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Understanding eruptive and post-eruptive processes in rhyolites via lithium (Li) isotopes

English title Understanding eruptive and post-eruptive processes in rhyolites via lithium (Li) isotopes
Applicant Ellis Benjamin
Number 166281
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geochemie und Petrologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.09.2016 - 31.10.2020
Approved amount 281'204.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geochemistry
Geology
Mineralogy

Keywords (5)

Post-eruptive processes; Lithium; Crystallisation; Isotopes; Degassing

Lay Summary (German)

Lead
Aufgrund seiner hohen Atommasse und einer ausgeprägten Affinität für Fluide ist Lithium (Li) ein wichtiges Werkzeug für die Bestimmung des Einfluss von subduziertem Ozeanboden auf an Subduktionszonen gebildetes Magma. Die Anwendbarkeit von Li auf diese Mischungsprozesse erfordert allerdings, dass sich die geochemischen Signaturen von Li nicht verändern, während das Magma durch die Erdkruste aufsteigt und eruptiert.Nach einer Eruption bleibt das eruptierte Material häufig jahrelang heiss, bevor es langsam abkühlt. Die Prozesse, die in diesem „Abkühlfenster“ stattfinden, sind bisher wenig untersucht. Li scheint mobil zu sein, während das abkühlende Magma an der Erdoberfläche kristallisiert und entgast - die Mobilität betrifft sowohl die absoluten Li-Gehalte, als auch das Verhältnis der beiden Li-Isotope. Trifft dies zu, müssen diese Mobilitäts-Effekte bei der Betrachtung globaler Elementkreisläufe unbedingt berücksichtigt werden.
Lay summary

 Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Dieses Projekt untersucht die Auswirkungen von post-eruptiver Entgasung und Kristallisation auf das Verhalten von Li in langsam abkühlenden vulkanischen Ablagerungen. Durch eine Gegenüberstellung der Bereiche mit den höchsten Abkühlraten (in Kontakt mit Boden oder Luft) und der Bereiche mit den geringsten Abkühlraten (isoliert im Inneren) der gleichen Ablagerung können die durch post-eruptive Abkühlung induzierten Veränderungen abgeschätzt werden.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Eine genaue Kenntnis der Stoffkreisläufe zwischen Erdkruste und –mantel ist Schlüssel für ein besseres Verständnis der Erde als Ganzes, insbesondere für Kreisläufe der Elemente C, N und S. Lithium stellt somit ein zusätzliches Werkzeug dar, um Stoffkreisläufe an Subduktionszonen besser zu verstehen.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.03.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

This collaborative proposal between ETH Zurich and the University of Lausanne seeks support for a PhD studentship to investigate the degree to which post-eruptive processes, namely degassing and groundmass crystallisation, modify the both the distribution and isotopic composition of lithium (Li) in volcanic rocks. Preliminary work from the Yellowstone province has shown that the Li distribution within otherwise homogeneous plagioclase grains from within a single ignimbrite is a function of the relative cooling rate of the samples. Plagioclase from quenched, glassy basal and upper vitrophyres have low Li contents (on the order of 5 ppm Li) while plagioclase from the slowly cooled interior of the deposit can have Li contents almost an order of magnitude greater. This variability cannot be ascribed to magmatic processes for a number of reasons; 1) plagioclase from glassy samples at the top and bottom of the deposit are identical, as are groundmass glass Li contents, 2) overall ignimbrites within the province show scant evidence of compositional zonation, and 3) the variability in the plagioclase is only observed in Li, no other trace element shows similar behaviour. Considering those facts it seems inescapable that the variation observed in Li represents a post-eruptive process. To understand this process in some more detail (and as a proof of concept) we carried out some isotopic analyses on samples of whole rock, separated groundmass and picked plagioclase. The variability within bulk measurements of a single unit is immense, spanning nearly 10 ‰. Given that Li isotopes have been widely used to trace inferred subduction components in volcanic rocks, understanding the effects of surficial cooling and crystallisation would seem a requirement to be able to ‘see through’ the shallowest processes and assess those much deeper in the system. The next steps in this work are to investigate a variety of different minerals (e.g. quartz and zircon) to understand their ‘Li-behaviour’ during cooling and to develop standards to allow the in-situ characterisation of different matrices (e.g. feldspar / quartz) in order to couple spatially-constrained variations in Li abundance with isotopic compositions. This proposal seeks support to evaluate the extent to which post-eruptive processes affect the Li systematics in rhyolites and the implications of these changes.
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