Igneous Rock Associations 18. Transition Metals in Oceanic Island Basalt Relationships with the Mantle Components

Abstract

Incompatible elements and isotopic ratios identify three endmember mantle components in oceanic island basalt (OIB); EM1, EM2, and HIMU. We estimate compatible to mildly incompatible transition metal abundance trends (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) in ‘primitive’ basalt suites (Mg# = Mg/(Mg + 0.9*Fe) atomic = 0.72) from 12 end-member oceanic islands by regressing metals against Fe/Mg ratios in sample suites, and solving for concentrations at Mg/Fe = 1 (Mg# = 0.72). Using the transition metal estimates, exploratory statistics reveal that islands ‘group’ based on mantle component type even when La/Yb ratios are used to compensate metal concentrations for percentage melting. Higher chalcophile Zn (and Pb, earlier work) in EM1 and EM2 compared to HIMU, and higher Cr (3+) and Sc in HIMU relative to EM1, support views that HIMU represents subductionprocessed ocean floor basalt. Incompatible elements, ratios and isotopes indicate that EM1 is Archean, EM2 is Proterozoic or younger, and both are related to sediment subduction. As found with incompatible elements, EM1 and EM2 show similar ‘compatible’ element concentrations, but lower (multivalence) Cr, Fe and Mn in EM1 could indirectly reflect increasing oxidation of subducted sediment between the Archean and Proterozoic. Alternatively, changes in subduction processes that yielded peak continental formation in the Neoarchean, and craton-suturing in the Paleoproterozoic may account for EM1–EM2 differences. EM1 shows similar or lower Cr, Ni and Co compared to HIMU and EM2 suggesting that economic viability of layered intrusions, which have extreme EM1-like signatures, is unrelated to high metals in EM1 mantle sources, but that high % melting appears important. Because core-concentrated transition metals correlate with mantle component type, lithospheric recycling apparently controls their concentrations in OIB and core-mantle interaction may be unimportant.

Résumé

Les éléments incompatibles et les rapports isotopiques permettent de délimiter trois termes extrêmes de composants mantéliques dans des basaltes insulaires océaniques (OIB), soit EM1, EM2, et HIMU. Nous estimons les tendances d’abondance de métaux de transition (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) compatibles à modérément incompatibles dans des suites de basaltes « primitifs » (Mg# = Mg/(Mg + 0,9*Fe) rayon atomique = 0,72) sur 12 termes extrêmes de matériaux insulaires océaniques, par régression des concentrations des métaux sur les rapports Fe/Mg dans des échantillons des suites, la détermination étant définie au rapport Mg/Fe = 1 (Mg# = 0,72). L’utilisation d’une approche statistique exploratoire sur les estimations de métaux de transition montre que la composition des îles se « regroupent » en fonction du type de composition du manteau, cela même lorsque les ratios La/Yb sont utilisés pour compenser les concentrations de métaux pour déterminer le pourcentuel de fusion. Le caractère plus chalcophile du Zn (et Pb, travail antérieur) dans EM1 et EM2 comparé à HIMU, et la plus grande teneur en Cr (3+) et Sc dans HIMU par rapport à EM1, accréditent l’idée que HIMU représente le basalte de subduction des fonds océaniques. Les éléments incompatibles, les ratios et les isotopes montrent que EM1 est archéen, que EM2 est protérozoïque ou plus jeune, et que les deux sont liés à la subduction sédimentaire. Comme constaté pour les éléments incompatibles, EMI et EM2 affichent une compatibilité similaire des concentrations en éléments « compatibles », toutefois une concentration inférieure en Cr (multivalent), Fe et Mn dans EM1 pourrait refléter indirectement une oxydation croissante des sédiments subduits entre l’Archéen et le Protérozoïque. Par ailleurs, les changements dans les mécanismes de subduction qui ont mené à un maximum de formation continentale au Néoarchéen et à des épisodes de sutures cratoniques au Paléoprotérozoïque, peuvent expliquer les différences entre EM1 et EM2. La teneur similaire ou inférieure en Cr, Ni et Co de EM1 par rapport à HIMU et EM2 permet de croire que la viabilité économique des intrusions stratifiées – lesquelles montrent des signatures extrêmes EM1 – est sans rapport avec les sources mantéliques à fortes teneurs en métaux, mais que le fort pourcentuel de fusion qui importerait. Parce que la concentration du noyau en métaux de transition correspond avec le type de composant du manteau, c’est le recyclage lithosphérique qui contrôle apparemment leurs concentrations dans l'OIB, et l'interaction noyau-manteau pourrait être sans importance.