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Boron as a tracer for material transfer in subduction zones

  • Late Miocene to Quaternary volcanic rocks from the frontal arc to the back-arc region of the Central Volcanic Zone in the Andes show a wide range of delta 11B values (+4 to -7 ‰) and boron concentrations (6 to 60 ppm). Positive delta 11B values of samples from the volcanic front indicate involvement of a 11B-enriched slab component, most likely derived from altered oceanic crust, despite the thick Andean continental lithosphere, and rule out a pure crust-mantle origin for these lavas. The delta 11B values and B concentrations in the lavas decrease systematically with increasing depth of the Wadati-Benioff Zone. This across-arc variation in delta 11B values and decreasing B/Nb ratios from the arc to the back-arc samples are attributed to the combined effects of B-isotope fractionation during progressive dehydration in the slab and a steady decrease in slab-fluid flux towards the back arc, coupled with a relatively constant degree of crustal contamination as indicated by similar Sr, Nd and Pb isotope ratios in all samples.Late Miocene to Quaternary volcanic rocks from the frontal arc to the back-arc region of the Central Volcanic Zone in the Andes show a wide range of delta 11B values (+4 to -7 ‰) and boron concentrations (6 to 60 ppm). Positive delta 11B values of samples from the volcanic front indicate involvement of a 11B-enriched slab component, most likely derived from altered oceanic crust, despite the thick Andean continental lithosphere, and rule out a pure crust-mantle origin for these lavas. The delta 11B values and B concentrations in the lavas decrease systematically with increasing depth of the Wadati-Benioff Zone. This across-arc variation in delta 11B values and decreasing B/Nb ratios from the arc to the back-arc samples are attributed to the combined effects of B-isotope fractionation during progressive dehydration in the slab and a steady decrease in slab-fluid flux towards the back arc, coupled with a relatively constant degree of crustal contamination as indicated by similar Sr, Nd and Pb isotope ratios in all samples. Modelling of fluid-mineral B-isotope fractionation as a function of temperature fits the across-arc variation in delta 11B and we conclude that the B-isotope composition of arc volcanics is dominated by changing delta 11B composition of B-rich slab-fluids during progressive dehydration. Crustal contamination becomes more important towards the back-arc due to the decrease in slab-derived fluid flux. Because of this isotope fractionation effect, high delta 11B signatures in volcanic arcs need not necessarily reflect differences in the initial composition of the subducting slab. Three-component mixing calculations for slab-derived fluid, the mantle wedge and the continental crust based on B, Sr and Nd isotope data indicate that the slab-fluid component dominates the B composition of the fertile mantle and that the primary arc magmas were contaminated by an average addition of 15 to 30 % crustal material.show moreshow less
  • Spät-miozäne bis quartäre Vulkanite der vulkanischen Front und der Back-arc Region der Zentralen Vulkanischen Zone in den Anden weisen eine weite Spannbreite von delta 11B Werten (+4 bis –7 ‰) and Borkonzentrationen (6 bis 60 ppm) auf. Die positiven delta 11B Werte der Vulkanite der vulkanischen Front zeigen eine Beteiligung einer 11B-reichen Komponente am Aufbau der andinen Vulkanite, die am wahrscheinlichsten aus Fluiden der alterierten ozeanischen Kruste der abtauchenden Nazca-Platte stammt. Diese Beobachtung macht einen alleinigen Ursprung der untersuchten Laven aus der kontinentalen Kruste und/oder dem Mantelkeil unwahrscheinlich. Der Trend zu systematisch negativeren delta 11B Werten und kleineren B/Nb Verhältnissen von der vulkanischen Front zum Back-arc wird als Resultat einer Borisotopenfraktionierung einhergehend mit einer stetigen Abnahme der Fluidkomponente und einer relativ konstanten krustalen Kontamination, die sich durch relativ gleichbleibende Sr, Nd und Pb Isotopenverhältnisse ausdrückt, interpretiert.Spät-miozäne bis quartäre Vulkanite der vulkanischen Front und der Back-arc Region der Zentralen Vulkanischen Zone in den Anden weisen eine weite Spannbreite von delta 11B Werten (+4 bis –7 ‰) and Borkonzentrationen (6 bis 60 ppm) auf. Die positiven delta 11B Werte der Vulkanite der vulkanischen Front zeigen eine Beteiligung einer 11B-reichen Komponente am Aufbau der andinen Vulkanite, die am wahrscheinlichsten aus Fluiden der alterierten ozeanischen Kruste der abtauchenden Nazca-Platte stammt. Diese Beobachtung macht einen alleinigen Ursprung der untersuchten Laven aus der kontinentalen Kruste und/oder dem Mantelkeil unwahrscheinlich. Der Trend zu systematisch negativeren delta 11B Werten und kleineren B/Nb Verhältnissen von der vulkanischen Front zum Back-arc wird als Resultat einer Borisotopenfraktionierung einhergehend mit einer stetigen Abnahme der Fluidkomponente und einer relativ konstanten krustalen Kontamination, die sich durch relativ gleichbleibende Sr, Nd und Pb Isotopenverhältnisse ausdrückt, interpretiert. Weil die delta 11B Variation über den andinen vulkanischen Bogen sehr gut mit einer modellierten, sich als Funktion der Temperatur dynamisch verändernden, Zusammensetzung des Subduktionszonenfluides übereinstimmt, folgern wir, dass die Borisotopenzusammensetzung von Arc-Vulkaniten durch die sich dynamisch ändernde delta 11B Signatur eines Bor-reichen Subduktionsfluides bestimmt ird. Durch die Abnahme dieses Subduktionsfluides während der Subduktion nimmt der Einfluss der krustalen Kontamination auf die Borisotopie der Arc-Vulkanite im Back-arc zu. In Anbetracht der Borisotopenfraktionierung müssen hohe delta 11B Werte von Arc-Vulkaniten nicht notwendigerweise Unterschiede in der initialen Zusammensetzung der subduzierten Platte reflektieren. Eine Dreikomponenten Mischungskalkulation zwischen Subduktionsfluid, dem Mantelkeil und der kontinentalen Kruste, die auf Bor-, Strontium- und Neodymiumisotopendaten beruht, zeigt, dass das Subduktionsfluid die Borisotopie des fertilen Mantels dominiert und, dass die primären Arc-Magmen durchschnittlich einen Anteil von 15 bis 30 % krustalem Materiales aufweisen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin Siegfried Rosner
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000899
Advisor:Gerhard Franz, Roland Oberhänsli, Jörg Erzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2003
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2003/10/02
Release Date:2005/02/10
Tag:Borisotope; Zentrale Anden; kontinentaler Arc-Vulkanismus; Across-arc Variation; Borisotopenfraktionierung; krustale Kontamination
Boron isotopes; Central Andes; continental arc volcanism; across-arc variation; boron isotope fractionation; crustal contamination
RVK - Regensburg Classification:TF 04999 , TP 08800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften