Melt-rock reaction in gabbroic rocks from the Central Indian Ridge and the influence on mid-ocean ridge basalts

Abstract

The composition of mid-ocean ridge basalts (MORB) is controlled by various processes within the crust before they erupt to the seafloor. Melt-rock reaction in the lower crust is considered to be widespread in mid-ocean ridges, but the influence on the composition of MORB is still controversial. We performed petrographic and geochemical investigations on gabbroic rocks and erupted lavas dredged from a segment of the Central Indian Ridge (7°50-8°30S). Gabbroic rocks contain various reaction textures in a wide range of scales. The evidence includes olivine and plagioclase dissolution textures, brown amphibole blebs in a large clinopyroxene grain and presence of srilankite in oxide gabbronorite band crosscutting troctolite. Melt-rock reaction causes changes in mineral modes, hence in lithology. Olivine and plagioclase are replaced by clinopyroxene and secondary plagioclase. Geochemically, fractionation indices for clinopyroxene show poor inter-correlations. Incompatible trace elements of clinopyroxene are not only over-enriched but also more fractionated than those predicted by fractional crystallization. These incompatible element over-enrichment and fractionation trends are related to zoning and textures of clinopyroxenes and their locations in the vicinity of the contact between two different lithologies. Compared to erupted basalts, the parental melts of plagioclase and olivine are slightly and highly depleted, respectively. Coexisting different phases are not in equilibrium with each other within the melt-rock reaction zones. These results suggest that melt-rock reaction is widespread in the lower crust at 7°50-8°30S CIR. The enrichment and fractionation of trace elements in clinopyroxene increase with increasing Sr negative anomalies, suggesting that melt-rock reaction is accompanied by fractionation of plagioclase. Surprisingly, trace element ratios of MORB from the study area have such a strong correlation with Sr-anomaly, which cannot be reproduced by fractional crystallization only, indicating that the MORB composition is affected by melt-rock reaction in the lower oceanic crust. Also, trace element compositional variation of the CIR MORB are similar to those of equilibrium melts of clinopyroxene whose Sr/Sr* values are greater than ~0.7. We therefore envisage that melts in equilibrium with clinopyroxene with Sr/Sr* < ~0.7 rarely erupt onto the seafloor and are trapped within the lower oceanic crust. MORB and melt inclusions from the FAMOUS segment (MAR) and the Hess Deep (EPR) also show such negative correlations between trace elements and Sr/Sr*, indicating that they are influenced by melt-rock reaction, to some extent, in the lower oceanic crust. Therefore, trace element ratios and fractionation-corrected trace elements may not directly indicate the heterogeneous mantle compositions, leading to reassessment of those conventional mantle indicators.

중앙해령현무암(MORB)은 해저로 분출되기 전, 하부지각 내에서의 다양한 기작에 의해 성분이 조절된다. 하부지각 내의 멜트-암석 반응(melt-rock reaction)은 중앙해령에서 광범위하게 발생하지만, MORB 성분에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않다. 본 석사 학위논문에서는 7°50-8°30S에 위치한 중앙인도양해령에서 채취된 반려암질 및 현무암질 암석에 대해 암석기재학적, 지구화학적 조사를 수행했다. 반려암질 암석은 다양한 반응조직 (reaction textures)을 보이는데, 감람석과 사장석의 부분용융조직, 단사휘석내의 갈색 각섬석 bleb, 반려암과 트록톨라이트내의 단사휘석 oikocryst patch 등이 이에 해당된다. 또한, 반려암질 암석 내에 급격한 암상의 변화가 있는 부분에서도 이러한 반응조직이 관찰된다. 마그마의 분화 정도를 지시하는 단사휘석의 지표(Cr2O3-TiO2-Mg#)는 서로 낮은 상관관계를 보이며, 단사휘석의 미량원소는 분별결정화 모델보다 상당히 부화 및 분별되어 있고, 공존하는 광물들의 미량원소는 서로 평형을 지시하지 않는다. 이러한 결과들을 바탕으로 7°50-8°30S 중앙인도양해령 하부지각에서 멜트-암석 반응이 발생했음을 확인하였다. 단사휘석 미량원소의 부화 및 분별은 음의 Sr/Sr*(Sr 아노말리) 값이 커짐에 따라 증가하므로, 멜트-암석반응은 사장석의 정출을 수반하는 것으로 보인다. 주목할만한 점은, MORB의 미량원소 비 또한 음의 Sr/Sr*가 커질수록 증가한다는 것이다. 이러한 MORB 미량원소 비와 Sr/Sr*의 음의 상관성은 MORB의 성분이 하부지각에서 발생한 멜트-암석 반응에 영향을 받았음을 지시한다. 또한, MORB의 미량원소 경향성은 단사휘석과 평형인 멜트 중에 Sr/Sr*가 약 0.7보다 큰 단사휘석 멜트의 미량원소 경향성과 매우 유사하다. 따라서, 하부지각에서 멜트-암석 반응을 통해 진화하는 멜트 중 초기 멜트는 해저로 분출되어 MORB를 형성하지만, 후기 멜트는 낮은 공극율 및 투수율 조건에 의해 하부지각에 갇혀 분출되지 못하는 것으로 생각된다. 본 석사 학위논문의 연구 결과를 통해, 하부지각에서 발생하는 멜트-암석 반응이 MORB 성분에 영향을 주고 있음을 확인하였다. 따라서, MORB 성분을 이용하여 맨틀에 대한 정보를 얻고자 할 경우에는 멜트-암석 반응에 의한 지화학적 영향을 고려해야 할 것으로 예상된다. 또한 FAMOUS segment의 MORB 데이터에서 관찰되는 Nd 동위원소와 Sr 아노말리의 거울상 상관계수는, 멜트-암석 반응이 MORB 성분에 미치는 영향의 정도가 각 원소마다 다르다는 것을 암시하는 것으로 보인다. 향후 더 체계적으로 하부지각 및 상부지각 암석을 비교함으로써, 하부지각에서 발생하는 멜트-암석 반응의 영향을 정량화하는 것이 중요할 것으로 예상된다.