Processes of seafloor hydrothermal alteration in the Archaean oceanic crust of the Barberton greenstone belt, South Africa

Pesch, Katja; Meyer, Franz Michael; Kukla, Peter A.

doi:10.18154/RWTH-2017-03355

Processes of seafloor hydrothermal alteration in the Archaean oceanic crust of the Barberton greenstone belt, South Africa = Hydrothermale Alterationsprozesse in der früh-archaischen ozeanischen Kruste des Barberton Grünsteingürtels, Südafrika

Pesch, Katja

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Katja Pesch

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xiv, 175 Seiten) : Diagramme, Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Meyer, Franz Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Kukla, Peter A. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-03355
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/687488/files/687488.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/687488/files/687488.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Archaean (frei) ; hydrothermal alteration (frei) ; Barberton greenstone belt (frei) ; fluid inclusions (frei) ; boron isotopes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der 3548-3210 Ma alte Barberton Grünsteingürtel in Südafrika enthält einige der am besten erhaltenen vulkanischen-sedimentären Sequenzen der Erde. Wie auch in anderen Palaeoarchaischen Grünsteingürteln, sind die Gesteine häufig stark silifiziert und enthalten teilweise große Mengen Turmalin. Die stärkste Silifizierung tritt am Kontakt von alterierten komatiitischen Lavaströmen mit sedimentären Chert-Horizonten auf. Im Rahmen des ICDP „Barberton Drilling Project“ hat diese Abschlussarbeit die Silifizierung und die Bormetasomatose in silifizierten vulkanischen und sedimentären Gesteinen der Mendon Formation erforscht. Proben wurden mittels Petrographie, Gesamtgesteins- und Mineralchemie, Fluideinschlussmikrothermometrie, Crush-Leach und Sauerstoffisotopenanalyse von Quarz, sowie zusätzlicher B-Isotopenanalyse in Turmalin untersucht. Proben der ca. 3300 Ma Mendon Formation wurden in verschiedenen Lokalitäten des zentralen Barberton Grünsteingürtels und aus dem BARB4 Bohrkern genommen. Während der Geländearbeit wurden silifizierte Komatiite, gebänderte Cherts und durchschlagende Chertadern mit grobkristallinem Inneren beprobt. Proben des BARB4 Bohrkerns beinhalten alterierte Komatiite, kieselige Sedimente und Quarzadern. Silifizierte Komatiite bestehen aus Quarz, Serizit, Chlorit und ggf. Turmalin und/oder Karbonat. Die gebänderten Cherts bestehen aus mikrokristallinem Quarz und organischem Material mit unterschiedlichen, aber geringen Mengen an Serizit und Karbonat. Ein feinlaminierter, sedimentärer Chert beinhaltet große Mengen an Turmalin. Die Hauptmineralzusammensetzung der alterierten Komatiite des Bohrkern umfasst Quarz, Chlorit, Karbonat, Talk, Biotit und ggf. Plagioklas, K-Feldspat, Muskovit und Amphibol. Adern innerhalb der silifizierten Komatiite und gebänderten Cherts bestehen aus mikrokristallinem Chert und haben manchmal eine Füllung aus grobkörnigen Quarz, während die alterierten Komatiite des BARB4 Bohrkerns verschiedene Adertypen aufweisen einschließlich Quarz, Quarz-Karbonat und seltener Quarz-Karbonat-Feldspat Adern. Die δ18O-Werte der Quarzadern in silifizierten Komatiiten zeigen Werte von 18 bis 21 ‰, wobei die grobkörnigen Quarze geringfügig höhere Werte haben ((0,7 ± 0,3 ‰). Diese Ergebnisse sind konsistent mit Silikatfällung während einer niedrigtemperierten (≤ 100°C) hydrothermalen Alteration im archaischen Meeresboden und bildeten sich daher während der frühen Diagenese. Im Gegensatz dazu, sind die δ18O-Werte der Quarzadern in dem BARB4 Bohrkern deutlich niedriger (14,1 to 15,3 ‰) und deuten auf höhere Temperaturen während der Bildung hin und daher für eine metamorphe Bildung. Grobkristalline Quarze enthalten homogene, 2-phasige (L+V), wässrige Einschlüsse mit einem relativ konstanten Gasanteil bei Raumtemperatur. Die Fluideinschlüsse zeigen Homogenisierungs-Temperaturen zwischen 150-200°C und Salinitäten von 0-15 Gew. % NaCl Equiv. Potentiell primäre Fluideinschlusskluster und transgranulare Einschlüsse haben dieselben mikrothermometrischen Eigenschaften, was bedeutet, dass der Einbau und/oder die Modifizierung des Fluids während eines späteren metamorphen Ereignisses und nicht am Meeresboden stattfanden. Die Fluideinschlüsse geben somit keine Informationen über die Bedingungen und Temperaturen während der Silizifizierung. Jedoch zeigt die Zusammensetzung der Fluide, die über Crush-Leach Analysen bestimmt wurden, dass diese ähnlich der angenommenen Zusammensetzung von archaischen und paläoproterozischen Meerwasser ist, und daher eventuell eine Meerwassersignatur wie die konservativen, niedrigen Cl/Br Verhältnisse erhalten wurde. Turmalin kommt in den silifizierten Komatiiten und einem laminierten, sedimentären Chert vor, in denen er kleine (<200 µm) Kristalle mit dravitischer Zusammensetzung bildet. Turmalin wurde nicht in gebänderten Cherts und in Proben des BARB4 Bohrkerns gefunden. Die δ11B-Werte von Turmalin liegt zwischen -20.7 und +10.2 ‰ wobei zwei Gruppen von Turmalin aufgrund ihrer δ11B-Variation innerhalb der Proben unterschieden wurden: 1) diejenigen mit einer geringen (<4 ‰) Variation der δ11B-Werte, und 2) diejenigen mit einer hohen Variation der δ11B-Werte bis zu 18 ‰. Die Ergebnisse weisen auf variable Borquellen hin, u.a. archaisches Meerwasser, archaische ozeanische Kruste und eine Quelle leichter B-Isotope die insgesamt als Ergebnis von Bor-Remobilisierung durch Fluidzirkulation und Wechselwirkung in niedrig-temperierten hydrothermalen Zellen interpretiert werden kann. Obgleich die Quelle der leichten Borisotope unbekannt ist, sind potentielle Kandidaten hochdifferenzierte, granitische Gesteine oder marine Evaporite, die aus mit 10B-angereichertem Meerwasser präzipitiert wurden. Insgesamt wurden ein geringeres Meerwassersignal als erwartet in den silifizierten Zonen der Mendon Formation gefunden und mehrere Fluidquellen über die Borisotope identifiziert. Refraktäre Minerale wie Turmalin können für weitere Forschung an der Fluidquelle der Silifizierung genutzt werden, während diese Studie zeigt, dass Fluideinschlussanalysen keine Hinweise auf die Temperaturbedingungen während der Silifizierung und die Zusammensetzung der alterierenden Fluide geben.

The 3548 to 3210 Ma Barberton greenstone belt in South Africa constitutes one of the best preserved and accessible volcano-sedimentary sequences on Earth. As in other Palaeoarchaean greenstone belts, the rocks are commonly strongly silicified, and locally contain abundant tourmaline. Silicification is most intense at the top of altered komatiitic lava flows in contact with sedimentary chert horizons. Within the framework of the ICDP Barberton drilling Project “peering into the cradle of life” this thesis investigated the processes of silicification and boron metasomatism within silicified volcanic and sedimentary rocks of the Mendon Formation. Samples were investigated using petrography, whole rock and mineral chemistry, fluid inclusion microthermometry, bulk crush-leach and oxygen isotope analyses of quartz, as well as in-situ boron isotope analysis of tourmaline. The c. 3300 Ma Mendon Formation is the youngest unit of the predominantly volcanic Onverwacht Group and was sampled at different locations in the central part of the Barberton greenstone belt and within the BARB4 drill core. During fieldwork, silicified komatiites, banded cherts and crosscutting chert veins with drusy quartz interiors were collected. Samples from the BARB4 drill core include altered komatiites, cherty sediments and quartz veins. Silicified komatiites consist of quartz, sericite, chlorite, and, locally, tourmaline and/or carbonate. The banded cherts are made up of microcrystalline quartz and carbonaceous material with variable minor amounts of sericite and carbonate. One finely-laminated sedimentary chert contains major amounts of tourmaline. The major mineral assemblage within the altered komatiite of the drill core comprises quartz, chlorite, carbonate, talc, biotite, and, locally, plagioclase, K-feldspar, muscovite, and amphibole. Veins in silicified komatiites and banded cherts consist of microcrystalline chert that may have a coarse-crystalline interior of quartz, whereas the altered komatiites of the BARB4 drill core contain different types of veins, including quartz, quartz-carbonate and, rare quartz-carbonate-feldspar veins. The δ18O-values of quartz veins in silicified komatiites range from 18 to 21 ‰, with the macrocrystalline quartz having slightly higher values (0.7 ± 0.3 ‰). These data are consistent with silica precipitation during low-temperature (≤ 100◦C) hydrothermal alteration on the Archaean seafloor and thus formed during early diagenesis. In contrast, the δ18O-values of quartz veins from the BARB4 drill core are significantly lower (14.1 to 15.3 ‰), indicating higher temperatures during their formation and are interpreted to be of metamorphic origin. Fluid inclusions in coarse-crystalline quartz in silicified and altered komatiites contain homogeneous 2-phase (L+V) inclusions with a relatively constant vapour fraction at room temperature. The inclusions yield homogenisation temperatures of 150-200°C and salinities of 0-15 wt. % NaCl equiv. Potentially primary fluid inclusion clusters and transgranular inclusions share the same microthermometric characteristics, indicating that fluid entrapment and/or modification occurred during a later metamorphic event and not near the seafloor. The fluid inclusions thus do not provide information on the conditions and temperatures during chert formation. However, the composition of the fluid inclusions determined by crush-leach analyses is similar to proposed Archaean and Paleoproterozoic seawater and thus the fluid may have preserved some of its seawater signature, such as the conservative low Cl/Br-ratios. Tourmaline occurs in the silicified komatiites and in a laminated, sedimentary chert, where it forms small (<200 µm) crystals of dravitic composition. Tourmaline is absent in banded cherts and samples from the BARB4 drill core. The δ11B-values range from −20.7 to +10.2 ‰, with two groups of tourmaline being distinguished based on the variation in δ11B values within single samples: 1) those with a small (< 4 ‰) range in δ11B values (spinifex-textured komatiites and silicified sediment), and 2) those with a large range in δ11B values of up to 18 ‰ (brecciated and foliated samples). The results indicate a mixing of boron from multiple sources, including Archaean seawater, Archaean oceanic crust, and an isotopically light source that may collectively be interpreted as a result of boron remobilization by fluid circulation and interaction in low-temperature hydrothermal circulation cells. Although the source of the isotopically light boron is unknown, potential candidates include mature granitic crust or marine evaporites that precipitated from seawater enriched in 10B. Overall, the seawater signal in the zones of silicification in the Mendon Formation is not as strong as expected and multiple fluid sources were determined by boron isotopes. Refractory minerals such as tourmaline may be used for further research on the source of fluids responsible for the silicification, whereas this study shows that fluid inclusion analysis does not provide any constraints on the temperature conditions during silicification or the composition of the alterating fluids.

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