High-Mg# andesite incipient (intra

Diss. ETH N◦ 23300
High-Mg# andesite incipient (intra-oceanic) arc crust: The
Khantaishir ophiolite in western Mongolia
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Omar Gianola
M.Sc. in Earth Sciences, ETH Zurich
born on 12.10.1985
citizen of Melano (TI)
accepted on the recommendation of:
Prof. Max W. Schmidt, examiner
Prof. Oliver Jagoutz, co-examiner
Prof. Peter B. Kelemen, external examiner
2016
ETH Zurich, Switzerland
MIT, USA
Columbia University, USA
Abstract
Ophiolites are fragments of oceanic lithosphere incorporated into continents. Well-exposed ophiolites
allow for a three-dimensional characterization of the different lithologies and to constrain the magmatic
processes that lead to the formation of the oceanic lithosphere. Geochemical studies have shown that
several ophiolites contain lavas with a marked subduction signature, suggesting that they formed in socalled supra-subduction zone settings (SSZs). This strongly contrasts with modern oceanic lithosphere,
which is mostly produced along mid-oceanic ridges (MORs). The aim of this study is to identify the
tectonic setting of the Khantaishir ophiolite (SSZ vs. MOR) and to investigate how the melt evolved
from its mantle source to final crystallization at the oceanic floor.
The Khantaishir ophiolite is located in western Mongolia, South of the city of Altai in the Govi-Altai
Aimag. The ophiolite covers ∼260 km2 and shows a nearly complete ophiolitic pseudo-stratigraphy with
a mantle section composed of serpentinized harzburgites, pyroxenites and minor dunites, a lower plutonic
crust formed by hbl-gabbros, tonalites and minor gabbronorites (intruded by pyroxenitic, doleritic and
andesitic dykes) and an upper volcanic crust constituted of basalt-andesitic lavas forming a dyke and sill
complex capped by pillow lavas. Various cherts, shales, limestones containing archaeocyathic fossils and
conglomerates overlie the ophiolitic section.
The Khantaishir ophiolite is subdivided into the Naran and Taishir massifs. Both massifs expose a wellpreserved crust-mantle transition (CMT) that, in individual outcrops, can be followed along strike for
several hundreds of meters. The CMT is characterized by an upward gradual increase in the modal
abundance of pyroxenes that result in E-W striking massive pyroxenite layers (50 to 700 m thick) at the
bottom of the igneous crust. In the Taishir massif, pyroxenite lenses (50-100 m wide and tens of meters
thick) replace the upper middle part of the harzburgitic mantle. The pyroxenitic bodies in the ultramafic
portion of the Naran and Taishir massifs suggest that they formed at the expense of the mantle and
therefore are interpreted as the result of refertilization processes. Moreover m-sized pyroxenitic dykes
can be also observed in the crustal part of the CMT, where they intrude the gabbronorites and the
hbl-gabbros. Major and trace elements show that ultramafic and mafic rocks of the CMT belong to the
same magmatic series, which carries a subduction-related signature typical for arc magmas. Isotopes for
the rocks of the CMT indicate that they have a similar initial Nd composition (ǫNd(i) from 4.0 to 6.9)
suggesting a common mantle source for the melt. Sr isotopes also support this hypothesis but additionally
show that the rocks of Taishir suffered a stronger interaction with oceanic water than those of Naran
(consistent with the higher serpentinization degree observed in the Taishir massif). Sm-Nd isochron
calculations and thermobarometry suggest that the CMT of the Khantaishir ophiolite formed ∼540 Ma
ago at an intrusive temperature of 1100-1200 ◦ C. Non-modal fractional melting models of a depleted
mantle source indicate that the residual harzburgites of Naran resulted after a melt extraction of 20-35%,
whereas those of Taishir formed after 15-35% of melting. The high light rare earth element (LREE)
concentrations, compared to middle REEs, observed in the harzburgites of the Khantaishir ophiolite are
ascribed to a subduction component, which was also implemented in the melting model. The input of
the subduction component is quantified between 0.125 and 0.5 wt-%.
The subduction-related signature is also observed in the high-Mg# (defined as 100 x molar MgO/(MgO
+ FeOTOT )) andesites of the volcanic section. These rocks are characterized by high SiO2 (average:
58 wt-%) and low TiO2 (average: 0.4 wt-%) contents, which strongly differ from typical MOR basalts.
The lavas of the Khantaishir ophiolite have trace element compositions similar to the calculated melts
in equilibrium with cpx of the CMT, indicating that the melts that percolated through the mantle are
cogenetic with the lavas of the upper ophiolitic section. Chemically these lavas strongly resemble boninites
iii
iv
from the Izu-Bonin-Mariana-Tonga subduction system in the western Pacific. Moreover, the lavas of the
Khantaishir ophiolite were used to determine an average primitive melt composition, which also has a
boninitic-like signature. Fractional crystallization modeling for this primitive melt suggests that ∼45
to 50 wt-% of the crystals fractionated within the mantle, forming the ultramafic rocks, whereas the
fractionation at crustal levels (generating gabbronorites and gabbros) only accounted for ∼9 to 19 wt-%
of mineral subtraction.
All this evidence indicates that the Khantaishir ophiolite originated in a tectonic setting similar to the
current West-Pacific subduction system. The comparison of the Khantaishir ophiolite with modern and
paleo-island arc domains suggests that the ophiolite formed during the nascent stage of an oceanic island
arc.
Riassunto
Le ofioliti rappresentano frammenti di litosfera oceanica incorporati all’interno di continenti. Sequenze
ofiolitice ben esposte permettono la caratterizzazione tridimensionale delle loro litologie costitutive e dei
processi magmatici che portano alla formazione di una litosfera oceanica. Studi geochimici hanno dimostrato che molte delle ofioliti conosciute presentano lave con una marcata impronta di subduzione,
facendo presumere che si siano formate in una cosiddetta zona di supra-subduzione. Questo contrasta
fortemente con quanto osservato nella litosfera oceanica moderna, la quale è prevalentemente generata
lungo le dorsali medio-oceaniche. Lo scopo di questo studio è di determinare l’ambiente tettonico in
cui l’ofiolite del Khantaishir si è formata (zona di supra-subduzione vs. dorsale medio-oceanica) e di
comprendere come il magma si è evoluto dalla sua sorgente nel mantello fino alla cristallizzazione finale
sul fondale oceanico.
L’ofiolite del Khantaishir si trova nella Mongolia occidentale, a sud della città di Altai, nel Govi-Altai
Aimag. L’ofiolite ha una superficie di ∼260 km2 e mostra una pseudo-stratigrafia ofiolitica pressoché completa, con una sezione mantellica composta da harzburgiti serpentinizzate, pirosseniti e rare duniti. La
crosta inferiore è costituita da gabbri a orneblenda, tonaliti, sporadiche gabbronoriti e filoni pirossenitici,
doleritici e andesitici. La crosta superiore vulcanica è invece composta da lave basalto-andesitiche che
formano un complesso di filoni e filoni-strato, ricoperto da lave a cuscino. Cherts, scisti sedimentari,
carbonati contenenti fossili di Archeociatidi e conglomerati sovrastano l’intera sezione ofiolitica.
L’ofiolite del Khantaishir è suddivisa in due massicci, quello di Naran e quello di Taishir. Entrambi i
massicci mostrano una transizione crosta-mantello (CMT) ben preservata che, in affioramenti individuali,
può essere seguita lungo la direzione del piano per diverse centinaia di metri. La CMT è caratterizzata
da un incremento graduale nell’abbondanza modale di pirosseni. Questo incremento si finalizza nella formazione di in uno strato, orientato est-ovest, di pirosseniti massicce (con uno spessore di 50-700 m) alla
base della crosta ignea. Le harzburgiti nella parte medio-superiore del mantello del Taishir sono sostituite
da lenti pirossenitiche lunghe 50-100 m e spesse una decina di metri. I corpi pirossenitici presenti nelle
sezioni ultramafiche dei massicci di Naran e di Taishir indicano che si sono formati a spese del mantello
e sono perciò interpretati come derivanti da processi di rifertilizzazione. Inoltre, filoni pirossenitici di
∼1 m in spessore sono osservati anche nella parte crostale della CMT, dove intrudono le gabbronoriti
e i gabbri a orneblenda. Elementi maggiori e in tracce mostrano che le rocce ultramafiche e mafiche
della CMT appartengono alla stessa serie magmatica, la quale presenta un’impronta geochimica di subduzione, tipica dei magmi osservati negli archi insulari. Analisi isotopiche mostrano che le rocce della
CMT hanno una composizione iniziale di Nd simile (ǫNd(i) = 4.0-6.9). Questo suggerisce che il magma
si sia originato da una sorgente comune nel mantello. Gli isotopi di Sr supportano a loro volta questa
ipotesi, ma indicano inoltre che le rocce del Taishir hanno subito un’interazione maggiore con acqua
oceanica rispetto alle stesse rocce nel massicio di Naran. Ciò è coerente con le osservazioni di terreno,
dove si nota una serpentinizzazione maggiore nel Taishir. Le isocrone con Sm-Nd e calcoli termobarometrici suggeriscono che la CMT dell’ofiolite del Khantaishir si sia formata ∼540 millioni di anni fa con
una temperatura d’intrusione di 1100-1200 ◦ C. Modelli di fusione non-modale frazionata per un mantello
impoverito indicano che le harzburgiti residuali di Naran si sono originate dopo un’estrazione di magma
del 20-35%, mentre quelle del Taishir dopo un’estrazione del 15-35%. Le alte concentrazioni in terre rare
leggere (LREE), rispetto alle terre rare medie, osservate nelle harzburgiti dell’ofiolite sono riconducibili a
una componente di subduzione, la quale è stata implememtata nel modello di fusione. L’input di questa
componente di subduzione è quantificato tra lo 0.125 e lo 0.5 wt-%.
L’impronta geochimica di subduzione è osservata anche nelle andesiti ad alto contenuto di Mg# (definito
v
vi
come 100 x MgO/(MgO + FeOTOT ) molare) della sezione vulcanica dell’ofiolite. Queste rocce sono caratterizzate da un alto contenuto di SiO2 (media: 58 wt-%) e da un basso contenuto di TiO2 (media: 0.4
wt-%). Queste caratteristiche chimiche contrastano completamente con i basalti formati in una dorsale
medio-oceanica. Le lave dell’ofiolite del Khantaishir hanno una concentrazione di elementi in tracce comparabile con le composizioni dei magmi in equilibrio con i clinopirosseni della CMT. Questo particolare
indica che il magma che è percolato attraverso il mantello è cogenetico alle lave della sequenza superiore
dell’ofiolite. Da un punto di vista chimico queste lave assomigliano alle lave boninitiche eruttate lungo
la zona di subduzione di Izu-Bonin-Mariana-Tonga, nel Pacifico occidentale. Inoltre, le lave dell’ofiolite
del Khantaishir hanno permesso di determinare una composizione media per il magma primitivo, il quale
presenta una composizione boninitica. Applicando modelli di cristallizzazione frazionata a questo magma
primitivo è stato possibile stabilire che ∼45-50-wt% dei cristalli è frazionato nel mantello (formando le
rocce ultramafiche), mentre il frazionamento nella crosta (responsabile della formazione delle gabbronoriti
e dei gabbri) ha rimosso dal sistema solo il ∼9-19 wt-% dei minerali.
Tutte queste evidenze indicano che l’ofiolite del Khantaishir si è originata in un ambiente tettonico probabilmente simile all’odierna zona di subduzione nel Pacifico occidentale. Inoltre, il paragone dell’ofiolite
del Khantaishir con archi insulari moderni e con paleo-archi suggerisce che l’ofiolite si sia formata durante
lo stadio iniziale di un arco insulare oceanico.