title: Geochemical cycle in the oceanic lithosphere: Trace element behaviour in divergent and convergent plate margins
title: Geochemische Kreislauf in der ozeanischen Lithosphäre: Spurenelementverhalten in divergenten und konvergenten Plattengrenzen
Creators: name: Lehmann, Wiebke
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: Der geochemische Zyklus in der ozeanischen Lithosphäre ist ein fundamentaler Prozess, der die Grundlage für unser Verständnis das dynamischen Systeme der Erde bildet. Dieser Zyklus zeichnet die Entwicklung der Erdkruste durch unterschiedliche chemische Entwicklungen während des Transports von Elementen in verschiedenen tektonischen Umgebungen auf, einschließlich mittelozeanischer Rücken, Subduktionszonen und Backarc-Becken. Darüber hinaus wirkt er sich direkt auf die globale Verteilung und Anreicherung wirtschaftlich wertvoller Metalle aus, die bei magmatischen und hydrothermalen Prozessen zu Erzlagerstätten angereichert werden. Durch die Untersuchung des geochemischen Kreislaufs lassen sich Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen magmatischen und hydrothermalen Systemen in verschiedenen tektonischen Umgebungen sowie über das Zusammenspiel zwischen den Prozessen in der Tiefe der Erde und der Erdoberfläche gewinnen. Die chemische Zusammensetzung alter ozeanischen Kruste, die in Ophiolithen erhalten ist, war Gegenstand umfangreicher Untersuchungen, die das Wissen in unserem Verständnis für die Plattentektonik und damit verbundener Prozesse deutlich weiterentwickelt hat. Dies schließt die Bildung der ozeanischen Kruste und ihre Entwicklung in der chemischen Zusammensetzung mit ein. Der Troodos Ophiolith repräsentiert eine besondere Fallstudie, da er eine gut erhalten und wenig gestörte Stratigraphie verzeichnet. Dieser Ophiolith hat sich an einer Spreizungsachse in der Nähe einer Subduktionszone gebildet, was ihn zu einem optimalen Standort für die Untersuchung geochemischer Signaturen macht, die sowohl mit spreizungsbedingten als auch mit bogenbedingten Gegebenheiten in Zusammenhang stehen (Kapitel 3). Das Ergebnis diese Untersuchungen des Sheeted dyke Komplex und der extrusiven Seire deuten darauf hin, dass der Troodos Ophiolith vermutlich während der Einleitung der Subduktion gebildet wurde, ein Prozess, der vergleichbar ist der Bildung von dem Izu-Bonin-Marianna Forearc. Aufbauend auf den vorhandenen Kenntnissen über geochemische Fraktionierungsprozesse in divergenten und konvergenten Plattengrenzen, besteht das Ziel dieser Arbeit darin, die Untersuchung der Verteilung von chalkophilen Elementen in intraozeanischen Bögen, Backarc-Becken und mittelozeanischen Rücken zu erweitern. Die Rolle der magmatischen Sulfide als Kontrollfaktor für die Verteilung der chalkophilen Elemente war aufgrund ihrer hohen Sulfid-Silikat-Schmelze-Verteilungskoeffizienten ein zentraler Schwerpunkt dieser Studie. Diese Studie stellt den ersten umfassenden Datensatz über magmatische Sulfide in verschiedenen tektonischen Umgebungen vor (Kapitel 4). Es wird gezeigt, dass der Einbau von chalkophilen Elementen in Sulfidschmelzen in mittelozeanischen Rücken und Backarc-Becken selbst durch geringe Mengen nicht mischbarer Sulfidsegregation (0,001-1 %) erheblich beeinflusst wird. Darüber hinaus durchlaufen magmatische Sulfide in intraozeanischen Bögen eine komplexe Kristallisationsgeschichte, die ein teilweises Aufschmelzen und eine Resorption der kristallisierten Sulfide umfasst, was zu einer Neuanreicherung der Silikatschmelze mit Metallen führt. Diese Ergebnisse unterstreichen die bedeutende Rolle der magmatischen Sulfide bei der Regulierung der Verteilung der chalkophilen Elemente in der ozeanischen Kruste. Aufgrund der außergewöhnlichen Fähigkeit magmatischer Sulfide, chalkophile Elemente, darunter essenzielle Metalle wie Fe, Ni, Cu, Co und Zn, zu konzentrieren, sind sie für erzbildende Prozesse von großer Bedeutung. In intraozeanischen Bögen kann die Anreicherung von Silikatschmelzen mit chalkophilen Elementen zur Bildung von metallreichen Fluiden führen, die sich während der Entwicklung von Silikatschmelzen entmischen. Diese Fluide transportieren Metalle von der magmatischen Quelle in die darüber liegende Kruste und bilden so Erzkörper wie porphyrisch-epithermale Systeme. Darüber hinaus kann die oberflächennahe Wechselwirkung mit dem Meerwasser die Metallanreicherung am Meeresboden fördern, was zur Bildung von hydrothermalen Schloten führt (Kapitel 4). Diese Prozesse deuten darauf hin, dass magmatische Sulfide auch als primäre Metallquelle für hydrothermale Systeme an mittelozeanischen Rücken dienen (Kapitel 5). Es ist weithin anerkannt, dass in Systemen an mittelozeanischen Rücken die Auswaschung des Wirtsgesteins durch hydrothermale Fluide zur Ausfällung von Metallen am Meeresboden führt, was zur Bildung von metallreichen hydrothermalen Schloten führt. In dieser Arbeit wird erstmals der Nachweis erbracht, dass magmatische Sulfide durch diese Auswaschung die Hauptquelle für Metalle der hydrothermalen Schlote bieten, was ihre wesentliche Rolle bei der Erzbildung in hydrothermalen Systemen in mittelozeanischen Rücken belegt (Kaptiel 5). Diese Ergebnisse unterstreichen in Verbindung mit denen aus Kapitel 4 die entscheidende Rolle der magmatischen Sulfide bei der Erzbildung in verschiedenen tektonischen Umgebungen.
description: The geochemical cycle in the oceanic lithosphere represents a fundamental process that provides a foundation for our understanding of Earth's dynamic systems. This cycle records the evolution of the Earth's crust by distinct chemical evolutions during the transport of elements in various tectonic settings, including mid-ocean ridges, subduction zones, and back-arc basins. Furthermore, it directly affects the global distribution and enrichment of economically valuable metals, which are concentrated during magmatic and hydrothermal processes to form ore deposits. By studying the geochemical cycle, insights can be gained into the interactions between magmatic and hydrothermal systems in various tectonic regimes, as well as the interplay between deep Earth to surface processes. The chemical composition of ancient oceanic crust obtained from ophiolites has been the subject of extensive investigation, resulting in significant advances in our understanding of plate tectonics and related processes. This includes the formation of oceanic crust and its compositional evolution. The Troodos Ophiolite represents an exceptional case study for such investigations, offering a well-preserved and largely undisturbed stratigraphic record. The formation of the ophiolite occurred in a spreading environment in close proximity to a subduction zone, making it an optimal location for the study of geochemical signatures associated with both spreading- and arc-related settings (Chapter 3). The results of the investigations of the sheeted dyke complex and extrusive series indicate that the Troodos Ophiolite was likely formed during subduction initiation, a process that is analogous to the formation of the Izu-Bonin-Mariana fore-arc. Building on the existing knowledge of geochemical fractionation processes in divergent and convergent plate margins, the objective of this thesis is to extend the investigation into the distribution of chalcophile elements in intra-oceanic arc, back-arc basin, and mid-ocean ridge settings. The role of magmatic sulphides as a controlling factor in the distribution of chalcophile elements was a central focus of this study, due to their high sulphide liquid-silicate melt partition coefficients. This study presents the first comprehensive dataset on magmatic sulphides in diverse tectonic settings (Chapter 4). The incorporation of chalcophile elements into sulphide liquids in mid-ocean ridges and back-arc basins is significantly influenced by even small amounts of immiscible sulphide segregation (0.001- 1 %), as demonstrated by this study. Furthermore, magmatic sulphides in intra-oceanic arcs undergo a complex crystallisation history, comprising partial remelting and resorption of the crystallising sulphide minerals, which results in the re-enrichment of silicate melts with metals. These findings highlight the significant role of magmatic sulphides in regulating the distribution of chalcophile elements in the oceanic crust. Due to the exceptional ability of magmatic sulphides to concentrate chalcophile elements, including essential metals such as Fe, Ni, Cu, Co and Zn, they are of significant importance in ore-forming processes. In arc-related settings, the re-enrichment of silicate melts in chalcophile elements can result in the formation of metal-rich fluids that exsolve during the evolution of silicate melts. These fluids transport metals from the magmatic source to the overlying crust, thereby forming ore bodies such as porphyry-epithermal systems. Furthermore, interaction with seawater close to the surface can promote metal enrichment on the seafloor, resulting in the formation of hydrothermal vents (Chapter 4). These processes indicate that magmatic sulphides also serve as a primary source of metals for hydrothermal systems at mid-ocean ridges (Chapter 5). It is widely accepted that in mid-ocean ridge systems, the leaching of the host rock by hydrothermal fluids lead to the precipitation of metals on the seafloor, resulting in the formation of metal-rich hydrothermal vents. This thesis presents the first compositional evidence that magmatic sulphides are the primary source of metals in hydrothermal vents due to the leaching, demonstrating their essential role in ore formation at mid-ocean ridges (Chapter 5). These findings, in conjunction with those from Chapter 4, emphasise the crucial role of magmatic sulphides in ore formation across diverse tectonic settings.