The effect of bulk rock composition on the stability of amphibole in the upper mantle: Implications for solidus positions and mantle metasomatism

Summary The stability of pargasitic amphibole in the upper mantle is a function of water content and bulk rock composition, and under water-undersaturated conditions, the stability of amphibole controls the solidus position. Experiments in the system Tinaquillo peridotite +0.2% H₂O, a refractory peridotite under water-undersaturated conditions, show that amphibole is stable to 1030°C and 26 kb. In contrast, pargasitic amphibole is stable to 1150°C and 30 kb in Hawaiian pyrolite, a more fertile peridotite composition. This indicates that under water-undersaturated conditions, the most fertile part of a crystallizing mantle diapir with an inhomogeneous composition will solidify first while a more refractory component will contain an alkali-rich melt which will have the ability to metasomatize adjacent regions. The relative stabilities of amphibole in refractory and fertile bulk compositions may result in increasing rather than diminishing chemical contrasts in high temperature lherzolite, i.e. a process of metamorphic differentiation. Ti, Fe, Al and Na metasomatism can therefore be considered a normal occurrence associated with the upward migration and solidification of an H₂O-bearing mantle diapir.

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Der Einfluß der Gesamtgesteins-Zusammensetzung auf die Stabilität von Amphibol im oberen Mantel: Bedeutung für Solidus-Positionen und Mantel-Metasomatose

Zusammenfassung Die Stabilität pargasitischer Amphibole im oberen Mantel ist eine Funktion von Wassergehalt und Gesamtgesteins-Zusammensetzung. Unter wasser-untersättigten Bedingungen, kontrolliert die Stabilität von Amphibol die Solidus-Position. Experimente in dem System Tinaquillo Peridotit +0,2% H₂O, einem refraktären Peridotit unter wasser-untersättigten Bedingungen, zeigen daß Amphibol bis 1030°C und 26 Kb stabil ist. Im Gegensatz dazu ist pargasitische Hornblende in einem Hawaii-Pyrolit, von mehr fertiler Peridotit-Zuammensetzung, bis 1150°C und 30 Kb stabil. Das zeigt, daß bei wasser-untersättigten Bedingungen der am meisten produktive Teil eines kristallisierenden Mantel-Diapirs mit inhomogener Zusammensetzung sich zuerst verfestigen wird, während eine mehr refraktäre Komponente eine alkali-reiche Schmelze enthalten wird, die wiederum die Fähigkeit hat, umliegende Bereiche metasomatisch zu beeinflussen. Die relativen Stabilitäten von Amphibol in refraktären und fertilen Gesamtzusammensetzungen können dazu führen, daß die chemischen Gegensätze in Hochtemperaturlherzoliten eher zunehmen als abnehmen, d. h. ein Prozeß metamorpher Differentiation. Ti, Fe, Al und Na Metasomatose können deshalb als ein verbreiteter Vorgang, der mit der Aufwärtsbewegung und Verfestigung eines H₂O-führenden Mantel-Diapirs assoziiert ist, betrachtet werden.

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With 4 Figures     

Geochronology of the Spessart Crystalline Complex,Mid-German Crystalline Rise

Summary New Rb-Sr and K-Ar datings help to clarify the geologic history of the Spessart Crystalline Complex, Mid-German Crystalline Rise. The oldest dates, refined by new measurements, are recorded by whole-rock Rb-Sr analyses of the orthogneisses of the Rotgneiss Complex. These confirm a late Ordovician to Silurian age which is interpreted as the time of intrusion of the granitic precursors.Hornblendes, muscovites. and biotites from different lithostratigraphic units and rock types of the Spessart Crystalline Complex yielded K-Ar dates mainly in the range 324 to 318 Ma, an interval which conforms to the analytical precision. Two hornblendes and one muscovite show slightly older dates up to 328 Ma. On the other hand, there is a tail of younger hornblende dates towards 311 Ma, and two hornblendes gave dates as low as 293 and 274 Ma for no immediately obvious reason.The concordant dates around 324 Ma on the three different minerals may be interpreted as marking the time of a rapid uplift and cooling at about the boundary between Early and Late Carboniferous, presumably soon after culmination of the Variscan deformation and amphibolite facies metamorphism.

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Geochronologie des Spessart-Kristallins, mitteldeutsche Kristallinschwelle

Zusammenfassung Neue Rb-Sr- und K-Ar-Datierungen liefern einen Beitrag zum Verständnis der geologischen Geschichte des Spessart-Kristallins. Die älteste radiometrische Datierung, die bislang im Spessart-Kristallin zur Verfügung steht, leitet sich aus Rb-Sr-Gesamtgesteinsanalysen von Orthogneisen des Rotgneis-Komplexes ab. Die bereits von früheren Bearbeitern gefundenen spät-ordovizischen bis silurischen Daten wurden durch neuere Messungen bestätigt. Sie werden als Intrusionsalter des granitischen Ausgangsmaterials der Rotgneise interpretiert.Hornblenden, Muscovite und Biotite aus unterschiedlichen lithostratigraphischen Einheiten und Gesteinstypen des Spessartkristallins erbrachten K-Ar-Daten vorwiegend zwischen 324 und 318 Ma, d. h. einen Streubereich, der etwa der analytischen Genauig keit entspricht. Zwei Hornblenden und ein Muscovit ergaben etwas ältere Daten bis 328 Ma. Auf der anderen Seite beobachtet man eine Reihe von jüngereren Hornblendedaten bis 311 Ma, und zwei Hornblenden von nur 293 und 274 Ma, die sich nicht ohne weiteres erklären lassen.Die konkordanten Alterswerte um 320 Ma, die für die drei Mineralarten gewonnen wurden, können als die Zeit einer raschen Hebung und Abkühlung etwa an der Grenze Unter-/Oberkarbon interpretiert werden, die vermutlich bald nach dem Höhepunkt der variscischen Deformation und amphibolit-faziellen Metamorphose erfolgte.

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Dedicated to Borwin Grauert on the occasion of his 60th birthday.

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With 6 Figures     

Sediment yield in South Africa — A preliminary geographical analysis

The study examines the spatial relationships between sediment yield and 15 independent environmental variables in 54 catchments in South Africa. Rooseboom's (1978) data on the sediment yield from the catchments were standardized for a single time period. Bivariate regression analyses reveal no simple relationships. Multivariate regression analyses conducted for the whole and various sub-areas of South Africa indicate that latitude and longitude are the primary variables affecting spatial variations in sediment yield. This may be as a result of latitude and longitude being surrogate variables reflecting variation in other environmental variables (e. g. geology, vegetation). Within the sub-areas, 43.4% to 97.8% of the variation in sediment yield is explained by the combined variation in a number of different environmental variables. This study highlights a need for the collection and analysis of more sediment yield data, which would allow the analyses to be refined, to predict sediment yields from ungauged catchments in South Africa.     

Geochemistry of newly discovered quaternary Shiribeshi Volcano,Northeast Japan Sea

Summary Shiribeshi Seamount is located to the east of the Okushiri Ridge, in the northeast Japan Sea. Whole rock K-Ar age of olivine-augite andesite dredged from the Seamount was determined to be 0.9 ± 0.2 Ma (Tsuchiya et al., 1989), indicating that Shiribeshi Seamount is a Quaternary volcano in the back-arc region off the junction of the Northeast Japan and Kurile arcs. Shiribeshi volcano is composed of basalt to rhyolite, which show a typical island arc calc-alkaline nature on the basis of petrographical characteristics of 95 samples dredged from four sites. Abundances of incompatible elements including K, Rb, Sr, Nb, P, Ti, Y and Zr in 16 representative rocks are discussed, together with those in the Quaternary volcanic rocks from the NE Japan and Kurile arcs in terms of compositional variation across the arcs. The estimated composition of the primary magma of Shiribeshi volcano is characterized by higher incompatible element contents and a higher Zr/Y ratio than primary magmas in the volcanic front side. Based on HFS element concentrations the degree of partial melting for three primary magmas of Oshima-Oshima, Shiribeshi and Rishiri volcanoes in the northeast Japan Sea may decrease gradually with increasing distance from the volcanic front. However, LIL element contents, especially K and Rb are lower in the primary magma of Rishiri volcano located far from the volcanic front than in the remaining two primary magmas, which would imply that LIL/HFS ratios (or degree of contribution of LIL elements originating from the subducted oceanic crust) become minimal at Rishiri volcano. One basalt and three andesites from Shiribeshi volcano have the restricted range of low⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios of 0.70297–0.70300, which indicates that the magma source for Shiribeshi volcano may be slightly more enriched in Sr isotopic compositions than theN-type MORB source.

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Geochemie des neuentdeckten quartären submarinen Vulkans Shiribeshi im Nordöstlichen Japanischen Meer

Zusammenfassung Der Shiribeshi Seamount liegt östlich des Okushiri Rückens im nordöstlichen Japanischen Meer. Gesamtgesteins K-Ar Alter von Olivin-Augit-Andesiten von diesem Seamount ergeben Werte von 0,9 ± 0,2 Ma (Tsuchiya et al., 1989), und weisen darauf hin, daß Shiribeshi ein quartärer Vulkan im back-arc Bereich nahe dem Kreuzungspunkt des nordostjapanischen und des Kurilen-Inselbogens ist. Er besteht aus Gesteinen, deren Zusammensetzung von Basalt bis Rhyolit reicht. Petrographische Daten von 25 Proben, die von vier submarinen Lokationen durch Dredging aufgesammelt wurden, weisen auf eine typische kalk-alkalische Inselbogenzusammensetzung hin. Die Verbreitung von inkompatiblen Elementen, die unter anderem K, Rb, Sr, Nb, P, Ti, Y und Zr umfassen, in 16 representativen Proben wird zusammen mit denen von quartären vulkanischen Gesteinen aus dem nordöstlichen Japanischen und den Kurilen-Inselbogen diskutiert; dabei wird Variationen der Zusammensetzung über die Bögen hinweg besondere Beachtung geschenkt. Die so ermittelte Zusammensetzung des primären Magmas des Shiribeshi Vulkans wird durch höhere inkompatible Elementgehalte und höhere Zr/Y Verhältnisse charakterisiert, wenn man sie mit primären Magmen an der vulkanischen Stirn des Inselbogens vergleicht. HFS Element-Konzentrationen lassen erkennen, daß der Grad teilweiser Aufschmelzung für drei primäre Magmen von Oshima-Oshima, Shiribeshi und Rishiri im nordöstlichen Japanischen Meer graduell mit zunehmender Entfernung von der vulkanischen Stirm abnimmt. Die Gehalte an LIL Elementen und besonders an K und Rb sind in dem primären Magma des Rishiri Vulkans, der weit von der vulkanischen Front entfernt liegt, höher als in den zwei anderen primären Magmen. Dies weist darauf hin, daß LIL/HFS Verhältnisse (oder der Beitrag von LIL Elementen, die aus subduzierter ozeanischer Kruste stammen) am Rishiri Vulkan ein Minimum erreichen. Ein Basalt und drei Andesite von Shiribeshi zeigen⁸⁷Sr/⁸⁶Sr Verhältnisse von 0,70297 bis 0,70300; dies läßt erkennen, daß die Quelle des Magmas für Shiribeshi etwas mehr an⁸⁷Sr angereichert war, als dieN-Typ Quelle.

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With 7 Figures     

Stress-strain fields at the tunnelling face—Three-dimensional analysis for two-dimensional technical approach

Summary For tunnelling in rock, the original stress field in the ground is changed considerably before a first lining is participating in stabilizing the opening. Depending on this stress release at the tunnel face, only a small portion of the primary stresses is acting on the lining. Only a three-dimensional approach is able to determine the stresses and the deformations of the ground and the lining realistically. The paper presents some results of elastic three-dimensional finite-element-analyses in consecutive steps of the sectional excavation of circular and non-circular tunnels. From these results an equivalent two-dimensional approach is derived for technical applications, given in diagrams.     

7th World Congress on water resources Rabat,Morocco, 13–18 May, 1991

Submitted to United Nations Environment Programme Nairobi, Kenya by International Water Resources Association.     

Dissociative velocity rates of oxygen and ozone in the ionosphere

Summary On the basis of the exponential approximation for the distribution of the concentration of molecular oxygen and ozone in given parts of the ionosphere, expressions have been derived for the changes of the dissociative velocity rates of the oxygen components in the ionosphere. The numerical calculations made reveal negligible changes of these rates for heights above 100 km and sufficiently strong variations in the low ionosphere.     

Anwendung statistischer Verfahren in der Magnetik und Gravimetrie zur Tiefenerkundung

Zusammenfassung Eine statistische Analyse der geophysikalischen Potentialfelder, die durch Intensität und Frequenz der regionalen Anomalien bestimmt werden, liefert interessante Ergebnisse über die Struktur der Erdkruste. Im einzelnen können die Tiefe von horizontalen Diskontinuitäten, die Lage von vertikalen tektonischen Störungen, tektonische Vorzugsrichtungen als mittlere Richtungen der Anomalientrends und die mittlere Tiefe derCurie-Isotherme bestimmt werden. Die Grundlage der statistischen Untersuchungen stellt die Korrelationsanalyse dar. Die verschiedenen Methoden werden im einzelnen beschrieben.

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Summary A statistical analysis of the geophysical potential fields, which are characterized by intensity and frequency ofthe regional anomalies, shows interesting results on the structure of the crust. Especially there may be determined the depth of horizontal discontinuities, tectonicmean directions as mean directions of anomaly trends and the mean depth of theCurie-point. The basis of the statistical investigations is the correlation-analysis. The several treatments are described in detail.

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Mitteilung aus dem Geomagnetischen Institut der DAW, Potsdam, Nr. 264.     

Über interne Wellen in der Nähe der Trägheitsperiode

Zusammenfassung Für winderzeugte interne Wellen wird gezeigt, daß bei der Trägheitsperiode in erster Näherung Resonanz eintritt, die in zweiter Näherung in zwei symmetrisch zur Trägheitsperiode liegende Resonanzen zerfällt. Der Effekt wächst mit zunehmender Schichtung und ist außerdem abhängig vom virtuellen Austauschkoeffizienten und der WellenlängeL der internen Wellen. Die Näherung erfolgt in Termen des Verhältnissesd ² H ² (d=Dicke der winderzeugten Grenzschicht,H=Wassertiefe).

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On internal waves near the inertia period

Summary Wind-generated internal waves are shown to have a resonance at the inertia period to first order of an analytical approximation which, to second order, splits into two resonances lying symmetrically to the inertia period. The effect is large for strong stratification and depends also on the Austausch coefficient and the wave lengthL of the internal waves. The approximation is done in terms ofd ² H ² whered=thickness of the wind-generated boundary layer andH=water depth.

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Sur les ondes internes près de la période d'inertie

Résumé On montre que pour les ondes internes dues au vent, il se produit en première approximation, à la période d'inertie, une résonance qui, en deuxième approximation, se décompose en deux résonances symétriques par rapport à la période d'inertie. L'effet augmente avec une stratification croissante et dépend en outre du coefficient de turbulence virtuel et de la longueur d'ondeL des ondes internes. L'approximation s'obtient en termes du rapportd ² H ² (d=épaisseur de la couche-limite due au vent,H=profondeur de l'eau).