P-T-t-X ENTWICKLUNG DER SIBIRISCHEN SUB-KRATONEN LITHOSPHÄRE

Die Fragen nach der Struktur und den Ursprung der Erde hat die Menschheit immer begleitet. Im Gegensatz zu den Errungenschaften im Zuge der Erforschung der Erdoberfläche sind die tiefsten Teile unseres Planeten noch weitgehend unerschlossen. Die tiefsten wissenschaftlichen Bohrungen erreichen 10 und 12 km, das ist im Vergleich zum Erdradius (~6371 km) vernachlässigbar klein. Die einzige Möglichkeit, das Innere unseres Planeten zu erkunden, basiert auf indirekten seismischen oder petrologischen Evidenzen. Die besten Einblicke in die tiefsten Bereiche der Lithosphäre stammen von Mantelgesteinsfragmenten (Xenolithen) und Diamanten aus Kimberliten in kratonischen Gebieten. Kratone sind die ältesten (>2.5 Ga) und stabilsten Teile der kontinentalen Kruste, in denen die Lithosphäre >250 km dick ist. Die Zusammensetzung und Mikrostruktur von Diamanten und Mineralen aus der Mantelübergangszone (400-650 km) liefern Hinweise auf wiederholte Verformungsereignisse und Wechselwirkungen zwischen Schmelze, Flüssigkeit und Gestein (Metasomatose) und deuten auf den Erdmantel als hochdynamisches System hin. Es gibt zahlreiche Modelle zur Entstehung kratonischer Wurzeln, ihrer Zusammensetzung, der T-P- Bedingungen und von Deformation und metasomatischen Reaktionen sowie zur Entstehung kimberlitischer Magmen. Das Bild des subkratonischen lithosphärischen Mantels is aber bei weitem noch nicht vollständig, da seine primäre Signatur zumeist durch wiederholte metasomatische Ereignisse überdeckt wird, die mit der Infiltration von kimberlitischen Schmelzen verbunden sind. Zudem erschweren die begrenzte Repräsentativität der Mantelxenolithe, die nur kleine Teile der Lithosphäre darstellen, und ihre verbreitete Alteration das Studium der tiefen Erde. Aufgrund ihres geringen Alterationsgrades und ihrer lithologischen Variabilität eignen sich die Xenolithe aus den kimberlitischen Schloten im sibirischen Kraton hervorragend für die Untersuchung der tiefen Lithosphäre. In diesem Projekt wird die Analyse einer einzigartigen Sammlung von frischen peridotitischen Xenolithen aus verschiedenen Tiefen der Lithosphäre die in zwei benachbarten kimberlitischen Schloten (Udachnaya und Sytykanskaya - Yakutia) vorkommen, die Rekonstruktion des gesamten Druck-Temperatur-Zeit-Zusammensetzungspfades (PTtX), den der Mantel unter Sibirien erlebt hat, ermöglichen. Modernste hochauflösende mikrostrukturelle, texturelle, petrologische und geochemische Analysen werden mit thermodynamischen, kinetischen und Deformationsmodellenkombiniert,umdie Abfolge von metasomatischen und Deformationsereignissen entlang eines vollständigen Profiles durch die subkratonische Lithosphäre zu entschlüsseln. Dieser Ansatz wird unser Verständnis der Entwicklung des Erdmantels und der Prozesse, die eine zentrale Rolle für die globale Tektonik spielen und letztendlich die bewohnbare Oberfläche unseres Planeten formen, vertiefen. 1

The curiosity about the structure and origin of Earth has always accompanied humankind. However, the deepest portions of our planet are largely precluded from observation, and the only way to explore its interior is making use of indirect geophysical or petrological evidence. Most of the insights into the deepest and oldest realms of Earth come from fragments of mantle rocks ("xenoliths") and diamonds brought to the surface by kimberlitic magmas in cratonic areas, i.e. the oldest and most stable regions of continents, where the lithosphere can be >250 km thick. Numerous models were proposed to understand the genesis of kimberlitic magmas, as well as the nature and evolution of the whole lithospheric mantle, its temperature and pressure conditions, and all the events that modified its structure (deformation) or composition (chemical reactions, i.e. metasomatism). However, the mantle xenoliths are repeatedly overprinted by the infiltration of kimberlite melts, but at the same time the melts themselves evolve due to interaction with the mantle they cross during ascent. This causes the lack a primary signature of both melts and the mantle, hindring the identification of a "starting point" for the models. In the Lise Meitner project M-3080-N, we investigated a unique collection of fresh granular to highly deformed and recrystallized mantle peridotite xenoliths, equilibrated at different depths in the Siberian sub-cratonic lithosphere and brought to the surface by kimberlites. We studied the composition and texture of minerals and rocks, combining state-of-the-art high-resolution microstructural, petrological and geochemical analyses with thermodynamic, kinetic and deformation/recrystallization modelling. This enabled us to: - Reconstruct the compositional evolution of the kimberlite melts, from their genesis to their ascent through (and reaction with) the lithospheric mantle and ultimately eruption. The result of this study is the first and complete model applicable to kimberlites worldwide. - Model the timescales of ascent of kimberlite melts, from their interaction with the lithospheric mantle to eruption and cooling. This was done through chronometry studies based on the diffusion of Fe and Mg within single olivine crystals. - Reconstruct the pressure-temperature-time-composition (P-T-t-X) log of the Siberian lithospheric mantle. This was achieved combining the texture of mantle xenoliths to the chemistry of the mineral phase constituents. - Discriminate the metasomatic reactions taking place in the lithospheric mantle prior to the transport of the xenoliths to the surface from the chemical changes induced by the infiltration of kimberlite melts during xenolith transport. All these results contribute to deepen our understanding of the origin and evolution of Earth's mantle and the main processes exerting a key control on global scale tectonics, which ultimately shapes the habitable surface of our planet.