Compositional variations, zoning types and petrogenetic ımplications of low-pressure clinopyroxenes in the neogene alkaline volcanic rocks of northeastern Turkey

Abstract

Doğu Pontidlerde (Kuzeydoğu Türkiye) yüzeyleyen Neojen yaşlı alkalin volkanitlerin farklı kayaç serilerindeki iri ve orta boyutlu klinopiroksen kristalleri, ana magmanın kökeni yanında, onun kristallenme şartlarının ve gelişim tarihçesinin değişik aşamalarını kaydetmiştir. Kristal kimyası çalışmaları, her bir serideki klinopiroksenlerin büyük oranda dokusal ve bileşimsel benzerlik sunduklarını ve ortak bir petrojenetik geçmişe sahip olduklarını ortaya koymuştur. İncelenen klinopiroksenler göreceli olarak yüksek Mg numarasına (0.68–0.95), değişebilir Al2O3 (1.3–9.6 %wt), düşük TiO2 (<2.7 %wt) ve Na2O (<0.9 %wt) içeriklerine ve düşük Al[6]/Al[4] oranına (çoğunlukla <0.25) sahiptir. Dolayısıyla, bu veriler klinopiroksenlerin kristallendiği alkalen magmanın göreceli olarak düşük basınç kristallenme şartlarını destekler. Ayrıca bu klinopiroksenler için hesaplanan basınç değerleri oldukça benzerdir ve 2.4– 4.6 ± 0.9 kbar arasında değişir, ki bu da yaklaşık 7–14 ± 3 km lik bir derinliğe karşılık gelir. Klinopiroksenlerin bileşimsel değişimleri aşağıdaki üç farklı zonlanma türünü ortaya koymuştur: (1) magmanın hızlı soğuması ve kristallenmesine bağlı olarak gelişen dalgalı (osilatuar) ve sektör zonlanma, (2) magmanın değişken sıvı rejimi altında farklı kristalizasyon evreleriyle ilişkili olan dalgalı-ters zonlanma, (3) magmanın kristallenme yoluyla farklılaşmasına bağlı olarak gelişen normal zonlanma. İlksel mantoya ve kondrite göre normalleştirilmiş iz ve nadir toprak element değişimlerine göre, tüm klinopiroksenler yüksek oranda uyumsuz element (La, Ce vs) içeriğine sahiptirler ve negatif yüksek alan enerjili element (Zr, Ti vs) anomalisi sunarlar. Ayrıca düşük Nb/Y (0.1–0.2), Th/Y (< 0.1) ve Rb/Y (< 0.03) oranlarına sahip olmaları, onların benzer bir manto kaynağından türemiş olduklarını gösterir. Elde edilen dokusal ve mineral kimyası verileri, tüm kayaç kompozisyonlarıyla birlikte değerlendirildiğinde, incelenen klinopiroksenlerin daha önceki bir yitimle zenginleşen homojen, litosferik bir mantodan türeyen alkalen bazaltik bir magmadan itibaren kristallenmeye başladıklarını göstermiştir. Bu süreçten sonra, erken kristallenen klinopiroksenlerin bulunduğu alkalen magma kabuğun farklı seviyelerde oluşan kapalı magma odalarında (ya da etkileşim süreçlerinden uzak bir volkanik baca içinde) düşük basınç farklılaşmasına maruz kalmıştır. Ayrıca bu klinopiroksenler, magmanın hızlı yükselimine ve farklılaşmasına bağlı olarak, değişken sıvı rejimi altında farklı kristalizasyon evreleriyle de karşı karşıya kalmışlardır. Magmanın hızla yükselmesine muhtemelen Neojen sürecinde Doğu Pontidleri etkileyen çarpışma sonrası genişlemeye bağlı olarak oluşan tektonik rejim neden olmuştur.

Clinopyroxene phenocrysts and microphenocrysts in different series of the Neogene alkaline volcanic rocks from the eastern Pontides (NE Turkey) record various stages in the crystallization conditions and evolution history of the alkaline melt as well as its origin. Crystal chemical studies reveal that the clinopyroxenes in each rock series show strong textural and compositional similarities, which all reflect a common petrogenetic affinity. They have relatively high Mg-numbers (0.68&amp;#8211;0.95), variable Al2O3 (1.3&amp;#8211; 9.6 wt%), low TiO2 (&lt;2.7 wt%) and Na2O (&lt;0.9 wt%) contents and low Al[6]/Al[4] ratios (mostly &lt;0.25), suggesting relatively lowpressure crystallization conditions of the magma in the storage region. The pressures calculated for the clinopyroxenes in each series are nearly similar and vary in the range of 2.4&amp;#8211;4.6 &plusmn; 0.9 kbars, which approximately corresponds to a crystallization depth of 7&amp;#8211; 14 &plusmn; 3 km. The analyses of the compositional trends of the clinopyroxenes indicate the following types of zoning: (i) oscillatory and sectorial zoning related to melt crystallization (i.e. rapid cooling and crystallization), (ii) oscillatory, reverse zoning related to the different crystallization paths under a variable fluid regime, (iii) normal zoning related to the differentiation and fractional crystallization of the magma. Based on the primitive mantle- and chondrite-normalized trace and rare earth element patterns, all clinopyroxenes have high abundances of incompatible elements (i.e. La, Ce) with negative high field strength element anomalies (i.e. Zr, Ti) and low Nb/Y (0.1&amp;#8211;0.2), Th/Y (&lt; 0.1) and Rb/Y (&lt; 0.03) ratios, suggesting derivation from a similar source. Obtained textural and mineral chemical data, as well as whole-rock compositions, thus suggest that the clinopyroxenes may have started to crystallize from alkaline basaltic magma derived from a homogeneous lithospheric mantle enriched by an earlier subduction event. After this process, the alkaline magma, from which early clinopyroxenes crystallized, underwent a relatively low-pressure fractional crystallization process. This was in closed magma chambers at different levels of the crust (or within a volcanic conduit system devoid of interaction processes), shown by variations in the different crystallization paths and in the fluid regime of the melt during differentiation and ascent of the magma, in a post-collisional extensional tectonic regime which affected the eastern Pontides during the Neogene.