This study examined the geochemical characteristics, equilibrium temperature and pressure conditions, and oxygen isotopic ratios of mantle xenoliths from the various geological sites of the Korean peninsula. The results are as follows: (1) The ultramafic xenoliths from the Korean peninsula mainly consist of typical high magnesium olivine (MgO : 49.12-50.95 wt.%, Mg value: 90.1-92.2), corresponding to worldwide Cenozoic ultramafic xenoliths in chemical compositions. (2) The pressure-temperature conditions of ultramafic xenoliths in the Korean peninsula are from 854 to $1016^{\circ}C$ and 4.6 to 24.4 kbar. (3) The oxygen isotopic ratios (${\delta}^{18}O$) for olivines in ultramafic xenoliths range from 5.06‰ to 5.51‰, which are relatively uniform oxygen isotopic values and overlapped by the values of N-MORB and upper mantle peridotite (${\delta}^{18}O$: $5.2{\pm}0.2$‰). However, olivines of the ultramafic xenoliths from the Baegdusan and Chejudo have a relatively wide ${\delta}^{18}O$ values ranging from 5.07 to 5.51‰ and 5.07 to 5.45‰, respectively. Based on the results, this study suggests that the high ${\delta}^{18}O$ signature of the Baegdusan xenoliths give a hint that ~5% of the oxygen in typical EM2 sources originally derived from recycled sediments.
The spinel Ihelzolite of ultramafic xenoliths are found in the alkali basalt from eastern part of the Cheju island, Korea. The xenolith is are mainly composed of olivine, orthopyroxene, clinopyroxene and spinel. Based on the chemical compositions of the constituent minerals, the ultramafic xenolith belong to upper mantle peridotite. Each minerals have a protogranular texture. Olivine with kink band texture partly shows undulatory extinction. Some clinopyroxenes have spongy textured rims. Brown spinels occur in the interstices between olivine and pyroxene grains. Olivine is mostly forsterite $(Fo_{89-90})$. Orthopyroxene is enstatite $(Wo_{1.3}En_{88.4}Fs_{10.3})$ with 3.87~5.25 wt% $Al_{2}O_{3}$. Clinopyroxene is diopside $(Wo_{48.0}En_{46.2}Fs_{5.8})$ with 6.75~5.03 wt% $Al_{2}O_{3}$. Spinel has the Mg value of 75.9 and its Cr-number is 10.2. According to the PoT estimations for the mantle xenoliths, equilibrium temperatures of the xenoliths range from 1023 to $1038^{\circ}C$ and pressure is 18 kbar. Spinellhelzolite from this area, which is characterized by lower Cr-number (10.2) and homogeneous chemical compositions, supports that these ultramafic xenoliths are derived from the upper mantle.
This paper describes the textural relations of mantle xenoliths and fluid inclusions in mantle-derived rocks found in alkaline basalts from Jeju Island which contain abundant ultramafic, felsic, and cumulate xenoliths. Most of the ultramafic xenoliths are spinel-lherzolites, composed of olivine, orthopyroxene, clinopyroxene and spinel. The felsic xenoliths considered as partially molten buchites consist of quartz and plagioclase with black veinlets, which are the product of ultrahigh-temperature metamorphism of lower crustal materials. The cumulate xenoliths, clinopyroxene-rich or clinopyroxene megacrysts, are also present. Textural examination of these xenoliths reveals that the xenoliths are typically coarse grained with metamorphic characteristics, testifying to a complex history of evolution of the lower crust/upper mantle source region. The ultramafic xenoliths contain protogranular, porphyroclastic and equigranular textures with annealing features, indicating the presence of shear regime in upper mantle of the Island. The preferential associations of spinel and olivine with large orthopyroxenes suggest a previous high temperature equilibrium in the high-Al field and the original rock-type was a Al-rich orthopyroxene-bearing peridotite without garnet. Three types of fluid inclusions trapped in mantle-derived xenoliths include CO$_2$-rich fluid (Type I), multiphase silicate melt (glass ${\pm}$ devitrified crystals ${\pm}$ one or more daughter crystals + one or more vapor bubbles) (Type II), and sulfide (melt) inclusions (Type III). C$_2$-rich inclusions are the most abundant volatile species in mantle xenoliths, supporting the presence of a separate CO$_2$-rich phase. These CO$_2$-rich inclusions are spatially associated with silicate and sulfide melts, suggesting immiscibility between them. Most multiphase silicate melt inclusions contain considerable amount of silicic glass. reflecting the formation of silicic melts in the lower crust/upper mantle. Combining fluid and melt inclusion data with conventional petrological and geochemical information will help to constrain the fluid regime, fluid-melt-mineral interaction processes in the mantle of the Korean Peninsula and pressure-temperature history of the host xenoliths in future studies.
Park, Seong-Hee;Kwon, Sung-Tack;Hee Sagong;Cheong, Chang-Sik
Proceedings of the Mineralogical Society of Korea Conference
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2001.06a
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pp.75-75
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2001
We report Sr, Nd and Pb isotope data of clinopyroxene separates from ultramafic xenoliths and their host basaltic rocks in Jeju Island, Baekryeong Island, Boeun and Ganseong, Korea. The isotopic data of the xenoliths and host basalts are distinctly different from those of Korean basement rocks. Except for two xenoliths from Ganseong, all samples in this study have isotopic ratios within the combined range of MORB-OIB data. All basaltic rocks have Nd-Sr-Pb isotope compositions different from those of xenoliths, indicating that the host basaltic magma did not derive from the lithospheric mantle where the xenoliths originated. The range of isotopic composition of xenoliths is much greater than that observed in host basalts, which reflects small-scale heterogeneity of the lithospheric mantle. The greater isotopic heterogeneity of the lithospheric mantle probably reflects its long-term stability. The spinel peridotite xenolith data of Jeju Island, Baekryeong Island and Boeun display mixing hyperbolas between DMM and EM II end members. Since Jeju basalts have EM II-like isotopic signature, the mixing relationship shown by the isotopic data of the Jeju xenoliths can be interpreted as the result of infiltration of metasomatic fluid or melt derived from basaltic magma into DMM-like lithospheric mantle. In contrast to other xenolith sites, the Ganseong xenoliths are dominantly clinopyroxene megacryst and pyroxenite. Clinopyroxene megacrysts have different isotopic ratios from their host basalt, reflecting its exotic origin. Two Ganseong xenoliths (wherlite and clinopyroxenite) have much enriched Sr and Nd isotopic ratios and Nd model ages of 2.5-2.9 Ga, and plot in an array away from the MORB-OIB field. The mantle xenoliths from Korean Peninsula have similar $\^$87/Sr/$\^$86/Sr,$\^$143/Nd/$\^$144/Nd and $\^$207/Pb/$\^$204/Pb ratios to, but higher $\^$208/Pb/$\^$204/Pb ratios than, those from eastern China, indicating that Korean xenoliths are derived from the lithospheric mantle with higher Th/U ratio compared with Chinese ones. The isotopic data of xenolith-bearing basalts of Baekryeong Island and Ganseong, along with Ulreung and Dok Islands, show a mixing trend betlveen DMM and EM I in Sr-Nd-Pb isotopic correlation diagrams, which is also observed in tile northeastern Chinese basalts. However, the Jeju volcanic rocks show an EM II signature that is observed in southeastern Chinese basalts. The isotopic variations in volcanic rocks from the northern and southern portions of the East Asia reflect a large-scale isotopic heterogeneity in their source mantle.
Ultramafic xenoliths from southeastern part of Jeju Island can be grouped into two types: Type I and Type II. Type I xenoliths are magnesian and olivine-rich peridotite (mg#=89-91), which are commonly found at the outcrop. Most previous works have been focused on Type I xenoliths. Type II xenoliths, consisting of olivine, orthopyroxene and clinopyroxene with higher Fe and Ti components (mg#=77-83) and lower Mg, Ni, Cr, are reported in this study. They are less common with a more extensive compositional range. The studied Type II xenoliths are wehrlite, olivine-clinopyroxenite, olivine websterite, and websterite. They sometimes show ophitic textures in outcrops indicating cumulate natures. The textural characteristics, such as kink banding and more straight grain boundaries with triple junctions, are interpreted as the result of recrystallization and annealing. Large pyroxene grains have exsolution textures and show almost the same major compositions as small exsolution-free pyroxenes. Although the exsolution texture indicates a previous high-temperature history, all mineral phases are completely reequilibrated to some lower temperature. Orthopyroxenes replacing clinopyroxene margin or olivine indicate an orthopyroxene enrichment event. Mineral phases of Type II are compared with Type I xenoliths, gabbroic xenoliths, and the host basalts. Those from Type II xenoliths show a distinct discontinuity with those from Type I mantle xenoliths, whereas they show a continuous or overlapping relation with those from gabbroic xenoliths and the host basalts. Our petrographic and geochemical results suggest that the studied type II xenoliths appear to be cumulates derived from the host magma-related system, being formed by early fractional crystallization, although these xenoliths may not be directly linked to the host basalt.
In the Bibong area of the western part of Chungcheongnam-do, ultramafic masses occur as discontinuous isolated lenticular bodies in the Precambrian Kyeonggi gneiss complex. They extend for about 200 m long to NNE directions which are parallel to fault lines in the gneiss complex. The ultramafic masses contact with the adjacent gneiss complex as steeply dipping faults. They are dunites and harzburgites and many of them are partially or completely serpentinized. The ultramafic rocks dominantly show protogranular, equigranular and equigranular-$m{\grave{o}}saic$ textures. They also show porphyroclastic (megacrystic) or recrystallized textures reflecting several stages of metamorphism. They contain varying amounts of olivine $(Fo_{89-92})$, enstatitic to bronzitic orthopyroxene, diopsidic clinopyroxene, tremolitic to pargasitic hornblende, and spinel with serpentine, talc, chlorite, calcite and magnetite. The ultramafic rocks have high magnesium numbers and transitional element contents, low alkali contents and show deplete REE patterns. Comparing with available data, geochemical and mineralogical characteristics shown in the ultramafic rocks of the Bibong area are similar to those of worldwide mantle xenoliths and orogenic related ultramafic rocks. The field evidences, petrographical, geochemical and mineralogical characteristics shown in the ultramafic rocks of the Bibong area are similar to alpine type ultramafic rocks emplaced into the crust by the faulting as mantle slab types. With the petrographical characteristics, these mineralogical compositions suggest that the ultramafic rocks of the Bibong area have experienced several stages of retrogressive metamorphism in a condition ranging from the upper amphibolite facies to greenschist facies.
Proceedings of the Mineralogical Society of Korea Conference
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2000.05a
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pp.19-19
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2000
;Ultramafic xenoliths found in alkali basalts from Jeju-do, Korea are mostly spinel Iherzolites composed of olivine, orthopyroxene, clinopyroxene and spinel. A subordinate amount of spinel harzburgites and pyroxenites are also found. Temperatures for these xenoliths were estimated from the compositions of coexisting pyroxenes (Wood '||'&'||' Banno 1973; Wells 1977; Bertrand '||'&'||' Mercier 1985; Brey '||'&'||' Kohler 1990), the AI-solubility in orthopyroxene coexisting with olivine and spinel (Sachtleben '||'&'||' Seck 1981; Webb '||'&'||' Wood 1986), and from Fe/Mg partitioning between olivine and spinel (Ballhaus et al. 1991). Temperature estimates from the thermometers by Wells (1977) and Brey and Kohler (1990) are compatible. Average equilibrium temperatures by these two methods for spinel peridotites range from 890 to 1030$^{\circ}$C. Pressures for spinel peridotites were estimated from the geobarometer by Kohler and Brey (1991) derived from the equilibrium Ca content of olivine coexisting with clinopyroxene, and fall within the range of 12.9 to 26.3 kbar. The combination of the thermometer by Brey and Kohler (1990) and the geobarometer by Kohler and Brey (1991) yields P- T estimates for Jeju-do spinel peridotites that fall in experimentally determined spinel lherzolite field in CFMASCr system (O'Neill 1981). These P-T data sets have been used to construct the Quaternary Jeju-do geotherm, which is significantly different from the conventional conductive geotherm. The xenolith-derived geotherm has a higher T gradient at low P (13 kbar) than at high P, which may be due to perturbation of the conductive heat flow by magma underplating or overplating at the crust-mantle boundary. Temperature estimates and statistics on the xenoliths indicate that the crust/mantle boundary in Jeju-do lies at about 11 kbar (~39 km). Spinellherzolite is inferred as a main constituent rock of the uppermost lithospheric mantle beneath Jeju-do. Pyroxenites were intercalated in peridotites in similar depth and temperature as re-equilibrated veins or lens.
Phlogopite and kaersutite, showing distinctively different textural characteristics compared to the common phenocrysts, are observed in alkali basalt from Jeju Island. They occur as large crystals (2-10 mm) in host basalts, whereas fine-grained phlogopite and kaersutite occur in ultramafic mantle xenoliths and mafic gabbroic xenoliths, respectively, as an interstitial and microvein phases, or in corona textures (<1 mm). This textural characteristics of fine-grained grains clearly indicates secondary in origin. Phlogopite contains high $TiO_2$(4.1-6.9 wt%) and F(2.8-4.6 wt%) and relatively high mg#[=100Mg/(Mg+$Fe^t$) in mols, where $Fe^t$ is total iron](88-80), whereas kaersutite has high $TiO_2$(5.6-6.11 wt%) and much lower mg#s(68-64). Our textural observations and the geochemical character of these hydrous minerals suggest that they were unrelated to each other and mica formation happened early in the upper mantle before the mantle xenoliths had been trapped. In contrast, kaersutite formation has happened later, probably during the late stage of crystallization as intracrustal processes. The presence of phlogopite and kaersutitic amphibole is a direct evidence for K-, Ti-, F- and $H_2O$-bearing fluid/melt percolation in the lithosphere beneath Jeju Island, indicating that they are product of interaction between host rock/peridotite/fluid-melt. Thus, the upper mantle/lower crust beneath Jeju Island are metasomatized to various extents, characterized by a change in major metasomatic hydrous minerals from phlogopite to amphibole with decreasing depth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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