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[Bushveld] The Bushveld Complex Drilling Project "BVDP"

Description

Ziel dieses Fortsetzungsprojektes ist es, in Kooperation mit Partner der BGR Hannover neue Methoden der automatisierten, spektrometrische
Bohrkernanalyse in Einsatz zu bringen, die erheblich mehr Informationen über Mineralbestand, Gefüge und chemische Zusammensetzung des Bohrkernprofils bieten als im laufenden Projekt geplant war. Die hier beantragten Studien werden uns erlauben, ein vollständigeres Bild davon zu zeichnen, wie Magmen in die Magmakammer der Main Zone eingebracht wurden und wie sie sich darin entwickelt haben. Die Arbeitshypothese des laufenden Projektes war, dass die Main Zone durch wiederholte, Injektionen aus einer tieferen Kammer zusammengesetzt wurde. Im Anlehnung an Studien im nördlichen Bereich des Komplexes werden Hinweise dafür in vertikale Variationen der physikalischen Eigenschaften des Bohrkerns (Dichte sowie Mengenverhältnisse und chemische Zusammensetzungen der Minerale) gesucht. Laufende Untersuchung des Bohrkernprofils im östlichen Bushveld testen die Arbeitshypothese und liefern Informationen über Magmakristallisation und -differenzierung, insbesondere: (1) Gesteinsdichte sowie mineralchemischen Variationen der Hauptmineralphasen, (2) Mikrotexturmerkmalen der Minerale, die Abkühlungsraten und das Ausmaß der Reäquilibrierung mit Restschmelze widerspiegeln, (3) Kristallisationstemperaturen mittels Spurenelement- und Stabilisotopen-Geothermometrie. Im Rahmen des laufenden Projekts wurden Dichtemessungen an 272 Proben durchgeführt, die in regelmäßigen Abständen entlang eines 1500 Meter Profils verteilt
sind. Das Dichteprofil und die vorläufigen Mineraldaten zeichnen wichtige Unterschiede im Vergleich zur Main Zone im nördlichen Bushveld auf: statt wiederholte, zyklische Variationen fanden wir drei Zonen, deren Untersuchung durch geochemische und mikrotexturelle Studien an
ausgewählten Proben im Gange ist.

Die beantragten Neuuntersuchungen, in Kooperation mit der BGR in Hannover, basieren auf Scans der 272 Proben mit laserinduzierter
Zerfallsspektroskopie (LIBS) sowie MikroXRF. Bei richtiger Kalibrierung liefern diese Methoden quantitative Modalbestand der Minerale, 2DElement-und Mineralverteilungsbilder sowie Konzentrationsdaten für mehrere Elemente. Wichtig ist, dass die Methoden schnell und
zerstörungsfrei sind, alle Proben des Profils können untersucht werden und nicht nur eine ausgewählte, kleinere Menge wie ursprünglich geplant. Mit der räumlichen Auflösung von 20 Mikrometer liefert MikroXRF eine Vielzahl an Analysen der Hauptmineralphasen (Plagioklas, Ortho- und Klinopyroxen) in jeder Probe. Etwaige Variationen können auf Änderungen der Magmazusammensetzung und/oder Temperatur hinweisen. Die 2DElement- und Mineralverteilungsbilder werden Zonarbau und Verwachsungsgefüge sowie die Verteilung der spät- bis postmagmatischen Phasen aufzeigen. Die LIBS-Spektren werden genutzt um Spurenelementkonzentrationen in den Hauptphasen abzuleiten, die der Magmenentwicklung wiederspiegeln.

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The aim of this renewal project is to exploit new methods of automated spectroscopic drill core scanning in cooperation with the BGR Hannover. These can provide a much greater amount and quality of mineralogic information than anticipated in the ongoing project and will allow us to reach a more complete understanding of how magmas were added to the Main Zone magma chamber and how they evolved within it. The working hypothesis of the ongoing study was that the Main Zone was assembled from repeated magma injections from a deeper magma chamber, as evidenced in the northern lobe of the complex by cyclic vertical variations in physical properties (density variations, mineral abundances and compositions). Our studies of Main Zone drill cores in the eastern lobe, Marula site will test this hypothesis and provide a record of magma crystallization and differentiation by: (1) documenting rock density and mineral-chemical variations (2) measuring microtextural features of the main constituent minerals that reflect cooling rates and the extent of reequilibration
with residual melt; (3) calculating crystallization temperatures from trace-element and stable isotope geothermometry. The ongoing project
succeeded in collecting density measurements on 272 samples regularly spaced along a 1500 meter section of the Main Zone. The density profile and preliminary mineral-chemical data suggest important differences compared with the northern lobe. Instead of regular, cyclic variations we found three contrasting subzones that guide sample selection for geochemical and microtextural studies in progress.

The new studies in collaboration with the BGR in Hannover will involve scanning of the Main Zone samples using laser-induced breakdown
spectroscopy (LIBS) and micro-XRF. If properly calibrated, these methods offer quantitative mineral proportions, 2D mineral distribution maps and multi-element concentration data. Importantly, the scanning is rapid and nondestructive, so all samples of the profile can be studied instead of a small subset originally planned. The spatial resolution of 20 microns for the microXRF will provide many analyses of the major mineral phases (plagioclase, ortho- and clinopyroxene) in a single sample. Statistical analysis will reveal the degree of chemical  heterogeneity of each phase, which may be related via phase relations and crystallization models in basalt to changes in magma composition and/or temperature. The 2D element maps from microXRF will reveal mineral textures, zoning and the distribution and identity of late interstitial phases. We will also use of LIBS spectra to derive trace element concentrations in selected minerals that can track the chemical evolution of parental magmas.