A geochemical characterization of the lower part of the Miocene shield-building lavas on Gran Canaria

Abstract

Ocean islands offer a great potential to provide information about mantle processes and the composition of the mantle. Gran Canaria is located in the centre of the Canary Island Archipelago and is well suited for such studies. A comprehensive study of the lower Miocene shield-building lavas is performed for this thesis. The samples come from Barranco de Tasártico. The study includes analysis of bulk rock compositions as well as analyses of the phenocryst and opaque phases. The shield-building lavas range from picro-basalt to basalt and basanite (SiO2=44.5-49.7 wt%; Na2O+K2O=2.3-4.6 wt%). MgO contents vary significantly (5.1-16.0 wt%). The rather high TiO2 content (2.8-4.3 wt%) is normal for ocean island basalt. The studied lavas are generally enriched in LILE and HFSE (e.g. Sr=358-664 ppm, Ba=ll4-251, Zr=199-377 ppm, Nb=29-57 ppm, Ta=l.8-3.5 ppm). Transition metals like Ni (19-514 ppm) and Cr (24-1059 ppm) vary significantly and are mainly controlled by clinopyroxene and olivine fractionation. The sampled rocks have a high abundance of clinopyroxene, olivine and plagioclase phenocrysts. Clinopyroxene phenocrysts range between augitic and diopsidic compositions. End-member calculations suggest Tschermak substitution and aegirine in all analysed crystals. No jadeite component could be identified. The composition of olivine ranges between Fo79 and Fo88. Alteration products are iddingsite (Fe=27.7-48.1 wt%, Mg=l.9-9.7 wt%) and serpentine (Mg=5.0-19.7 wt%, Fe=l.l-24.4 wt%). Labradorite (An50 to An70) is the common plagioclases in the studied thin sections. Bivariate plots for the major elements versus MgO indicate two different fractionation trends. At MgO contents >8 wt%, clinopyroxene and olivine control the variation trends (clinopyroxene:olivine ratio 65:35). After the onset of plagioclase fractionation at 8 wt% MgO, the
trends are controlled by clinopyroxene, olivine and plagioclase fractionation (clinopyroxene:olivine:plagioclase ratio 66:22:12). The strong enrichment in Nb and Ta ([Nb/La]n=l.l-1.4; [Ta/La]n=l.2-1.5) as well as depletion in K and Pb ([K/La]n=0.6-0.9; [Pb/La]n=O.l-0.5) are characteristic for mafic HIMU-type magmas. The ratios La/Nb (0.72-0.88) versus Ba/Nb (3.4-5.3) suggest that the shield-building lavas from Gran Canaria could be generated by mixing of three mantle components: HIMU, DMM and EM. A relatively moderate enrichment in light over heavy REEs ([La/Lu]n=8.9-12.1) suggests the exclusion of garnet as a residual phase in the source. Since no negative Eu anomalies are disclosed, the effect of plagioclase fractionation is small. Obtained Zr/Y ratios
(9. 7 -11.8) argue against peridotite as the only source for the lavas. High Zr/Y ratios are most easily explained by significant garnet among the residual phases, which is inconsistent with the REE results. Garnet peridotite or eclogite as source rocks would result in garnet among the residual phases. The high Zr/Y ratios are thus ambiguous. One possible explanation is fractionation of Zr and Y at the time of, or prior to, formation of the source material. The impact of clinopyroxene on the Zr/Y ratio could not be determined. This ratio increases slowly with fractionation. There are no data allowing the most primitive ratio to be determined. This together with low Ba/Nb (3.4-5.3) and high K/La (217-292) ratios suggests that the derivation from a single source, containing varying proportions of garnet is not possible. The general depletion in K, Rb and Ba displayed in the normalized multi-element diagram suggests a derivation from recycled oceanic crust. Since earlier published εNd values (3.9-5.8) are higher than expected for undepleted OIB, a significant impact of depleted lithospheric crust on the source material composition is proposed. Thus, the results imply the derivation from a heterogeneous source. This source probably resembles recycled subducted eclogitic oceanic crust (<2 Ga) which has been stirred into or reacted with ambient peridotitic mantle.
Primary magmas formed within the garnet stability field. Previous investigators have suggested that they are picritic and have formed at temperatures between 1500 and 1600°C at 3 GPa. After migration into magma reservoirs, fractional crystallization of clinopyroxene, olivine and small amounts of plagioclase affected the magma composition. The crystallization of the phenocrysts phases occurred at high temperatures and low pressures. Calculated temperatures associated with large errors indicate that olivine phenocrysts crystallized at temperatures between 1172 and 1218°C. The composition of clinopyroxene phenocrysts indicates that the differentiation occurred at low pressures since no jadeite component could be identified. Appearing opaque phases are ilmenite
and chromium-spinel. They show a distinct distribution within the studied stratigraphy with ilmenite being the dominant opaque phase in the lower parts and chromium-spinel dominating the upper sampled parts of the stratigraphy. End-member calculations for the spinel show the following spinel components: magnetite, ulvöspinel, chromite, magnesium-aluminium spinel and magnesioferrite.

Abstract (Swedish)

Oceanöbergarter är lämpliga för studier av mantelsammansättningar och mantelprocesser. I föreliggande undersökning studeras de skölduppbyggande undermiocena basalterna på den centralt bland Kanarieöarna liggande Gran Canaria. Provtagningen har skett i Barranco de Tasártico. Undersökningen omfattar bergartsanalyser, fenakristanalyser och analyser av opaka mineral. De skölduppbyggande basalterna varierar mellan pikritbasalt, basanit och basalt. (SiO2: 44,5-49,7 vikts%, Na2O+K2O: 2,3-4,6 vikts%); MgO varierar starkt (5,1-16,0 vikts%). Den ganska höga titanhalten (2,8-4,3 vikts%) är normal för oceanöbasalt (OIB). Lavorna är anrikade på LILE och HFSE.(t.ex. Sr: 358-664 ppm, Ba: 114-251, Zr: 199-377 ppm, Nb: 29-57 ppm, Ta; 1.8-3.5 ppm). Övergångsmetaller som Ni (19-514 ppm) och Cr (24-1059 ppm) varierar kraftigt och halterna kontrolleras av klinopyroxen- och olivinfraktionering. I de provtagna bergarterna förekommer rikligt med fenokrister av klinopyroxen, olivin och plagioklas. Klinopyroxenfenokristerna har sammansättningar varierande mellan augit och diopsid. Ändledsberäkningar visar på tschermakssubstitution och ägerin i alla analyserade kristaller; jadeit kunde inte identifieras bland komponenterna. Olivinsammansättningen varierar mellan Fo79 och Fo88. Iddingsit (Fe: 27,7-48,1 vikts%, Mg; 1,9-9,7 vikts%) och serpentin (Mg; 5,0-19,7 vikts%, Fe; 1,1-24,4 vikts%) utgör omvandlingsprodukter. Labradorit (An50 till An70) är den vanligaste plagioklasen. Tvåelementplottar av huvudelementen mot MgO resulterar i två fraktioneringstrender. Vid MgO >8 vikts% kontrolleras variationen av
klinopyroxen och olivin i förhållande 65:35. Efter det att plagioklas börjat fraktioneras kontrolleras variationen av klinopyroxen, olivin och plagioklas i förhållandet 66:22:12. Den starka anrikningen av Nb och Ta ([Nb/La]n=1,1-1,4; [Ta/La]n=l,2-1,5) liksom utarmningen av K och Pb ([K/La]n=0,6-0,9; [Pb/La]n=0,l-0,5) är karaktäristisk för mafiska HIMU-magmor. Förhållandena La/Nb (0,72-0,88) mot Ba/Nb (3,4-5,3) antyder att de skölduppbyggande bergarterna på Gran Canaria kan ha bildats från en blandning av tre mantelkomponenter: HIMU, DMM och EM. En
måttlig anrikning av de lätta REE relativt de tunga ([La/Lu]n=8.9-12.1) betyder att granat inte kan ingå bland restitfaserna. Ingen negativ Eu anomali har påvisats, vilket tolkas som att effekten av plagioklasfraktioneringen är ganska liten. Zr/Y förhållandena (9.7-11,8) utgör argument mot peridotit som enda källa för magmorna. Höga Zr/Y förhållanden vore enklast att förklara med signifikanta granatmängder bland restitfaserna. Detta står i motsatsförhållande till REE resultaten. Granatperidotit eller eklogit som källbergarter skulle resultera i granat bland restitfaserna. De höga Zr/Y förhållandena är mångtydiga. En möjlig förklaring är fraktionering av Zr och Y vid eller före bildningen av källbergarten. Detta förhållande ökar långsamt vid fraktioneringen. Data tillåter inte en beräkning av det mest primitiva förhållandet. De höga Zr/Y förhållandena tillsammans med låga Ba/Nb (3,4-5,3) och höga K/La (217-292) förhållanden antyder att en bildning från en enkel källbergart med varierande granathalt inte är möjlig. Den generella utarmningen av K, Rb och Ba som framgår från normaliserade multielementdiagram antyder att oceanskorpa har återförts till källbergarten. Tidigare publicerade εNd data (3,9-5,8), som är högre än
förväntat för ej utarmad OIB, antyder detsamma. Källbergarten består således av mer än en komponent. Den heterogena källbergarten har likheter med återförd subducerad eklogitisk oceanskorpa (<2 Ga) som reagerat med mantelperidotit. Den primära magman bildades i stabilitetsfältet för granat. Tidigare studier ger vid handen att de är
pikritiska och har bildats vid temperaturer mellan 1500 och 1600°C vid 3 GPa. Efter transport till magmareservoarer, har fraktionerad kristallisation av klinopyroxen, olivin och små mängder plagioklas påverkat magmasammansättningen. Kristallisationen av fenakristfaserna skedde vid hög temperatur och lågt tryck. Beräknade temperaturer, som dock har stora fel, ligger mellan. 1172 och 1218°C för olivinkristallisationen.
Avsaknaden av jadeitkomponent i klinopyroxenfenokristerna tyder på att differentiationen skedde vid låga tryck. De opaka faserna är ilmenit och kromspinell De visar på en fördelning med ilmenit i den lägre och kromspinell i den övre delen av den undersökta stratigrafidelen. Ändledsberäkningar för spinellen visar på magnetit, ulvöspinell,
kromit, Mg-Al spinell och magnesioferrit.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Jorden består från centrum och utåt av kärna, mantel och en tunn skorpa. Skorpan och den översta delen av manteln kallas litosfär. Litosfären består av ett antal plattor som rör sig i förhållande till varandra. De flesta geologiska processer sker längs plattkanterna. En typ av plattgränser utgörs av oceanryggar, t.ex. den Mittatlantiska ryggen. Här bildas kontinuerligt ny jordskorpa på grund av frekventa vulkanutbrott på havsbotten. Litosfärsplattorna trycks och dras utåt från ryggen för att efter en viss tid dras tillbaka ner i manteln. Detta sker vid en annan typ av plattgräns, subduktionszoner. Dessa återfinns framför allt runt Stilla Havet och i Indiska Oceanen omedelbart väster om Indonesien. I subduktionszonerna inträffar vulkanutbrott och ofta kraftiga jordbävningar. Vid subduktionszonerna bildas vulkaniska bergskedjor, ex. Anderna, eller öbågar, ex Kurilerna.

I mindre utsträckning förekommer geologisk aktivitet även på plattorna. Oceanöar är med få undantag uppkomna på detta sätt. Från gränsen mellan jordmanteln och kärnan stiger en tunn bergartssträng, en plym, uppåt. Den rör sig uppåt, eftersom att den är varmare och därmed lättare än sin omgivning; detta sker i fast fas. Eftersom den temperatur, vid vilken bergarter börjar smälta minskar med minskande tryck, kommer den uppåtgående plymen att börja smälta, då den kommit tillräckligt högt upp. Denna smältprocess kan också involvera de mer lokala mantelbergarterna. På detta sätt uppkommer de vulkaner som bildar oceanöar.
Gran Canaria är en typisk oceanö. Den ligger på den afrikanska plattan. Denna platta rör sig obetydligt. Man får därför inte någon långsträckt serie av öar och havsberg, som uppkommer då plattor rör sig över en nästan stillastående plym. De första bergarterna som bildas på Gran Canaria är ungefär 15 miljoner år gamla. De består av basalt, som är en mörk järn- och magnesiumrik vulkanisk bergart. På Gran Canaria är basalterna överlagrade av relativt små mängder av ljusare vulkaniska bergarter, ryolit, trakyt och fonolit. Dessa ljusa bergarter förekommer inte på alla oceanöar. Efter det att dessa bergarter bildats, inträffade ett flera miljoner år långt uppehåll i den vulkaniska verksamheten. Intensiteten i vulkanismen minskade successivt. De allra senaste utbrotten har inträffat för ungefär 3000 år sedan.

I detta arbete studeras de äldre basalterna. Proverna är tagna på sydvästra Gran Canaria, i Barranco de Tasártico. En basalt är en vulkanisk bergart som består av en extremt finkornig mellanmassa. I denna finns större, upp till ett par millimeter stora kristaller av tre mineral som kallas klinopyroxen (svart), olivin (ljusgrön) och plagioklas (vit). Innan magman kommer ut på ytan som lava, stannar den i en magmakammare. Det är i denna som de stora kristallerna bildas. En del av dessa sjunker till botten i magmakammaren och en del följer med magman upp till ytan. Eftersom kristallerna inte har samma sammansättning som smältan, kommer smältans sammansättning att ändas då den förlorar en del av sina kristaller. I detta arbete visar vi att till en början ändras magmans sammansättning genom att klinopyroxen och olivin försvinner och senare i utvecklingen sker sammansättningsförändringen genom att även plagioklas försvinner.

Sammansättningen på bergarterna tyder på att källbergarten inte kan ha bestått endast av mantelbergart från den djupaste delen av manteln. Med källbergart menar man den bergart, som smält för att bilda de ursprungliga magmorna. Även material, som återförts från litosfären tillbaka till manteln, måste ha ingått i den källa, ur vilken basalterna på Gran Canaria har bildats. Detta blir extra tydligt om man tar hänsyn till tidigare publicerade isotopdata. Förhållandet mellan vissa spårelement blir också lättare att förklara om mer än en källa har deltagit i processerna. Detta är inte ovanligt i oceanösammanhang. Med hjälp av denna typ av studier lär vi oss att bättre förstå de mycket komplicerade förloppen då oceanskorpa nybildas och litosfär återförs till manteln.

• author: Peetz, Romina
• supervisor: Anders Lindh; Thomas Degen
• organization: Department of Geology
• alternative title: Geokemisk karakterisering av den undre delen av de miocena skölduppbyggande lavorna, Gran Canaria
• year: 2009
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Gran Canaria, shield-building lavas, Güigüi Formation
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 252
• language: English
• additional info: Thomas Degen, Martin-Luther University Halle-Wittenberg.
• id: 2299836
• date added to LUP: 2012-12-30 19:04:28
• date last changed: 2012-12-30 19:04:28