Investigation of CO2-rich supercritical fluid - rock interaction in the deep lithosphere: complex study of ultramafic xenoliths and their enclosed fluid inclusions  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
105410
Type PD
Principal investigator Berkesi, Márta
Title in Hungarian CO2-gazdag szuperkritikus fluidum - kőzet kölcsönhatásának vizsgálata a mélylitoszférában: ultramafikus xenolitok fluidumzárványainak komplex kutatása
Title in English Investigation of CO2-rich supercritical fluid - rock interaction in the deep lithosphere: complex study of ultramafic xenoliths and their enclosed fluid inclusions
Keywords in Hungarian fluidzárvány, szuperkritikus CO2, fluid-kőzet kölcsönhatás, mélylitoszféra
Keywords in English fluid inclusion, supercritical CO2, fluid-rock interaction, deep lithosphere
Discipline
Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences)80 %
Ortelius classification: Mineralogy
Geology, Tectonics, Vulcanology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Ortelius classification: Geology
Panel Earth sciences 1
Department or equivalent Department of Petrology and Geochemistry (Eötvös Loránd University)
Starting date 2012-10-01
Closing date 2017-09-30
Funding (in million HUF) 19.920
FTE (full time equivalent) 3.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás célja egy olyan átfogó, peridotit xenolitokba csapdázódott fluidumzárvány vizsgálat, ahonnan öt különböző kontinensről származó mintasorozat áll rendelkezésre. A kutatás során a szubkontinentális litoszferikus köpenyben migráló fluidumok ismerhetőek meg. Három, világszinten is élvonalbeli műszer alkalmazása (Raman spektrométer, fókuszált ionsugaras megmunkálás és pásztázó elektronmikorszkópia valamint LA-ICPMS) lehetővé teszi a köpenyfluidumok összetételének és sűrűségének meghatározását. Ennek oka, hogy mikron és szubmikron léptékű vizsgálatokra nyílik az említett módszerekkel lehetőség.
Tekintve, hogy a fluidumzárványokat bezáró kőzetek nagy részéről rendelkezésre áll kiterjedt geokémiai adat (a kőzetalkotó ásványok fő- és nyomelem összetétele), a tervezett fluidumzárvány kutatás során a köpenyben zajló kőzet-fluidum kölcsönhatásról levő ismereteink is bővülhetnek. Végül cél a fluidumok csapdázódását követő (zárvány hűlése során bekövetkező) folyamatok rekonstruálása is.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Napjainkban az a tudományos feltételezés él, hogy a köpenyfluidumok jóval komplexebbek, mint az korábban vélték. Mindemellett a szubkontinentális litoszféráról tudjuk, hogy szöveti és geokémiai értelemben heterogénnek tekinthető doménjei eltérő fejlődéstörténete miatt. A kutatás alapkérdése tehát az, hogy vajon a szubkontinentális köpenylitoszférában migráló fluidumok is mutatnak eltérést, azaz heterogenitást a különböző fejlődéstörténetüknek (vagy eredet) köszönhetően. A kutatás kiinduló hipotézise az, hogy a zárványokban kis mennyiségben jelen levő komponensek és fázis lehetnek a kulcsai az említett kérdés megválaszolásának.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A köpenyxenolitokban található fluidumzárványok összehasonlító kutatásának jelentősége többirányú. A klasszikus értelemben vett köpenykutatásban a szilárd kőzet geokémiai jellegének tanulmányozása áll. A köpenykőzetek fejlődéstörténetének rekonstruálásához nélkülközhetetlen alapja a köpenyt modellező kísérleti kutatások alkalmazása is. Ez utóbbi világított rá arra, hogy a fluidumok jellemzése nagy szerepet játszik a kőzetek fejlődésének megismerésében. A kísérletek esetében azonban a fluidumfázis összetétele nem megfelelően kontrollált. A köpenykutatást célzó kísérleti munkák nagy része H2O-gazdag fluidumot feltételez, amit a ¬ szubdukciós köpenyéktől eltekintve ¬természetes minták fluidumzárványaiból rendelkezésre álló eddigi ismeretek sem támasztanak alá. A fluidumzárványok részletes kutatása, a csapdázódó fluidumok összetételének lehető legprecízebb megadása további kísérleti munkák megvalósulásának nyújtana alapot, mellyel a napjainkban sem eléggé ismert fluidumok által előidézett folyamatok lennének leírhatóak.
Hasonló kiterjedt összehasonlító tanulmány legjobb tudomásom szerint még nem valósult meg, ennek a hiánynak a pótlása az alkalmazott mikro- és nanotechnológiákkal időszerű.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A Föld legfelső szilárd kérgének, más néven litoszférának mélyebb része (~ 35 – 100 kilométer a felszíntől) az úgynevezett litoszferikus köpeny. A köpeny adja ki Földünk térfogatának nagy részét, és az ott zajló folyamatok a Föld felszínére is hatással vannak. Ezért fontos tanulmányozni azokat a természetes kőzeteket, amelyek a litoszferikus köpenyből származnak. Ezekben a kőzetekben ásványok csapdáztak az egykor a köpenyben jelen levő CO2-gazdag illókat, azaz fluidumokat. Az egyetlen módja a köpenyfluidumok közvetlen tanulmányozásának a csapdázódott fluidumok, azaz fluidumzárványok vizsgálata. A fluidumok mindenhol nagyon fontos szerepet játszanak a litoszférában, mert reakciókat válthatnak ki, kölcsönhatásba kerülnek a környező kőzettel megváltoztatva azok akár ásványos és/vagy kémiai összetételét. Ezért célom öt kontinensről származő köpenykőzet-sorozat fluidumzárványainak vizsgálata, hogy teljesebb képet kapjunk a Föld köpenyének fluidumjairól.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim is to study fluid inclusion in peridotite xenoliths from five different part of the world (from five different continents) to understand the properties of fluids in the subcontinenal lithospheric mantle. The use of three state-of-the-are techniques (Raman spectrometer, FIB-SEM and LA-ICPMS) would allow tu determine comparatively the bulk mantle fluid composition and density due to the micron and submicron-scale investigation of the inclusions. As a result, the heterogeneity (or homogeneity) of mantle fluids in the subcontinental lithospheric mantle can be concluded.
Moreover, the already available geochemical data (major and trace elements of the constituent’s minerals) of the host peridotites and the data of the detailed fluid inclusions will shed light fluid – rock (or host mineral) interaction taking place at mantle. Finally, post entrapment processes within the fluid inclusions, during cooling, will also be reconstructed.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Recently, it is suggested that the mantle fluids are more complex than it was previously thought. In addition, the subcontinental lithospheric mantle, where these fluids migrated, is said to be heterogeneous in terms of texture, geochemistry due to their different evolution history. The fundamental question to answer in this project is whether the fluids in the lithospheric mantle are also heterogeneous in their properties reflecting their different history and/or origin. The base assumption (hypothesis) is that the generally CO2-dominated fluids contain additional phases presenting in a very small amount (or volume). The study of such minor components are expected to be different in each locations related to their heterogeneity.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The significance of the detailed, comparative fluid inclusion study in mantle xenoliths has many reasons. In general, studies on understanding mantle processes are based on the geochemistry of the mantle-derived rock. Moreover, experimental studies modeling the mantle conditions are essential to reconstruct the mantle evoultion history. Latter one shed light the importance of the characterization fluids in understanding the evolution of the mantle. However, the fluid phase in experimental studies is not well approximated in many cases. The vast mojority such experimental works use H2O-rich composition for the mantle fluid, which is, except for the subduction zone fluid, is not justified on the basis of the previous mantle fluid inclusion studies. The detailed fluid inclusion study of this project can be the base of realization of further experimental works, which alltogether could let us to describe fluid-assisted processes in the mantle that is still not well known recently. It is also important to mention that such comparative study, to my best knowledge, has not been done before. By applying the state-of-the-art techniques on the fluid inclusions would complete our knowledge and contributes to this actual scientific topic.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The upper solid part of the Earth is called lithosphere. Its deeper part (~35 – 100 kilometers from the surface) is the lithospheric mantle. The mantle gives the highest volume of the Earth, and the processes taking place there may influence even the surface processes. Thus, the study of natural rocks, derived from the lithospheric mantle, is of great importance. In such rocks, minerals enclose CO2-rich volatiles (referref to as fluids). The only way to get direct information on the trapped fluid is to study fluid inclusions. The fluids play an important role in each part of the lithosphere as they can provoke reactions and can interact to the surrounding rocks resulting in modification of their modal and/or geochemical composition. As a consideration, the aim is to study mantle-derived rocks from five different continents to get a complete picture of the Earth’s mantle fluids.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Spinell lherzolit xenolitok Jeju-szigetről (Dél-Korea), Rio Grande Riftről (New-Mexico, USA), Mt. Quincanről (északkelet-Ausztrália) és a Kamerun Vulkáni Területről alkották a kutatás fő mintasorozatát. A xenolitok extenziós környezetből származnak, így a projekt fókuszában álló bezárt fluidumzárványok tanulmányozása általános képet adott az asztenoszféra felemelkedése során a szubkontinentális litoszférában migráló fluidumokról. A fluidumzárványok jellemzően ortopiroxén porfiroklasztokban csapdázódtak, a szételegyedési lamellák mentén és valószínűleg az asztenoszféra feláramlását követő termális relaxáció (hűlés és litoszféra vastagodás) során csapázódhattak. A fluidumok jellemzően CO2-N2-H2O tartalmú fluidum-gazdag olvadékok, bár a Jeju-szigetekről előkerült fluidumzárványok vízmentesek. Ez a fluid metaszomatizálta a spinell lherzolitot kis modális mennyiségű pargasit kristályosodását eredményezve. A kutatás egyik legfőbb konklúziója, hogy extenziós környezetben is okozhat fluid-kőzet kölcsönhatás pargazit kristályosodását a szubkontinentális litoszféra köpenyben, mely egy sokkal gyakrabban előforduló ásvány lehet a felső köpenyben, mint azt jelenleg feltételezzük. Ezzel szemben olyan jelentős modális amfiboltartalmú spinell lherzolitokban, melyek egy feltételezett szubdukált lemez feletti köpenyéket reprezentálnak (Stájer-medence és Persány-hegység), a fluidumok a CO2-H2O mellett Na, K, P, Cl-ban is koncentráltak lehettek.
Results in English
During the project, fluid inclusions enclosed in spinel lherzolite xenoliths from Jeju-island (South-Korea), Mt. Quincan (northeastern-Australia), Rio Grande Rift (New Mexico, USA) and Barombi, Cameroon Volcanic Line (Cameroon) were studied. All xenoliths represent subcontinental upper mantle fragments at either continental rift or backarc environment. As a consequence, main results of this research project allowed us to better understand the main charcteristics of the free fluid phase that might have interacted to the surrounding peridotitic rocks at extensional setting. As a general rule, fluid inclusions are enclosed in orthopyroxene porphyroclasts, paralel with the orientation of the exsolution lamellae and are said to have trapped durind the thermal relaxation (cooling and lithosphere thickening). Fluids have a composition of CO2-N2-H2O-bearing fluid-rich melts (one exception is fluids at Jeju island are water-free). Further cooling of the fluid resulted in reaching the pargasite stability zone and thus froming pargasite. We conclude that pargasite, at continental rift-backarc setting could be a common phase at spinel lherzolite sability in the lithospheric upper mantle. Besides, fluid inclusion studies in mantle xenoliths from Styrian basin and Perşani Mountains likely represent an above position of a suspected subducted slab (mantle wegde). We discovered that within the inclusions, besides CO2, significant amount of Na, H2O, N and S (+ K, P, Cl) is present.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105410
Decision
Yes





 

List of publications

  
Berkesi M., Park M., Szabó, C., Yung H. and Kil Y.: Melt and fluid inclusions in mantle xenoliths beneath the rift shoulder (Adam's Diggings) of Rio Grande Rift: evidence for metasomatism, EMC 2016 Conference, Book of Abstracts, 2016
Márta Berkesi, Réka Káldos, Munjae Park, Csaba Szabó, Kálmán Török, Bianca Németh, György Czuppon: Raman spectroscopic behavior of nitrogen in CO2-rich fluid inclusions, ECROFI-XXII Abstract Book, 2013
S. Ferrero, R. Braga, M. Berkesi, B. Cesare, N. Laridhi Ouazaa: Production of metaluminous melt during fluid-present anatexis: an example from the Maghrebian basement, La Galite Archipelago, central Mediterranean, Journal of Metamorphic Geology, 2014
Berkesi Márta: Felsőköpenyből származó kőzetzárványok a Bakony‒Balaton-felvidék vulkáni területről, In: Kónya Péter (szerk.) (szerk.) A Bakony–Balaton-felvidék vulkáni terület ásványai. Miskolc; Budapest: Herman Ottó Múzeum; Magyar Földtani és Geofizikai Intézet , 2015. pp. 125-134. (TQS Monopgraphs; 1.), 2015
Berkesi M., Park M., Szabó, C., Yung H. and Kil Y.: Melt and fluid inclusions in mantle xenoliths beneath the rift shoulder (Adam's Diggings) of Rio Grande Rift: evidence for metasomatism, EMC 2016 Conference, Book of Abstracts, 2016
Márta Berkesi, Réka Káldos, Munjae Park, Csaba Szabó, Kálmán Török, Biance Németh and György Czuppon: Raman spectroscopic behavior of nitrogen in CO2-rich fluid inclusions of mantle xenoliths, Goldschmidt2015 Abstracts, 2015
Márta Berkesi, Réka Káldos, Munjae Park, Csaba Szabó, Tamás Váczi, Kálmán Török, Bianca Németh, György Czuppon: Detection of small amounts of N2 in CO2-rich high density fluid inclusions in mantle xenoliths, European Journal of Mineralogy, accepted manuscript, 2016
Márta Berkesi, Réka Káldos, Munjae Park, Csaba Szabó, Tamás Váczi, Kálmán Török, Bianca Németh, György Czuppon: Detection of small amounts of N2 in CO2-rich high density fluid inclusions in mantle xenoliths, European Journal of Mineralogy 3:423-431., 2017
Park Munjae, Márta Berkesi, Jung Haemyeong, Kil Youngwoo: Fluid invasions in the lithospheric upper mantle based on fluid inclusion study in spinel peridotites from Adam's Diggings beneath the western margin of Rio Grande Rift, USA, European Journal of Mineralogy, published online DOI: 10.1127/ejm/2017/0029-2658, 2017
Szabó, Á., Berkesi, M., Aradi, L. and Szabó, Cs.: Preliminary results on fluid inclusions in mantle xenoliths from the Perşani Mountains, Eastern Transylvanian Basin, ECROFI2017 Nancy abstract p. 230., 2017
László E. Aradi, Ábel Szabó, Márta Berkesi, Alberto Zanetti and Csaba Szabó: Fluid transfer in the lithospheric mantle beneath the margins of the Pannonian Basin - a xenolith study, Goldschmidt2017 Paris konferencia, 2017
Berkesi Márta, Pintér Zsanett, Czuppon György, Kovács István János, Ferrero, Silvio, Boiron, Marie-Christine, Szabó Csaba: Asztenoszféra-eredetű fluidumok spinell lherzolitokban: esettanulmányok északkelet-Ausztráliából és Kamerunból, Kőzettani és Geokémiai Vándorgyűlés, Szihalom p 27-29., 2017
Júlia Dégi, Kálmán Török, Bianca Németh, Diether Rhede, Ágnes Takács, Márta Berkesi, Gerlinde Habler, Rainer Abart: Complexity of kelyphitic rims after garnet - Part I: Multi-stage fluid-assisted alteration of submicron-sized symplectites, Contributions to Mineralogy and Petrology, bírálat alatt, 2017
Berkesi M., Czuppon G. , Szabó C. , Kovács I. , Ferrero S. , Pfeiffert C., Boiron M-C.: Pargasite in fluid inclusions of mantle xenoliths from northeast Australia (Mt. Quincan): sign of interaction of asthenospheric fluid, ECROFI 2017 Nancy konferencica Book of Abstracts, p 114., 2017
Márta Berkesi, György Czuppon, Csaba Szabó, István Kovács, Silvio Ferrero, Marie-Christine Boiron, Andrea Perucchi: Pargasite in fluid inclusions of mantle xenoliths from northeast Australia (Mt. Quincan): sign of interaction of asthenospheric fluid, közlésre előkészített, ECROFI Spec Issue-ba küldendő kézirat (Chemical Geology), 2017
László E. Aradi, Ábel Szabó, Márta Berkesi, Alberto Zanetti, Csaba Szabó: Fluid transfer in the lithospheric mantle beneath the margins of the Pannonian Basin - a xenolith study, közlésre előkészített kézirat (Lithos), 2017



Back »