Geochemical Evolution of the plateau basalts from the Pali Aike and Morro Chico in Southern Patagonia

Abstract

Geochemical and isotopic analyses (Sr-Nd-Pb) of late Miocene to Quaternary plateau lavas from the Pali Aike and Morro Chico area (52°S) were undertaken to constrain the melting processes and mantle sources that contributed to magma generation and the geodynamic evolution of southernmost Patagonia, South America. To understand the processes related to the eruption and the origin of enriched mantle using oxygen isotope compositions of olivine as first mineral phase, oxygen isotope ratios were determined using laser fluorination methods on olivines and matrix samples separated from Pali Aike alkali basalts. The Pali Aike and Morro Chico lavas are alkaline and subalkaline, relatively primitive mafic volcanic rocks that have typical intraplate ocean island basalt-like signatures. Incompatible trace element ratios and isotopic ratios of the Pali Aike and Morro Chico lavas differ from those of the majority of Neogene southern Patagonian slab window lavas in showing more enriched characteristics and are similar to HIMU-like basalts. The REE modeling to constrain mantle melting percentages suggests that these lavas were produced by low degrees of partial melting (1.0–2.7%) of a garnet lherzolite mantle source. The major systematic variations of Sr-Nd-Pb isotopes in southern Patagonian lavas are related to geographic location. An isotopically depleted and HIMU-like asthenospheric domain may have been the main source of magmas in the southernmost part of Patagonia (e.g., Pali Aike, Morro Chico, and Camusu Aike volcanic field), suggesting the presence of a major discontinuity in the isotopic composition of the asthenosphere in southern Patagonia. On the basis of geochemical and isotope data and the available geological and geotectonic reconstructions, a link between the HIMU asthenospheric mantle domain beneath southernmost Patagonia and the HIMU mega-province of the southwestern Pacific Ocean is proposed. The value of δ18O has been measured to be 4.23-5.23 ‰ and 4.64-5.26 ‰ for olivine and for matrix, respectively. The δ18O values of Pali Aike olivines are lower and wider range than those of normal upper mantle (5.0-5.4 ‰). The Δ18O (melt-ol) (0.14-0.50 ‰) was within the equilibrium fractionation for some and in disequilibrium for most samples at magmatic temperature. The δ18O values in disequilibrium indicate that the lower δ18O for the melt is explained by interaction with low δ18O hydrothermally altered rocks. The low δ18Oolivine values for low forsterite (Fo) contents can be explained by the effect of shallow-level assimilation. The δ18Oolivine values of high-MgO (or high-Fo) compositions are thought to represent oxygen isotope variation in the mantle source region. These heterogeneous δ18Oolivine values indicate that Pali Aike olivines require both assimilation at a shallow level and a component of the HIMU mantle derived from recycled mantle lithology in the form of pyroxenite or eclogite. ;남미 파타고니아 남부 팔리아이케(Pali Aike) 화산암지대와 모로치코(Morro Chico) 화산암류는 마이오세 후기-제4기 대지현무암류이다. 이 연구지역의 마그마 성인과 지체구조 진화과정을 밝히고 근원맨틀의 특성과 용융과정을 규명하고자 주성분, 미량원소, Sr-Nd-Pb 동위원소 분석을 실시하였다. 또한 팔리아이케 현무암류로부터 분출과정에 일어는 과정을 설명하고 부화된 물질의 근원을 규명하기 위하여 초기결정화 광물인 팔리아이케 현무암류 내 감람석 반정과 기질 부분의 산소동위원소비를 분석하였다. 팔리아이케 화산암지대와 모로치코 화산암류는 각각 알칼리계열, 비알칼리계열이며, 비교적 초기 현무암질 조성으로 전형적인 판내부의 해양성현무암(OIB)의 특성을 갖는다. 불호정성 원소와 방사성 동위원소 비는 비교적 부화된 특징을 보이는 신제3기(신생대 제3기의 후기, 마이오세-플라이오세) 파타고니아 남부의 슬랩윈도우 현무암류의 주된 특징과는 다르다. 또한 팔리아이케와 모로치코 화산암류의 지구화학적 특징은 HIMU의 맨틀성분과 유사하다. 팔리아이케와 모로치코 화산암류의 근원맨틀에 대해 부분용융 정도를 추정하기 위하여 non-modal batch melting 모델을 계산한 결과, 연구지역의 현무암류는 석류석 레르졸라이트(garnet lherzolite) 맨틀에서 소량 부분용융 (1.0-2.7%)된 산물이라고 해석할 수 있다. 파타고니아 남부의 현무암류는 Sr-Nd-Pb 동위원소의 주된 변화가 이들 지역의 지리적 위치와 관련이 있다. 파타고니아 최남단의 팔리아이케와 모로치코 현무암류는 49.5°S 부근의 북부 쪽에 분포된 대지현무암류에 비해서, 낮은 87Sr/86Sr과 높은 143Nd/144Nd, 206Pb/204Pb 동위원소 비의 조성을 가지며, HIMU 조성과 유사한 특성을 가진다. 파타고니아 최남단(예를들면, 팔리아이케, 모로치코, 카무수아이케 화산암대)의 마그마의 주요한 근원은 동위원소적으로 결핍되고 HIMU와 유사한 연약권 맨틀조성으로 추정된다. 파타고니아의 연약권내에 동위원소 조성의 불연속성이 존재하는 것으로 해석된다. 지구화학적 자료와 Sr-Nd-Pb 동위원소 비와 지질학적, 지구조적인 특성에 의하면 팔리아이케와 모로치코의 HIMU 연약권 맨틀 조성은 남서 태평양의 거대한 HIMU 특성과 밀접한 관련이 있다. 팔리아이케 현무암류의 감람석과 기질에 대한 산소동위원소 값(δ18O)은 각각 4.23-5.23‰과 4.64-5.26‰이다. 산소동위원소 분석 결과, 팔리아이케 감람석의 산소동위원소 값이 일반적인 상부맨틀의 산소동위원소 값(5.0-5.4‰)보다 낮고 넓은 범위의 산소동위원소 값을 보이는 특징을 나타낸다. 산소동위원소 값의 차이[Δ18O(melt-olivine)]가 0.14-0.50‰ 범위로 팔리아이케 감람석은 일부는 맨틀온도 범위에서 평형분별, 대부분의 시료는 비평형 분별 산물이다. 기질은 낮은 산소동위원소 조성의 열수 변질된 암석과의 상호작용으로 낮은 δ18O의 조성을 갖는다. 팔리아이케 화산암의 낮은 Fo (forsterite) 조성을 갖고 낮은 산소동위원소 조성을 보이는 것은 지각물질에 의한 동화작용의 결과로 설명되고, 높은 Fo 조성의 감람석은 근원맨틀의 조성을 나타낸다. 비교적 높은 Fo 조성에서 낮고 다양한 산소동위원소 조성을 보이는 것은 열수 변질된 해양 지각물질의 재순환 때문으로 해석된다. 산소동위원소 조성비의 변화가 이질성을 보이는 것은 지각물질의 동화작용과 휘석암(pyroxenite)과 에클로자이트(eclogite)재순환으로 야기된 HIMU 맨틀성분 때문으로 해석된다.