von Thermobarometrie und dem rekonstruierten Kaliumgehalt in Klinopyroxen der präentmischten Sanidin führenden Eklogite, ließen sich zwei verschiedene Stadien der Eklogite im Erdmantel zurückverfolgen. Während die letzte Reequilibrierungsphase, bevor die Eklogite vom Kimberlit eruptiert wurden, bei etwa 950°C und 3.5 GPa (110km Tiefe) stattfand, deutet der ehemalige, erhöhte Kaliumgehalt der Sanidin Eklogite, welcher als Hochdruckindikator gilt, darauf hin, daß die Xenolithe aus einem Druckbereich von mindestens 6 GPa (min. 180 km Tiefe) stammen. Der 2. Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Genese der Zero Eklogitxenolithe. Generell wird die Herkunft von Eklogitxenolithen in der Literatur noch immer kontrovers diskutiert, die dabei entweder als Hochdruck- oder Niedrigdruckkumulate interpretiert werden. Untersuchungen der Spurenelemente an Mineralen aller Eklogitparagenesen ergaben, daß es sich bei den Zero-Eklogiten um fraktionierte Kumulate handelt. Die Eklogite zeigen generell sehr niedrige Spurenelementkonzentrationen, wobei die “Seltenen Erden“ entweder sehr nahe am primitiven Mantel liegen, oder dem Mantel gegenüber sogar abgereichert sind. Eine Anreicherung an “Leichten Seltenen Erden“, die in vielen Eklogiten zu beobachten ist, läßt sich auf eine Metasomatose zu einem späten Zeitpunkt zurückführen. Positive Eu-Anomalien die durch den Hinweis auf Plagioklas im Protolith als Indikatoren einer Niedrigdruckgenese gelten, treten lediglich im Disthen Eklogit und im bimineralischen Eklogit Z323 auf, nicht aber in den anderen Eklogiten. Demgegenüber liefern erhöhte Cr und Ni Gehalte in einigen Orthopyroxen-führenden Eklogiten, Hinweise auf primären Olivin oder Cr-Spinel im Protolith. Die geringen Spurenelementkonzentrationen, inklusive der niedrigen Nb, Ta, Zr und Hf Gehalte scheinen charakteristisch für die Eklogitsuite zu sein. Um der Frage nachzugehen, ob es sich bei den Eklogiten um Hoch oder Niedrigdruckkumulate handelt, wurden Haupt- und Spurenelementmodellierungen kombiniert, die zeigen, dass die Eklogite durch fraktionierte Kristallisation von einem pikritischen Magma gebildet wurden, dessen maximale Entstehungstiefe bei 1.8 GPa lag. Magmen aus größeren Tiefen sind MgO reicher und damit komatiitisch und führen weder bei fraktionierter Kristallisation bei Hochdruck noch bei niedrigen Drücken zu Kumulaten eklogitischer Zusammensetzung. Die modellierten Kumulate, die mit der Chemie der Zero-Eklogite die größte Übereinstimmung zeigten, wurden bei maximalen Tiefen von 1.0-1.5 GPa fraktioniert. Weiterhin zeigte die Modellierung, daß für eine eklogitische Zusammensetzung zumindest geringe Mengen an Plagioklas notwendig sind und Protolithe von Eklogiten deshalb nicht außerhalb des Plagioklasstabilitätsfeldes gebildet wurden und von daher nicht, wie oft in der Literatur behauptet aus großen Tiefen stammen können. Die Rekonstruktion des P-T-t-Pfades der Eklogite läßt insofern Rückschlüsse auf die Geologische Situation am Westrand des Kaapvaal Kratons zu, als daß der Grund für die Eklogitisierung, bzw. den Versatz der Zero Eklogite von mindestens 150 km in die Tiefe des Erdmantels, die Kollision des Kheis-belts mit dem Westrand des Kaapvaal Kratons im Verlauf der Kheis Orogenese (vor ca. 1.75 Milliarden Jahren) war.

Abstract (ENG)

This first investigation of eclogite xenoliths sampled by the Zero kimberlite show that the suite is exceptional concerning kimberlite age and diversity of eclogite types. The Zero kimberlite intruded as part of a sequence of non-diamond bearing kimberlites within the oldest kimberlite province on the Kaapvaal craton (1600 Ma; Northern Cape Province, South Africa) towards the western craton margin. Distinct eclogite parageneses, including bimineralic eclogites, usually rare orthopyroxene-bearing eclogites with and without sanidine in addition to one kyanite eclogite occur in the suite. Garnets exsolved from clinopyroxene host occur in all Zero eclogites, whereas in orthopyroxene bearing eclogites, orthopyroxene and, if present, sanidine are also exsolved from clinopyroxene. That most eclogites occur with quartz, rutile and rarely K-feldspar inclusions in garnets might be taken to imply a crustal precursor. However, this is in conflict with the analyzed oxygen isotopic composition of the eclogites, which yield δ18O values of 5.18–5.47, close to values for the uncontaminated Earth"s mantle. Irrespective of the original source of the eclogite suite, a complex history within the mantle can already be inferred from the exsolved constituents of the sanidine eclogites. Thermobarometrical results indicate the last P/T condition prior to the kimberlite eruption was at 900-950 °C at 3.5 GPa. The previous stage was deduced from the reconstructed K2O-content of clinopyroxene host prior to the exsolution of sanidine. High K2O contents in clinopyroxene, which apparently resulted from the breakdown of dehydrating phlogopite are typical of high pressures and can be used as a crude barometer. The K2O content of 0.2 wt% calculated by phase map analysis requires pressure conditions of 6-8 GPa. Hence the eclogites were carried to 180-210 km depth prior to their exhumation.
The eclogite suite from the ~1.6 Ga Zero kimberlite is mineralogically unusually diverse, bears evidence for multiple P-T-t-stages and is characterized by mantle-like oxygen isotopic compositions. In-situ trace element analyses of minerals show that sanidine bearing, orthopyroxene bearing, bimineralic and kyanite eclogites, have REE abundances close to, or even more depleted than, primitive mantle, demonstrating that they originated from a fractionated igneous source. Most eclogites show enrichment in LREE to different extents caused by a metasomatic imprint at a late stage. The kyanite eclogite and one bimineralic eclogite occur with slight positive Eu-anomalies, whereas in the remaining eclogites no indication of plagioclase in the protolith is present. High Ni and Cr contents of some orthopyroxene bearing eclogites indicative that olivine and chromium-spinel were present in the protolith. Low trace element abundance including low Nb, Ta, Zr and Hf appears to be characteristic for the eclogite suite. According to trace element modeling combined with modeled crystal accumulation from potential parental magmas we can show that the protolith of the eclogites were generated by igneous fractionation from picritic magma generated at 1.8 GPa. The best model for the Zero eclogites resulted from crystallization of the picrite at 1-1.5 GPa, indicating development of the eclogite protolith in the upper mantle, suggesting a formation within the sub-continental lithosphere. That the resulted cumulate consisted of spinel and clinopyroxene in the presence of plagioclase has significant implications for the genesis of the Zero eclogite. Although the presence of plagioclase in the protolith is not indicated in the trace element pattern by Eu- anomalies in most Zero eclogites, the modeled trace element patterns show that small amounts of plagioclase were present in the protolith, but in insufficient amounts to lead to noticeable positive Eu anomalies. The requirement for plagioclase is in contrast to the hypothesis for crystallization at mantle pressures. The metamorphic history of the Zero eclogites can be used to constrain geodynamic processes at the western margin of the Kaapvaal craton during the early Proterozoic. The eclogitic protoliths were formed at about 30-45 km, and then were brought to depths of at least 180-240 km (6-8 GPa), witnessing that sub-continental lithosphere was displaced at least 150 km deeper into the mantle. Construction of the P-T-t-path draws largely on sanidine bearing eclogites, which originated from metasomatic veins consisting of phlogopite and clinopyroxene pervading cumulates prior to metamorphism. The eclogitization of the metasomatised protolith was caused by the collision of the Kheis terrane (2 Ga) with the Kaapvaal craton (2.7 Ga) at the western margin of the craton. As the eclogite protolith was metasomatised prior to the eclogitization, it is likely that the protolith formed in a magma chamber situated underneath the Kheis belt which was later underplated prior to the collision with the Kaapvaal craton. Hence, the geological situation argues that the Zero eclogites should not be notably older than the Kheis belt, which is about 2 Ga.

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