The intrusive rocks in the Hudongri area, Chuncheon located in central Gyeonggi Massif consist of gabbroic diorite and diorite. K-Ar age of biotite separated from diorite sample records middle Triassic age of 228 Ma. The intrusives are characterized by enrichment of MgO, Ni and Cr as well as large ion lithophile elements such as Sa and Sr, which is indicative of derivation of magma from enriched mantle. The intrusives also have enriched Sr-Nd isotopic compositions, which appear to result from a long-term incompatible element enriched mantle source with an effect of crustal contamination. Occurrence of abundant hydrous minerals such as amphiboles and biotite rather than anhydrous minerals of pyroxene and olivine in mafic intrusive as well as being plotted in volcanic arc field in tectonic environment discrimination diagram indicate the mafic-intermediate intrusives in the Hudongri area, Chuncheon were derived from mantle material enriched by subduction.
Sr, Nd, Pb isotopic compositions of the Cenozoic basaltic rocks distributed in Pyeongtaek-Asan area display significantly enriched values compared with mid-ocean ridge basalts just like other Cenozoic basalts of Korea. The isotopic compositions of most of the Cenozoic basaltic rocks of Korea including those from Pyeongtaek-Asan area can be explained as mixing between enriched mantle component with relatively low $^{206}Pb/^{204}Pb$ ratios and depleted mantle component. In contrast, Jejudo basalts can be explained as mixing between enriched mantle component with realtively higher $^{206}Pb/^{204}Pb$ ratios and depleted mantle componsnt. Combined with that very similar division of enriched mantle components is applied to the Cenozoic basalts of northeast China and southeast China, it is suggested that subcontinental lithospheric mantle of central and southern parts of Korea represents eastern extension of North China Block and South China Block respectively. The indentation model for the late Paleozoic to early Mesozoic continental collision of China contradicts to such an interpretation, because it cannot explain occurrence of subcontinental lithospheric mantle component of South China Block-affinity under the Jejudo area. Instead, it is more probable that suture zone of the two continental blocks crosses between central and southern Korea and its location is further south from the Pyeongtaek-Asan area. Such distinct location compared with Imjingal belt, supposedly collisional boundary suggested before, suggests that mantle boundary may not be coincide with crustal boundary for the continental collision.
Sr, Nd and Pb isotopic characteristics of alkaline lavas and tholeiites in Cheju Island show that the isotopic compositions of the former slightly overlap, but have relatively more depleted than the latter. However, in viewpoint of the two eruptional stratigraphies of tholeiites, the isotopic compositon of the older one is similar to those of alkaline rocks in Lava Plateau Stage after Lee (1982). These suggest that the parental magmas of alkaline lavas and tholeiites might have originated from the homogenous mantle sourve and that the characteristics of the mantle source to be partially melted might be different between the eruption stages. The isotopic signatures of the bolcanic rocks in Cheju Island overlap with those in Samoa Islands and South China Basin, indicating the DMM-EM IImixing trend. This is distingushed from the DMM-EM I trend of the Cenozoic volcanic rocks in Korea except for cheju Island and Northeastern China. The modelled binary mixing calculation between MM and EM IImaterials indicates that the mantle source of the volcanic rocks in Cheju Island has been mixed about less than 10% of enriched mantle material (EM II) with depleted mantle material (DMM). Concerned with the indentation model between North China Block (NCB) and South China Block (SCB) after Yin an Nie (1993), we suggest that the distinct isotopic features of DMM-EM I and DMM-EM IIof the Cenozoic volcanic rock in Korea as well as China can be explained by the difference of the nature of subcontinental lithospheric mantle as enriched mantle materials, i.e. EM I of NCB, while EM II of SCB.
Mantle-derived xenoliths, corresponding to spinel harzburgite and lherzolite in alkali basalts from Jeju Island, are metasomatized to various extents. They contain distinctive secondary orthopyroxene, forming corona or poikilitic textures. It clearly indicate that this secondary orthopyroxene has been produced at the expense of olivine along the grain boundaries and margins, suggesting silica-enriched metasomatic melt infiltrated through grain boundaries. Based on the geotectonic characteristics of Jeju Island and textural characteristics and major elements composition of mantle xenoliths, it is suggested that the silica-enriched melt/fluid could have derived from the ancient subducted slab, possibly in the mantle wedge, implying that the high $SiO_2$ activity in the lithospheric upper mantle beneath Jeju Island at that time.
We investigated geochemical characteristics of the Dodong Basaltic Rocks in the lower part of the Ulleung Island. They have lithological range of alkali basalt to trachybasalt, belonging to Na and K subseries of alkaline series. They mostly fall within the field of alkalline within-plate basalts on tectonic discrimination diagrams, and then plot in the field of oceanic island basalt (OIB). Geochemically, extension of lithospheric mantle and asthenospheric upwelling after East Sea under an Cenozoic extensional tectonic setting might be a heat source for partial melting of the enriched lithospheric mantle, which might generate the basaltic magma. But we cannot exclude that mantle plume might also be a heat source for melting of the lithospheric mantle.
Our knowledge of the lithosphere beneath the Korean Peninsula has been improved through petrologic and geochemical studies of upper mantle xenoliths hosted by Quaternary intraplate alkali basalts from Jeju Island. The xenoliths are mostly spinel lherzolites, accompanied by subordinate harzburgite and pyroxenites. The mantle xenoliths represent residual mantle material showing textural and geochemical evidence for at least a three-stage evolution, fractional partial melting, recrystallization, and metasomatism. Their composition primarily controlled by early fractional melt extraction and porphyroclastic and mylonitic fabrics formed in a shear-dominated environment, which was subsequently modified by residual slab-derived fluids (or melts). Modal metasomatic products occur as both anhydrous phase(orthopyroxene) and hydrous phase (phlogopite). Late-stage orthopyroxene is more common than phlogopite. However, chemical equilibrium is evident between the primary and secondary orthopyroxene, implying that the duration of post-metasomatic high temperatures enabled complete resetting/reequilibration of the mineral compositions. The metasomatic enrichment pre-dates the host Jeju Quaternary magmatism, and a genetic relationship with the host magmas is considered unlikely. Following enrichment in the peridotite protolith in the mantle wedge, the upper mantle beneath proto-Jeju Island was transformed from a subarc environment to an intraplate environment. The Jeju peridotites, representing old subarc fragments, were subsequently transported to the surface, incorporated into ascending Quaternary intraplate alkali basalt. The result of this study implies that long term material transfer in the transformation of geotectonic setting from a subarc to intraplate may have played a significant role in the evolution of lithospheric mantle, resulting in the enriched mantle domains, such as EM I or EM II in the lithospheric mantle beneath East Asia.
Proceedings of the Mineralogical Society of Korea Conference
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2001.06a
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pp.95-95
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2001
The Yeongdong basin is one of the pull-apart basins in the southwestern part of the Korean Peninsula that has developed during Cretaceous sinistal fault movement. The bimodal igneous activities (basalts and rhyolites) in the basin appear to be closely associated with the basin development. Here, we discuss the origin of the igneous rocks using chemical and radiogenic isotope data. Basaltic (48.4-52.7 wt% SiO$_2$) and rhyolitic (70.3-70.8 wt% SiO$_2$) rocks are slightly alkalic in a total alkali-silica diagram. The rhyolitic rocks with have unusually high K$_2$O contents (5.2-6.0 wt%). The basaltic rocks show an overall pattern of within-plate basalt in a MORB-normalized spider diagram, but have distinct negative anomaly of Nb, which indicates a significant amount of crustal component in the magma. The basaltic rocks plot within the calc-alkaline basalt field in the Hf/3-Th-Ta and Y/l5-La/10-Nb/8 discrimination diagrams. The eNd(T) values of the basaltic rocks (-13.6 to 14.3) are slightly higher than those of the rhyolitic rocks (-14.1 to 15.2), and the initial Sr isotopic ratios of the former (0.7085-0.7093) are much lower than those of the latter (0.7140-0.7149). However, the initial Nd and Sr isotope ratios of the igneous rocks in the Yeongdong basin are similar to those of the nearby Cretaceous igneous rocks in the Okcheon belt. The Pb isotope ratios plot within the field of Mesozoic granitoids outside of the Gyeongsang basin in Pb-Pb correlation diagrams. Since a basaltic magma requires the mantle source, the enriched isotopic signatures and negative Nb anomaly of the basaltic rocks suggest two possibilities for their origin: enriched mantle lithospheric source, or depleted mantle source with significant amount of crustal contamination. However, we prefer the first possibility since it would be difficult for a basaltic magma to maintain its bulk composition when it is significantly contaminated with granitic crustal material. The slightly more enriched isotopic signatures of rhyolitic rocks also suggest two possibilities: differentiate of the basaltlc magma with some crustal contamination, or direct partial melting of the lower crust. Much larger exposed volume of the rhyolitic rocks, compared with the basaltic rocks, indicates the latter possibility more favorable.
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.
Geochemical data, including Sr-Nd-Pb-Mg-Zn isotopes, reported on the late Cenozoic intraplate basaltic rocks in the Korean Peninsula (Mt. Baekdu, Jeongok, Baengnyeong Island, Pyeongtaek, Asan, Ganseong, Ulleung Island, Dok Island, and Jeju Island) are summarized to constrain their mantle source lithologies, and the nature of mantle end-members required. In the Sr-Nd isotope correlation diagram, Jeju basalts plot in the field of EM2-type oceanic island basalts (OIB), while the other basalts fall in the EM1-type OIB field. In Pb-Pb isotope space, Jeju basalts show a mixing array between Indian MORB and EM2 component, whereas the other basalts display an array with EM1 component. The Korean basalts were derived from a hybrid source of garnet lherzolite and recycled stagnant slab materials (eclogite/pyroxenite, pelagic sediments, carbonates) in the mantle transition zone. The EM1 component could be ancient (~2.0 Ga) K-hollandite-bearing pelagic sediments that were isolated for a long period in the mantle transition zone due to their neutral buoyancy. The EM2 component might have been relatively young (probably Pacific slab) and recently recycled clay-rich pelagic sediments. Eclogite and carbonates are unlikely to account for the EM components, but they are common in the mantle source of the Korean basalts.
Three types of clinopyroxenes in alkali basaltic rocks from Jeju Island can be identified on the basis of geochemical and textural data. Type Ⅰ is Cr-rich diopside in spinel peridotites from the upper mantle. Type Ⅱ is augite in fine-grained pyroxenites which are possibly either magmatic vein or metamorphic segregations owing to anatexis of the upper mantle. The augite of Type Ⅱ contains high Ca and Mg and relatively low Ti. Type Ⅲ is thought to be either cumulates or cognate phenocrysts and can be subdivided into Ⅲa, Ⅲb, and Ⅲc based on their occurrence mode. Clinopyroxenes of Type Ⅰ have the highest Mg# and Si and the lowest Ti, whereas those of Type Ⅲhave lower Mg#와 Si and higher Ti. These geochemical characteristics indicate that (Ti+Al/sup Ⅵ/)/Si and Al/sup Ⅵ//Al/sup Ⅵ/ increase from Type Ⅰ to Type Ⅲ. It is possibly interpreted that Type Ⅰ is of the highest pressure origin and Type Ⅲ of the lowest. Fractionation of high-pressure clinopyroxenes would result in evolved undersaturated alkali-enriched liquids, probably producing the alkali-enriched host basaltic rocks in Jeju Island.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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