Petrology, geochemistry and origin of Pliocene - Pleistocene potassium-rich volcanic rocks from Greece

Abstract

From middle Pliocene up to recently (5 - 0.5 Ma) K-rich intermediate to acidic volcanic rocks were erupted in various parts of Greece. The volcanic centres which are studied here are located in North Western Greece near the border with Yugoslavia (Voras), in the northwestern margin of the currently active South Aegean (Hellenic) volcanic arc between the city of Volos and North Evia (Volos - Ν. Evia centres) and about 50 km north of the central part of the South Aegean volcanic arc (Antiparos).Α detailed petrographic, mineralogical (involving chemical compositions of all the primary phenocrysts) and geochemical (comprising major and trace element analyses) study of representative samples was carried out to assess the nature and origin of the primary magmas, their subsequent evolution and the potential linkage of the magmatism with the regional tectonics of each area.The Voras lavas are intermediate in terms of their silica content and belong to the high-K calc-alkaline and shoshonitic series of Peccerillo and Taylor (1976). They are variably enriched in their LILE, LREE and other incompatible elements like Zr, U and Th, and can be divided into three groups, using geographical and petrographic criteria, which display different degrees of enrichment of incompatible elements. From the major and trace element variation diagrams, REE chondrite normalised patterns and chondrite or MORB normalised spiderdiagrams it is concluded that several distinct, but similar, primary magmas originated from small degrees of partial melting, under hydrous conditions. of an inhomogeneous upper mantle lherzolite, enriched in LILE and LREE elements. This enrichment occurred as a result of either earlier or contemporaneous subduction processes. It is suggested that fractional crystallisation or crustal contamination processes did not significantly modify the primary magma compositions. Additionally, on the basis of the presence of mixed populations of phenocrysts of the same phase within the same samples, it is proposed that magma mixing processes played an important role in the genesis of some of the rocks. The volcanic rocks of the five small Volos - Ν. Evia centres (i.e. Porphyrion, Microthebes, Achillio, Likhades Islands and Agios Ioannis) are also intermediate in composition, but have lower silica contents than the Voras rocks and belong to the high-K calc-alkaline series of Peccerillo and Taylor (1976). They are also enriched in LILE, LREE andother incompatible elements (i.e. Zr, U and Th) but not as much as some of the Voras rocks. By using the same criteria as for the Voras rocks, and some additional isotopic data, the following conclusions were reached. Each volcanic centre represents a geochemically distinct magma, although two of them (i.e. Likhades and Agios Ioannis) probably originated from the same source. The process that generated the primary magmas is, similarly to Voras, considered to be small degrees of partial melting, under hydrous conditions, of an inhomogeneous and enriched (with respect to its LILE andLREE contents) upper mantle. Again the rocks are thought to represent near primary compositions with fractional crystallisation and crustal contamination processes regarded as either insignificant or not involved at all during the evolution of the primary magmas. The melting originated as a result of the subduction of the South Aegean oceanic slab beneath the continental crust underlying the volcanic rocks. Some of the parental magmas of theLikhades centre have evolved through magma mixing processes as indicated by the occurrence of phenocrysts of the same phase with different compositions within the same samples. The Antiparos lavas are high-silica rhyolites which have relatively high potassium and sodium contents. They are significantly enriched in some incompatible elements (i.e. Rb, Cs, U, Th and Nb) and extremely depleted in Ba and Sr. The rhyolites are metaluminous or slightly peraluminous. Their chondrite normalised patterns have significant negative Eu anomalies and middle REE depletions. On the basis of their major, trace element and normative compositions, their REE patterns, their initial 87Sr /86Sr ratios, their K/Rb, Rb/U, Zr/Hf, Zr/Nb and Th/Ta ratios and their comparison with upper and lower crust compositions, with calc-alkaline high-silica rhyolites from the currently active South Aegean arc and with similar topaz-bearing rhyolites from the Western U. S. Α., it is suggested that the primary melts of the Antiparos rhyolites were generated by small degrees of partial melting, under either dry or water-undersaturated conditions, of a felsic granulite source located in the middle to lower crust. Subsequent to their generation the primary magmas rose to a shallow magma chamber where they evolved by significant fractional crystallisation processes involving dominant alkali-feldspar and subordinate Ab-rich plagioclase, quartz and sphene. The heat for melting of the crust was provided by the rise of hot basic magma, generated by the subduction of the Aegean oceanic slab, near the base of the continental crust underneath Antiparos.

Από το μέσο Πλειόκαινο έως πρόσφατα (5 - 0.5 Ma), ηφαιστειακά πετρώματα εμπλουτισμένα σε Κάλλιο (Κ) και ενδιάμεσης έως όξινης χημικής σύστασης εκχύθηκαν σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας. Τα ηφαιστειακά κέντρα που μελετώνται εδώ βρίσκονται στη Βορειοδυτική Ελλάδα κοντά στα σύνορα με τη Γιουγκοσλαβία (Βόρας), στο Βορειοδυτικό όριο του ενεργού Ελληνικού ηφαιστειακού τόξου (Νότιο Αιγαίο) μεταξύ της πόλης του Βόλου και της Βόρειας Εύβοιας (κέντρα Βόλου - Β. Εύβοιας) και περίπου 50 χιλιόμετρα βόρεια από το κεντρικό μέρος του ηφαιστειακού τόξου του Νοτίου Αιγαίου (Αντίπαρος). Μια λεπτομερής πετρογραφική, ορυκτολογική (που περιλαμβάνει χημικές συστάσεις όλων των κύριων φαινοκρυστάλλων) και γεωχημική (που περιέχει χημικές αναλύσεις κυρίων στοιχείων και ιχνοστοιχείων) μελέτη αντιπροσωπευτικών δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με σκοπό να εκτιμηθεί η φύση και η προέλευση των πρωτογενών μαγμάτων, η μετέπειτα εξέλιξή τους και η πιθανή σύνδεση του μαγματισμού με την ευρύτερη τεκτονική δομή της κάθε περιοχής. Οι λάβες του Βόρα είναι ενδιάμεσης χημικής σύστασης, όσον αφορά το περιεχόμενό τους σε Si02, και ανήκουν στην υψηλού-Κ ασβεστο-αλκαλική και στη σωσονιτική σειρά των Peccerillo and Taylor (1976). Είναι ποικιλότροπα εμπλουτισμένες στο περιεχόμενο των LILE (Μεγάλων Ιόντων Λιθόφιλα Στοιχεία), LREE (Ελαφρών Σπανίων Γαιών Στοιχεία) και σε άλλα ασύμβατα στοιχεία όπως Zr, U και Th, και μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις ομάδες (κάνοντας χρήση γεωγραφικών και πετρογραφικών κριτηρίων) που επιδεικνύουν διαφορετικούς βαθμούς εμπλουτισμού των ασύμβατων στοιχείων. Από τα διαγράμματα μεταβολής των κύριων στοιχείων και των ιχνοστοιχείων, τα χονδριτικά διαγράμματα μεταβολής των Σπανίων Γαιών και τα κανονικοποιημένα, ως προς τους χονδρίτες η τη χημική σύσταση MORB, "αραχνοδιαγράμματα (spiderdiagrams)" συμπεραίνεται ότι αρκετά, ξεχωριστά μεταξύ τους (αλλά παρόμοια), πρωτογενή μάγματα προήλθαν από μικρούς βαθμούς μερικής τήξης, υπό ένυδρες συνθήκες, ενός ετερογενούς ανώτερου λερζολιθικού μανδύα εμπλουτισμένου σε LILE και LREE. Αυτός ο εμπλουτισμός δημιουργήθηκε σαν αποτέλεσμα προηγούμενων η σύγχρονων διεργασιών υποβύθισης. Προτείνεται ότι τυχόν διαδικασίες κλασματικής κρυστάλλωσης η μόλυνσης από πετρώματα του φλοιού δεν άλλαξαν τις συστάσεις των πρωτογενών μαγμάτων σε σημαντικό βαθμό. Επιπρόσθετα, λόγω της παρουσίας μικτών πληθυσμών φαινοκρυστάλλων της ίδιας φάσης στα ίδια δείγματα, προτείνεται ότι διεργασίες μίξης μαγμάτων έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη γένεση ορισμένων εμφανίσεων. Τα ηφαιστειακά πετρώματα των πέντε μικρών κέντρων Βόλου - Β. Εύβοιας (Πορφύριο, Μικροθήβες, Αχίλλειο, Λιχάδες νήσοι και Άγιος Ιωάννης) είναι επίσης ενδιάμεσης σύστασης, αλλά έχουν μικρότερη περιεκτικότητα σε Si02 απο τα πετρώματα του Βόρα, και ανήκουν στην υψηλού-Κ ασβεστο-αλκαλική σειρά των Peccerillo and Taylor (1976). Είναι επίσης εμπλουτισμένα στο περιεχόμενο των LILE, LREE και σε άλλα ασύμβατα στοιχεία (Zr, U και Th) αλλά όχι τόσο πολύ όσο μερικά από τα πετρώματα του Βόρα. Χρησιμοποιώντας τα ίδια κριτήρια όπως για το Βόρα, μαζί με κάποια δεδομένα από ισοτοπικές αναλύσεις, συμπεράθηκαν τα ακόλουθα. Κάθε περιοχή αντιπροσωπεύει και ένα γεωχημικά ξεχωριστό μάγμα, αν και δυο περιοχές (Λιχάδες και Άγιος Ιωάννης) πιθανά προήλθαν από την ίδια πηγή. Η διεργασία που δημιούργησε τα πρωτογενή μάγματα θεωρείται ότι ήταν μικροί βαθμοί μερικής τήξης, κάτω από ένυδρες συνθήκες, ενός ετερογενούς ανώτερου μανδύα εμπλουτισμένου σε LILE και LREE. Τα πετρώματα θεωρούνται ότι αντιπροσωπεύουν σχεδόν πρωτογενείς συστάσεις, ενώ οι τυχόν διεργασίες κλασματικής κρυστάλλωσης η μόλυνσης από πετρώματα του φλοιού θεωρούνται είτε ασήμαντες είτε ότι δεν είχαν καμιά ανάμιξη κατά τη διάρκεια της εξέλιξης των πρωτογενών μαγμάτων. Η μερική τήξη επήλθε σαν αποτέλεσμα της υποβύθισης της ωκεάνιας πλάκας του Νοτίου Αιγαίου κάτω από τον ηπειρωτικό φλοιό που υπόκειται των ηφαιστειακών πετρωμάτων. Μερικά από τα μητρικά μάγματα των Λιχάδων νήσων εξελίχθηκαν μέσα από διαδικασίες μίξης μαγμάτων όπως υποδεικνύεται από την παρουσία φαινοκρυστάλλων της ίδιας φάσης αλλά διαφορετικής χημικής σύστασης μέσα στα ίδια δείγματα. Οι λάβες της Αντιπάρου είναι ρυόλιθοι υψηλής περιεκτικότητας σε Si02 και σχετικά υψηλής περιεκτικότητας σε Κάλλιο και Νάτριο. Είναι σημαντικά εμπλουτισμένες σε μερικά ασύμβατα στοιχεία (Rb, Cs, U, Th και Nb) και εξαιρετικά φτωχές σε Ba και Sr. Οι ρυόλιθοι είναι μεταργιλικοί η ελαφρά περαργιλικοί. Τα σχήματα των χονδριτικών διαγραμμάτων μεταβολής των Σπανίων Γαιών παρουσιάζουν σημαντικές αρνητικές ανωμαλίες Ευ και ελαττωμένες περιεκτικότητες των μεσαίων REE. Βάσει των χημικών συστάσεων των κυρίων στοιχείων και των ιχνοστοιχείων, των συστάσεων Norm, των διαγραμμάτων REE, των αρχικών λόγων 87Sr/86Sr, των λόγων K/Rb, Rb/U, Zr/Hf, Zr/Nb και Th/Ta και επίσης από τη σύγκρισή τους με τις συστάσεις του ανώτερου και του κατώτερου φλοιού, με ασβεστο-αλκαλικούς υψηλού-Si02 ρυόλιθους από το ενεργό ηφαιστειακό τόξο του Νοτίου Αιγαίου και με παρόμοιους τοπάζιο-φέροντες ρυόλιθους από τις Δυτικές Η.Π.Α., προτείνεται ότι τα πρωτογενή μάγματα των ρυολίθων της Αντιπάρου προήλθαν από μικρούς βαθμούς μερικής τήξης ενός φελσικού γρανουλιτικού πετρώματος, ευρισκόμενου στο μέσο προς κατώτερο φλοιό, κάτω από συνθήκες είτε άνυδρες είτε υποκορεσμένου νερού. Μετά τη γένεσή τους τα πρωτογενή μάγματα ανήλθαν σε ένα ρηχό μαγματικό θάλαμο όπου διεργασίες κλασματικής κρυστάλλωσης (κυρίως αλκαλικού άστριου και δευτερευόντως πλαγιοκλάστου πλούσιου σε Ab, χαλαζία και σφήνας) επέδρασαν σε σημαντικό βαθμό στην εξέλιξη τους. Η απαιτούμενη θερμότητα για τη τήξη του φλοιού προήλθε από την άνοδο θερμού βασικού μάγματος (που παράχθηκε από την υποβύθιση της ωκεάνιας πλάκας του Αιγαίου) κοντά στη βάση του ηπειρωτικού φλοιού που βρίσκεται κάτω από την Αντίπαρο.