Fluid inclusions in upper mantle xenoliths from Northern Patagonia, Argentina: Evidence for an upper mantle diapir

Summary

Three generations of fluid inclusions can be recognized in upper mantle xenoliths from alkali basalts of the Somoncura Massif, Northern Patagonia, Argentina. The first (“early”, “primary”) one consists of dense CO₂ inclusions which were trapped in the mantle-crust boundary zone (22–36 km minimum trapping depth). Their co-genetic relationship with silicate melt inclusions enables us to constrain their minimum trapping temperature at 1200°C, indicating a high temperature event in a cooler environment. The “late” (“pseudosecondary” and “secondary”) generations of fluid inclusions were classified in accordance with their homogenization temperature to liquid CO₂ (L1) and vapor CO₂ (L2) phase. The minimum trapping depth for the first of the late inclusions (L1) is about 16 km. In spite of the uncertainties related to this value, L1 inclusions indicate that the upper mantle rocks, of which samples were delivered by the basalts, had some residence time in the middle crust where they experienced a metasomatic event. The fact that this event did not destroy the earlier inclusions, places severe constraints on its duration. The second late inclusions (L2) are low-pressure CO₂ inclusions with a minimum trapping depth of only 2 km, presumably a shallow magma chamber of the host basalts. The succession of fluid inclusions strongly points toward a fairly fast uprising upper mantle underneath Northern Patagonia. The petrology and mineral chemistry of the peridotitic xenoliths support this view. Extensive partial melting and loss of these melts is indicated by the preponderance of harzburgites in the upper mantle underneath Northern Patagonia, a fairly unusual feature for a continental upper mantle. That depletion event as well as several metasomatic events — including those which left traces of fluid inclusions — are possibly related to a high-speed diapiric uprise of the upper mantle in this area. The path can be traced from the garnet peridotite stability field into the middle crust, a journey which must have been unusually fast. Differences in rock, mineral, and fluid inclusion properties between geographic locations suggest a diffuse and differential type of diapirism. Future studies will hopefully help to map the full extent and the highs and lows of this diapir and elucidate questions related to its origin and future.

Zusammenfassung

Erdmantel - Xenolithe in Alkali-Basalten des Somoncure Massivs, Nord-Patagonien, Argentinien, führen drei Generationen von Fluid-Einschlüssen. Die erste (“frühe”, “primäre”) Generation besteht aus dichten CO₂-Einschlüssen, welche offenbar in der Mantel-Kruste Grenzzone (22–36 km Minimum-Tiefe) eingeschlossen wurden. CO₂-Einschlüsse sind kogenetisch mit Silikat-Schmelzeinschlüssen. Dies erlaubt die Abschätzung der Einschließ-Temperatur mit minimal 1200°C, was auf ein Hochtemperatur-Ereignis in einer deutlich kühleren Umgebung hinweist. Die “späten” (“pseudosekundäre” und „sekundäre”) CO₂- Fluid-Einschlüsse bilden zwei Generationen von denen die eine in die flüssige (L1), die andere in die Dampfphase (L2) homogenisieren. Die minimale Einschließ-Tiefe für die L1 Generation ist etwa 16 km. Dies bedeutet - auch bei Berücksichtigung der mit diesem Wert verbundenen Ungenauigkeit - daß diese Erdmantel-Gesteine einige Zeit in der mittleren Erdkruste verbrachten und ein metasomatisches Ereignis erlebten, bevor sie von den Basalten zur Erdoberfläche gebracht wurden. Die Tatsache, daß dieses Ereignis die frühen Einschlüsse nicht zerstörte, kann nur bedeuten, daß es von kurzer Dauer war. Die L2-Generation besteht aus Niedrigdruck CO₂-Einschlüssen mit einer Minimum-Einschließtiefe von nur 2 km. Dies könnte in einer seichten Magmakammer des Wirt Basaltes geschehen sein.

Die Abfolge von Fluid-Einschlüssen deutet auf einen relativ schnell aufsteigenden oberen Erdmantel unterhalb von Patagonien hin. Die Petrologie und Mineralchemie der peridotitischen Xenolithe unterstützen das. Die Vorherrschaft von Harzburgiten im Erdmantel unterhalb von Nord-Patagonien deutet auf umfangreiche Bildung partieller Schmelzen und deren Abfuhr hin — eine für einen kontinentalen Mantel ungewöhnliche Situation. Sowohl die Verarmungsereignisse, als auch die metasomatischen Veränderungen (einschließlich jene, welche Spuren in Form von Fluid Einschlüssen hinterließen) machen das Vorhandensein eines schnell aufsteigenden Daipirs im oberen Erdmantel dieser Gegend wahrscheinlich. Der Aufstieg kann vom Stabilitätsbereich der Granat-Peridotite bis in die mittlere Kruste verfolgt werden und muß daher relativ schnell erfolgt sein. Unterschiede in Gesteins-, Mineral und Fluid-Eigenschaften zwischen verschiedenen Lokalitäten legen einen diffusen und differenziellen Diapirismus nahe. Zukünftige Studien sollten es ermöglichen, das Gesamtausmaß und die unterschiedlichen Aufstiegshöhen des Diapirs zu kartieren und Hinweise auf seine Entstehung und zukünftige Entwicklung zu erhalten.