Claire E. Bucholz 1 *, Oliver Jagoutz 2, Max W. Schmidt 3, and Oyungerel Sambuu 4

Transcript

1 Палео- нумын калигаар баялаг анхдагч магмын хайлалтын клинопироксен- флогопит давамгайлсан фракцжилтын кристалжилтаар үүссэн гранитын гарал. 2-р хэсэг: Баруун Монголын Дарви нурууны магмын комплексын геохимийн судалгаа Granite Genesis through Phlogopite- and Clinopyroxene-dominated Fractional Crystallization of a High-K Primitive Melt in a Paleo-arc, Part 2: Whole Rock Geochemistry of the Darvi Igneous Complex, Western Mongolia Claire E. Bucholz 1 *, Oliver Jagoutz 2, Max W. Schmidt 3, and Oyungerel Sambuu 4 1 Massachusetts Institute of Technology/Woods Hole Oceanographic Institution Joint Program in Oceanography, Cambridge, MA 02139, USA 2 Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA 3 Department of Earth Sciences, ETH Zürich, Sonneggstrasse 5, 8092 Zürich, Switzerland 4 Mongolian University of Science and Technology

2 (a) Төв Азийн Ороген бүсийн (CAOB) схем зураг.(b) Баруун Монголын газар нутагт офиолит ба арлан нумтай холбоотой кембрийн-өмнөх аккрецид автсан автохтон террейнүүд тохиолдоно. Дарви нуруу нь кембрийн-өмнөх Монгол Алтайн нурууны аллохтон ба Нуурын террейний хил заагт оршдог.

3 (a) Дарви нурууны геологийн зургийг Landsat images-г үндэслэсэн зохиоон (interpretation of previously constructed maps of the area Dijkstra et al., 2006, Khain et al., 2003). Хээрийн зураглалд Дарви нурууны баруунхойд ба зүүн-урд хэсгийн шүлтлэг магмын чулуулаг ба офиолит эвшил хамрагдсан. (b) Нуурын террейн (офиолит эвшил, мантийн зүсэлт, шүлтлэг магмын фракцжилт, бага температурын мета-тунамал чулуулаг) ба Алтайн метаморф аллохтоны харилцан холбоог илтгэсэн нарийвчилсан судалгааны талбайн геологийг A-A зүсэлтээр Fig. 3-с харуулсан.

4 Дарви нурууны чулуулгийн төрлүүдийн харилцан уялдааг A-A зүсэлтээр К.Бучолз харуулсан. Cross-section through Darvi Range showing the overall structure and relationship between various units. Profile A-A location is indicated in Fig. 2b.

5 a) Мантийн гаралтай серпентинжсэн флогопит-агуулсан верлит (геологийн алхаар хэмжихэд ойролцоогоор 0.9 м урт). b) флогопиттай кумулат чулуулгийг хөндлөн огтолсон хожуу үеийн аплитын дайк. Геологийн алхны урт 33 см. d) Монцонитыг зүссэн аплитын дайкийн диффузи хил зааг нь комагмын үүслийг гэрчилнэ. Үзэгний урт 15 см. e)монцонит ба хайлж мөлийсөн хил заагтай биотиттой кумулатын ксенолит хоёулаа аплитын дайкаар зүсэгджээ. Хэмжээг b зурагай адил геологийн алхаар харуулав.

6 Хээрийн ажиглалт

7 Хил заагийн ажиглалт

8 Магнигаар баялаг чулуулаг бүрдүүлэгч эрдсүүдийн a, b, d, e, & h микроскопын туйлширсан гэрэлд c туйлширсан гэрлийн огтлолд f & g бүрхүүлтэй тунгалаг шлифэнд Бучолзын авсан фото-зургууд. h (шүлтлэг гранит)-ээс бусад тунгалаг шлифний зузаан 100 μm. a) Флогопит агуулсан верлит (MO ). Флогопитоор түрэгдэн жигд бус хил заагтай болсон оливин анхдагч оливиноос флогопит үүссэнийг харуулна. b) Флогопитоор баялаг верлит (MO )-эд биотитын модал агуулга өсдөг. c) Флогопиттой клинопироксенит (MO )-эд клинопироксений мөхлөгүүд интерстицийн биотитыг пойкилитоор агуулна. d) Клинопироксентэй флогопитит (glimmerite) (MO-11-10)-эд апатит олон тоогоор агуулагдана.

9 e) Биотитот монцогаббро (MO-11-12) биотит, клинопироксен, хээрийн жонш. f) кварц агуулсан монцодиорит (MO-11-14). g) Кварцат монцонит (MO-11-26),-н бага хэмжээний клинопироксен фракцжилтын фазыг гэрчилнэ. h) Шүлтлэг хээрийн жонштой гранит (MO-9-239).

10 Химийн шинжилгээгээр Mg# тодорхойлоход Кумулат: Биотитоор баялаг верлитийн оливин: -Mg# of 87-85, флогопиттой верлитийн оливин: Mg# = Верлитийн клинопироксен магнийлаг Mg# s of флогопит агуулсан хэт суурилаг кумулатын Mg# 80-с 88 хүртэл хэлбэлздэг. Монцогаббро, монцодиорит ба монцонитын клинопироксенд Mg# ~ Анхдагч верлитийн Cr агуулга жин.% буурахад плагиоклаз агуулсан кумулатынх <0.10 жин.%. Кристалжилтын фазын Mg# их боловч Fe-Ti ислүүдийн TiO 2 агуулга буурахад зэрэгцэн буурах хандлагатай. Биотит Анхдагч флогопиттой верлитийн биотитийн Mg# s 85-88, гэхдээ өндөр хөгжсөн верлитийн биотитийн Mg# ~70 хүртэл буурна. Клинопироксенит, флогопитит, монцогаббро, монцодиорит ба монцонитийн биотитийн Mg# 67-73, 70-71, 57-62, ба тус тус байна. Лампрофир дайкуудын биотитийн Mg# s of Хэт суурилаг кумулатын биотитийн Al 2 O 3 агуулга жин.% ба лампрофирийнх жин.% байгаа нь суурилаг ба өндөр хөгжсөн чулуулагтай ( жин%) харьцуулахад их байна.

11 Биотитийн сарнимал элементийн агуулга Флогопиттой верлит (MO , MO , MO , MO-11-8), флогопиттой клинопироксенит (MO ), флогопитит (MO-11-10), монцогаббро (MO-11-12), монцодиорит (MO-11-13, MO-11-14, MO-11-21) ба монцонит (MO-11-26). Биотит шүлтлэг элементүүд ихтэй. Бидний судалгаагаар Cs, Rb, Ba агуулга анхдагч магмынхаас дахин их. Анхдагч кумулатын флогопитод Ba 5798 ppm (MO ). Хэт суурилаг кумулатын биотит Sr р баялаг. Монцогаббро ба монцодиоритод Sr-баяжилт ажиглагдаагүй. Бүх чулуулагт Pb, Zr, Hf баяжилт, ялангуяа бүх биотитод Nb тогтоодсон. Nb н хуримтлал нь прогресс фракцжилттай холбоотой өснө флогопиттой верлитэд ppm (MO ) ба өндөр хөгжсөн чулуулгийн биотитод Nb дундаж агуулга 39.8 ppm 32.3-с 78.4 ppm хүрнэ. Биотитод Ti, Nb, Zr, ба Hf агуулагдана (HFSE- high field strength element). V агуулга ~ ppm.

12 Геохими Флогопиттой верлитийн Ol, CPx ба флогопитод Fe-Ti ислүүд μm. Магнетит ульвошпинелийн хатуу уусмалын задрал, ховроор хромит. Хээрийн жонш Монцогаббро д шүлтлэг хээрийн жонш ба плагиоклаз ургалт үүсгэнэ. Өндөр хөгжсөн төрлийн шүлтлэг хээрийн жонш порфир маягийн структуртай. Монцогаббро ба монцодиоритын Pl - An 16 - An 44 харин монцонит ба кварцат монцонитод An 13 - An 30. Шүлтлэг хээрийн жонш ~Or0.9 Ab0.1. лампрофирийн плагиоклаз (An 29 - An 44 ) Монцогаббро (MO-11-12), монцодиорит (MO-11-13, MO-11-14, MO-11-21) ба монцонит(mo-11-26)-ийн Pl-ын сарнимал элементийн шинжилгээ ерөнхийдөө ижил, гэхдээ шүлтлэг хээрийн жонш LILE ионы радиус томтой элемент -р баялаг, плагиоклаз LREE хөнгөн газрын ховор элемент р баялаг. Шүлтлэг хээрийн жоншны LILE нь Ba тай хамт өсдөг (анхдагч мантийнхаас дахин их). HREE - шавхагдсан(анхдагч мантийнхаас дахин) ба LREE с хамаарсан Pb, Sr, ба Eu баяжилт ажиглагджээ. Апатит - флюороапатит ( жин.% F) флогопиттой хамт (~5% ) тохиолдоно. Апатитийн сарнимал элементийн шинжилгээг флогопитит (MO-11-10), монцогаббро (MO-11-12), монцодиорит (MO-11-13, MO-11-14, MO-11-21), монцонит (MO-11-26) хийхэд LREE (CeN/YbN = ) баялаг, Eu, Sr, Pb, Zr, ба Hf р шавхагдсан.

13 Дарви нурууны чулуулгийн төрлүүдийн химийн шинжилгээг магмын чулуулгийн ангилалын янз бүрийн диаграммаар илэрхийлсэн байна. Whole rock analyses of studied lithologies on various igneous classification diagrams. (a) AFM diagram (Irvine & Baragar, 1971). (b) QAP triangle (Streckeisen 1976; Lameyre & Bowden 1982). (c) TAS plot modified for plutonic rocks, (Le Bas et al. 1986, Middlemost 1994). (d) Al/(Na+K) against Al/(Ca+1.67P+Na+K) with metaluminous, peraluminous, and peralkaline fields. (e) Fe number (FeO/(FeO+MgO)) versus SiO2. A-type and Cordilleran granite fields and dividing line between ferroan and magnesian granites following Frost et al. (2001). (f) MALI versus SiO2. Calcic, calc-alkalic, alkalicalcic, and alkali fields after Frost et al., Patterned or shaded fields for the Bjerkreim-Sokndal batholith, the Sherman batholith, the Tuolumne series, and the southern California batholith are after Frost et al., (2001) and shown for comparison. Black dash line is the modeled LLD from this paper. Stars indicate cumulate compositions used in the LLD modeling. Xenolith data is from Buhlmann et al. (2000), Downes et al. (2004), and Giannetti & Luhr (1990).

14 Incompatible trace element spider diagrams normalized to primitive mantle, (Sun & McDonough, 1989) for (a) Верлит ба флогопит-агуулсан верлит, (b) флогопитоор баялаг верлит, флогопиттой клинопироксенит ба флогопитит, (c) монцогаббро, монцодиорит ба кварц-агуулсан монцонит (литологийн хувьд арай илүү хөгжсөн. (d)хожуу үеийн фельзитлэг дайкууд ба (шүлтлэг-) гранит

15 Чулуулгийн SiO 2 ба газрын ховор элементүүдийн спайдер диаграм. Symbols and lines as in Fig. 5 & 6. (a) Sr, (b) Ba, Ce, (d) Lu, (e) Cr, (f) Nb.

16 Ternary phase diagram in Ne-Ks-Qz system. Data is projected using calculated CIPW norm compositions (mass %). Most of the samples have 65 wt.% Qz+Ks+Ne (including Or + Ab recalculated into Qz, Ks, and Ne) combined with the exception of the 2 monzogabbros, 1 monzonite, and 3 lamprophyres. Lamprophyres are shown as a reference for the initial primitive melt composition (black star) used in the LLD model (dashed line). Bulk cumulate compositions used in LLD model are shown as stars of various colors. Phase boundaries are from (Ebadi & Johannes 1991; Hamilton & MacKenzie 1965; Holtz et al. 1989; Luth et al., 1964; Schairer, 1950). Orange field of California monzonites is from Miller (1977).

17 Comparison of Kohistan bulk arc (+average Darvi quartz monzonite) and bulk crust composition (BCC) of Rudnick and Gao (2003). a) Primitive mantle normalized compositions of incompatible elements in the BCC, the Kohistan Arc Composition (KAC, constrained by Jagoutz and Schmidt, 2012), KAC + 10 & 15% additions of average quartz monzonite composition from Darvi, and the average quartz monzonite composition. The solid blue line surrounded by a light blue band indicates the average and 1σ variations of the average Darvi quartz monzonite composition. b) Percent deviation from BCC for various incompatible elements of KAC and KAC + 10 & 15% average quartz monzonites composition.

18 Хэлэлцүүлэг Fractionation Sequence Фракцжилтын ялгарал Петрографийн баталгаа: магмын нэг шингэний шавхагдлаар плутон кумулатыг сери үүснэ. 1 БХ-оос ЗУ чиглэлээр янз бүрийн найрлагатай плутон чулуулаг аажмаар шилжилттэй хил заагтай анхдагч хэт сууриалагаас өндөр хөгжсөн төрлүүдэд шилжинэ. 2 кумулат эх үүсвэрийг флогопиттой верлит ба клинопироксенитэд пойкилит ба ортокумулат структур гэрчилнэ. Чулуулаг бүрдүүлэгч эрдсүүдийн дараалал: ol + cpx ± Fe-Ti oxides phl + ap k-fsp + pl + amph qrtz. Литологийн баталгаа: Эхний үед өнгөт эрдсүүдэд услаг флогопит давамгайлна. Биотитийн агуулга верлит флогопиттой верлит- апатит агуулсан флогопиттой клинопироксен монцогаббро- монцодиорит - монцонит руу прогресс өснө. Кумулатууд зөвхөн жижиг гарш эсвэл судал байдлаар тохиолдоно. Хоёрдахь услаг өнгөт эрдэс бол амфибол бөгөөд амфиболтой верлит, клинопироксенит, амфиболит ба амфибол агуулсан габброгийн гаршууд үүсгэнэ. Эрдсүүд үүссэн дараалал: ol + cpx Fe-Ti oxides ± ap amph ± bt pl + K-fsp ± sph Магмын гаралтай биотитийг гэрчлэх хэдэн шалгуур үзүүлэлт бий. 1 хэт суурилагаас өндөр хөгжсөн литологийн төрөл рүү биотитийн Mg# аажмаар буурна. Ховор ба сарнимал элементүүдийн агуулга (Na 2 O, Cl, MnO, Ni, Cr) магнийн номертой хамааралтайгаар ихсэж, буурдаг. Биотитийн мөхлөгийн хэмжээ 1-2 см хүрч, сайн кристалжсан байгаа нь өөр ямар нэг эрдсийг түрж хоёрдогчоор үүсээгүйг илтгэнэ. Кумулат чулуулагт хоёрдогч хувирал ажиглагдаагүй. 2 биотит идиоморф хэлбэртэй (subhedral to euhedral shape), бусад эрдсүүдийн интерстицэд хөгжсөн. Клинопироксен ба биотит хоёулаа апатитийн жижиг призмүүдийг агуулсан нь тэд хамтдаа апатитийн дараа үүссэнийг гэрчилнэ. 3 шүлтлэг магмын хайлалтын температур багасахад (Barton and Hamilton 1979; Modreski and Boettcher 1972; Yoder and Kushiro 1969): магмын супер-солидус a supra-solidus -ыг урвалжийг гэрчилсэн форстерит + хайлалт = флогопит + хайлалт melt -аар оливинийг түрж биотит үүсдэг баталгаа бий

19 Дүгнэлт Фракцжилтийн дифференциаци -гол механизм Эх үүсвэрийн хайлалтын сарнимал элементийн бүрэлдэхүүнийг анхдагч CPx- сарнимал элементүүд, Ap- REE-ийн агуулга ба фракцжилтын серийг огтолсон син-магмын гаралтай лампрофирийн бүрэлдэхүүнтэй харьцуулж тооцсон. Эх үүсвэрийн хайлалт - Th, U, ионы радиус томтой литофиль элементүүд (LILE) ба хөнгөн газрын ховор элементээр (LREE) баялаг, харин сөрөг Nb-Ta шавхагдал илэрсэн нь субдукцтай холбоотой шүлтлэг, анхдагч хайлалтыг гэрчилнэ. Дарви нуруунд илэрсэн анхдагч хайлалтыг анхдагч нумын хайлалтын түгээмэл тайлалттай харьцуулалт хийхэд эх газрын нуманд олддог анхдагч хайлалттай бүрэлдэхүүний хувьд ижил төстэй байна. Иймд Дарвийн шүлтлэг комплексийг илрүүлсэн калигаар хэт баялаг чулуулгийн серийг нь эх газрын нумын тогтолцоонд дээд царцдасын шүлтээр баялаг гранитоид байдгаас энэхүү маш чухал фракцжилтийн серийг урьд өмнө ялгаж тодорхойлоогүй байсан бололтой. Thus, the high-k fractionation sequence exposed in the Dariv Alkaline Complex may be a previously unrecognized important fractionation sequence resulting in alkali-rich upper crustal granitoids in continental arc settings.

20 Дүгнэлт Hypotheses on the origin of these high-k plutons have been numerous, including melting of a subducted alkali-rich quartz eclogite (Miller 1977; Miller 1978), partial melting of a garnet-bearing lower crust (Rapela and Pankhurst 1996), and melting of an enriched mantle (Sylvester et al. 1978). Here we document one potential way of generating high-k granitoids through biotite- and clinopyroxene-dominated fractional crystallization of a primitive, alkali-enriched melt. It is therefore likely that the high-k fractionation sequence described here plays an important and here-to unrecognized role in the differentiation of the continental crust during subduction and collisional events. The spatial and temporal distribution of these high-k suites in relationship to the dominant calc-alkaline magmatism of volcanic arcs, however, has not been cohesively studied and remains an essential question to address to fully understand the magmatic and geochemical evolution of volcanic arcs