Hungry magmas in the lower crust / Nälkäiset kivisulat alakuoressa

Extremely schematic presentation of hot primitive magmas heating and assimilating crustal materials.

Erittäin luonnosmainen kuva, jossa primitiiviset kivisulat kuumentavat ympäröivää kuorta ja assimiloivat sitä sisuksiinsa.

It is common that simple geochemical models for basaltic and more primitive magmas suggest assimilation of tens of weight percent of crustal materials. But what are the thermodynamic limits for assimilation in such systems? The MCS team of the PALIN project pursued to answer this question using the Magma Chamber Simulator. In the simulations, diverse primitive magmas assimilate progressive partial melts of preheated lower, middle, and upper crust in amounts allowed by thermodynamics.

Our results indicate that it is difficult for any common primitive magma to assimilate more than 20–30 wt% of upper or middle crust before evolving to compositions typical for intermediate or felsic rocks. On the other hand, some very primitive magmas have thermodynamic potential to assimilate as much as their own mass (59–102 wt%) of lower crust and retain a basaltic composition. This implies that large part of the mass of some primitive magma systems may consist of partially melted and assimilated lower crustal material that they devoured.

Our study has been accepted to Geology and is freely available online:
Heinonen JS, Spera FJ, Bohrson WA – Thermodynamic limits for assimilation of silicate crust in primitive magmas. Geology (2021)

Stay tuned – more news to follow when the project is nearing its end!

Monien hyvin yksinkertaistettujen kemiallisten mallien mukaan basalttiset ja niitä primitiivisemmät vaippaperäiset kivisulat ovat assimiloineet kymmeniä painoprosentteja kuorellisia materiaaleja. Mutta mitkä ovat termodynaamiset rajat assimilaatiolle tällaisissa systeemeissä? PALIN-projektissa selvitettiin asiaa Magmakammiosimulaattorin avulla. Simulaatioissa erilaiset primitiiset kivisulat assimiloivat kuumenevaa ja osittain sulavaa kuorta termodynamiikan lakien sallimissa määrin.

Tulostemme mukaan tavalliselle primitiiviselle kivisulalle on vaikeaa assimiloida yli 20-30 painoprosenttia ylä- tai keskikuorta ennen kuin sulien koostumukset eivät enää ole primitiivisiä vaan enemmänkin graniittien koostumuksia muistuttavia. Alakuoren olosuhteissa tilanne muuttuu – joillain hyvin primitiivisillä kivisulilla on potentiaalia assimiloida jopa oman painonsa verran (59-102 painoprosenttia) ympäröivää alakuorta ja silti pysyä koostumukseltaan basalttisina. Tämä viittaa siihen, että suuri osa joidenkin primitiivisten magmasysteemeiden massasta voi olla peräisin osittain sulaneesta alakuoresta, jota ne ahmivat sisuksiinsa.

Tutkimuksemme on hyväksytty julkaistavaksi Geology-sarjassa ja on jo avoimesti saatavilla sähköisenä:
Heinonen JS, Spera FJ, Bohrson WA – Thermodynamic limits for assimilation of silicate crust in primitive magmas. Geology (2021)

Pysykää kuulolla – lisää uutisia tulossa, kun projekti lähenee loppuaan!

Book on Crustal Magmatic System Evolution / Kirja magmaattisten systeemien kehityksestä kuoressa

We are pleased to announce that the AGU Book “Crustal Magmatic System Evolution: Anatomy, Architecture, and Physico-Chemical Processes” has finally been published. The PALIN project took part in writing one of the Chapters called “From Binary Mixing to Magma Chamber Simulator: Geochemical Modeling of Assimilation in Magmatic Systems” (open access pre-print available from here). In the Chapter, we review and revise the concept of magmatic assimilation and discuss how it has been modeled in the past and how it is modeled today. Get your copy!

Iloksemme ilmoitamme, että Amerikan Geofysikaalisen Seuran kirja “Crustal Magmatic System Evolution: Anatomy, Architecture, and Physico-Chemical Processes” on viimein julkaistu. PALIN-projektin jäsenet olivat mukana kirjoittamassa siihen lukua “From Binary Mixing to Magma Chamber Simulator: Geochemical Modeling of Assimilation in Magmatic Systems” (koevedos on avoimesti saatavilla täältä). Luvussa käymme läpi ja päivitämme magmaattisen assimilaation konseptin ja kerromme, kuinka sitä on mallinnettu menneisyydessä ja kuinka sitä mallinnetaan nykyään. Hanki itsellesi tai lahjaksi!

EGU-2021: Short course and 4 presentations / EGU-2021: Lyhytkurssi ja 4 esitystä

The members of the PALIN team are well-represented in the virtual 2021 General Assembly of the European Geosciences Union meeting next week. Make sure to check us out!

Short courses:

J.S. Heinonen et al.:
Showcasing the Magma Chamber Simulator
Tue, 27 Apr, 16:00–17:00 (CEST)

Scientific presentations:

NOTE: These timings are just for short introductory 2-minute slideshows, the more detailed presentations and related materials will be available for all attendants for a wider time period.

K. Iles and J. Heinonen:
Modelling the production of linear trends in granitoids using the Magma Chamber Simulator: a case study of the Jindabyne Suite from the Lachlan Fold Belt, Australia
Mon, 26 Apr, 11:14–11:16

R. Fred et al.:
The Origin and Melt Evolution of Massif-type Anorthosite Parental Magmas: Thermodynamically Controlled Major Element Constraints
Mon, 26 Apr, 11:16–11:18

J.S. Heinonen et al.:
Thermodynamic constraints on assimilation of silicic crust by primitive magmas
Tue, 27 Apr, 09:10–09:12

V. Virtanen et al.:
Modeling the sulfide saturation in continuously assimilating magmatic systems with the Magma Chamber Simulator
Thu, 29 Apr, 15:35–15:37

PALIN-projektin jäsenet ovat hyvin edustettuina Euroopan geotieteellisen yhdistyksen (EGU) 2021 virtuaalisessa yleiskokouksessa. Käykääpä tutustumassa!

Lyhytkurssi:

J.S. Heinonen et al.:
Showcasing the Magma Chamber Simulator
Tue, 27 Apr, 16:00–17:00 (CEST)

Tieteelliset esitykset:

Huomaa, että ajankohdat ovat vain kahden minuutin esittelyihin. Itse laajemmat esitelmät ja materiaalit ovat kaikille osallistujille saatavilla pidemmän aikaa.

K. Iles and J. Heinonen:
Modelling the production of linear trends in granitoids using the Magma Chamber Simulator: a case study of the Jindabyne Suite from the Lachlan Fold Belt, Australia
Mon, 26 Apr, 11:14–11:16

R. Fred et al.:
The Origin and Melt Evolution of Massif-type Anorthosite Parental Magmas: Thermodynamically Controlled Major Element Constraints
Mon, 26 Apr, 11:16–11:18

J.S. Heinonen et al.:
Thermodynamic constraints on assimilation of silicic crust by primitive magmas
Tue, 27 Apr, 09:10–09:12

V. Virtanen et al.:
Modeling the sulfide saturation in continuously assimilating magmatic systems with the Magma Chamber Simulator
Thu, 29 Apr, 15:35–15:37

New paper on modeling of Antarctic gabbros / Uusi artikkeli Antarktiksen gabrojen mallinnuksesta

We used the Magma Chamber Simulator and other thermodynamic and geochemical tools to model the magmatic evolution of two ~180 Ma gabbroic dikes at Muren, western Dronning Maud Land, Antarctica. They show very unusual characteristics, which include increasing εNd towards the contact with the basalts. This can be explained by a two-stage process: 1) The parental magmas first assimilated Archean TTG crust at depth to acquire the negative εNd recorded by the dike interiors and then 2) assimilated and reacted with the more depleted mantle-derived basalts closer to the surface. In other words, the parental magmas had Archean TTG as the main course and basalt for dessert. Our study thus shows that primitive magmas can be very “hungry”, meaning that they have very high potential for assimilating surrounding rocks when the conditions are just right! The publication is open access in Contributions to Mineralogy and Petrology.

Käytimme Magmakammiosimulaattoria ja muita termodynaamisia ja geokemiallisia työkaluja mallintamaan kahden 180 miljoonaa vuotta vanhan juonimaisen gabrointruusion kehitystä. Nämä juonet löytyvät Murenilta, läntiseltä Kuningatar Maudin maalta, Etelämantereelta. Juonet ovat hyvin epätavallisia, sillä niiden isotooppikoostumus on enemmän vaippaperäistä, mitä lähempää kontaktia ympäröivän kuoren kanssa näyte on kerätty. Yleensä tilanne on päinvastoin. Tämän erikoisuuden voi kuitenkin selittää kaksivaiheisella prosessilla. Ensin intruusioiden kantamagmat assimiloivat hyvin vanhaa graniittista ainesta syvällä kuoressa ja saivat täten juonen keskiosien tallentaman “kuorimaisen” koostumuksen. Tämän jälkeen ne assimiloivat ylempänä kuoressa vaippaperäisiä basaltteja, joiden kanssa ne ovat tälläkin hetkellä kontaktissa. Voisi siis todeta, että intruusioiden kantamagmat “söivät” ikivanhaa arkeeista kuorta pääruoaksi ja vaippaperäisiä basaltteja jälkiruoaksi. Tutkimuksemme mukaan primitiiviset magmat voivat siis olla hyvin nälkäisiä, jos olosuhteet ovat kohdallaan! Julkaisu on avoimesti saatavilla Contributions to Mineralogy and Petrology -julkaisusarjasta.

Interview by Valentin Troll / Valentin Trollin haastateltavana

Valentin Troll from Uppsala University interviewed PI Jussi Heinonen on his YouTube channel about the recent advancements in understanding and modeling magmatic processes. We had much fun as you can see! His channel contains wonderful content on several other aspects of geology as well – go check it out!

Valentin Troll Uppsalan yliopistosta haastatteli PI Jussi Heinosta YouTube-kanavallaan viimeaikaisista edistysaskeleista magmaattisten prosessien ymmärtämisessä ja mallintamisessa. Oli hauskaa, kuten kuvasta näkyy! Hänen kanavallaan on upeaa sisältöä muistakin geologian osa-alueista – käy tutustumassa!

PALIN well-presented in the Lithosphere 2021 symposium / PALIN edusti Litosfääri 2021 -symposiumissa

The National ILP (International Lithosphere Program) Committee of Finland organized the 11th Lithosphere Symposium during January 19-20, 2021. The PALIN-project and projects related to it gave five presentations online (listed below). Abstracts are available online here.

More to follow at EGU 2021, where we will for example be showcasing the Magma Chamber Simulator on a short course. Be sure to tune in!

Suomen kansallinen litosfäärikomitea (osa Kansainvälistä litosfääriohjelmaa, ILP) järjesti 11. Litosfääri-symposiumin 19.-20.1.2021. PALIN-projekti ja siihen liittyvät projektit olivat esillä viiden verkkoesitelmän voimin (listattu alla). Esitysten tiivistelmät ovat saatavissa täällä.

Lisää tulossa EGU 2021 -kokouksessa, jossa muun muassa esittelemme Magmakammiosimulaattoria lyhytkurssilla. Liity seuraan!

 

Lithosphere 2021 presentations:

Fred R, Heinonen A, Heinonen JS: Fractional crystallization of massif-type anorthosite parental magmas and equilibrium crystallization of monzodioritic residual magmas.

Järvinen V, Halkoaho T, Konnunaho J, Heinonen JS, Rämö OT: Sm-Nd isotope systematics of the Precambrian mafic-ultramafic Näränkävaara intrusion.

Latypov R, Heinonen JS, Chistyakova S: Thermodynamic constraints on assimilation of floor cumulates by superheated basaltic-andesitic melts in the Bushveld Complex, South Africa.

Rantanen AM, Whipp DM, Heinonen JS, Kaislaniemi L, Putz M: Influence of pulsed magmatic activity, latent heat, and partial melting on the strength of the continental crust.

Virtanen VJ, Heinonen JS, Barber N, Molnár F: The effects of assimilation on sulfide saturation and the formation of norite-hosted Cu-Ni deposits in the Duluth Complex, Minnesota.

The origin of A-type ferroan granites studied using the Magma Chamber Simulator / A-tyypin rautaisten graniittien alkuperää selvitettiin Magmakammiosimulaattorilla

A-type ferroan granites are found in various tectonic settings, but their origin is a mystery: 1) partial melts of silicate crust, 2) derivatives of fractionation of mantle-derived basaltic magmas, or 3) derivatives of assimilation of silicate crust by fractionating basaltic magmas? This mystery was studied in a recent paper accepted to Gechemistry (open access) with the help of Magma Chamber Simulator. The study was led by Kimmo Kärenlampi, who is a doctoral student at the University of Oulu, and also involved the PI. Our results highlight the importance of option 3 in the petrogenesis of A-type granite magmas and support the general perception that these magmas become more peraluminous by assimilation. They further suggest that variable fractionation paths of the parental basaltic magmas upon the onset of assimilation may explain the diverse A-type intermediate to felsic igneous rocks with varying alkalinity and aluminosity that are often observed emplaced closely in time and space within the same igneous complex.

A-tyypin rautapitoisia graniitteja löytyy erilaisista tektonisista ympäristöistä, mutta niiden alkuperä on mysteeri: ovatko ne 1) silikaattisen kuoren osittaissulia, 2) vaipasta peräisin olevista basalttisista sulista fraktioivan kiteytymisen kautta kehittyneitä, vai 3) seurausta silikaattisen kuoren assimilaatiosta fraktioituvissa basalttisissa sulissa? Tätä mysteeriä selvitettiin juuri Geochemistry-lehteen hyväksytyssä artikkelissa (avoimesti saatavilla) Magmakammiosimulaattorin avulla. Tutkimusta johti Kimmo Kärenlampi, joka on tohtorikoulutettava Oulun yliopistosta, ja myös PI oli siinä mukana. Tuloksemme painottavat vaihtoehdon 3 tärkeyttä A-tyypin graniittisten magmojen synnyssä ja kehityksessä ja osoittavat miten esimerkiksi sulan suhteellinen alumiinipitoisuus muuttuu assimilaation myötä. Lisäksi mallit osoittavat, miten erilaiset fraktioivan kiteytymisen ja assimilaation kehityskulut voivat selittää laajan skaalan erilaisia A-tyypin kiviä, joita usein löydetään ajallisesti ja paikallisesti toisiinsa sidottuina.

Magma Chamber Simulator on PC and three publications / Magmakammiosimulaattorin PC-versio ja kolme julkaisua

Huge things happening this year! Magma Chamber Simulator is now available on PC and there are two recent publications (here and here) about the software and one on the history of modeling assimilation in magmatic systems. The latter will be included as a chapter in an upcoming AGU book “Crustal Magmatic System Evolution: Anatomy, Architecture and Physico-Chemical Processes”. Make sure to check the papers out and run your own simulations!

Suuria asioita tapahtuu tänä vuonna! Magmakammiosimulaattori on nyt saatavilla PC:lle ja olemme julkaisseet kaksi tutkimusta itse ohjelmasta (täällä ja täällä) ja yhden magmaattisen assimilaation mallinnuksen historiasta. Jälkimmäinen tulee olemaan kappale AGU:n kirjassa “Crustal Magmatic System Evolution: Anatomy, Architecture and Physico-Chemical Processes”. Tsekkaa julkaisut ja aja omat simulaatiosi!

Special issue of Mineralium Deposita on mineral deposits of Finland / Mineralium Deposita -julkaisusarjan erikoisnumero Suomen mineraaliesiintymistä

Special issue on the current developments of economic geology research in Finland has been published in Mineralium Deposita. The special issue also includes input from the PALIN team: the first article from the PhD project of MSc Ville Järvinen, downloadable open access from here. In the article, the parental magma composition (MgO = 14-15 wt.%) of the 2.44 Ga Näränkävaara layered intrusion in Finland was estimated with the help of a previously unidentified marginal series gabbronorite and some thermodynamic modeling. The stratigraphy of the intrusion was updated and the formation of the related uneconomic PGE reef evaluated. Sulfide saturation in the intrusion was induced by fractional crystallization, but the reef-forming process was probably interrupted by the influx of a PGE-depleted recharge magma that may also have inhibited further sulfide saturation.

Kotimaiseen taloudellisen geologian tutkimukseen keskittyvä erikoisnumero on julkaistu Mineralium Deposita -julkaisusarjassa. Erikoisnumeroon sisältyy myös PALIN-tiimin saavutuksia: FM Ville Järvisen väitöskirjaprojektin ensimmäinen julkaisu, joka on avoimesti ladattavissa. Julkaisussa Näränkävaaran 2,44 miljardia vuotta vanhan kerrosintruusion kantasulan koostumus (MgO-pitoisuus n. 14-15 painoprosenttia) arvioitiin aiemmin tuntemattoman reunasarjan gabroidisen kiven ja termodynaamisen mallinnuksen avulla. Intruusion stratigrafia päivitettiin ja platinaryhmän alkuaineista (PGE) rikastuneen riutan syntyä arvioitiin. Intruusion kylläisyys sulfidimineraaleista saavutettiin kiteytymisen kautta, mutta PGE-riutan muodostumisen katkaisi todennäköisesti uusi PGE-köyhä ja koostumuksensa puolesta sulfidien kylläisyyteen negatiivisesti vaikuttanut magmapulssi.

Black shale melting experiments on Youtube / Mustaliuskeen sulatuskokeet Youtubessa

Ville gave a presentation about the results of the black shale partial melting experiments in the 14th International Ni-Cu-PGE Symposium and Memorial to Prof. A.J. Naldrett on 4th of September 2020. The symposium was held online and Ville’s presentation was uploaded to Youtube. Please watch it here! Other presentations of the symposium are also available here.
Edit: Ville also held another talk in the second part of the symposium on the effects of assimilation to sulphide saturation studied with the Magma Chamber Simulator.

Ville piti 4.9.2020 esitelmän mustaliuskesulatuskokeistaan 14. kansainvälisessä Ni-Cu-PGE symposiumissa, joka oli samalla muistotilaisuus hiljattain edesmenneelle professori A.J. Naldrettille. Symposium järjestettiin verkossa ja Villen esitelmä ladattiin YouTubeen. Käy katsomassa se täällä! Muita symposiumin esitelmiä on myös katsottavissa täältä.

Edit: Ville piti symposiumin toisessa osassa myös toisen esitelmän assimilaation vaikutuksista sulfidisaturaatioon, jota tutkittiin Magmakammiosimulaattorin avulla