Highly alkaline K-rich igneous rocks generated by low-degree partial melting of metasomatized mantle and their post-magmatic evolution (Moldanubian Zone, Bohemian Massif)

Mgr. Martin Kubeš, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Ačkoliv moldanubická zóna v Českém masivu zahrnuje rozmanité typy (ultra)draselných hornin derivovaných z pláště, původ plášťového zdroje alkalického magmatismu v kořenové zóně variského orogénu stále zůstává předmětem debat. Na základě komplexní studie (ultra)bazických hornin a vysoce alkalických K-bohatých syenitů z gföhlské jednotky, tato disertace objasňuje původ a charakter obohaceného plášťového zdroje (ultra)draselného magmatismu v Českém masivu, geodynamický model gföhlské jednotky a post-magmatický vývoj K-bohatých syenitů související s rozsáhlou fluidy řízenou HFSE a REE mobilizací zodpovědnou za vznik ekonomicky významných hydrotermálních ložisek uranu. Vznik obohaceného plášťového zdroje alkalického magmatismu v Českém masivu začal subdukcí andského typu saxothuringické oceánické desky včetně pelagických sedimentů, produkující obohacené domény (např. 87Sr/86Sr338 ~0.7051; CeN/YbN ≤4.86; Li ≤13 ppm) v plášťovém klínu uzavírajícím hojné vrstvy pyroxenitů a eklogitů s korovými izotopovými signaturami (87Sr/86Sr338 ≤0.7109), a dále pokračoval hlubokým pohřbením kontinentální desky obsahující HP granulity, které uvolnily F-bohaté fluida infiltrující do lokálního litosférického pláště, což vedlo ke vniku flogopitové žilné sítě připomínající glimmerity. Nízký stupeň parciálního tavení (1 %) čisté glimmeritové komponenty produkoval K-bohaté syenity (K2O 11.3–12.7 wt%) typicky vykazující korové izotopické signatury (87Sr/86Sr335 ~0.7116; εNd335 ≤ –7.8) a anomální obohacení stopovými prvky (Th, U, Zr, Hf, LILE, LREE), zatímco běžné (ultra)draselné magmatické horniny (např. durbachity, lamproity, lamprofyry) byly generovány relativně vyšším stupněm parciálního tavení smíšeného glimmerit-peridotitového plášťového zdroje. Vmístění (ultra)draselných magmat, post-datující UHP stádiu variské kolize (~1100 oC/42 kbar stanoveno pro lherzolit), těšně následovalo rychlou exhumaci kořenové zóny variského orogénu zaznamenanou nově získaným Lu-Hf věkem 338.4 ± 6.3 Ma pro granátický lherzolit a 40Ar/39Ar daty v rozpětí 329.8 ± 1.6 Ma and 331.4 ± 0.7 Ma pro K-bohaté syenity. Naopak U-Pb věk apatitu 305.9 ± 5.3 Ma patrně odráží pomalé tuhnutí syenitové intruze. Post-magmatický vývoj K-bohatých syenitů a ostatních (ultra)draselných plutonů zahrnoval rozsáhlou hydrotermální alteraci doprovázenou fluidy vyvolaným rozkladem většiny akcesorických minerálů, vedoucí k HFSE a REE mobilizaci v regionálním měřítku prostřednictvím vodných roztoků, což mělo za následek vznik uranových ložisek žilného typu, vykazujících neobvyklé signatury stopových prvků (vysoké koncentrace Zr, Nb, Ti, ∑REE) pro nízkoteplotní hydrotermální uranovou mineralizaci.

Abstract:

Although the Moldanubian Zone of the Bohemian Massif hosts diverse types of mantle-derived (ultra)potassic rocks, the origin and nature of the mantle source of alkaline magmatism in the Variscan orogen root remain a matter of debate. Based on a multi-approach study of (ultra)basic rocks and highly alkaline K-rich syenites in the Gföhl unit, this thesis provides constraints on the origin and character of the enriched mantle source of (ultra)potassic magmatism in the Bohemian Massif, geodynamic model of the high-grade Gföhl unit, and post-magmatic evolution of the K-rich syenites linked to extensive fluid-driven HFSE and REE mobilization responsible for the formation of economically important hydrothermal U-deposits. The generation of enriched mantle source of alkaline magmatism in the Bohemian Massif began with the Andean-type subduction of the Saxothuringian oceanic slab including pelagic sediments, producing enriched domains (e.g. 87Sr/86Sr338 ~0.7051; CeN/YbN ≤4.86; Li ≤13 ppm) within mantle wedge hosting abundant pyroxenite and eclogite layers with crust-like isotopic signatures (87Sr/86Sr338 ≤0.7109), and continued further by deep burial of continental slab comprising HP granulites that liberated F-rich fluids percolating through a local lithospheric mantle, leading to the formation of the phlogopite-rich vein network resembling glimmerites. A low-degree partial melting (1%) of pure glimmerite component produced K-rich syenites (K2O 11.3–12.7 wt%) with crust-like isotopic fingerprints (87Sr/86Sr335 ~0.7116; εNd335 ≤ –7.8) and anomalous trace element enrichment (Th, U, Zr, Hf, LILE, LREE), whereas common (ultra)potassic rocks (e.g. durbachites, lamproites, lamprophyres) were generated by relatively higher degrees of partial melting of mixed glimmerite-peridotite mantle source. The emplacement of (ultra)potassic magmas, shortly postdating the UHP stage of the Variscan collision (~1100 oC/42 kbar calculated for lherzolite), closely followed the rapid exhumation of the Variscan orogenic root, recorded by the Lu-Hf age of 338.4 ± 6.3 Ma and 40Ar/39Ar dates ranging between 329.8 ± 1.6 Ma and 331.4 ± 0.7 Ma newly acquired for lherzolite and K-rich syenites, respectively. By contrast, the U-Pb apatite age of 305.9 ± 5.3 Ma likely reflects a slow solidification rate of the syenite intrusion. The post-magmatic evolution of the K-rich syenites and other (ultra)potassic plutons involved extensive hydrothermal alteration and fluid-induced decomposition of most accessory phases, triggering a large-scale HFSE and REE mobilization via interacting aqueous solutions, which resulted in the formation of vein-type U-deposits showing unusual trace element signatures (high Zr, Nb, Ti, ∑REE) for low-temperature hydrothermal U-mineralization.

Keywords

(ultra)basic rocks, mantle metasomatism, alkaline magmatism, low-degree melting, phlogopite-rich source, K-rich syenites, post-magmatic alteration, HFSE mobility, Moldanubian Zone, Bohemian Massif, (ultra)bazické horniny, metasomatóza pláště, alkalický magmatismus, nízký stupeň tavení, flogopitem bohatý zdroj, K-bohaté syenity, post-magmatická alterace, mobilita HFSE, moldanubická zóna, Český masiv

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 12. 4. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Jaromír Leichmann, Dr. rer. nat.
• Reader: prof. Fritz Finger, prof. RNDr. Milan Novák, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology / Mineralogie, petrologie a ložisková geologie