Petrological, geochemical and Os-Hf-Nd-Sr isotopic characterization of the Subcontinental Lithospheric Earth Mantle beneath Patagonia

Andrea Mundl

doi:10.25365/thesis.37915

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Title (eng)

Petrological, geochemical and Os-Hf-Nd-Sr isotopic characterization of the Subcontinental Lithospheric Earth Mantle beneath Patagonia

Parallel title (deu)

Petrologische, geochemische und Os-Hf-Nd-Sr isotopische Charakterisierung des subkontinentalen lithosphärischen Erdmantels unterhalb Patagonien

Author

Andrea Mundl

Advisor

Theodoros Ntaflos

Assessor

Jacek Puziewicz

Massimo Coltorti

Abstract (deu)

Mantelxenolithe – Fragmente des subkontintentalen lithosphärischen Erdmantels (SCLM) – aus Patagonien wurden petrografisch und geochemisch beschrieben und deren Os-Hf-Nd-Sr Isotopenzusammensetzung bestimmt. Proben von zehn Aufschlüssen, verteilt in ganz Patagonien, wurden gesammelt und Mantelxenolithe wurden sorgfältig ausgewählt um neue Erkenntnisse über die Herkunft und Evolution des lithosphärischen Erdmantels unterhalb des südlichen Teils Argentiniens zu gewinnen. Diese Fragmente des SCLM ermöglichen es uns, Auskunft über den Stabilisierungszeitpunkt des lithosphärischen Erdmantels und folglich Informationen über den Entstehungszeitpunkt der darüber liegenden kontinentalen Kruste zu erhalten. Ein Zusammenhang der Bildung von Kruste und der Stabilisierung des darunter liegenden Erdmantels ermöglicht die Datierung der kontinentalen Lithosphäre, auch in Regionen, wo krustale Basements nicht zugänglich oder wie im Fall von Süd-Patagonien, mit Sedimenten und jungen Vulkangesteinen überlagert sind. Das Re-Os Isotopensystem ist ein wichtiges und verlässliches Werkzeug für die Datierung von SCLM-Bereichen und gibt in Folge Aufschluss über die Entstehung von kontinentalen Krustenbereichen. Unsere Untersuchungen zeigen, dass Patagonien aus mehreren neo- bis paläoproterozoischen kontinentalen Fragmenten zusammengesetzt ist. Der südlichste Teil, das sogenannte Pali Aike, repräsentiert den ältesten Teil von Südargentinien. Das früh paläoproterozoische Alter (2,5 Ga) deutet auf eine gemeinsame Entstehung mit Bereichen der westlichen Antarktis hin. Der Erdmantel unterhalb des Deseado Massivs hingegen zeigt ein deutlich jüngeres Stabilisierungsalter von 1,3 Ga und lässt auf eine gemeinsame Entstehung mit Bereichen des südlichen Afrikas schließen. Diese neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der südliche Teil von Patagonien, die Provinz von Santa Cruz, aus mindestens zwei Teilen aufgebaut ist. Die Region von Tres Lagos im Südwesten des Deseado Massivs zeigt mit 1,9 Ga ein paläoproterozoisches Entstehungsalter und könnte somit ein drittes Fragment darstellen. Die Re-Os Isotopenergebnisse von Proben aus dem nördlichen Patagonien, dem sogenannten Nord Patagonischen Massiv (NPM), sind schwieriger zu interpretieren, da der SCLM unterhalb dieses Bereichs stark von Metasomatose überprägt wurde. Mindestalter der Stabilisierung des lithosphärischen Erdmantels deuten auf eine mesoproterozoische Entstehung (1,0 bis 1,3 Ga) des westlichen Teils des NPM hin. Das Gebiet um Prahuaniyeu, im Zentrum des NPM gelegen, zeigt ein deutlich älteres, paläoproterozoisches (1,7 Ga) Entstehungsalter und lässt darauf schließen, dass der Norden von Patagonien aus mindestens zwei kontinentalen Fragmenten aufgebaut ist. Petrographische und geochemische Untersuchungen an Mantelxenolithen zeigten deutliche Unterschiede zwischen dem Norden und dem Süden von Patagonien. Während der SCLM im südlichen Bereich unterschiedlich verarmte Proben von Lherzoliten bis Harzburgiten aufweist, findet man im Norden ausschließlich stark verarmte Harzburgite. Klinopyroxen-Spurenelementanalysen und Isotopenuntersuchungen zeigen, dass der Erdmantel unterhalb des NPM nach dem initialen Aufschmelzprozess eine Reaktion mit einer chromatografisch fraktionierten Schmelze erfahren hat. Diese Reaktion einer perkolierenden Schmelze mit Teilen des Erdmantels führt zu einer kompositionellen Veränderung der Schmelze und in Folge dessen zu unterschiedlich überprägten Erdmantelbereichen, was sich vor allem in der Spurenelementzusammensetzung wiederspiegelt. Gesamtgesteins- und Mineralzusammensetzungen zeigen jedoch, dass diese Reaktion des Erdmantels mit einer darin perkolierenden Schmelze keine Auswirkung auf die Hauptelementsystematik hatte. Isotopen- und HSE-Zusammensetzungen weisen ebenfalls darauf hin, dass der Erdmantel mit einer Schmelze reagiert hat. Während Platinum Group Element Untersuchungen zeigen, dass metasomatische Prozesse, wenn vorhanden, im SCLM des südlichen Patagoniens keine Auswirkungen auf die Iridium-Gruppe der Platinum Group Elements (IPGE) hatten, zeigen manche Proben aus dem Norden von Patagonien eine Fraktionierung der IPGEs und somit eine deutliche Überprägung des SCLM unterhalb des NPM.

Abstract (eng)

Mantle xenoliths – fragments of the subcontinental lithospheric mantle (SCLM) – from beneath Patagonia were petrographically and geochemically characterized and analyzed for their Os-Hf-Nd-Sr isotopic composition. Ten different mantle xenolith outcrops, spread all across Patagonia, were chosen and samples were carefully selected to obtain new insights into the origin and evolution of the lithospheric mantle underneath the southern part of Argentina. These SCLM fragments provide the opportunity to determine estimates on the formation age of continental terranes. An evolutionary link of crust and its underlying mantle makes dating continental fragments possible, even in areas where crustal basement rocks are scarce or completely inaccessible, as is the case for the southern part of Patagonia. The Re-Os isotopic system represents a useful and reliable tool to determine lithospheric mantle stabilization ages and subsequently provides information on the timing of formation of continental terranes. Our study shows that Patagonia is made up of multiple continental fragments with Neo- to early Paleoproterozoic formation ages. The southernmost part, known as the Pali Aike area, represents the oldest part of southern Argentina and its early Paleoproterozoic (2.5 Ga) formation age indicates an evolutionary connection to parts of western Antarctica. The Deseado Massif area yields distinctly younger lithospheric mantle stabilization ages (1.3 Ga) and suggests a common origin with parts of South Africa. These new age determinations clearly show that the southern part of Patagonia (the Santa Cruz Province) is made up of at least two lithospheric fragments. A third fragment could be represented by the region of Tres Lagos, located southwest of the Deseado Massif. Re-Os SCLM formation ages indicate a mid Paleoproterozoic (1.9 Ga) origin. Age determinations from northern Patagonia, an area known as the North Patagonian Massif (NPM), are more difficult to interpret as the SCLM in this region has undergone extensive metasomatic overprinting. Minimum mantle stabilization ages suggest a Mesoproterozoic (1.0 to 1.3 Ga) evolution of the SCLM beneath the western part of the NPM. The lithospheric mantle underneath Prahuaniyeu, located roughly in the center of the NPM yields older, late Paleoproterozoic (1.7 Ga) formation ages. This suggests at least two variably old continental fragments beneath the northern part of Patagonia. Petrographic and geochemical studies revealed distinct differences between mantle xenoliths from the South and the North of Patagonia. While the SCLM beneath the southern areas of Patagonia exhibits a wide range of fertility represented by abundant lherzolites and harzburgites, the northern part of Patagonia yields exclusively highly depleted mantle xenoliths. Clinopyroxene trace element and isotopic studies indicate that the lithospheric Earth mantle beneath the NPM has experienced reactions with a chromatographically fractionated melt after the initial melt depletion event. These melt-rock reactions lead to a compositionally evolving melt and variably altered mantle sections, which is strongly reflected in primitive mantle normalized clinopyroxene trace element patterns. Bulk rock and mineral compositions, on the contrary, suggest that this melt percolation event has not significantly affected major element systematics. Isotope and highly siderophile element (HSE) compositions, on the other hand, also suggest melt-rock reactions. Platinum group element systematics of samples from southern Patagonia suggest that metasomatic processes have not had impact on the iridium-group PGEs (Or, Ir and Ru). In contrast, bulk rock analyses of north Patagonian mantle xenoliths reveal a fractionation of IPGEs, also a strong sign for percolating melt-rock reactions in the SCLM beneath the NPM.

Keywords (eng)

Patagoniamantle xenolithsgeochemistryisotope geochemistry

Keywords (deu)

PatagonienMantelxenolitheGeochemieIsotopengeochemie

Subject (deu)

Magmatische Gesteine

Subject (deu)

Magmatismus, Vulkanologie

Subject (deu)

Geochemie

Type (deu)

Dissertation