Journal Article Partial Melt Distributions from Inversion of Rare Earth Element Concentrations Get access DAN McKENZIE, DAN McKENZIE Institute of Theoretical Geophysics, Bullard Laboratories, Department of Earth SciencesMadingley Road, Cambridge CB3 OEZ, UK Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar R. K. O'NIONS R. K. O'NIONS Institute of Theoretical Geophysics, Bullard Laboratories, Department of Earth SciencesMadingley Road, Cambridge CB3 OEZ, UK Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Journal of Petrology, Volume 32, Issue 5, October 1991, Pages 1021–1091, https://doi.org/10.1093/petrology/32.5.1021 Published: 01 October 1991 Article history Received: 10 August 1990 Accepted: 20 March 1991 Published: 01 October 1991

143Nd/144Nd ratios, and Sm and Nd abundances, are reported for particulates from major and minor rivers of the Earth, continental sediments, and aeolian dusts collected over the Atlantic, Pacific, and Indian Oceans. Overall, Sm/Nd ratios and Nd isotopic compositions in contemporary continental erosion products vary within the small ranges of 147Sm/144Nd= 0.115 ± 0.01 and143Nd/144Nd= 0.51204 ± 0.0002 (εNd = −11.4 ± 4). The average period of residence in the continental crust is estimated to be1.70 ± 0.35Ga. These results combined with data from the literature have implications for the age, history, and composition of the sedimentary mass and the continental crust: (1) The average “crustal residence age” of the whole sedimentary mass is about 1.9 Ga. (2) The range of Nd isotope compositions in the continent derived particulate input to the oceans is the same as Atlantic sediments and seawater, but lower than those of the Pacific, demonstrating the importance of Pacific volcanism to Pacific Nd chemistry. (3) The average ratio of Sm/Nd is about 0.19 in the upper continental crust, and has remained so since the early Archean. This precludes the likelihood of major mafic to felsic or felsic to mafic trends in the overall composition of the upper continental crust through Earth history. (4) Sediments appear to be formed primarily by erosion of continental crust having similar Sm/Nd ratios, rather than by mixing of mafic and felsic compositions. (5) The average ratio of 143Nd/144Nd≈ 0.5117 (εNd ≈ −17) in the upper continental crust, assuming its mean age is about 2 Ga. (6) The uniformity of the SmNd isotopic systematics in river and aeolian particulates primarily reflects efficient recycling of old sediment by sedimentary processes on a short time scale compared to the amount of time the material has resided in the crust.

Seismic refraction results show that the igneous section of oceanic crust averages 7.1±0.8 km thick away from anomalous regions such as fracture zones and hot‐spots, with extremal bounds of 5.0–8.5 km. Rare earth element inversions of the melt distribution in the mantle source region suggest that sufficient melt is generated under normal oceanic spreading centers to produce an 8.3±1.5 km thick igneous crust. The difference between the thickness estimates from seismics and from rare earth element inversions is not significant given the uncertainties in the mantle source composition, though it is of the magnitude that would be expected if partial melt fractions of about 1% remain in the mantle and are not extracted to the overlying crust. The inferred igneous thickness increases to 10.3±1.7 km (seismic measurements) and 10.7±1.6 km (rare earth element inversions) where spreading centers intersect the regions of hotter than normal mantle surrounding mantle plumes. This is consistent with melt generation by decompression of the hotter mantle as it rises beneath spreading centers. Maximum inferred melt volumes are found on aseismic ridges directly above the central rising cores of mantle plumes, and average 20±1 and 18±1 km for seismic profiles and rare earth element inversions respectively. Both seismic measurements and rare earth element inversions show evidence for variable local crustal thinning beneath fracture zones, though some basalts recovered from fracture zones are indistinguishable geochemically from those generated on normal ridge segments away from fracture zones. This is consistent with a model where the melt generated beneath spreading ridges is redistributed to intrusive centers along the ridge axis, from where it may flow laterally along the axis at crustal or surface levels. The melt may sometimes flow into the bathymetric lows associated with fracture zones. Oceanic crust created at very slow‐spreading ridges, and in regions adjacent to some continental margins where rifting was initially very slow, exhibits anomalously thin crust from seismic measurements and unusually small amounts of melt generation from rare earth element inversions. We attribute the decreased mantle melting on very slow‐spreading ridges to the conductive heat loss that enables the mantle to cool as it rises beneath the rift.

A simple two‐reservoir. model with time‐dependent transport coefficients between the reservoirs has been used to model the abundances of K, Ar, Rb, Sr, Sm, Nd, U, Th, and Pb and the isotopic compositions of Ar, Sr, Nd, and Pb in the earth's mantle and continental crust. The transport coefficients, like heat production, are considered to decay exponentially with time. Models which involve the whole mantle in generating the continental crust yield 87 Sr/ 144 and 143 Nd/ 144 Nd ratios for the residual mantle which are higher and lower than midocean ridge basalts, respectively. A model which involves only half of the mantle in the production of continental crust produces a residual mantle with isotope ratios similar to those of midocean ridge basalt. The 40 Ar/ 36 Ar ratios in the atmosphere and suboceanic mantle are reproduced by this model without any inequality in the upward transport coefficients of K and Ar but with a smaller downward transport coefficient for Ar than for K. The results imply that the earth's crust may have developed by extraction of material from only half of the mantle and constrain the possible convective regimes that have existed in the mantle.

Recent advances in mass spectrometry make it possible to utilise isotope variations of transition metals to address some important issues in solar system and biological sciences. Realisation of the potential offered by these new isotope systems however requires an adequate understanding of the factors controlling their isotope fractionation. Here we show the results of a broadly based study on copper and iron isotope fractionation during various inorganic and biological processes. These results demonstrate that: (1) naturally occurring inorganic processes can fractionate Fe isotope to a detectable level even at temperature ∼1000°C, which challenges the previous view that Fe isotope variations in natural system are unique biosignatures; (2) multiple-step equilibrium processes at low temperatures may cause large mass fractionation of transition metal isotopes even when the fractionation per single step is small; (3) oxidation–reduction is an importation controlling factor of isotope fractionation of transition metal elements with multiple valences, which opens a wide range of applications of these new isotope systems, ranging from metal-silicate fractionation in the solar system to uptake pathways of these elements in biological systems; (4) organisms incorporate lighter isotopes of transition metals preferentially, and transition metal isotope fractionation occurs stepwise along their pathways within biological systems during their uptake.

The geochemical modelling of many small-volume continental magmas shows that their source regions must have been depleted by basalt formation, and later enriched by the addition of a metasomatic melt, formed by melting ∽0·3% of the MORB source. The presence of such magmas throughout western Turkey and the Aegean, where no plume is present, requires such magmas to be formed at temperatures considerably below the dry solidus. Similar magmas elsewhere bring up nodule suites, many of which have the same composition as the source regions of the host magmas. Pressure and temperature estimates from garnetbearing suites, and temperature estimates from those without garnet, show that the nodules last equilibrated at pressures and temperatures close to those of the wet solidus. Magmas from the smaller oceanic islands and from some seamounts closely resemble small-volume continental magmas, and also come from sources that have been metasomaticaUy enriched. However, no data sets from any of the oceanic islands that have yet been modelled require their source regions to have been depleted before being enriched The density of the sources of continental and oceanic basalts can be obtained from their calculated modes. In the garnet peridotite stability field the sources of ocean island basalts have densities that are slightly greater than that of the MORB source, whereas those of most small-volume continental magmas are lighter. Therefore ocean island sources alone are easily entrained into the thermal convection beneath the plates. A numerical experiment shows that material in the hot and cold boundary layers of high Rayleigh number time-dependent convection tends to remain in the boundary layers for several overturns, rather than moving into the interior of the circulation. A simple model that can account for the elemental and isotopic composition of ocean island basalts forms their sources by the addition of metasomatic melt to the undcplcUd MORB source while it forms the lower part of the mechanical boundary layer beneath continents. The isotopic differences between ocean island basalt and MORB are generated before the source becomes entrained in the cold sinking plumes that fall to the base of the convecting layer. At the base the material is heated and rises as part of a hot plume. Because the metasomatic melt contains water and carbonates, the enriched regions start to melt and generate more melt on decompression than does the MORB source. Such regions can therefore generate islands and seamounts. Even when the enriched material moves into the interior of the circulation and acquires the mean potential temperature of the mantle, it will still generate more melt on decompression than will the MORB source, and the isotopic and elemental composition will still be distinctive. The model can therefore account for the observed composition of magmas from seamounts that cannot be produced from either the MORB or the primitive source.

Metasedimentary and metavolcanic rocks from the Archaean of West Greenland have been examined for evidence of crustal components greater than 3.8 Ga in age and for their compatibility with the presently adopted bulk Earth Sm-Nd parameters. Sm-Nd isotopic data have been obtained for the garbenschiefer metagabbro unit, metasediments from the Isua supracrustal belt, gneisses interior to the Isua belt and metasediments from the Malene supracrustal belt. Using estimates of emplacement age (T) of between 3.77 and 3.67 Ga for the parental volcanics to the garbenschiefer unit, initial143Nd/144Nd ratios yield positiveεNdT values between +1.0 and +3.1 (relative to the CHUR parameters) for seven out of eight samples. Model Sm-Nd ages for the Isua gneisses and metasediments are only compatible with their estimated stratigraphic ages if their sources were ca.+2εNd relative to CHUR at those times. Similarly, model Sm-Nd ages for the Malene samples are only compatible with stratigraphic age constraints when based on a source evolution with positiveεNdT. Implications of these results for the early development of the Earth's mantle are discussed.