Geoquímica elementar e isotópica (He e Ne) das lavas máficas da Ilha Terceira : Evidências para uma origem profunda da pluma dos Açores

Abstract

A ilha Terceira é parte integrante do Arquipélago dos Açores e situa-se sobre a fronteira entre as placas litosféricas NUBlA e Euro-Asiática interpretada como uma crista de expansão oceânica (Rifte da Terceira). As lavas que afloram à superfície variam desde os termos basálticos a riolíticos (Si02 entre 47 e 70%), encontrando-se as lavas máficas associadas a três sistemas vulcânicos principais: Cinco Picos, Santa Bárbara e FissuraI, sendo estes dois últimos considerados como presentemente activos. A maioria das lavas máficas projecta-se, no diagrama TAS, acima das divisórias propostas para a distinção entre magmas alcalinos e sub­ alcalinos. No entanto, o facto de serem simultaneamente caracterizadas pela presença de olivina e hiperstena normativas, confere-lhes um carácter transicional que se encontra também expresso nos valores da razão Y/Nb (1 a 1.48). Diferentes graus de evolução magmática encontram-se associados a cada um dos sistemas vulcânicos: o sistema Fissural engloba o conjunto das lavas da ilha Terceira com características mais primitivas (por vezes com Ni≥ 270 ppm; Mg#≥ 72), enquanto que a série vulcânica de Santa Bárbara apresenta um espectro composicional significativamente mais evoluído que se estende desde os termos basálticos até aos benmoreítos. O conjunto das lavas associadas ao sistema vulcânico dos Cinco Picos apresenta características intermédias entre aqueles dois extremos. A diversidade composicional intra-sistema pode ser justificada pela ocorrência de processos de cristalização fraccionada. Para o conjunto de lavas associado ao sistema vulcânico Fissural, a percentagem de fraccionação foi estimada em cerca de 59°/o, envolvendo olivina (~45o/o), clinopiroxena (~50%) e plagioclase (~5°/o). Um valor semelhante foi obtido para o sistema vulcânico de Santa Bárbara (F~47%), associado à fraccionação de clinopiroxena (~50%), plagioclase (~40%) e óxidos de Fe e Ti (~10%). A temperatura e pressão a que se terá iniciado a cristalização dos magmas durante a sua ascensão para a superfície, foram estimadas a partir da análise de fenocristais de olivina e clinopiroxena em equilíbrio com a composição expressa pela análise de rocha total. Os resultados obtidos sugerem que o início da cristalização dos magmas associados ao sistema vulcânico Fissura! ocorra em domínios mantélicos situados entre 15 e 30 km de profundidade. Para o sistema vulcânico de Santa Bárbara, os dados são compatíveis com a instalação de câmara(s) magmática(s) a profundidades entre 8 e 15 km, ou seja, na transição crosta-manto. A crosta poderá, assim, ter actuado como um filtro de densidade que terá impedido a ascensão de magmas primários para a superfície que, no caso do sistema vulcânico Fissural, terá sido facilitada pelo regime de tensão imposto pelo desenvolvimento do Rifte da Terceira com o qual se encontra associado. A percentagem de fusão parcial foi estimada a partir das lavas mais primitivas associadas ao sistema vulcânico Fissural, tendo-se obtido valores variáveis entre 5 e 12%. Os dados de geoquímica elementar comprovam a existência de heterogeneidades da fonte mantélica, permitindo reconhecer uma assinatura HIMU nas lavas associadas ao sistema vulcânico de Santa Bárbara e a influência de componentes EM nas lavas associadas ao sistema Fissural. Para o sistema vulcânico dos Cinco Picos é possível reconhecer uma assinatura intermédia entre os extremos definidos pelos sistemas FissuraI e de Santa Bárbara. A julgar pelos dados isotópicos de He e Ne obtidos, a presença do Componente DMM assume um carácter predominante. A temperatura estimada para a extracção magmática indica a existência de excessos de temperatura (T = 100-170 °C) relativamente à temperatura que normalmente caracteriza a astenosfera (1280 °C), os quais suportam a presença de uma pluma mantélica nos Açores. O enriquecimento em elementos incompatíveis e, em particular, o carácter fraccionado obtido para o perfil das terras raras [(La/Yb)n = 7.4-11.3] das lavas da ilha Terceira aponta para a presença de granada na fonte mantélica. As profundidades estimadas para a extracção magmática com base nos elementos maiores fornecem, contudo, valores entre 50 e 65 km de acordo com a zona de estabilidade da espinela. Esta discrepância pode ser justificada pela proximidade da ilha Terceira à crista média Atlântica e, consequentemente, pela reduzida espessura da litosfera (provavelmente inferior a 50 km) que suporta o edifício insular. Assim, ainda que a fusão parcial da pluma mantélica se tenha iniciado na zona de estabilidade da granada (a profundidades superiores a 75 km), a reduzida espessura da litosfera possibilitou que a fusão tivesse continuado até profundidades caracterizadas pela presença de espinela. As assinaturas isotópicas de He e Ne obtidas para as lavas da ilha Terceira, permitem validar o modelo de pluma mantélica aplicado ao hotspot dos Açores. Ainda que as razões isotópicas 4 HePHe apresentem, frequentemente, valores próximos do limite inferior normalmente admitido para os MORB (80000-10000), por vezes obtêm-se valores claramente abaixo daquele limite (4HePHe 65500). A contribuição de um reservatório mantélico de características relativamente primitivas (normalmente interpretado como representativo do manto inferior) é, contudo, inequivocamente demonstrada pelas assinaturas isotópicas de Ne obtidas pela primeira vez para o arquipélago [(21Ne/22 Ne)corr = 0.052]. As características isotópicas de He e Ne foram interpretadas de acordo com um modelo de mistura entre um componente pluma e um componente do tipo MORB. Os resultados apresentados permitiram enfatizar a maior eficácia das assinaturas de Ne, relativamente às de He, na identificação de componentes de assinatura "primitiva" em situações de mistura dominadas por um componente do tipo MORB. **** ABSTRACT: The Terceira lsland belongs to the Azores archipelago and is located on the lithospheric plate boundary interpreted as an oceanic rift (Terceira rift) that separates the Nubia and the Eurasia plates. The exposed lavas range in composition from basalts to rhyolites terms (Si02 between 47 and 70%). The mafic lavas are related to three main volcanic systems: Cinco Picos, Santa Bárbara and Fissural, the last two being presently active. ln the TAS diagram the mafic lavas plot in the alkaline magmas field. Nevertheless, the presence of normative olivine and hyperstene allowed the classification of these magmas as transitional that is also supported by the Y/Nb ratio (1-1.48). Each volcanic system presents a different degree of magmatic evolution: the Fissural system contains the more primitive set of lavas (Ni and Mg# up to 270 ppm and 72 respectively) while the Santa Bárbara system exhibits a more evolved compositional spectrum, varying between the basalts and the benmoreites. The lavas from Cinco Picos have intermediate characteristics between these two extremes. The compositional diversity within each system may be related to the occurrence of fractional crystallization processes. For the lavas of the Fissural volcanic system the amount of fractionation was estimated to be around 59% with the participation of olivine (~45%), clinopyroxene (~50%) and plagioclase (~5%). Similar values were obtained to the volcanic system of Santa Bárbara (F~47%) related to the fractionation of clinopyroxene (~50%), plagioclase (~40%) and Fe-Ti oxides (~10°/o). The temperature and pressure at the beginning of the magma crystallization were calculated from the analysis of olivine and clinopyroxene phenocrysts in equilibrium with the whole-rock composition. The results for the Fissural system suggest that the first stages of crystallization occurred in the mantle between 15 and 30 km depth. For the Santa Bárbara volcanic system, the data are compatible with the installation of magmatic chamber(s) at depths of 8 to 15 km, at the crust-mantle transition. The crust could thus have acted as a density filter preventing the rise of primary magmas towards the surface. The rise of the magmas related to the Fissural volcanic system has been facilitated by the stress regime associated to the development of the Terceira rift. Using the lavas from the Fissural system, the amount of partial fusion was estimated to vary between 5 and 12%. The elemental geochemistry proved the existence of heterogeneities in the mantle source with a HIMU signature for the Santa Bárbara system and the influence of an EM signature to the Fissural system. The He and Ne isotopic data show, however, the DMM as a predominant component. The estimated temperature for the magmatic extraction shows the existence of a temperature excess (T = 100-170°C) relatively to the astenosphere (1280°C). This excess is a strong indication for the existence of a mantle plume controlling the volcanism of Azores. The observed enrichment of the incompatible elements and the fractionated character of the rare-earth elements pattern [(LaNb)n = 7.4-11.3] is coherent with the presence of garnet in the mantle source. However, the estimated depths for the magmatic segregation based on the major elements are between 50 and 65 km within the spinel stability zone. This discrepancy can be justified by the proximity of the Terceira lsland with the mid-Atlantic ridge that implies a thin lithosphere (less than 50 km) underneath the islands. Although the fusion started in the garnet stability zone (deeper than 75 km), the small lithosphere thickness allowed the fusion to continue through the spinel stability zone. The He and Ne isotopic signatures for the Terceira lsland lavas agree with the mantle plume model for the Azores hotspot. Although the 4 HePHe isotopic ratios frequently have values close to the admissible lower limit for the MORB basalts (80000-10000) some values were obtained below this limit (4 He/3He ≤65500). The contribution of a mantle reservoir with primitive characteristics (usually interpreted as representative of the lower mantle) is demonstrated, without reservation, by the Ne isotopic signatures, determined for the archipelago for the first time in this work [(21Ne/2Ne)corr = 0.052]. The He and Ne isotope characteristics were interpreted to be the result of a mixture between a mantle plume component and a MORB type component. The presented results put in evidence the higher efficiency of Ne isotopes, relatively to He isotopes, for the identification of a "primitive" signature in mixtures dominated by the MORB component.