Anorthosiet

OuderdomEdit

Proterozoïsche anorthosieten zijn ontstaan tijdens het Proterozoïcum (ca. 2.500-542 Ma), hoewel de meeste zijn ontstaan tussen 1.800 en 1.000 Ma.

VoorkomenEdit

Proterozoïsche anorthosieten komen typisch voor als uitgestrekte voorraden of batholieten. De oppervlakte van anorthosiet batholieten varieert van relatief klein (tientallen of honderden vierkante kilometers) tot bijna 20.000 km2 (7.700 sq mi), in het geval van de Nain Plutonic Suite in het noorden van Labrador, Canada.

Grote voorkomens van Proterozoïsche anorthosiet worden gevonden in het zuidwesten van de V.S., de Appalachian Mountains (b.v. het Honeybrook Upland van oostelijk Pennsylvania), oostelijk Canada (b.v. de Grenville Province), over zuid Scandinavië en oost Europa. In kaart gebracht op de Pangaean continentale configuratie van dat tijdperk, liggen deze vindplaatsen allemaal in een enkele rechte gordel, en moeten ze allemaal intracratonaal zijn ontstaan. De voorwaarden en beperkingen van dit patroon van oorsprong en verspreiding zijn niet duidelijk. Zie echter de paragraaf Oorsprong hieronder.

Verwante gesteentenEdit

Vele Proterozoïsche anorthosieten komen voor in ruimtelijke associatie met andere zeer kenmerkende, gelijktijdige gesteentetypen: de zogenaamde ‘anorthosiet-suite’ of ‘anorthosiet-mangeriet-charnockiet-graniet (AMCG) complex’.

Deze gesteentetypen kunnen omvatten:

• Mangeriet: een pyroxeenhoudend monzoniet intrusief stollingsgesteente
• Charnockiet: een orthopyroxeenhoudend kwarts-veldspaatgesteente, vroeger beschouwd als intrusief stollingsgesteente, thans erkend als metamorf
• Ironrijke felsische gesteenten, waaronder monzoniet en rapakivi-graniet
• Ironrijke dioriet, gabbro, en noriet
• Leucocratische mafische gesteenten zoals leucotroctoliet en leuconoriet

Hoewel co-eval, vertegenwoordigen deze gesteenten waarschijnlijk chemisch-onafhankelijke magma’s, waarschijnlijk geproduceerd door het smelten van landgesteente waarin de anorthosieten zijn geïntrigeerd.

Belangrijk is dat grote hoeveelheden ultramafische gesteenten niet worden aangetroffen in associatie met Proterozoïsche anorthosieten.

Fysische kenmerkenEdit

Omdat ze voornamelijk uit plagioklaas veldspaat bestaan, lijken de meeste Proterozoïsche anorthosieten, in ontsluiting, grijs of blauwachtig te zijn. Afzonderlijke plagioklaaskristallen kunnen zwart, wit, blauw of grijs zijn, en kunnen op verse oppervlakken een iriscentie vertonen die labradorescence wordt genoemd. De veldspaatvariëteit labradoriet is vaak aanwezig in anorthosieten. Mineralogisch gezien is labradoriet een samenstellingsterm voor elke calciumrijke plagioklaas veldspaat die 50-70 moleculair procent anorthiet bevat (An 50-70), ongeacht of hij labradorescentie vertoont. Het mafische mineraal in Proterozoïsche anorthosiet kan clinopyroxeen, orthopyroxeen, olivijn of, in zeldzamere gevallen, amfibool zijn. Oxiden, zoals magnetiet of ilmeniet, komen ook voor.

De meeste plutonen van anorthosiet zijn zeer grofkorrelig; dat wil zeggen dat de afzonderlijke plagioklaaskristallen en het bijbehorende mafische mineraal meer dan enkele centimeters lang zijn. Minder vaak zijn de plagioklaaskristallen megakristallijn, dat wil zeggen meer dan een meter lang. De meeste Proterozoïsche anorthosieten zijn echter vervormd, en zulke grote plagioklaas kristallen zijn geherkristalliseerd om kleinere kristallen te vormen, waarbij alleen de omtrek van de grotere kristallen is achtergebleven.

Terwijl veel Proterozoïsche anorthosiet plutonen geen grootschalige relict stollingsstructuren lijken te hebben (en in plaats daarvan vervormingsstructuren hebben van na de verplaatsing), hebben sommige plutonen wel stollingslagen, die kunnen worden gedefinieerd door kristalgrootte, mafisch gehalte, of chemische karakteristieken. Dergelijke gelaagdheid heeft duidelijk zijn oorsprong in een rheologisch vloeibaar magma.

Chemische en isotopische karakteristiekenEdit

Proterozoische anorthosieten zijn typisch >90% plagioklaas, en de plagioklaas samenstelling is gewoonlijk tussen An40 en An60 (40-60% anorthiet). Dit samenstellingsbereik is intermediair, en is een van de kenmerken die Proterozoïsche anorthosieten onderscheiden van Archeaanse anorthosieten (die gewoonlijk >An80 zijn).

Proterozoïsche anorthosieten hebben naast plagioklaas vaak aanzienlijke mafische componenten. Deze fasen kunnen olivijn, pyroxeen, Fe-Ti oxiden, en/of apatiet omvatten. Mafische mineralen in Proterozoïsche anorthosieten hebben een breed scala van samenstelling, maar zijn over het algemeen niet sterk magnesisch.

De sporenelementchemie van Proterozoïsche anorthosieten, en de daarmee geassocieerde gesteentetypen, is door onderzoekers enigszins in detail onderzocht met het doel tot een plausibele genetische theorie te komen. Er bestaat echter nog steeds weinig overeenstemming over wat de resultaten precies betekenen voor de genese van anorthosieten; zie het gedeelte “Oorsprong” hieronder. Een zeer korte lijst van resultaten, waaronder resultaten voor gesteenten waarvan gedacht wordt dat zij verwant zijn aan Proterozoïsche anorthosieten,

Enig onderzoek heeft zich toegespitst op neodymium (Nd) en strontium (Sr) isotopenbepalingen voor anorthosieten, met name voor anorthosieten van de Nain Plutonic Suite (NPS). Dergelijke isotopische bepalingen zijn van nut bij het inschatten van de levensvatbaarheid van mogelijke bronnen voor magma’s die aanleiding hebben gegeven tot anorthosieten. Sommige resultaten worden hieronder beschreven in het gedeelte ‘Oorsprong’.

Hoog-aluminiumoxide orthopyroxeen megakristen (HAOMs)

Veel anorthosieten uit het Proterozoïcum bevatten grote orthopyroxeenkristallen met een kenmerkende samenstelling. Dit zijn de zogenaamde hoog-aluminiumoxide orthopyroxeen megacrysten (HAOM).

HAOM zijn onderscheidend omdat 1) zij hogere hoeveelheden Al bevatten dan gewoonlijk in orthopyroxeen wordt gezien; 2) zij door talrijke dunne latjes van plagioklaas worden gesneden, die exsolutielamellen kunnen voorstellen; en 3) zij ouder schijnen te zijn dan de anorthosieten waarin zij worden gevonden.

Over de oorsprong van HAOMs wordt gediscussieerd.

Een mogelijk model suggereert dat, tijdens de vorming van anorthosieten, een van de mantel afkomstige smelt (of gedeeltelijk kristallijne brij) in de lagere korst werd geïnjecteerd en begon te kristalliseren. HAOMs zouden gedurende deze tijd zijn uitgekristalliseerd, misschien wel 80-120 miljoen jaar. De HAOM-dragende smelt zou dan naar de bovenkorst kunnen zijn gestegen. Dit model wordt ondersteund door het feit dat aluminium bij hoge druk beter oplosbaar is in orthopyroxeen. In dit model vertegenwoordigen de HAOM lager-kristal cumulaten die gerelateerd zijn aan het anorthosiet bron-magma.

Eén probleem met dit model is dat het vereist dat het anorthosiet bron-magma een aanzienlijke tijd in de lage korst heeft gelegen. Om dit op te lossen, suggereren sommige auteurs dat de HAOMs gevormd kunnen zijn in de lage korst onafhankelijk van het anorthosiet bron-magma. Later kan het anorthosiet bron-magma op zijn weg omhoog stukken van de lagere korst met HAOM hebben meegevoerd.

Andere onderzoekers menen dat de chemische samenstellingen van het HAOM het resultaat zijn van snelle kristallisatie bij matige of lage druk, waardoor de noodzaak van een lagere-kristal oorsprong geheel verdwijnt.

Oorsprong van Proterozoïsche anorthosietenEdit

De oorsprong van Proterozoïsche anorthosieten is al vele decennia onderwerp van theoretisch debat. Een korte samenvatting van dit probleem is als volgt:

Het probleem begint met het ontstaan van magma, de noodzakelijke voorloper van elk stollingsgesteente.

Magma dat ontstaat door kleine hoeveelheden gedeeltelijk smelten van de mantel is over het algemeen van basaltische samenstelling. Onder normale omstandigheden vereist de samenstelling van basaltisch magma dat het tussen 50 en 70% plagioklaas kristalliseert, waarbij het grootste deel van de rest van het magma kristalliseert als mafische mineralen. Anorthosieten worden echter gekenmerkt door een hoog plagioklaasgehalte (90-100% plagioklaas) en komen niet voor in combinatie met ultramafische gesteenten van dezelfde tijd. Dit staat nu bekend als “het anorthosiet probleem”. Voorgestelde oplossingen voor het anorthosiet probleem zijn divers geweest, waarbij veel van de voorstellen putten uit verschillende geologische subdisciplines.

In het begin van het anorthosiet-debat werd gesuggereerd dat een speciaal type magma, anorthosietisch magma, op diepte was ontstaan en in de korst was gestort. De solidus van een anorthositisch magma is echter te hoog om lang als vloeistof te kunnen bestaan bij normale temperaturen van de korst, zodat dit onwaarschijnlijk lijkt. Het is aangetoond dat de aanwezigheid van waterdamp de solidustemperatuur van anorthositisch magma tot redelijker waarden kan verlagen, maar de meeste anorthosieten zijn betrekkelijk droog. Men kan dus stellen dat waterdamp wordt verdreven door het daaropvolgende metamorfisme van de anorthosiet, maar sommige anorthosieten zijn niet vervormd, waardoor deze suggestie wordt ontkracht.

De ontdekking, aan het eind van de zeventiger jaren, van anorthositische dijken in de Nain Plutonic Suite, suggereerde dat de mogelijkheid van anorthositische magma’s die bestaan bij temperaturen van het aardkorstoppervlak, opnieuw moest worden onderzocht. Later werd echter aangetoond dat de dijken complexer waren dan oorspronkelijk werd gedacht.

Samenvattend, hoewel vloeistof-staat processen duidelijk werkzaam zijn in sommige anorthosiet plutonen, zijn de plutonen waarschijnlijk niet afgeleid van anorthosiet magma’s.

Veel onderzoekers hebben betoogd dat anorthosieten het product zijn van basaltisch magma, en dat mechanische verwijdering van mafische mineralen heeft plaatsgevonden. Aangezien de mafische mineralen niet worden aangetroffen bij de anorthosieten, moeten deze mineralen zijn achtergebleven op een dieper niveau of aan de basis van de korst. Een typische theorie is de volgende: gedeeltelijk smelten van de mantel genereert een basaltisch magma, dat niet onmiddellijk opstijgt naar de korst. In plaats daarvan vormt het basaltische magma een grote magmakamer aan de basis van de korst en fractioneert grote hoeveelheden mafische mineralen, die naar de bodem van de kamer zinken. De samenkristalliserende plagioklaaskristallen drijven en worden uiteindelijk in de korst afgezet als anorthosietplutonen. De meeste van de zinkende mafische mineralen vormen ultramafische cumulaten die aan de basis van de korst blijven.

Deze theorie heeft vele aantrekkelijke kenmerken, waarvan er één het vermogen heeft om de chemische samenstelling van hoog-aluminiumoxide orthopyroxeen megakristen (HAOM) te verklaren. Hierop wordt hieronder nader ingegaan in het deel dat aan HAOM is gewijd. Op zichzelf kan deze hypothese echter geen coherente verklaring bieden voor het ontstaan van anorthosieten, omdat zij niet strookt met, onder andere, enkele belangrijke isotopische metingen die zijn verricht aan anorthositische gesteenten in de Nain Plutonic Suite. De Nd en Sr isotopische gegevens tonen aan dat het magma dat de anorthosieten heeft voortgebracht niet alleen uit de mantel afkomstig kan zijn geweest. In plaats daarvan moet het magma waaruit de anorthosieten van de Nain Plutonic Suite zijn ontstaan, een significante korstcomponent hebben gehad. Deze ontdekking leidde tot een iets gecompliceerdere versie van de vorige hypothese: Grote hoeveelheden basaltisch magma vormen een magmakamer aan de basis van de korst, en tijdens het kristalliseren assimileert het grote hoeveelheden korst.

Dit kleine addendum verklaart zowel de isotopische kenmerken als bepaalde andere chemische bijzonderheden van Proterozoïsche anorthosiet. Ten minste één onderzoeker heeft echter op basis van geochemische gegevens overtuigend betoogd dat de rol van de mantel bij de produktie van anorthosieten in feite zeer beperkt moet zijn: de mantel levert slechts de impuls (warmte) voor het smelten van de korst, en een kleine hoeveelheid gedeeltelijke smelt in de vorm van basaltisch magma. Dus anorthosieten zijn, in deze visie, bijna volledig afkomstig van smelt van lagere korstkorrels.