Jurassic magmatism in Patagonia, Mauritania and Mali: Examples of silicic and basaltic Large Igneous Provinces

At the end of the Triassic and during Jurassic times, the Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) with a dominant mafic composition, and the mainly felsic Patagonian Province (PA) were formed in the context of Pangea break-up. CAMP basaltic to basaltic-andesitic dykes and sills from Hank and Hodh, in Mauritania, and Kaarta, in Mali, were emplaced at ca. 197 Ma yielding a signature defined by low to high TiO2-values (0.39 - 2.29 wt.%), Nb-Ta troughs, Pb spikes and enriched Nd-Sr-Pb compositions (143Nd/144Nd201Ma: 0.51224 - 0.51241, 87Sr/86Sr201Ma: 0.70572 - 0.70795, 207Pb/204Pb201Ma: 15.61 – 15.68 208Pb/204Pb201Ma: 38.44 – 38.07 and 206Pb/204Pb201Ma: 18.11 – 18.48). Nb/U ratios (= 12 – 15), tracers of recycled material, combined with enriched isotopic signatures suggest the contribution of continental crust in the origin of these magmas. Differences in the ratios of La/Yb of the whole set suggest the existence of an enriched group in Kaarta (La/YbN>4.3) coupled to increasing ratios of Nb/Zr and Th/Y, probably reflecting lower degrees of partial melting in these rocks. Geochemical compositions revealed in this region indicate a strong affinity to the Taoudenni and Marocco CAMP rocks. As a first approach, a possible distribution of the geochemical signatures in regional districts is here suggested, but should be explored by further studies. A thick sequence of Jurassic magmatic rocks of bimodal composition represents the volcanism of the Patagonia Province (PA). It consists of rhyolitic lava flows and ignimbrites of the Marifil (ca. 189-177 Ma) and Chon Aike (ca. 170 – 153 Ma) Formations (Fm), with a minor andesitic component represented by the Bajo Pobre (BP) (ca. 166 – 154 Ma), Cañadón Asfalto (ca. 179 – 176 Ma) and Lonco Trapial Fm, which in total record a period of magmatic activity of at least 38 Ma. New U-Pb ages on zircons for the Marifil Fm confirm that the first felsic pulse partially coincided with the Karoo-Ferrar magmatic event (ca. 184-174Ma). However, observed differences in the life span of the two Provinces (Karoo 10 Ma, PA: 38Ma) and the geochemical contrast of their products (PA: intermediate-felsic, mainly, Karoo: mafic, mainly) argue against a genetic relation between the two provinces, and thus with a common mantle plume origin. Mafic to intermediate Jurassic volcanism represented by the Cañadon Asfalto (CA) and Bajo Pobre Fm are synchronous to the felsic PA events and display the closest evidence of little evolved mantle-derived melts of the Province. Analysis of Cr-spinel inclusions in Opx-rich rocks with occasional anhedral olivine crystals, show compositions (Mg# 62 - 36; Cr# 46 - 32) in the most primitive Cr-spinel grains, which in terms of Al2O3 (22 – 31 wt.%) and TiO2 (1.3 – 1.3 wt.%) are similar to Cr-spinel from MORBs. Geochemical evidences of the whole set of PA indicate a signature typical of arc magmatism characterized by calc-alkaline affinity, Nb-Ta troughs, LILE enrichment and peraluminous character. Particularly, a group of mafic rocks display high Al2O3 (>16 wt.%) accompanied by high Sr (>400ppm), absence of Eu anomaly, high Sr/Y (86-30) and Gd/Yb (3-1.8) which resemble adakitic magma compositions. Geocheochronological evidences strongly suggest that continuous processes should have ruled the origin of PA more than by sporadic events, whereas geochemical data imply the possible contribution of the oceanic subducted crust and continental material in the production of large amounts of silicic magma. Here we propose an alternative model in which the origin of the PA could be the result of a hybrid tectonic setting derived from the subduction of the young and hot Phoenix plate coupled with extensional regime and continental rift formation caused by the break up of Gondwana.

Alla fine del Triassico e durante il Giurassico si sono formate le grandi province magmatiche (LIP) della Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) e della Patagonia (PA) contemporanee con la rottura della Pangea. Dichi e sills di composizione basaltica e basaltica-andesitica d’età e composizione affine alla CAMP, sono stati riportati nelle regioni di Hank e Hodh, in Mauritania, e di Kaarta in Mali, che sono oggetto della prima parte di questa tesi. I dati geochimici indicano che i campioni sono caratterizzati da variabili contenuti di TiO2 (0.39 - 2.29 wt.%) e da anomalie negative di Nb-Ta e anomalie positive di Pb, accompagnati da una firma arricchita negli isotopi di Nd-Sr-Pb (143Nd/144Nd201Ma: 0.51224 - 0.51241, 87Sr/86Sr201Ma: 0.70572 - 0.70795, 207Pb/204Pb201Ma: 15.61 – 15.68 208Pb/204Pb201Ma: 38.44 – 38.07 e 206Pb/204Pb201Ma: 18.11 – 18.48). I bassi rapporti di Nb/U (= 12 – 15) sono indicatori dell’apporto di materiale crostale, possibilmente riciclato. Questi valori di Nb/U suggeriscono, insieme alle composizioni isotopiche arricchite, un contributo della crosta continentale nella origine dei magmi CAMP in Mauritania e Mali. Variazioni nei rapporti di La/Yb mostrano l’esistenza di un gruppo arricchito tra le rocce di Kaarta (La/YbN> 4.3). Questa osservazione è anche supportata dalle correlazione positive con Nb/Zr e Th/Y e probabilmente riflette minori gradi di fusione parziale del mantello. Le composizione geochimiche osservate in Hank, Hodh e Kaarta, mostrano una forte affinità con le rocce intrusive del bacino di Taoudenni e le colate CAMP del Marocco. La correlazione fra queste regioni, fa pensare a una possibile distribuzione geografica oppure alla presenza di domini geochimici all’interno della CAMP. Comunque, quest’osservazione è basata su una stima qualitativa e per verificarla son necessari ulteriori studi. Il vulcanismo della Provincia è rappresentato da un’importante sequenza di età Giurassica ed è a composizione bimodale. Comprende infatti lave e ignimbriti riolitiche denominate come Formazione Marifil (ca. 189-177 Ma) e Chon Aike (ca. 170 – 153 Ma). Altre formazioni meno voluminose ma non meno importanti sono rappresentate dall’andesite della Formazione Bajo Pobre (BP) (ca. 166 – 154 Ma), e dai i basalti di Cañadón Asfalto (ca. 179 – 176 Ma) e Lonco Trapial. L’attività magmatica registrata per questa Provincia dura al meno per 38 Ma. Nuove datazioni U-Pb ottenute in questo progetto, confermano l’età delle rioliti di Marifil, che rappresentano quindi l’attività più antica della Provincia, comparabile solo parzialmente con le età conosciute per la LIP del Karoo (ca. 184 – 174 Ma). Le differenze geochimiche e di durata fra queste due LIP (Karoo: ca. 10 Ma e un magmatismo mafico, PA: 38 Ma e un magmatismo dominante acido) non appoggiano l’ipotesi d’un origine comune eventualmente da un mantle-plume unico. Lo studio del vulcanismo mafico – intermedio, rappresentato dalle Formazione Cañadon Asfalto (CA) e Bajo Pobre (BP), è stato sviluppato in questa tesi con l’obiettivo di conoscere le caratteristiche dei magmi meno evoluti che potrebbero portare informazioni sull’ambiente tettonico in cui si è formata la provincia. Con questo fine sono stati realizzati analisi di cromiti incluse in cristali di ortopirosseno e olivina. Le composizioni trovate nei cristali più primitivi (Mg# 62 – 36 e Cr# 46 – 32) di queste formazioni sono quasi identiche anche se sono geograficamente distanti. Il loro contenuto di Al2O3 (22 – 31 wt.%) e TiO2 (1.3 – 1.3 wt.%) è simile alla composizione di Cr-spinelli nei MORB. I dati geochimici in queste rocce, evidenziano una firma d’arco magmatico caratterizzata da una composizione calco-alcalina, anomalie negative di Nb-Ta, arricchimento di LILE e un’affinità peraluminosa. In particolare, alcune rocce mafiche mostrano alti valori di Al2O3 (>16 wt.%) e di Sr (>400ppm), assenza dell’anomalia di Eu e alti rapporti di Sr/Y (86-30) e Gd/Yb (3 - 1.8) comparabili alle composizione di magmi adakitici. La continua attività magmatica registrata dalla PA suggerisce che l’origine di queste rocce sia stato relazionata a processi costanti per almeno 38 Ma, più che ad eventi sporadici e di corta durata. Le evidenze geochimiche qui sposte suggeriscono il contributo di crosta oceanica e materiale continentale nell’origine di questa LIP. Perciò si propone un modello alternativo per l’origine della PA chesarebbe il risultato di un ambiente tettonico ibrido tra la subduzione di una placca giovane e calda che fonde (la placca Pheonix) e un regime distensivo relazionato alla disgregazione della Gondwana.