Fluidumok a köpenyékben
Szubdukció, köpenyék PhD kurzus Biró Tamás 2014.11.22
A fluidumok útja és szerepe a köpenyékben ‐ áttekintés ‐
Iwamori (1998)
Témák az előadásban: • A fluidumok megjelenése a köpenyékben és a hozzá kapcsolódó parciális olvadás •
Az illók összetétele
•
Illók okozta metaszomatózis a köpenyékben (fő‐ és nyomelemek viselkedése) Manning (2004)
Fig. 1. (a) Results of a numerical simulation of H2O production and migration in a model subduction zone [42]. The model includes solid mantle flow, assumes mineral‐fluid‐melt equilibrium in the slab (MORB–H2O) and mantle wedge (peridotite–H2O) system, and approximates aqueous fluid migration by porous flow along a pressure gradient. Subduction rate is 6 cm/year and the slab is 130 million years old. Colors represent rock H2O content, solid lines denote isotherms (200 jC intervals, surface is 0 jC), and dashed lines indicate mantle flow paths. The location of the volcanic front is schematic. Water content decreases with depth in the slab due to H2O loss from hydrous minerals. Large portions of the mantle in the model are at least partly hydrated by this fluid; some fluid crosses the moho and locally reaches the surface. High H2O contents in the high‐T region of the mantle beneath the volcanic arc signify sites where melting can be expected. This conceptual framework is consistent with high‐precision studies of trace elements and isotopic variations across and along volcanic arcs [109–118]. (b) Enlargement of region in (a) showing schematic path of a slab‐ derived fluid, with mantle H2O contents (wt.%). The fluid migrates into the mantle wedge (solid orange arrows), where it is absorbed through formation of hydrous minerals. Downward flow of solid mantle (dashed arrows) causes dehydration. After multiple hydration – dehydration steps, the fluid enters a region where it is stable with anhydrous minerals, which allows greater travel distances. (c) Pressure– temperature diagram showing representative conditions at the slab– mantle interface (shaded) in northwest and southeast Japan [119], the coolest of which (left side) corresponds to results in (a). The fluid‐flow trajectory represents the schematic path from (a) and (b). Also shown are P and T of fluid compositions discussed in the text. Open symbols designate fluids equilibrated with crustal mineral assemblages; filled symbols designate fluids equilibrated with mantle (Table 1). Abbreviations: CR, Costa Rica [83]; MP, Marianas (Pacman Seamount) [82,85]; MC, Marianas (Conical Seamount), [85,108]; EC, MORB eclogite [92]; JP, jadeite peridotite [94]; GP, garnet– orthopyroxene [95]; LH, Lherzolite [96]. (d) Schematic changes in fluid composition along the flow path in (c). Concentration of silicate components derived from the rock matrix increase downstream because of rising temperature, leading to dilution of the slab component. Slab‐derived compatible elements are lost close to the slab, but incompatible elements may be transported to the magma source region. In detail patterns will be more complicated owing to changes in mineral stability and fluid flux. AZ ELŐZŐ DIÁN LÉVŐ ÁBRA MAGYARÁZATA
I. A fluidumok megjelenése a köpenyékben és a hozzá kapcsolódó parciális olvadás
•
•
Schmidt and Poli (1998) Scambelluri & Philippot (2001)
A különböző OH és H2O‐tartalmú fázisok más mélységben (P, T viszonyok között érik el a stabilitási határukat. Ez meghatározza, hogy az alábukó óceáni lemez fölött hol található a leginkább hidratált köpenyék rész.
Fig. 8. Model for the formation of the volcanic front. Dehydration from peridotite and oceanic crust occurs at almost any depth to ca. 150–200 km, thus water will be generally available above the subducting lithosphere. The reddish region in the mantle wedge will have a significant amount of melt present. The volcanic front forms where the amount of melt is sufficient to mechanically extract and give rise to arc magmatism. Open arrows indicate rise of fluid, short solid arrows indicate rise of melts. Long arrows indicate flow in the mantle wedge. Stippled lines outline stability fields of hydrous phases in peridotite
Hacker et al. (2003) Iwamori (1998)
H2O felszabadulása az alábukó lemezből Phase diagram for MORB; Phase relations in the ‘‘forbidden zone’’ (PT conditions not represented by rocks exposed on Earth’s surface [Liou et al., 2000]) are poorly known. Solidi and high‐pressure phase relations modified per results of Vielzeuf and Schmidt [2001]. A kék pontok azt a P, T utat mutatják, ami egy alábukó óceáni lemez süllyedése során jellemző.
• The fluid migrates into the mantle wedge, where it is absorbed through formation of hydrous minerals. Downward flow of solid mantle causes dehydration. After multiple hydration – dehydration steps, the fluid enters a region where it is stable with anhydrous minerals, which allows greater travel distances.
Víztartalmú fázisok stabilitása a köpenyékben
Phase assemblages in olivine‐poor lherzolite (squares), Tinaquillo lherzolite (circles), and harzburgite (diamonds) compositions at fluid saturated conditions as a function of pressure and temperature. Phase relationships involving antigorite (ant) are from Ulmer & Trommsdorff (1999); topology of amphibole breakdown reactions is from Schmidt & Poli (1998). Numbers refer to reactions discussed in text. chl, chlorite; amp, amphibole; ol, olivine; cpx, clinopyroxene; opx, orthopyroxene; gar, garnet; 10 A ° , 10 A° phase; sp, spinel; tc, talc. The dashed grey line (this study) and curve a (Niida & Green, 1999; MORB pyrolite) show the shift of the transition from spinel peridotites to garnet peridotites as a function of the bulk composition chosen. The grey field represents absence of stable hydrous phases.
Fumagalli and Poli (2005)
Az előző dia magyarázata • Az alábukó óceáni lemezben a stabilitásukat elvesztő (breakdown) ásványokból fluidum szabadul fel, ami a köpenyékbe kerül. • A köpenyékbe kerülő H2O kezdetben víztartalmú ásványokban (főként amfibol) csapdázódik, majd ezekből kiszabadulva vizes oldatként, vagy hidratált olvadékként mozog. • Lásd az 1. dia / b ábrát és hozzá kapcsolódó magyarázatot. • A fő hidratációs / dehidratációs folyamatokat a következő ábrákon lévő fázisdiagramok mutatják. A részleteket lásd Iwamori (1998)‐nál.
A H2O mozgása a köpenyékben Water content in wt. %
a – amphibole s – serpentine t – talc c – chlorite sp – spinel A – phase A m ‐ melt
solidus
Iwamori (1998) P–T boundaries for major hydration–dehydration reactions, including melting and subsolidus reactions for a wet peridotite assemblage.
A két vastag görbe különböző korú és különböző szögben alá‐ bukó óceáni lemezek P‐T útját mutatja be. A részleteket és a modellezés Hátterét lásd. Iwamori (1998) ‐nál.
Representative transportation paths (10 m.y; 130 m.y )of H2O in P–T space with the phase relationships of hydrous peridotite
Iwamori (1998)
A fluidumok okozta parciális olvadás • A köpenyékbe kerülő fluidumok parciális olvadást okoznak. Ennek oka, hogy a hidratált peridotit szolidusz hőmérséklete alacsonyabb, mint a vízmentes peridotité azonos nyomáson.
A fluidumok okozta parciális olvadás
Iwamori (1998)
Parameterized melting behaviours of peridotites for variable pressure (P), temperature (T), and composition (H2O content). (a) Liquidus and solidus curves, and (b) degree of melting (X).
A felsőköpeny nedves szolidusza Különböző kísérletek különböző szolidusz értékeket adnak meg. A diszkrepancia okai: TÚL KEVÉS VÍZ TÚL RÖVID IDŐ ‐Eltérő olvadási kinetika (olivin lassabb vs. diopszid gyorsabb) H ÉS Fe DIFFÚZÓJA ‐Pt és Mo kapszulák Grove et al. (2006)
P‐T‐XH2O ösvények parciális olvadás során
Flux melting pressure–temperature–XH2O paths. (A) Path taken by a melt produced at the vapor‐saturated solidus (P1, T1) as it ascends vertically into shallow, hotter mantle (arrow). This path is dictated by the thermal structure in the mantle wedge and the path taken by the ascending melt. Grey arrow shows path from shallower part of the wedge. A series of vertical ascent paths is used to construct the melt distribution vs. depth shown in (next slide) Re‐equilibration of melts with surroundings during flux melting. Melt ascends to shallower, hotter mantle at lower pressure (P2, T2 and P3, T3). Melt is too H2Orich under these conditions and dissolves silicates to come into equilibrium with its surroundings (ΔF2, ΔF3). At last depth of equilibration, the melt records only the shallow conditions (P3, T3).
Egyensúly kialakulása a fluidum és a köpenyék szilikátfázisai között
Grove et al. (2006)
A parciális olvadás helye a köpenyékben Temperature distribution and H2O fluxed melting processes in the mantle wedge. Melting is calculated for vertical trajectories above the slab– wedge interface. The calculation was arbitrarily cut off below 108 km, and was extended to shallower depths until vertical trajectories no longer intersected the vaporsaturated solidus. Shaded and hatched regions show the parts of the mantle wedge that are above the vapor saturated solidus. Shaded regions show the amount of melt present in the mantle (A) or H2O content (B) for independent parallel vertical flux melting trajectories. The hatched region is drawn to enclose the part of the mantle where temperature decreases with decreasing depth but still remains above the vapor‐ saturated peridotite solidus. Dark lines are isotherms and small arrows are mantle flow lines from. Grove et al. (2006)
A szubdukciós fluidumok fizikai jellege • Hidratált szilikátolvadék, vizes oldat, vagy Szuperkritikus fluidum? • A szubdukálódó lemezben és a felette lévő köpenyékben mozgó fluidumok fizikai jellege fontos kérdés. A probléma legegyszerűbben egy kétkomponensű (H2O + valamilyen szilikát) rendszerrel írható le. A következő fázisdiagramok bemutatják, hogy a fluidumok lehetnek: hidratált szilikátolvadékok, vizes oldatok, vagy ún. szuperkritikus fluidumok, amikor a két komponens tökéletesen elegyedik egymással. • A fluidum jellege azért nagyon fontos, mert a különböző karakterű fluidumok más és más elemeket tudnak mobilizálni. A szigetív bazaltok nyomelem‐eloszlásának kialakításához szükséges szállító fluidum feltételezett karakterét (hidratált szilikátolvadék, vagy vizes oldat) lásd a későbbi diákon.
Hidratált szilikátolvadék, vizes oldat, vagy szuperkritikus fluidum?
Manning (2004) Schematic P–T projections of phase relations illustrating contrasting behavior of simple two‐ component systems. Grey lines indicate phase relations for one‐component systems H2O and hypothetical composition A; black lines represent relations for A‐H2O mixtures. Labeling of fields is for H2O‐rich systems. (B) The system A‐H2O, in which the critical curve and solubility curve intersect. This yields two critical end points (C1 and C2). Short dashed lines denote metastable portions of curves. Albite–H2O is an example.
Hermann et al. (2006)
•
Fig. 1. P–T phase diagram for a simple binary system, rock‐H2O. Also shown are a series of isobaric T–Xfluid sections through the P–T projection, at the pressures indicated (i, ii, iii). E0 Rock–H2O refers to the eutectic point and CPsyst n refers to various critical points (open circles) where n is used to distinguish multiple CP present in the binary system. Phase boundaries are labelled. Stable assemblages in each part of the figure are indicated. Mineral‐buffered fluid composition is contoured in weight total dissolved solids. TheP–T–X behavior of mineral solubility surface and relative positions of other features mimics that observed for the SiO2–H2Osystem. The rapid change in solubility with temperature near CP2 Rock–H2O gives rise to twoP–Tregions in which the compositional characters of mineral‐buffered supercritical fluids are distinctly different and is the source for the descriptive supercritical fluid nomenclature used, i.e. aqueous fluid and hydrous melt. The use of such terminology for the supercritical phase does not imply there is a phase transition, sensu stricto, between regions.
Tökéletes elegyedés szilikát olvadék és H2O között Ab – H2O rendszerben
• Az ábrasorozat azt mutatja, hogy egy adott kétkomponensű rendszerben (H2O‐albit) 3°C‐os hőmérséklet növekedés hatására hogyan következik be a tökéletes elegyedés a szilikátolvadék és a H2O között. Szuperkritikus állapotban a két komponens tökéletes elegyedést mutat.
H+ speciáció a P‐T viszonyok függvényében
Bureau and Keppler (1999)
In‐situ FTIR spectra of aqueous fluid, hydrous melt and supercritical phase in the system haplogranite–H2O under isochoric conditions in a diamond cell with a bulk density of water of 1.016 g cm3. The composition of the supercritical fluid corresponds to the bulk composition of the system. The concentration of molecular H2O (band at 5200 cm‐1) is much larger in the aqueous fluid than in the coexisting melt, while the concentration of OH groups (band at 4500 cm‐1) is higher in the melt.
II. A szubdukciós fluidumok összetétele
A szubdukciós fluidumok összetétele ‐ Vizsgálati lehetőségek ‐ • IAB‐ok nyomelemösszetétele • Kiindulási összetétel: – HP és UHP kőzetek fluidzárványai
• Módosulás a köpenyékben: – Kísérleti kőzettan (megoszlási együtthatók különböző P‐T‐X rendszerekben) – Model‐számítások
IAB‐ok nyomelemtartalma
incompatible element abundances in island arc basalts compared with those in MOR‐type basalts, normalized to primor‐ dial mantle values after Wilson, 1989.
Az IAB olvadékok jellemzően negatív relatív anomáliát mutatnak a LILE elemek tekintetében.
LILE
Scambelluri & Philippot (2001)
Milyen fluidum szükséges az IAB‐ok nyomelemeloszlásának kialakításához? ‐ Jörg Hermann Eurispet előadása alapján ‐
P‐T‐XH2O‐Melt viszonyok a köpenyékben NAGY OLDOTT ANYAG TARTALOM
HÍG
SŰRŰ
A fluidumok összetételét meghatározó tényezők • 1) bulk composition; • 2) temperature and pressure; • 3) phases which buffer the fluid composition; • 4) fluid–rock ratio
Hermann et al. (2006)
A szubdukciós fluidumok összetétele ‐ Az összetétel P‐T‐függése ‐
CR‐ Costa Rica MP – Marianas Pacman MC – Marianas Conical EC‐ Eclogite JP – Jadeit peridotite GP –Garnet peridotite LH – Sp‐Ilm‐Rut‐Lherzolite
Pressure– temperature diagram showing representative conditions at the slab– mantle interface (shaded) in northwest and southeast Japan [119], the coolest of which (left side) corresponds to results in (a). The fluid‐flow trajectory represents the schematic path from (a) and (b). Also shown are P and T of fluid compositions discussed in the text. Open symbols designate fluids equilibrated with crustal mineral assemblages; filled symbols designate fluids equilibrated with mantle.
Manning (2004)
A szubdukciós fluidumok összetétele ‐ Főelemek ‐ Manning (2004)
1) A TDS (total dissolved solids) minden esetben alacsony, és független a P‐T viszonyoktól 2) A TDS annak ellenére, hogy minden esetben alacsony, növekszik a mélységgel (P‐T‐vel). Ez az ásványok P‐T‐vel növekvő oldhatóságára vezethető vissza. 3) A fő oldott kationok Si, Na és Al. A Ca és Mg alacsony koncentrációja arra utal, hogy ezek a kationok jobban tudnak adott P‐T viszonyok között polimereket alkotni. (szerpentin, amfibol)
‐ Nyomelemek ‐
Manning (2004)
Trace‐element patterns of low‐ Cl subduction‐zone fluids are broadly similar to island‐arc basalt (IAB) and continental crust, with enrichments in LILE and Pb, and depletions in high field strength elements However, >1 molal chloride changes some aspects of the patterns [70]. While Pb enrichment, Nb depletion, and a decreasing abundance with compatibility remain, the 5 molal brine shows very high Rb/Ba, Th/U ~0.01, enhanced Pb enrichment, and extreme differences between adjacent elements. This would appear to suggest that the trace‐ element signature of the IAB source is controlled by flow of low‐Cl fluid [97,98].
A Cl szerepe
Cl‐free
5 m (Na,K)Cl
Fluid / melting slab
Keppler (1996)
III. Illók okozta metaszomatózis a köpenyékben (fő‐ és nyomelemek viselkedése) Esettanulmányok: Ulten Tubaf
Ulten Komplex átalakulás‐ történet: • Durvaszemcsés spinel‐tartalmú peridotitból (A), finomszemcsés gránát‐ és amfibol‐tartalmú peridotit (B1 & B2) • A Ca‐tartalmú amfibol és a gránát egyensúlyi alacsony T‐n és magas P‐n történő átalakulásra utal H2O‐gazdag metaszomatikus ágens jelenlétében
Rampone & Morten (2001)
Rejtett és modális metaszomatózis az Ulten mintákban
Rampone & Morten (2001)
Teljes kőzet nyomelem‐összetétel
Scambelluri et al. (2006)
Teljes kőzet nyomelem‐összetétel
Scambelluri et al. (2006)
Bulk‐rock variability of several fluid‐mobile elements. Minél nagyobb a metaszomatózis foka (nagyobb a modális metaszomatózis során képződött amfibol részaránya – táblázat) , annál inkább gazdagabb a kőzet a fenti fluid‐mobilis elemekben.
Amph, cpx, gar nyomelem‐összetétele
Metaszomatózis hatásai: ‐ LREE gazdagodás amph‐ban, cpx‐ben
Rampone & Morten (2001)
A metaszomatózist okozó fluidumok karaktere és az okozott átalakulások a Tubaf salakkúp által megmintázott xenolitok alapján
McInnes et al. (2001) Grégoire et al. (2001)
‐Olvadék: SiO‐re nem telített; nagy K‐tartalmú mészalkáli ‐Ív előtti helyzet, ‐Sok köpeny xenolit
Tubaf salakkúp
Metaszomatózis nyomai durvaszemcsés spinel‐peridotit zárványokban. a, b – ortopiroxenit (ensztatit) ér harzburgit xenolitban c, d ‐ a metaszomatózis során képződött ásványok (+ Fe‐Ni szulfidok; olivin; cpx; phlogopit; amfibol; megnetit) e – fluid‐zárvány olivinben f – új ásványok kiválása a metaszomatózis során
OPX‐ben & CPX‐ ben okozott változások (főelemek): ‐Nagyobb Mg # ‐Kisebb Al2O3 ‐Opx‐ben kifejezettebb
Oxygen fugacity measurements for mafic and ultramafic xenolith samples from the Lihir sub‐arc lithosphere compared with ultramafic xenoliths from other arc‐related environments [31]. All data presented are relative to the FMQ buffer (∆FMQ) at a calculated temperature and assumed pressure of 1.5 GPa. Lihir sub‐arc gabbroic crust records oxidation states slightly below the FMQ oxygen buffer, consistent with initial formation of the sub‐arc oceanic lithosphere in a MOR environment. Peridotite xenoliths from the Lihir sub‐ arc mantle are more oxidised than the gabbroic suite due to mantle metasomatism by subduction‐derived hydrous fluids. Type C metasomatic vein assemblages containing both magnetite and Fe^Ni sulphide record oxidation states of ∆FMQV+2, and must have precipitated from hydrous fluids with SO2/H2S>1
References • • • • • • • • • • • • •
Iwamori (1998) – EPSL 160, 65‐80 p. Schmidt and Poli (1998) – EPSL 163, 361‐369 p. Bureau and Keppler (1999) – EPSL 165, 187‐196 p. Grégoire et al. (2001) – Lithos 59, 91‐108 p. McInnes et al. (2001) – EPSL 188, 169‐183 p. Scambelluri & Philippot (2001) – Lithos 55, 213‐227 p. Rampone & Morten (2001) – J. Petrol. 42, 207‐219 p. Hacker et al. (2003) – J. Geophys. Res. 108, 1‐25 p. Manning (2004) – EPSL 223, 1‐16 p. Fumagalli & Poli (2005) ‐ J. Petrol. 46, 1‐25 p. Grove et al. (2006) – EPSL 249, 74‐89 p. Scambelluri et al. (2006) – Contrib. Mineral. Petrol. 151, 372‐394. Hermann et al. (2006) – Lithos 92, 399‐417 p.
