Trace Element Partitioning between Olivine and Melt: Analysis of Experimental Data

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Knowledge of mineral–melt partition coefficients (D) is necessary for geochemical modeling of magma formation and evolution. The main source of these parameters is experiments on equilibrium between minerals and silicate melt. The database on mineral–melt equilibrium experiments has grown continuously, which allows one to refine partition coefficients and reveal the most important factors affecting them. This paper reports the analysis of available experimental data on trace element partitioning between olivine and melt (7000 experiments from 587 publications were used). Based on the statistical processing of the data array, the dependence of D on melt and olivine composition and P–T conditions was evaluated. It was found that most of incompatible elements are either insensitive or moderately sensitive to these parameters. Among the compositional parameters, CaO content in melt is most significant. It was shown that D estimates can be significantly improved by using ratios of D values for different elements. Such ratios are often independent of experimental parameters and much less variable than D values for particular elements. The obtained D estimates for basaltic compositions vary within six orders of magnitude, from <10–5 (U, Th, and La) to ~5–10 (Co and Ni). The low D values for most elements (<0.1) indicate that many trace element ratios in melts do not change significantly even at high degrees of olivine crystallization. The obtained estimates were compared with data on element partitioning between high-pressure (Mg,Fe)2SiO4 phases (wadsleyite and ringwoodite) and silicate melt and between olivine and carbonate–silicate melts. In both cases, there is a close similarity to element partitioning between olivine and silicate melt. One exception is REE. DREE values for the wadsleyite/ringwoodite–melt and olivine–carbonate melt systems are approximately one order of magnitude lower than those for olivine–silicate melt partitioning.

About the authors

A. V. Girnis

Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: girnis@igem.ru
119017, Moscow, Russia

References

  1. Френкель М.Я., Ярошевский А.А., Арискин А.А., Бармина Г.С., Коптев-Дворников Е.В., Киреев Б.С. (1988) Динамика внутрикамерной дифференциации базитовых магм. М.: Наука. 214 с.
  2. Allan N.L., Du Z., Lavrentiev M.Y., Blundy J.D., Purton J.A., van Westrenen W. (2003) Atomistic simulation of mineral–melt trace-element partitioning. Phys. Earth Planet. Int. 139, 93-111.
  3. Bau M. (1996) Controls on the fractionation of isovalent trace elements in magmatic and aqueous systems: evidence from Y/Ho, Zr/Hf, and lanthanide tetrad effect. Contrib. Mineral. Petrol. 123, 323-333.
  4. Beattie P. (1993) On the occurrence of apparent non-Henry’s Law behaviour in experimental partitioning studies. Geochim. Cosmochim Acta. 57, 47-55.
  5. Beattie P. (1994) Systematics and energetics of trace-element partitioning between olivine and silicate melts: implications for the nature of mineral/melt partitioning. Chem. Geol. 117, 57-71.
  6. Beattie P., Ford C., Russell D. (1991) Partition coefficients for olivine-melt and orthopyroxene-melt systems. Contrib. Mineral. Petrol. 109, 212-224.
  7. Bedard J.H. (2005) Partitioning coefficients between olivine and silicate melts. Lithos. 83, 394-419.
  8. Blundy J., Dalton J. (2000) Experimental comparison of trace element partitioning between clinopyroxene and melt in carbonate and silicate systems, and implications for mantle metasomatism. Contrib. Mineral. Petrol. 139, 356-371.
  9. Blundy J.D., Wood B.J. (1994) Prediction of crystal–melt partition coefficients from elastic moduli. Nature. 372, 452-454.
  10. Blundy J., Wood B. (2003) Partitioning of trace elements between crystals and melts. Earth Planet. Sci. Lett. 210, 383-397.
  11. Borisov A., Pack A., Kropf A., Palme H. (2008) Partitioning of Na between olivine and melt: An experimental study with application to the formation of meteoritic Na2O-rich chondrule glass and refractory forsterite grains. Geochim. Cosmochim. Acta. 72, 5558-5573.
  12. Canil D. (1997) Vanadium partitioning and the oxidation state of Archean komatiite magmas. Nature. 389, 842-845.
  13. Canil D., Fedortchouk Y. (2001) Olivine–liquid partitioning of vanadium and other trace elements, with applications to modern and ancient picrites. Can. Mineral. 39, 319-330.
  14. Colson R.O., Mckay G.A., Taylor L.A. (1988) Temperature and composition dependencies of trace element partitioning: Olivine/melt and low-Ca pyroxene/melt. Geochim. Cosmochim. Acta. 52, 539-553.
  15. Condamine P., Couzinie S., Fabbrizio A., Devidal J.-L., Medard E. (2022) Trace element partitioning during incipient melting of phlogopite-peridotite in the spinel and garnet stability fields. Geochim. Cosmochim. Acta. 327, 53-78.
  16. Di Stefano F., Mollo S., Blundy J., Scarlato P., Nazzari M., Bachmann O. (2019) The effect of CaO on the partitioning behavior of REE, Y and Sc between olivine and melt: Implications for basalt–carbonate interaction processes. Lithos. 326–327, 327-340.
  17. Dupuy C., Liotard J.M., Dostal J. (1992) Zr/Hf fractionation in intraplate basaltic rocks: carbonate metasomatism in the mantle source. Geochim. Cosmochim. Acta. 56, 2417-2423.
  18. Girnis A.V., Bulatov V.K., Brey G.P., Gerdes A., Höfer H.E. (2013) Trace element partitioning between mantle minerals and silico-carbonate melts at 6–12 GPa and applications to mantle metasomatism and kimberlite genesis. Lithos. 160–161, 183-200.
  19. Green D.H., Wallace M.E. (1988) Mantle metasomatism by ephemeral carbonatite melts, Nature. 336, 459-462.
  20. Green T.H. (1994) Experimental studies of trace-element partitioning applicable to igneous petrogenesis–Sedona 16 years later. Chem. Geol. 117, 1-36.
  21. Guo J., Green T.H. (1989) Barium partitioning between alkali feldspar and silicate liquid at high temperature and pressure. Contrib. Mineral. Petrol. 102, 328-335.
  22. Hanson B., Jones J.H. (1998) The systematics of Cr3+ and Cr2+ partitioning between olivine and liquid in the presence of spinel. Am. Mineral. 83, 669-684.
  23. Harrison W.J. (1981) Partition coefficients for REE between garnets and liquids: implications of non-Henry’s law behaviour for models of basalt origin and evolution. Geochim. Cosmochim Acta. 45, 1529-1544.
  24. Harrison W.J., Wood B.J. (1980) An Experimental investigation of the partitioning of REE between garnet and liquid with reference to the role of defect equilibria. Contrib. Mineral. Petrol. 72, 145-155.
  25. Horn I., Foley S.F., Jackson S.E., Jenner G.A. (1994) Experimentally determined partitioning of high field strength- and selected transition elements between spinel and basaltic melt. Chem. Geol. 117, 193-218.
  26. Irber W. (1999) The lanthanide tetrad effect and its correlation with K/Rb, Eu/Eu*, Sr/Eu, Y/Ho, and Zr/Hf of evolving peraluminous granite suites. Geochim. Cosmochim. Acta. 63, 489-508.
  27. Irving A.J. (1978) A review of experimental studies of crystal/liquid trace element partitioning. Geochim. Cosmochim. Acta. 42, 743-770.
  28. Jacobs M.H.G., Schmid-Fetzer R., van den Berg A.P. (2019) Thermophysical properties and phase diagrams in the system MgO–SiO2–FeO at upper mantle and transition zone conditions derived from a multiple-Einstein method. Phys. Chem. Minerals. 46, 513-534.
  29. Jones J.H. (1984) Temperature- and pressure-independent correlations of olivine-liquid partition coefficients and their application to trace element partitioning. Contrib. Mineral. Petrol. 88, 126-132.
  30. Kagi H., Dohmoto Y., Takano S., Masuda A. (1993) Tetrad effect in lanthanide partitioning between calcium sulfate crystal and its saturated solution. Chem. Geol. 107, 71-82.
  31. Le Bas, M.J., Le Maitre, R.N., Streckeisen, A. and Zanettin, B. (1986) A Chemical
  32. Classification of Volcanic Rock Based on Total Silica Diagram. Journal of Petrology, 27, 745-750.
  33. Le Bas, M.J., Le Maitre, R.N., Streckeisen, A. and Zanettin, B. (1986) A Chemical Classification of Volcanic Rock Based on Total Silica Diagram. Journal of Petrology, 27, 745-750.
  34. Le Bas M.J., Le Maitre R.N., Streckeisen A., Zanettin B. (1986) A Chemical classification of volcanic rocks based on the total alkali-silica diagram. J. Petrol. 27, 745-750.
  35. Li C., Ripley E.M. (2010) The relative effects of composition and temperature on olivine-liquid Ni partitioning: Statistical deconvolution and implications for petrologic modeling. Chem. Geol. 275, 99-104.
  36. Mallmann G., O’Neill H.St.C. (2013) Calibration of an empirical thermometer and oxybarometer based on the partitioning of Sc, Y and V between olivine and silicate melt. J. Petrol. 54, 933-949.
  37. Masuda A., Kawakami O., Dohmoto Y., Takenaka T. (1987) Lanthanide tetrad effects in nature: Two mutually opposite types W and M. Geochem. J. 21, 119-124.
  38. Mibe K., Orihashi Y., Nakai S., Fujii T. (2006) Element partitioning between transition-zone minerals and ultramafic melt under hydrous conditions. Geophys. Res. Lett. 33, L16307. https://doi.org/10.1029/2006GL026999
  39. Navrotsky A. (1978) Thermodynamics of element partitioning: (1) Systematics of transition metals in crystalline and molten silicates and (2) defect chemistry and “the Henry’s law problem”. Geochim. Cosmochim. Acta. 42, 887-902.
  40. Nielsen, R.L. (1988) A model for the simulation of combined major and trace element liquid lines of decent. Geochim. Cosmochim. Acta. 52, 27-38.
  41. Nielsen R.L. (1992) BIGD.FOR: A Fortran program to calculate trace-element partition coefficients for natural mafic and intermediate composition magmas. Comput. Geosci. 18, 773-788.
  42. Prowatke S., Klemme S. (2006) Rare earth element partitioning between titanite and silicate melts: Henry’s law revisited. Geochim. Cosmochim. Acta. 70, 4997-5012.
  43. Roeder P.L., Emslie R.F. (1970) Olivine–liquid equilibrium. Contrib. Mineral. Petrol. 29, 275-289.
  44. Rudnick R.L., McDonough W.F., Chappell B.W. (1993) Carbonatite metasomatism in the northern Tanzanian mantle: petrographic and geochemical characteristics. Earth Planet. Sci. Lett. 114, 463-475.
  45. Veksler I.V., Dorfman A.M., Kamenetsky M., Dulski P., Dingwell D.B. (2005) Partitioning of lanthanides and Y between immiscible silicate and fluoride melts, fluorite and cryolite and the origin of the lanthanide tetrad effect in igneous rocks. Geochim. Cosmochim. Acta. 69, 2847-2860.
  46. Wood B.J., Blundy J.D. (2014) Trace element partitioning: The influences of ionic radius, cation charge, pressure, and temperature. Treatise on Geochemistry 2nd. ed. 3, 421-448.
  47. Woodland A.B., Bulatov V.K., Brey G.P., Girnis A.V., Höfer H.E., Gerdes A. (2018) Subduction factory in an ampoule: Experiments on sediment–peridotite interaction under temperature gradient conditions. Geochim. Cosmochim. Acta. 223, 319-349.
  48. Yaxley G.M., Crawford A.J., Green D.H. (1991) Evidence for carbonatite metasomatism in spinel peridotite xenoliths from western Victoria, Australia. Earth Planet. Sci. Lett. 107, 305-317.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (338KB)
Indexing metadata
3.

Download (1MB)
Indexing metadata
4.

Download (281KB)
Indexing metadata
5.

Download (86KB)
Indexing metadata
6.

Download (69KB)
Indexing metadata
7.

Download (196KB)
Indexing metadata
8.

Download (239KB)
Indexing metadata
9.

Download (112KB)
Indexing metadata
10.

Download (103KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.В. Гирнис

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».