Behaviour of Igneous Systems and Metal endowment across Arcs (BISMArc)

Third party funded individual grant


Acronym: BISMArc

Start date : 01.01.2017

End date : 31.12.2019


Project details

Short description

Rifting of arc crust may host large hydrothermal systems with the potential of forming large mineral deposits of economic relevance. The highly variable structural and magmatic conditions across arcs into the backarc environment provide a unique opportunity to investigate a large diversity of magmatic and hydrothermal systems (e.g., Hannington et al., 2005). Here, we aim at quantifying both the changes in the melting regime (physical conditions, melting and mantle sources) in the transition from arc front into backarc and the impact on metal potential. A direct contribution of magmatic volatiles to (ore-forming) hydrothermal fluids is known from island arc volcanoes but the general links between oxidation state, sulphur saturation and magmatic degassing on metal behaviour in silicate melts are still a matter of active debate. Jenner et al. (2010, 2015) pointed at the importance of the onset of magnetite crystallization for sulphur saturation and thus chalcophile element behaviour. However, their magnetite crisis may be restricted to specific physicochemical circumstances (such as closed system behaviour, oxidation state and melt composition etc.) and needs to be investigated in different magmatic systems (e.g., arc to backarc transition) and spatial resolution. Here, we are aiming at disentangling the influence of mantle sources and melting on the metal enrichment in melts and volatiles and the geological framework of pathways for melts and volatiles at a scale that is relevant to resource exploration. This project consists of two sub-projects, one with an emphasis on mantle sources, melting conditions and magmatic differentiation providing the basic framework and the other focused on seafloor geology (ascent paths and geodynamics) and the distinct behaviour of metals (especially Cu, Au and the so-called critical metals) and volatiles (H2O, CO2, Cl, S) in the melts. However, these two projects are closely linked (especially through the aspect of magma evolution), requiring close collaboration and frequent exchange. The focus of this study will be on the Tonga-Kermadec subduction system, where extensive sample material is readily available and two additional research cruises have been recently approved (ARCHIMEDES I and TongaRIFT). 

Scientific Abstract

Hydrothermale Systeme mit dem Potential mineralische Lagerstätten von ökonomischer Bedeutung zu bilden, finden sich oft im Zusammenhang mit dem Rifting von Inselbogenkruste. Die grundlegenden Veränderungen in den strukturellen und magmatischen Rahmenbedingungen von der vulkanischen Front hinein in den Backarc bieten dabei die einzigartige Möglichkeit, die vielfältigen magmatischen und hydrothermalen Systeme (z.B. Hannington et al., 2005) in ihrer gesamten Bandbreite zu studieren. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojektes wollen wir versuchen, Veränderungen in der Aufschmelzzone (physische Aufschmelzbedingungen und Mantelquellen) über diesen Bereich hinweg und deren Einfluss auf den Transport (bzw. die Anreicherung) von Metallen zu quantifizieren. Magmatische Volatile tragen zu den hydrothermalen und somit Erz-bildenden Fluiden bei, jedoch wird der grundlegende Einfluss von Oxidationszustand, Schwefelsättigung und magmatischer Entgasung auf die Metallkonzentration silikatischer Schmelzen nach wie vor diskutiert. Jenner et al. (2010, 2015) zeigten zum Beispiel die Bedeutung der Kristallisation von Magnetit für die Schwefelsättigung und das Verhalten der chalcophilen Elemente auf. Das Auftreten der sogenannten Magnetit-Krise ist möglicherweise jedoch auf spezielle physisch-chemische Rahmenbedingungen beschränkt (z.B. Kristallisation in einem geschlossenen System, spezieller Oxidationszustand, Schmelzzusammensetzung etc.) und sollte daher systematisch in verschiedenen magmatischen Systemen (z.B. im Übergang von der vulkanischen Front zum Backarc) und auf verschiedenen Größenskalen untersucht werden. In diesem Projekt wollen wir versuchen, die verschiedenen Einflüsse von Mantelquelle(n) und Aufschmelzbedingungen auf die Anreicherung von Metallen und Volatilen, sowie die geologischen Rahmenbedingungen für den Aufstieg von Schmelzen und Volatilen zu entwirren. Dies soll auf einer räumlichen Größenordnung geschehen, wie sie wichtig ist für die Exploration von Lagerstätten. Das beantragte Forschungsprojekt setzt sich aus zwei kleineren Einzelprojekten zusammen, eines davon mit dem Schwerpunkt auf den Mantelquellen, den Aufschmelzbedingungen und der magmatischen Differentiation (grundlegende Rahmenbedingungen) und das andere mit dem Fokus auf Geologie des Meeresbodens (Aufstiegswege und Geodynamik) und dem speziellen Verhalten der Metalle (v.a. Cu, Au und die sog. kritischen Metalle) und Volatile (H2O, CO2, Cl, S) in den Schmelzen. Diese beiden Projekte sind jedoch sehr eng miteinander verstrickt (v.a. durch den Aspekt der Schmelzentwicklung) und erfordern daher einen engen und regelmäßigen Austausch. Schwerpunkt des Projekts wird das Tonga- Kermadec Subduktionssystem, da wir Zugang zu umfangreichen Probensammlungen von dort haben sowie zwei weitere Forschungsfahrten (ARCHIMEDES I und TongaRIFT) dorthin kürzlich bewilligt wurden. 

Involved:

Contributing FAU Organisations:

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