Experimental and computational study of trace element distribution between orthopyroxene and anhydrous silicate melt: substitution mechanisms and the effect of iron

Although orthopyroxene (Opx) is present during a wide range of magmatic differentiation processes in the terrestrial and lunar mantle, its effect on melt trace element contents is not well quantified. We present results of a combined experimental and computational study of trace element partitioning between Opx and anhydrous silicate melts. Experiments were performed in air at atmospheric pressure and temperatures ranging from 1,326 to 1,420°C in the system CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂ and subsystem CaO–MgO–SiO₂. We provide experimental partition coefficients for a wide range of trace elements (large ion lithophile: Li, Be, B, K, Rb, Sr, Cs, Ba, Th, U; rare earth elements, REE: La, Ce, Nd, Sm, Y, Yb, Lu; high field strength: Zr, Nb, Hf, Ta, Ti; transition metals: Sc, V, Cr, Co) for use in petrogenetic modelling. REE partition coefficients increase from $ D_{\text{La}}^{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}} \sim 0.0005 Although orthopyroxene (Opx) is present during a wide range of magmatic differentiation processes in the terrestrial and lunar mantle, its effect on melt trace element contents is not well quantified. We present results of a combined experimental and computational study of trace element partitioning between Opx and anhydrous silicate melts. Experiments were performed in air at atmospheric pressure and temperatures ranging from 1,326 to 1,420°C in the system CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂ and subsystem CaO–MgO–SiO₂. We provide experimental partition coefficients for a wide range of trace elements (large ion lithophile: Li, Be, B, K, Rb, Sr, Cs, Ba, Th, U; rare earth elements, REE: La, Ce, Nd, Sm, Y, Yb, Lu; high field strength: Zr, Nb, Hf, Ta, Ti; transition metals: Sc, V, Cr, Co) for use in petrogenetic modelling. REE partition coefficients increase from $ D_{\text{La}}^{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}} \sim 0.0005 $ D_{\text{La}}^{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}} \sim 0.0005 to $ D_{\text{Lu}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.109 $ D_{\text{Lu}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.109 , D values for highly charged elements vary from $ D_{\text{Th}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0026 $ D_{\text{Th}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0026 through $ D_{\text{Nb}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0033 $ D_{\text{Nb}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0033 and $ D_{\text{U}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0066 $ D_{\text{U}}^{{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}}} \sim 0.0066 to $ D_{\text{Ti}}^{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}} \sim 0.058 $ D_{\text{Ti}}^{{\text{Opx}} {\hbox{-}} {\text{melt}}} \sim 0.058 , and are all virtually independent of temperature. Cr and Co are the only compatible trace elements at the studied conditions. To elucidate charge-balancing mechanisms for incorporation of REE into Opx and to assess the possible influence of Fe on Opx-melt partitioning, we compare our experimental results with computer simulations. In these simulations, we examine major and minor trace element incorporation into the end-members enstatite (Mg₂Si₂O₆) and ferrosilite (Fe₂Si₂O₆). Calculated solution energies show that R²⁺ cations are more soluble in Opx than R³⁺ cations of similar size, consistent with experimental partitioning data. In addition, simulations show charge balancing of R³⁺ cations by coupled substitution with Li⁺ on the M1 site that is energetically favoured over coupled substitution involving Al–Si exchange on the tetrahedrally coordinated site. We derived best-fit values for ideal ionic radii r ₀, maximum partition coefficients D ₀, and apparent Young’s moduli E for substitutions onto the Opx M1 and M2 sites. Experimental r ₀ values for R³⁺ substitutions are 0.66–0.67 ? for M1 and 0.82–0.87 ? for M2. Simulations for enstatite result in r ₀ = 0.71–0.73 ? for M1 and ~0.79–0.87 ? for M2. Ferrosilite r ₀ values are systematically larger by ~0.05 ? for both M1 and M2. The latter is opposite to experimental literature data, which appear to show a slight decrease in $ r_{0}^{{{\text{M}}2}} $ r_{0}^{{{\text{M}}2}} in the presence of Fe. Additional systematic studies in Fe-bearing systems are required to resolve this inconsistency and to develop predictive Opx-melt partitioning models for use in terrestrial and lunar magmatic differentiation models.     

Paleocene alkaline volcanism in the Nares Strait region: evidence from volcanic pebbles

Paleogene sediments in fault-bounded basins on Judge Daly Promontory, northeast Ellesmere Island, Canadian High Arctic, are rich in volcanogenic material. Volcanic pebbles within the Cape Back basin near Nares Strait were studied for their petrography, geochemistry, Sr and Nd isotopes, and geochronology to identify and characterize their parent rock. The pebbles are derived from lava flows and ignimbrites of a continental rift-related, strongly differentiated, highly incompatible element enriched, alkaline volcanic suite, the proposed Nares Strait volcanic suite, which is distinct from other alkaline volcanic suites on the northern coasts of Ellesmere Island and Greenland. ⁴⁰Ar/³⁹Ar amphibole and alkali feldspar ages indicate that volcanism was active around 61–58 Ma and was probably contemporaneous with sedimentation resulting in Middle to Late Paleocene age for deposition within the Cape Back basin and the other Paleogene basins on Judge Daly Promontory.     

Zur Deutung der Vertikalbewegungen der Festländer und Meere

Ohne Zusammenfassung     

造山带挤出构造

挤出构造模式已经从二维变形进入三维变形研究，在喜马拉雅造山带，高喜马拉雅结晶地体沿北倾的主中央逆冲断层和北倾 的绒布寺正断层，表现为相对刚性体之间的韧性体的楔状挤出。非连续介质大变形有限元数值模拟结果为这一模式提供了力学依据。在前人工作的基础上，提出了东阿尔卑斯三维管状挤出模式，将上部脆性层划分出北部左行平移带，南部右行平移带和中部挤出楔，中部韧性层在南阿尔卑斯和欧洲前陆碰撞过程中，既有垂向挤出，也有侧向挤出，在平行缩短方向的剖面上，由箱状背形隆起演化成逆－逆断层组合的楔状挤出，形成三角断面的管状，在垂直缩短方向的剖面上，中部韧性层呈不均匀流动，形成管状层流－韧性层中心为纯剪切，上部和侧部为简单剪切，在陕甘川邻接区，由于祁连山－北秦岭加里东喧向南的推挤和川西前陆的刚性阻挡，造成西秦岭和东松潘－甘孜复合造山体的三维滑脱挤出，以北西西向玛曲－略阳滑脱逆冲断裂和北东向青川一茂县滑脱逆冲断裂为界，将陕甘川邻接区的三维滑脱挤出复合造山体划分为西秦岭滑脱挤出带，摩天岭0若尔盖滑脱挤出楔和龙门山滑脱挤出逆冲椎覆带，以近南北向岷江滑脱逆冲断裂为界将滑脱挤出楔进一步划分成摩天岭滑脱挤出体和苦尔盖滑脱挤出体，除了不同构造单元的不均匀隆升外，摩天岭还表现出向西的侧向挤出。     

Ordovizium/Silurium und die Frage prävariszischer Faltungen in Nordspanien

Zusammenfassung In Nordspanien läßt die Sedimentation von Ordovizium und Silurium bezeichnende Tendenzen erkennen. So werden die in einem westlichen Bereich vollständigen Profile nach Osten zu lückenhaft, ohne daß Winkeldiskordanzen zu beobachten wären. Der den Zeitraum vom Llandeilo bis zum tieferen Valentium umfassende Hiatus wird auf die epirogene Hebung eines vermutlich assyntischen Blocks zurückgeführt, der sich im übrigen als Ursprungsort von Abtragungsschutt bemerkbar macht und die Fazies- und Mächtigkeitsentwicklung in starkem Maße beeinflußte. Die variszischen Strukturen legten sich bogenförmig um dieses im Karbon in starke Abwärtsbewegung geratene Kantabrische Massiv.

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In Northern Spain, sections of Ordovizian and Silurian, being complete towards the west, develop unconformities and diastemes towards East. The hiatus representing the time interval between Llandeiloian and early Valentian seems to indicate an epeirogenic uplift within a Assyntian block. It is an important source-area of clastic sediments influencing facies and thickness. The Hercynian structures are around this Cantabrian Massif which subsided during the Carboniferous time.

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Resumen La sedimentación del Ordoviciense y del Silúrico acusa en el Norte de la Península Ibérica tendencias significativas. Así los perfiles, perfectos en la región occidental, presentan lagunas hacia el oriente, sin que pueden observarse discordancias angulares. El hiato que constituye el lapso de tiempo entre el Llandeilense y el Valentiense, es debido a la elevación epirogénica de un bloque, asintico al parecer, que deja sentir su influjo en el desarrollo de la facies y la potencia de los sedimentos. Las estructuras varíscicas fueron posándose en círculos concéntricos alrededor del Macizo Cantábrico, en marcado declive durante el Carbonífero.

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Résumé Dans le Nord de l'Espagne la sédimentation de l'ordovicien et du silurien permet de reconnaître des tendances caractéristiques. C'est ainsi que les profils se présentant de façon complète dans une zone occidentale ont trop de lacunes vers l'Est sans qu'on puisse observer des discordances angulaires. L'hiatus s'étendant du Llandeilo jusqu'au Valentien inférieur est attribué au soulèvement épirogène d'un bloc vraisemblablement assyntique qui retient l'attention comme lieu d'origine d'éboulis et a exercé une forte influence sur le développement du faciès et de l'épaisseur. Les structures varisques forment des arcs autour du massif cantabrique qui au dévonien et au carbonifère a subi de forts mouvements d'affaissement.

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Vortrag auf der 52. Jahrestagung der Geologischen Vereinigung vom 8. bis 11. März 1962 in Göttingen.     

Zur Stratigraphie des Devons in Asturien (Nordspanien)

Zusammenfassung Die Bearbeitung der durchCharles Barrois (1882) klassisch gewordenen Küstenprofile Asturiens führte zu einer Anzahl neuer stratigraphischer Erkenntnisse. So gehört die bisher in den übergang Ludlow/Devon gerechnete Folge der klastischen Furada-Zone noch ganz in das Gotlandium, während die Kalke und Mergel der Nieva-Schichten das tiefere Devon repräsentieren. In die EmsStufe zu stellen sind die überwiegend schiefrigen Ferroñes- und wahrscheinlich der Hauptanteil der Aguión-Schichten. Das Eiflium besteht aus Kalken (Basis- und Moniello-Kalke), darüber liegt die mächtige Serie desGosseletia-Sandsteins. Im Givet sind massige Korallen-Hydrozoen-Kalke mitStringocephalus burtini Defr. entwickelt (Untere Candás-Kalke). Bis zum Mittleren Frasnium reichen die stärker tonigen Oberen Candás-Kalke. Oberes Frasnium, Famennium und ein gro\er Teil des Unterkarbons werden durch die geringmächtigen Eisensandsteine von Piñeres vertreten, denen konkordant und offenbar ohne grö\ere Schichtlücke Goniatiten-Knollenhalke (Marbre griotte) des Oberen Visé aufliegen.

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Resumen Recientes estudios sobre la costa asturiana nos han proporcionado nuevos conocimientos estratigráficos. Las capas de Furada que hasta el presente eran consideradas como eslabón entre el Ludlow y el Devónico hay que encuadraclas en el Gotlandiense. Las calizas de Nieva representan el punto de partida del Devoniano. Los estratos de Ferroñnes y probablemente la mayor parte de los de Aguión pertenecen al Emsiense. El Eifeliense se compone en su base de calizas sobre las que se extiende la imposante serie de areniscas deGosseletia. En el Givetiense se han desarrollado calizas masivas de corales en que se contiene elStringocephalus burtini Defr. (calizas inferiores de Candás). Las calizas superiores de Candás, mas arcillosas que los anteriores, llegan hasta el Frasniense medio. Las arensiscas ferríferas de Piñeres representan el periodo Frasniense superior, el Famenniense e incluso gran parte del carbonifero inferior, sobre estas capas, sin interrupciones estratigráficas y concordando con ellas descansan la calizas de goniatites del Viséense superior (Mabre griotte).

     

Vergleichende Untersuchungen zur graphischen Integration der barotropen Wirbelgleichung

Zusammenfassung An Hand einer konkreten Wetterlage wird gezeigt, daß die Güte einer 24stündigen Vorhersage des Wirbelfeldes der 500 mb-Fläche durch graphische Integration der barotropen Wirbelgleichung wesentlich von der Gitterdistanz abhängt, mit welcher das räumliche Mittel des Geopotentials gebildet wird. Als optimaler Wert für die Vorausberechnung des Wirbelfeldes ergibt sich eine Gitterdistanz von 1000 km. Ein mit dieser Distanz bestimmtes Mittelfeld weist größte zeitliche Konstanz auf. Auch der Erfolg der Berechnung der Änderung der Geopotential verteilung bei vorgegebener Änderung des Wirbelfeldes (graphische Lösung der Poisson-Gleichung) mit Hilfe der bekannten Fjörtoftschen Näherungslösung wird weitgehend durch die Wahl der Gitterdistanz bestimmt. Es zeigt sich, daß die günstigste Gitterdistanz in diesem Fall rund 600 km ist.

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Summary It is shown by a given weather situation that the quality of a 24-hour forecast of the velocity field of the 500 mg-surface on the basis of graphic integration of the barotropic vorticity equation depends in first line on the lattice distance by which the three-dimensional mean value of the geopotential is determined. The optimum value for the precalculation of the vorticity field is a lattice distance of 1000 km. An average field determined with this distance shows maximal constancy in time. The success of calculating the variation of the distribution of the geopotential in relation to a given variation of the vorticity field (graphical solution of the Poisson equation) by means of the approximative method ofFjörtoft is dependent to a great extent on the lattice distance too: in this case, the most suitable lattice appears to be about 600 km.

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Résumé Sur la base d'une situation météorologique donnée, on montre que le succès d'une prévision pour vingt-quatre heures du champ tourbillonnaire de la surface de 500 mb à partir de l'intégration graphique de l'équation barotrope dépend de la grandeur des mailles du réseau carrelé servant à établir le géopotentiel moyen. Le carrelage le meilleur est celui de 1000 km de côté, car un champ de cette unité de surface présente la plus grande stabilité dans le temps. Le choix du carrelage joue aussi un rôle important pour le calcul de la variation de la distribution du géopotentiel sur la base d'un changement donné du champ de tourbillons à l'aide du procédé d'approximation deFjörtoft; dans ce cas le côté le plus avantageux est celui de 600 km environ.

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Mit 5 Textabbildungen     

Ein statistisches Verfahren zur Verbesserung und Beschleunigung der graphischen Integration der barotropen Wirbelgleichung

Zusammenfassung Die graphische Integration der barotropen Wirbelgleichung wird bekanntlich in zwei Schritten durchgeführt: 1. Verlagerung der Linien gleicher Wirbelgröße mit dem räumlich gemittelten und daher sehr konservativen geostrophischen Stromfeld. 2. Rückermittlung des Höhendruckfeldes aus dem Änderungsfeld der Wirbelgröße durch ein Näherungsverfahren nachFjörtoft.Letzterwähntes Verfahren kann durch ein statistisches Vorgehen vermieden und damit die gesamte Integration wesentlich beschleunigt werden. Außerdem kann man zeigen, daß das Verfahren auf eine allgemeinere Grundlage gestellt wird, da bei der Fjörtoft-Näherung (mit deren Hilfe die Poisson-Gleichung gelöst wird) spezielle, die Allgemeinheit einschränkende Voraussetzungen gemacht werden, um das Vorgehen zur Konvergenz zu bringen.An Hand einer konkreten Wetterlage, auf welche die Methode angewandt wird, zeigt sich, daß die durch Kombination von Statistik und Dynamik gewonnene Wirbelverteilung der nur durch reine Steuerung erhaltenen leicht überlegen ist. Deshalb kann die Integration mit Erfolg auf einen 48stündigen Zeitraum ausgedehnt werden. Gleichzeitig bedingt der Wegfall der bei dem bisherigen Rückermittlungsprozeß angewendeten räumlichen Mittelungen eine wesentliche Beschleunigung des Verfahrens, insbesondere da punktweise und mit Einsatz von Rechenmaschinen gearbeitet werden kann.

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Summary The graphic integration of the barotropic vorticity equation usually is carried out by two steps: First, displacement of the lines of equal magnitude of vorticity on the basis of the space-averaged and therefore very conservative geostrophic current field. Secondly, redetermination of the high altitude pressure field from the variation field of the vorticity values by means of an approximation method ofFjörtoft. The latter method can be avoided by using a statistical procedure which accelerates considerably the whole integration. Furthermore, it can be shown that the procedure is placed on a more general basis as the Fjörtoft approximation (by which the Poisson equation is solved) requires special restrictive conditions to assure convergence.A concrete example treated by this method shows that the vorticity distribution determined by combination of statistics and dynamics is somewhat superior to that obtained from the sole steering effect. Therefore, the integration can be extended successfully to a 48 hour period. At the same time, by avoiding averaging over space as applied in the former procedure, a considerable acceleration of the method is made possible, particularly as calculations can be carried out from point to point and with the aid of calculation machines.

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Résumé On sait que l'intégration graphique de l'équation barotrope du tourbillon se fait en deux étapes: 1. déplacement des lignes équitourbillonnaires à l'aide du champ de courant géostrophique moyenné par plages et par conséquent très conservatif; 2. calcul du champ moyen de pression en altitude à partir du champ de variation de tourbillon par le procédé approché deFjörtoft. Ce dernier peut être évité par une méthode statistique ce qui rend l'intégration plus rapide. En outre on peut généraliser le procédé de Fjörtoft (permettant de résoudre l'équation de Poisson) qui suppose certaines conditions restrictives pour assurer la convergence.Un exemple concret montre que par combinaison de la statistique et de la dynamique, la distribution du tourbillon établie par la nouvelle méthode est préférable à celle qui résulte de l'emploi pur et simple des cartes de vent en altitude. Il est donc possible d'appliquer l'intégration à une période de 48 heures. En outre la nouvelle méthode s'avère plus rapide, surtout du fait que l'on peut procéder par points et faire appel à une machine à calculer.

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Mit 3 Textabbildungen     

Zusammenhang zwischen Großwetterlage und Eisvorkommen an den deutschen Küsten

Zusammenfassung Im Rahmen der Bildung von Grundlagen für eine wissenschaftlich fundierte Eisvorhersage wurden die Beziehungen zwischen den Großwettertypen bzw. Großwetterlagen und dem Eisvorkommen an den deutschen Küsten festgestellt. Untersucht wurden die Groß-wettertypen und Großwetterlagen der letzten sechzig Jahre in der für das Auftreten von Eis in Betracht kommenden Zeit vom 22. November bis 10. April. Neben den am häufigsten und für die Eisbildung ungünstigen Westlagen kommen Wetterlagen vor, die für die Eisbildung günstig sind. Die stärkste Eisbildung erfolgt bei Wetterlagen mit östlicher und nordöstlicher Strömung, besonders bei dem Vorhandensein eines Hochs über Fennoskandien. Es bestehen Beziehungen zwischen den einzelnen Eiswintertypen und der Häufigkeit der einzelnen Großwetterlagen. Eine Einschränkung der Großwetterlagen auf die Zeit: Eisvorbereitungszeit + Tage mit Eis — Eisabschmelzzeit läßt die eisgünstigen Wetterlagen von den eisungünstigen unterscheiden. Da es sehr schwierig ist, die Anteile der einzelnen Faktoren, die bei der Eisbildung wirksam sind, voneinander zu trennen, erscheint die Betrachtung der Wetterlagen als das Integral der einzelnen Faktoren für die praktische Eisvorhersage als ein einfacher und zuverlässiger Weg.

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Relations between general weather situations and ice occurrence on the German coasts

Summary The relations between general weather types or weather situations respectively and ice occurrence on the German coasts are studied for the purpose of establishing and compiling the fundamental facts of scientifically founded ice forecasting. Therefore, the general weather types and weather situations that occurred according to records of the last sixty years during the ice period from 22nd November to 10th April are investigated. In addition to the most frequently occurring weather situations with westerly winds, unfavourable to ice generation, there occur weather situations favouring it. The strongest ice generation is produced in the presence of weather situations characterized by easterly and north-easterly currents, in particular, when high pressure prevails over Fennoscandia. There exist relations between the frequency of different weather situations and the occurrence of different types of ice winters. A limitation of the general weather situations to the space of time: period of ice generation — days with ice — period of ice melting permits to separate weather situations favouring ice generation from those unfavourable to it. As it is difficult, to sort each of the factors according to its effectiveness with regard to ice generation, it seems to us that a simple and reliable means of practical ice forecasting consists in considering the weather situations as an integral comprising the various factors.

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Rapports entre les situations météorologiques générales et l'apparition des glaces sur les côtes allemandes

Résumé Les rapports qui existent entre les situations ou types météorologiques généraux et l'apparition des glaces de mer sur les côtes allemandes sont étudiés dans le but d'établir les éléments scientifiques de la prévision des glaces. Pour cette raison, les situations ou types météorologiques généraux qui se sont présentés selon les enregistrements des dernières soixante années pendant la période des glaces entre le 22 novembre et le 10 avril sont soumis à l'étude. Outre les situations météorologiques accompagnées de vents d'ouest, entravant la congélation, on rencontre des situations météorologiques activant la congélation. La plus forte congélation se produit en présence de situations météorologiques caractérisées par des courants d'est et de nord-est, en particulier, lorsqu'une aire de haute pression domine au-dessus de la Scandinave et la Finlande. Il existe des rapports entre la fréquence des diverses situations météorologiques générales et l'apparition des divers types «d'hivers aux glaces». La restriction des situations météorologiques générales à l'espace de temps: période de la congélation — journées aux glaces — période de la fusion des glaces permet de séparer les situations météorologiques activant la congélation de celles qui l'entravent. Comme il est très difficile, d'analyser chaque facteur par rapport à sa disposition d'activer la génération des glaces, il nous semble se présenter un moyen aussi simple que sûr, lorsqu'on considère, pour la prévision pratique, les situations météorologiques générales comme l'intégrale de divers facteurs.

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Vortrag, gehalten auf der Tagung der Eisdienste in Hamburg am 26. September 1956.