Igneous Rock Associations 18. Transition Metals in Oceanic Island Basalt: Relationships with the Mantle Components

Incompatible elements and isotopic ratios identify three end-member mantle components in oceanic island basalt (OIB); EM1, EM2, and HIMU. We estimate compatible to mildly incompatible transition metal abundance trends (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) in “primitive” basalt suites (Mg# = Mg/(Mg + 0.9*Fe) atomic = 0.72) from 12 end-member oceanic islands by regressing metals against Fe/Mg ratios in sample suites, and solving for concentrations at Mg/Fe = 1 (Mg# = 0.72). Using the transition metal estimates, exploratory statistics reveal that islands ‘group’ based on mantle component type even when La/Yb ratios are used to compensate metal concentrations for percentage melting. Higher chalcophile Zn (and Pb, earlier work) in EM1 and EM2 compared to HIMU, and higher Cr (3+) and Sc in HIMU relative to EM1, support views that HIMU represents subduction-processed ocean floor basalt. Incompatible elements, ratios and isotopes indicate that EM1 is Archean, EM2 is Proterozoic or younger, and both are related to sediment subduction. As found with incompatible elements, EM1 and EM2 show similar ‘compatible’ element concentrations, but lower (multi-valence) Cr, Fe and Mn in EM1 could indirectly reflect increasing oxidation of subducted sediment between the Archean and Proterozoic. Alternatively, changes in subduction processes that yielded peak continental formation in the Neoarchean, and craton-suturing in the Paleoproterozoic may account for EM1–EM2 differences. EM1 shows similar or lower Cr, Ni and Co compared to HIMU and EM2 suggesting that economic viability of layered intrusions, which have extreme EM1-like signatures, is unrelated to high metals in EM1 mantle sources, but that high % melting appears important. Because core-concentrated transition metals correlate with mantle component type, lithospheric recycling apparently controls their concentrations in OIB and core-mantle interaction may be unimportant.RESUMELes elements incompatibles et les rapports isotopiques permettent de delimiter trois termes extremes de composants manteliques dans des basaltes insulaires oceaniques (OIB), soit EM1, EM2, et HIMU. Nous estimons les tendances d’abondance de metaux de transition (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) compatibles a moderement incompatibles dans des suites de basaltes « primitifs » (Mg# = Mg/(Mg + 0,9*Fe) rayon atomique = 0,72) sur 12 termes extremes de materiaux insulaires oceaniques, par regression des concentrations des metaux sur les rapports Fe/Mg dans des echantillons des suites, la determination etant definie au rapport Mg/Fe = 1 (Mg# = 0,72). L’utilisation d’une approche statistique exploratoire sur les estimations de metaux de transition montre que la composition des iles se « regroupent » en fonction du type de composition du manteau, cela meme lorsque les ratios La/Yb sont utilises pour compenser les concentrations de metaux pour determiner le pourcentuel de fusion. Le caractere plus chalcophile du Zn (et Pb, travail anterieur) dans EM1 et EM2 compare a HIMU, et la plus grande teneur en Cr (3+) et Sc dans HIMU par rapport a EM1, accreditent l’idee que HIMU represente le basalte de subduction des fonds oceaniques. Les elements incompatibles, les ratios et les isotopes montrent que EM1 est archeen, que EM2 est proterozoique ou plus jeune, et que les deux sont lies a la subduction sedimentaire. Comme constate pour les elements incompatibles, EMI et EM2 affichent une compatibilite similaire des concentrations en elements « compatibles », toutefois une concentration inferieure en Cr (multivalent), Fe et Mn dans EM1 pourrait refleter indirectement une oxydation croissante des sediments subduits entre l’Archeen et le Proterozoique. Par ailleurs, les changements dans les mecanismes de subduction qui ont mene a un maximum de formation continentale au Neoarcheen et a des episodes de sutures cratoniques au Paleoproterozoique, peuvent expliquer les differences entre EM1 et EM2. La teneur similaire ou inferieure en Cr, Ni et Co de EM1 par rapport a HIMU et EM2 permet de croire que la viabilite economique des intrusions stratifiees – lesquelles montrent des signatures extremes EM1 – est sans rapport avec les sources manteliques a fortes teneurs en metaux, mais que le fort pourcentuel de fusion qui importerait. Parce que la concentration du noyau en metaux de transition correspond avec le type de composant du manteau, c’est le recyclage lithospherique qui controle apparemment leurs concentrations dans l'OIB, et l'interaction noyau-manteau pourrait etre sans importance.