Usefulness of Polytopic Vector Analysis of apatite in recreating the path of magma mixing in a composite granitoid pluton of Karkonosze, SE Poland

Niniejsza praca doktorska przedstawia nowatorską metodę analizy ścieżki ewolucji magmy w plutonach kompozytowych, stosując Politopową Analizę Wektorową (PVA – Polytopic Vector Analysis) do rozpoznania tej ścieżki z użyciem składu całkowitego skał jak i geochemii pojedynczego minerału. PVA jest matematycznym algorytmem pozwalającym na rozpoznanie geochemii systemu magmowego powstałego w wyniku działania wielu mechanizmów dyferencjacji w systemie magm pochodzących z wielu źródeł (m.in. mieszania magma lub/i frakcyjnej krystalizacji) w celu określenia liczby i składu chemicznego członów końcowych (reprezentujących człony magmowe) oraz ich proporcji w każdej analizowanej próbce. Jako przykład złożonego systemu magmowego autor wybrał granitoidowy pluton Karkonoszy, który powstał w wyniku nałożenia dwóch procesów – frakcyjnej krystalizacji oraz mieszania dwóch stopów – skorupowego o składzie granitowym i płaszczowego o składzie lamprofiru. Do tej pory metoda PVA stosowana była do geochemii całej skały. Autor pracy proponuje jej zastosowanie zarówno do składu całkowitego skały jak i składu apatytu. Celem pracy jest obszerna charakterystyka składu chemicznego apatytów ze skał reprezentujących każde stadium ewolucji magmowej (o różnym zasięgu procesu mieszania oraz różnych proporcjach dwóch stopów) przy użyciu czterech metod analitycznych – obrazowania elektronów wstecznie rozproszonych (BSE), katodoluminescencji (CL), mikrosondy elektronowej (EPMA) i mikrosondy protonowej (PIXE). Uzyskane dane służą do modelowania (za pomocą PVA) składu chemicznego członów magmowych zapisanych w chemizmie 12 apatytu i określenie zasięgu oraz intensywności wzajemnego ich oddziaływania. Badane apatyty wykazują szeroki zakres tekstur wzrostu (od homogenicznych do złożonych tekstur zonalnych powstałych najprawdopodobniej w wyniku dynamicznego wzrostu w heterogenicznej magmie) oraz składu chemicznego. Mimo, iż stosowanie chemizmu minerału jako przybliżenia składu magmy zawiera swoje ograniczenia (z powodu licznych czynników, które wpływają na końcowy skład minerału), badane apatyty wiernie odzwierciedlają swym chemizmem ewolucję magmową plutonu, zwłaszcza poszczególne trendy, takie jak zmniejszający się stosunek zawartości lekkich ziem rzadkich do itru (LREE/Y), wahania zawartości halogenków (wyższa zawartość chloru w apatytach ze skał bardziej maficznych) oraz zwiększające się koncentracje Na i Mn (związane z dyferencjacją stopu oraz coraz większym udziałem stopu granitowego). Wyniki symulacji PVA dla geochemii całej skały przedstawiają model ewolucji przybliżony do uzyskanego z wcześniejszych badań. Oprócz głównego trendu mieszania pomiędzy stopem felzytowym (ok. 80% SiO2) i maficznym (ok. 53% SiO2) można zaobserwować dodatkowy proces, reprezentujący najprawdopodobniej progresywną dyferencjację stopu maficznego, odpowiedzialną za różnorodność chemizmu niektórych skał, głownie granodiorytów i enklaw maficznych. PVA apatytu pozwoliła na wyróżnienie trzech członów końcowych: felzytowego (ubogiego w ziemie rzadkie, bogatego w Mn i F), maficznego (bogatego w Cl, Sr, S i ziemie rzadkie) oraz trzeciego, reprezentującego prawdopodobnie fluid bogaty w pierwiastki śladowe, głownie Y, REE i Si. Fluid ten jest obecny we wszystkich etapach ewolucji, przy czym jego największy udział zaobserwowany jest w etapie środkowym. Najszerszy zakres proporcji członów końcowych oraz największy udział członu maficznego występują na etapie wczesnym. W etapach późniejszych proporcje członów ulegają zawężeniu i prawie wszystkie apatyty zawierają jedynie człon felzytowy i fluidowy. Zjawisko to może odzwierciedlać 13 postępującą homogenizację systemu, w wyniku czego skład apatytu jest mniej zróżnicowany i traci sygnaturę maficzną. Zastosowanie metody PVA do składu pojedynczego minerału posiada pewne ograniczenia, związane przede wszystkim z faktem, iż wzbogacenie niektórych stref apatytu w pewne pierwiastki może nie być zawsze efektem takiegoż wzbogacenia w stopie. Człony końcowe wygenerowane na podstawie takich stref mogą zatem nie stanowić prawdziwego odpowiednika stopu biorącego udział w formowaniu plutonu. Niemniej jednak, jeśli cechy chemizmu apatytu są w pełni scharakteryzowane i przydzielone do odpowiednich procesów oraz wszelkie możliwe ograniczenia są wzięte pod uwagę, PVA pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowego obrazu złożoności ewolucji systemu magmowego obejmującego różne mechanizmy dyferencjacji oraz odmienne człony magmowe.

This doctoral thesis presents a novel approach for analysing the magma evolution path in composite plutons, applying Polytopic Vector Analysis (PVA) to whole rock analysis and to single mineral chemistry. PVA is a mathematical algorithm, which decomposes the chemistry of a system originated by multiple magma sources and differentiation mechanisms (e.g. mixing fractional crystallization) and provides the estimate number and composition of the system (magma source) end-members and their proportions in every studied sample. As a an example of a complex magmatic body the Karkonosze granitoid pluton was chosen, formed by a combination of magma mixing and fractional crystallization of two distinct melts – granitic crust-derived and lamprophyric mantle-derived. So far the method was applied exclusively for whole-rock geochemistry. The author attempts to use both whole-rock and apatite chemistry as input data, which is a novel approach. The goal is to fully characterize the apatite composition in samples representing each stage of magma evolution (with varying contribution of magma mixing and proportions of the two magmas) by several analytical methods including Back-scattered Electron Imaging (BSE), Cathodoluminescence (CL), Electron Microprobe (EPMA) and Particle Induced X-ray Emission (PIXE). The obtained compositional data serves to model (using PVA) end-member magma compositions recorded by apatite and to estimate to what extent these end-members interacted with each other. The apatites demonstrate a wide range of growth textures (from homogenous to complex zonation patterns resulting most probably from dynamic growth within a heterogeneous magma) and compositions. Although using single minerals as proxies to magma compositions is tricky (due to numerous factors controlling the mineral formation), the studied apatite generally follows the evolution of the pluton chemistry and very well reflects the compositional trends within the magma, such as decreasing LREE/Y ratios, varying halogen content (higher Cl in apatites from more mafic rocks), increasing Mn and Na 10 concentrations (due to progressive differentiation and higher contribution of the felsic magma). The results of PVA simulations for whole-rock geochemistry demonstrate a model very similar to that constrained from previous studies. Apart from the major trend of mixing between a felsic (~80 wt % SiO2) and a mafic (~53 wt% SiO2) end-member (EM), an additional process has been recognized, representing most probably the continuous evolution of the mafic end-member, responsible for the compositional diversity of granodiorites and magmatic enclaves. PVA of apatite provided three end-members: one felsic (REE-poor, Mn-, F-rich), one mafic (Cl-, Sr-, Si- and REE-rich) and one EM representing most probably a fluid component (enriched in Y, REEs and Si). The fluid is present in all magmatic stages, however most prominent during the middle stage. The widest range of EM proportions and the highest contribution of the mafic EM is displayed by apatites from the early stage. During the middle and late stages the apatites present a narrow range of EM proportions with almost all apatites bearing a felsic and fluid signature. It may represent a progressive homogenization of the system, where apatites are compositionally less diverse and lose their mafic affinity. The application of the PVA method to mineral chemistry presents some limitations, mostly due to the fact, that not all compositional features – e.g. unusual enrichments in certain apatite zones – truly reflect the magma chemistry. Thus, the enriched end-members generated based on these zones may not necessarily correspond to real components present in the magmatic systems. However, if all compositional features are recognized and assigned to particular processes and all limitations are accounted for, the PVA method may provide a more detailed image of the combination of differentiation processes and magma sources involved in the formation of a complex composite pluton.