background image

GEOLOGICA CARPATHICA,  49, 1, BRATISLAVA,  FEBRUARY 1998

5–14

PRELIMINARY RESULTS FROM ROCK MAGNETIC ANALYSES

OF QUATERNARY AND TERTIARY BASALTS

FROM THE GULF COAST OF MEXICO

JOHN-PAUL J. POLLARD

1

, GRAHAM J. SHERWOOD

1

 and HARALD BÖHNEL

2

1

School of Biological and Earth Sciences, Liverpool John Moores University, Byrom Street, Liverpool L3 3AF, UK

2

Instituto de Geofisica, UNAM, Cd. Universitaria, 04510 Mexico-City, Mexico

(Manuscript received March 18, 1997; accepted in revised form December 11, 1997)

Abstract: As the foundation for a paleomagnetic study of the Gulf Coast of Mexico, rock magnetic measurements

were carried out on basaltic samples from 40 sites in the Gulf Coast region. Strong-field thermomagnetic and hyster-

esis techniques as well as room and low temperature susceptibility analyses were employed. These measurements

show  that  the  samples  contain  titanomagnetites  with  domain  states  from  single-  to  multi-domain,  with  few

superparamagnetic grains. Most samples have undergone at least partial deuteric oxidation though a significant quan-

tity have not. The titanomagnetites have a range of compositions from Ti-poor to Ti-rich, where the latter appear to

have endured varying degrees of maghematization.

Key words: Mexico, Gulf Coast, basalts, rock magnetism.

probably associated with the occurrence of north–south rift-

ing along the border of the coastal plain and Altiplano regions

9–3 Ma ago (Cantagrel & Robin 1979; Robin 1982).

Introduction and geological setting

As  part  of  a  project  to  determine  paleomagnetically  the

long-term tectonic characteristics of the Gulf Coast of Mex-

ico, samples have been taken from various localities within

the Gulf Coast region for rock magnetic investigation. This

investigation is needed to give a detailed knowledge of the

magnetic  mineralogy  and  domain  states  of  the  magnetic

minerals as it is essential that the rock is carrying a primary

remanent magnetization for tectonic reconstruction.

The study area (see Fig. 1 and Tables 1a and 1b) includes

the eastern end of the Trans-Mexican Volcanic Belt (TMVB)

and a large portion of the Eastern Alkaline Province (EAP) as

described by Robin (1976, 1982) and Thorpe (1977). The vol-

canism of the TMVB is related to subduction of the Rivera

and  Cocos  plates  along  the  Middle  America  Trench  (Nixon

1982; Burbach et al. 1984; Nixon et al. 1987; Böhnel 1997).

The TMVB itself is composed of Tertiary volcanic and intru-

sive rocks of andesitic and basaltic composition. The part of

the TMVB in the study area is made up primarily of andesites

and  dacites  with  ages  less  than  15  Ma  (Cantagrel  &  Robin

1979). The EAP is a discontinuous belt of associated alkaline

and hyperalkaline magmatic suites that lie between the Trans-

Pecos  province,  southern  Texas,  and  the  Tuxtla  Massif,

southern Veracruz. EAP volcanism extended southward dur-

ing late Tertiary times. The alkaline lavas of Texas have ages

between  43  and  16  Ma  (Parker  &  McDowell  1973;  Barker

1977).  In  Mexico  alkaline  magmatism  began  in  Oligocene

times in the north, in the Miocene in the central zone, and in

Pliocene–Quaternary  times  in  the  south  (Robin  &  Tournon

1978;  Cantagrel  &  Robin  1979).  The  EAP  suites  are  of

Pliocene–Quaternary age within the study area, and are com-

posed  of  a  range  of  alkaline  rocks  including  nephelinites,

basanites and alkali basalts (Thorpe 1977; Robin & Tournon

1978).  The  cause  of  the  EAP  volcanism  is  uncertain  but  is

Fig.  1.  Map  showing  the  general  geology  of  the  study  area  and

sample site locations (after Cantagrel & Robin 1979). EAP—east-

ern  alkaline  province;  TMVB—trans-Mexican  volcanic  belt;

MAT—middle america trench (inset map).

background image

6                                                                         POLLARD, SHERWOOD and BÖHNEL

Table 1a: Site location with rock type and approximate age for EAP sites. Sites MOL A and MOL B are from the same location but are

slightly different rock types.

EAP SITES

Site

Location

General rock type and approx. age.

TEC

19°75.94N, 96°55.57W

Fine grained basalt with occasional small (< 2 mm diam.) vesicles. Quaternary.

DED

19°80.84N, 96°53.67W

Fine grained basalt containing very small (< l mm diam.) vesicles. Quaternary.

SAN

19°86.69N, 96°50.69W

Fine grained basalt with some yellow alteration. Rare vesicles. Quaternary.

POZ

20°47.35N, 97°63.84W

Very fine grained basalt with rare vesicles. Late Tertiary.

MIC

22°77.03N, 98°57.62W

Very fine grained basalt containing no vesicles. Late Tertiary.

BAR

22°95.24N, 97°85.76W

Fine grained basalt. No vesicles. Signs of alteration in some samples. Late Tertiary.

STV

22°94.01N, 97°95.55W

Basalt containing mostly fine grains but with some larger (>2 mm diam.) crystals.

Late Tertiary.

ALE

22°93.90N, 97°95.58W

As STV

NTI

22°93.57N, 97°97.55W

As STV

ALD

22°99.19N, 98°05.42W

Very fine grained basalt. No vesicles. Late Tertiary.

ALT

21°02.26N, 98°61.85W

Basalt with many yellow alterations. Fine grained with occasional large elongate

vesicles. Late Tertiary.

ARD

20°97.00N, 98°65.81W

Very line grained basalt containing no vesicles. Late Tertiary.

MOL A

20°79.17N, 98°72.32W

Basalt with many white alterations. Mostly fine grained with some larger crystals.

Tertiary.

MOL B

(Location as MOL A)

Yellowish coloured igneous rock with large crystals in a finematrix. Very altered.

Late Tertiary.

FLO

20°59.13N, 98°62.19W

Light grey flow textured igneous rock with occasional small vesicles.

Very fine grain size. Late Tertiary.

HUA

20°55.76N, 98°62.22W

Fine grained basalt containing some small vesicles. Late Tertiary.

TMVB SITES

Site

Location

General rock type and approx. age.

MET

20°43.84N, 98°67.45W

Basalt with orange coloured alterations. Fine grain size but with some larger

(>1 mm diam.) crystals. Late Tertiary.

ZQU

20°40.98N, 98°68.56W

Fine grained basalt with many small vesicles, and occasional large

(>2 mm diam.) ones. Tertiary.

ATO

20°38.69N, 98°72.04W

Fine grained basalt with vesicles of 1–2 mm diam. Late Tertiary.

DYK

20°16.76N, 98°65.06W

Fine grained basalt with vesicles of 1–2 mm diam. Late Tertiary.

FUD

20°15.58N, 98°65.28W

As DYK but more altered appearance. Late Tertiary.

PAC

20°13.36N, 98°70.09W

As FUD.

TEO

19°40.11N, 96°97.45W

Very fine grained basalt containing some small (< l.5 mm diam.) vesicles. Quaternary.

CEL

19°40.08N, 96°97.23W

Fine grained basalt with elongate vesicles. Quaternary.

TUZ

19°38.98N, 96°87.11W

Fine grained basalt with a few larger (approx. l mm diam.) crystals.

Some rare vesicles. Quaternary.

ORI

18°94.17N, 97°41.91W

Fine grained basalt with some larger (approx. 1 mm diam.).

Abundant small elongate vesicles. Quaternary.

ZAB

18°95.25N, 97°42.02W

Very fine grained basalt containing some very small vesicles.

Some pale alterations evident. Quaternary.

PIZ

19°54.06N, 98°12.33W

Fine grained basalt containing many small (<1 mm diam.) vesicles.

Slightly weathered. Late Tertiary.

TLA

19°63.54N, 98°l 1.69W

Fines grained basalt containing small vesicles. A few larger elongate vesicles

exist in some samples. Late Tertiary.

SAM

19°63.88N, 98°10.79W

Fine grained basalt with some slightly larger crystals. Some small elongate vesicles exist

within the basalt. Late Tertiary.

GAS

19°65.69N, 98°09.31W

Fine grained basalt with rare small vesicles. Late Tertiary.

RED

19°77.31N, 98°50.65W

Fine grained basalt matrix surrounding some larger (>lmm diam.) pale crystals.

A few very small vesicles. Late Tertiary.

PAN

19°77.03N, 98°50.39W

As RED.

MID

19°77.20N, 98°50.48W

As RED.

MAR

19°78.34N, 98°51.74W

As RED plus some samples have abundant large (>2 mm across) vesicles whilst others

have none. Late Tertiary.

POC

19°77.49N, 98°51.68W

As MAR.

SAH

19°77.29N, 98°57.25W

Fine grained basalt with many vesicles between 1 and 5 mm+ across. Late Tertiary.

GUN

19°77.28N, 98°57.34W

As SAH.

BUG

19°83.54N, 98°57.04W

Very fine grained basalt containing no vesicles. Late Tertiary.

TAC

19°83.39N, 98°45.60W

Very fine grained basalt which contains many very small (< l mm diam.) vesicles. Late

Tertiary.

RIO

19°80.20N, 98°50.52W

Fine grained basalt with a locally inconsistent distribution of large and smaller vesicles.

Obvious white and red coloured alterations. Late Tertiary.

Table 1b: Site location with rock type and approximate age for TMVB sites.

background image

PRELIMINARY  RESULTS  FROM  ROCK  MAGNETIC  ANALYSES  OF  BASALTS                                     7

A total of 40 sites were selected within both the TMVB

and EAP from which samples were taken of predominantly

basaltic late Miocene to Quaternary rocks.

Sampling and laboratory methods

Sampling  sites  (see  Fig.  1)  were  selected  according  to

rock  age,  freshness  and  accessibility  of  the  exposure.  A

petrol-driven  water-cooled  rock  drill  was  used  to  take  be-

tween six and ten 2.5 cm cores from each site. Each of these

were  then  orientated  in  situ  using  a  clinometer,  magnetic

compass  and,  where  possible,  a  sun  compass.  The  cores

were prepared for laboratory analysis using a water-cooled

rock saw  to cut them into 23 mm long samples.

Various rock magnetic laboratory techniques employed for

this study  include hysteresis parameters, strong-field thermo-

magnetic analysis, plus low- and room-temperature suscepti-

bility measurements.

Hysteresis parameters were obtained using a Molspin vi-

brating sample magnetometer (VSM) with a maximum field

of 1 T. The parameters determined were: saturation magne-

tisation,  M

S

;  saturation  remanence,  M

RS

;  coercive  force,

H

C

; and the ratio M

RS

/M

S

. A computer controlled horizontal

Curie  balance  was  employed  to  measure  strong-field  mag-

netization  from  room  temperature  to  700 

o

C    in  a  field  of

0.35 T. From the thermomagnetic curve produced, the Curie

temperature was estimated using the method of Grommé et

al. (1969), and the change in magnetization at 100 

o

C (RM)

due  to  heating  was  determined.  Low  temperature  suscepti-

bility analyses were carried out by measuring the variation

of low-field susceptibility from liquid nitrogen temperature

(78 K)  to  room  temperature(293 K).  These  measurements

were  done  using  a  computer-controlled  Bartington  MS2

susceptibility  meter  with  a  water-jacketed  probe.  The  rela-

tive  susceptibility  values  (RS)  were  calculated  from  the

temperature versus susceptibility curves. Room temperature

susceptibility  measurements  were  carried  out  using  a  Bar-

tington MS2 susceptibility meter. A dual frequency Barting-

ton MS2B probe allowed the measurement of low (0.46 kHz)

and  high  (4.6  kHz)  frequency  susceptibility.  Mass  suscepti-

bility was calculated for each sample at each frequency. The

use of the dual frequency meter also enabled the calculation

of frequency dependant susceptibility (

χ

fd%).

Results

Hysteresis  parameters

The data gained from the VSM (Table 2) show that the val-

ues  of  M

are  spread  between  0.004–2.04  Am

kg

-1

,  though

most of the samples are in the range 0.2–1.21 Am

kg

-1

. Such

values show there is a significant concentration of magnetic

minerals within most of the samples.

Values  for  the  ratio  M

RS

/M

S

  permit  the  determination  of

whether  a  sample  contains  multi-domain  (MD  —  M

RS

/M

S

<0.05), single-domain (SD — M

RS

/M

 ca. 0.5), or a mixture

of both types of material (0.05<M

RS

/M

S

<0.5) as suggested by

O’Reilly (1984). The data gained show a broad range of val-

ues  between  0.06–0.46  which  indicates  that  the  majority  of

the  samples  have  a  mixture  of  MD  and  SD  grains,  though

there are samples that are almost completely MD or SD. Co-

ercive force (H

C

) values are distributed evenly between 3.38

and  27.64  mT.  Some  samples  exhibit  slightly  wasp-waisted

loops (e.g. SAH 8, Fig. 2) probably due to two different popu-

lations of grains, one with hard and one with soft coercivity.

The  hysteresis  loops  of  other  samples  such  as  POZ 7  show

magnetic behaviour dominated by paramagnetic material, as

identified by stretched loops (see Fig. 2).

Strong-field thermomagnetic behaviour

Samples from each site had their strong-field thermomag-

netic behaviour determined and the results are listed in Ta-

ble 3. The types of thermomagnetic behaviour exhibited by

the samples have been classified into different groups. The

classifications chosen have been adapted from the methods

used by Mankinen et al. (1985) and Sherwood (1988).

Type 1 curves (Fig. 3) show a single ferrimagnetic phase

with  a  low  to  intermediate  (<500 

o

C)  Curie  temperature.

There  is  a  marked  difference  between  heating  and  cooling

curves with an increase in Curie temperature and magneti-

zation in the cooling phase, and therefore the samples have

RM values of >1. These type 1 curves are divided into two

subgroups:  in  type1a  the  Curie  temperature  on  the  cooling

curve has irreversibly increased to a high temperature phase

(>500 

o

C),  but  there  is  no  disproportionation  peak  upon

heating.  Note  that  RM  values  for  samples  of  site  POZ  are

Fig.  2.  Hysteresis  curves  of  two  samples:  SAH  8    shows  a  wasp

waisted loop whilst the curve of POZ 7 is dominated by paramag-

netic material.

SAH 8

POZ 7

background image

8                                                                         POLLARD, SHERWOOD and BÖHNEL

anomalously  high  and  are  subsequently  labelled  type 1a*.

Type 1b curves are almost identical to type 1a curves except

that  a  disproportion  peak  is  present  on  the  heating  curve.

These type 1 curves are interpreted as Ti-rich titanomagne-

tites which cooled so quickly that no high temperature deu-

teric oxidation took place, but have since been subjected to

low temperature oxidation (maghemitization). The extent of

maghemitization is greater in type 1b samples. The fact that

LFMS

HFMS

% FDS

RS

Ms

Mrs [=SIRM] Mrs/Ms

Hc

Site

10

-8

 (m

3

kg

-1

) 10

-8

 (m

3

kg

-1

)

(?fd%)

(?

78

/?

298

)

(Am

2

/kg)

(Am

2

/kg)

(Am

2

/kg)

(mT)

EAP SITES

TEC

1327.12

1312.09

 0.50

1.08

1.04

0.29

0.28

27.19

DED

  414.34

  414.36

-0.01

0.51

0.43

0.06

0.14

  8.01

SAN

  790.14

  781.70

 1.07

0.42

0.58

0.09

0.16

  6.22

POZ

  279.99

  283.44

-1.10

0.67

0.11

0.03

0.24

  9.69

MIC

2141.99

2138.70

 0.16

0.55

2.04

0.41

0.20

17.72

BAR

  900.85

  902.37

-0.16

0.25

0.76

0.05

0.07

  3.90

STV

  533.71

  537.98

-0.62

0.20

0.46

0.03

0.06

  3.38

ALE

  764.24

  764.81

-0.24

0.52

0.42

0.03

0.07

  3.87

NTI

  618.11

  618.75

-0.16

0.74

0.60

0.08

0.13

14.54

ALD

  564.17

  564.54

-0.06

0.53

0.50

0.07

0.14

16.17

ALT

  382.51

  380.30

 0.39

1.41

0.40

0.08

0.22

21.80

ARD

1314.16

1304.82

 0.85

0.46

0.68

0.11

0.17

  5.82

MOL A

  415.36

  416.54

-0.29

0.95

0.65

0.15

0.23

16.62

MOL B

      7.50

      7.34

 1.85

0.64

  0.007

    0.0011

0.20

18.10

FLO

  130.57

  130.52

 0.08

0.80

0.26

0.08

0.29

21.95

HUA

    93.33

    92.72

 0.66

1.13

0.20

0.09

0.46

27.64

TMVB SITES

MET

  104.76

  102.23

 2.86

1.25

0.09

0.02

0.22

16.50

ZQU

  117.31

  115.75

 1.28

1.45

0.17

0.05

0.27

14.27

ATO

  186.55

  186.13

 0.23

2.41

0.34

0.09

0.26

24.76

DYK

    43.46

    43.15

 0.90

0.63

0.04

0.01

0.26

24.88

FUD

    11.97

    11.89

 0.72

1.05

  0.004

    0.0008

0.20

10.30

PAC

    26.23

    25.84

 1.75

0.01

    0.0027

0.20

17.00

TEO

  669.40

  669.36

 0.00

1.28

0.85

0.07

0.08

  5.95

CEL

  427.56

  426.92

 0.15

1.15

0.90

0.15

0.17

12.74

TUZ

  292.96

  290.89

 0.71

1.12

0.50

0.06

0.11

  9.07

ORI

   606.98

  606.43

 0.10

1.02

1.20

0.23

0.19

17.30

ZAB

   618.93

  619.02

 0.01

1.14

1.12

0.17

0.15

11.66

PIZ

  607.32

  602.72

 0.96

1.12

0.79

0.20

0.25

20.82

TLA

  327.82

  327.42

 0.12

0.55

0.73

0.18

0.24

18.30

SAM

  214.51

  212.17

 1.20

0.60

0.37

0.12

0.32

13.35

GAS

  355.86

  355.41

 0.11

0.74

0.63

0.09

0.14

  9.94

RED

  474.94

  474.32

 0.15

1.19

1.06

0.17

0.16

13.76

PAN

  382.04

  381.05

 0.32

0.50

0.82

0.14

0.17

12.17

MID

  559.48

  559.57

-0.02

0.58

1.21

0.23

0.19

14.82

MAR

  261.50

  262.30

-0.28

0.35

0.59

0.12

0.20

  7.99

POC

  290.60

  289.38

 0.39

0.44

0.64

0.16

0.25

11.18

SAH

  238.10

  237.19

 0.40

0.47

0.52

0.18

0.34

18.29

GUN

  246.70

  245.48

 0.65

0.73

0.78

0.26

0.33

25.05

BUG

  212.63

  213.53

-0.42

1.55

0.38

0.08

0.20

17.67

TAC

  411.35

  410.40

 0.25

1.13

0.88

0.11

0.13

14.91

RIO

  509.69

  508.65

 0.22

1.17

1.03

0.12

0.12

11.47

Table 2:  Hysteresis, susceptibility and low temperature susceptibility properties of sites sampled. LFMS — low-field mass susceptibility;

HFMS — high-field mass susceptibility; % FDS — percentage frequency dependent susceptibility; RS — relative susceptibility; Ms — satu-

ration magnetization; Mrs — saturation remanent magnetization; Hc — coercive force. Note, all susceptibility figures are site mean values.

these  measurements  were  not  performed  in  a  vacuum  or  a

nitrogen  atmosphere  does  make  it  possible  that  these  sam-

ples were oxidized during the experiment. However, it is as-

sumed that this is unlikely due to the small number of sam-

ples that exhibit this behaviour.

Type 2 curves (Fig. 4) show a single ferrimagnetic phase

with a high Curie temperature, and a decrease in magnetiza-

tion after heating. This type has been subdivided according to

background image

PRELIMINARY  RESULTS  FROM  ROCK  MAGNETIC  ANALYSES  OF  BASALTS                                     9

rich.  Consequently,  it  is  inferred  that  the  Ti-poor  phase  is

caused by the high temperature deuteric oxidation of a Ti-rich

titanomagnetite  to  a  Ti-poor  titanomagnetite  containing  il-

menite lamellae.

Type 3 curves (Fig. 5) are similar in most respects to type

2 curves i.e. they exhibit a single ferrimagnetic phase with a

high  Curie  point.  The  only  difference  between  these  and

type  2  curves  is  that  the  cooling  curve  crosses  the  heating

curve and therefore the magnetization after cooling is slight-

ly  higher  than  that  noted  upon  heating.  Despite  this  slight

difference, the magnetic phase for type 3 curves is assumed

to originate by the same process as that of type 2 curves.

Fig. 4. Examples of all type 2 Curie curves.

Fig. 3. Examples of all type 1 Curie curves.

the degree of irreversibility where type 2c is more irreversible

than type 2b which is more irreversible than type 2a. Type 2a

curves have similar shaped heating and cooling curves where

RM values are between 0.9 and 1 (a <10 % decrease in mag-

netization upon cooling at 100 

o

C). The heating and cooling

curves of the type 2b plots are similarly shaped but have RM

values of <0.9. Type 2c curves also have RM values of <0.9

but exhibit a marked difference in curve shape between heat-

ing and cooling. The production of this type 2 magnetic phase

is inferred to have been caused by the presence of a Ti-poor

titanomagnetite. This  Ti-poor phase is unlikely to have been

of primary origin as primary titanomagnetites tend to be Ti-

PAN 5 (Type 1a) 

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetization

Heating
Cooling

POZ 3 (Type 1a*) 

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetization

Heating
Cooling

STV 5 (Type 1b)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetization

Heating
Cooling

MIC 7 (Type 2c)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

M

agnetizatio

n

Heating
Cooling

TEC 7 (Type 2b)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

M

agnetis

atio

n

Heating
Cooling

TEO 7 (Type 2a)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

M

agnetizatio

n

Heating
Cooling

background image

10                                                                         POLLARD, SHERWOOD and BÖHNEL

Table 3:  Strong-field thermomagnetic properties and low temperature susceptibility groupings of selected samples. Tc1 and Tc2 — Curie

temperatures; Curie type — classification as described in text; RM — the ratio at 100 

o

C of magnetization during cooling to magnetiza-

tion during heating; LT

χ

 Gp. — low temperature susceptibility group.

Tc 1

Tc 2 Curie

LT?

Tc 1

Tc 2

Curie

LT?

Samples

(°C)

(°C)

 type

RM

Gp.

Samples

(°C)

(°C)

type

RM

Gp.

EAP SITES

TEC3

580

2b

0.78

3

ALE3

290

1a

1.53

1

TEC7

570

2b

0.66

3

ALE4

590

2a

0.90

 3/1

DED2

335

540

4b

1.21

1

NTI2

600

2b

0.86

 3/1

DED6

315

545

4b

1.25

1

NTI6

335

1b

1.34

 1/3

SAN3

185

500

4b

1.93

1

ALD7

485

3

1.09

 3/1

SAN5

190

575

4a

1.10

1

ALD1

530

2a

1.01

1

POZ3

310

1a*

7.27

4

ALT5

200

585

4b

1.21

1

POZ8

315

1a*

5.00

4

ALT4

570

2b

0.67

2

MIC1

560

2c

0.84

1

ARD7

180

1a

1.79

1

MIC7

560

2c

0.79

1

ARD2

320

535

4a

1.02

2

BAR2

310

570

4b

1.26

1

MOL5

BAR9

375

1a

1.76

1

FLO3

580

2b

0.68

1

STV5

325

1b

1.56

1

FLO6

570

2b

0.65

STV6

325

1b

1.52

1

HUA2

330

595

4b

1.73

HUA6

340

575

4b

1.66

TMVB SITES

MET3

590

2b

0.84

SAM5

260

1a

1.89

1

MET6

550

2b

0.86

SAM2

210

530

4b

1.22

1

ZQU1

625

2b

0.82

GAS4

545

2a

0.94

ZQU4

580

2a

0.97

2

GAS6

570

2a

0.93

1

ATO3

560

2b

0.86

2

RED3

530

2a

1.00

3

ATO7

560

2b

0.78

2

RED8

580

2b

0.85

3

DYK4

585

2a

0.94

PAN1

340

550

1a

1.28

1

DYK8

PAN5

305

1a

1.52

1

FUD3

MID5

325

550

4b

1.21

1

PAC2

MID3

330

560

4a

1.02

1

TEO2

560

2b

0.89

3

MAR4

235

1a

1.70

1

TEO7

560

2a

0.90

3

MAR8

220

1a

1.75

1

CEL3

540

2a

0.92

2

POC6

230

1a

1.83

1

CEL8

540

4a

1.02

2

POC5

235

1a

1.72

1

TUZ5

570

2b

0.86

2

SAH9

350

1b

1.46

1

TUZ2

560

2b

0.85

2

SAH4

350

545

4b

1.26

1

ORI6

560

2a

0.94

2

GUN5

590

2b

0.81

3

ORI9

340

545

4a

1.00

3

GUN1

535

2a

1.09

1

ZAB2

565

2b

0.86

3

BUG1

565

2b

0.81

2

ZAB4

560

2b

0.86

3

BUG7

580

2b

0.78

3

PIZ4

575

2a

0.96

3

TAC2

590

2b

0.86

3

PIZ2

535

2b

0.86

3

TAC4

590

2b

0.88

3

TLA7

275

590

4b

1.13

 3/1

RIO2

580

2b

0.89

3

TLA4

590

2a

0.97

RIO5

590

2b

0.78

3

Type  4  curves  (Fig.  5)  show  two  distinct  ferrimagnetic

phases. One is a low temperature phase and usually occurs

at <350 

o

C. The second phase is higher with Curie tempera-

tures  >500 

o

C.  Only  the  high  temperature  phase  exists  on

the cooling curve. Most of the type 4 curves also record a

higher magnetization after cooling than at the start of heat-

ing. The low and high temperature ferrimagnetic phases are

interpreted to be caused by Ti-rich and Ti-poor populations

of titanomagnetites respectively. The occurrence of the two

populations  together  is  inferred  to  be  as  a  result  of  partial

deuteric oxidation, where some of the Ti-rich titanomagne-

tite is oxidized to the Ti-poor variety with ilmenite lamellae.

As only the high temperature phase is found on the cooling

curve this suggests that the low temperature phase is a cat-

ion-deficient  titanomagnetite,  probably  as  a  result  of  low

temperature oxidation (Sherwood 1988).

Of  the  samples  tested  on  the  Curie  balance  the  majority

(over 50 %) exhibited type 2 and 3 curves, whilst the sam-

background image

PRELIMINARY  RESULTS  FROM  ROCK  MAGNETIC  ANALYSES  OF  BASALTS                                     11

ples  with  a  low  Curie  temperature  make  up  approximately

22 % of those tested. However, most of the type 4 samples

appear to be dominated by the low temperature phase. This

indicates  that  there  is  approximately  an  equal  number  of

samples with a primarily Ti-poor phase to those which are

dominated by a Ti-rich phase.

Low temperature susceptibility

Information  gained  from  low  temperature  susceptibility

experiments provides some information about the grain size

and composition of magnetic minerals. Since this technique

was first developed, a generally accepted method of classi-

fication  and  interpretation  has  evolved  (see  Radhakrishna-

murty  et  al.  1977;  Radhakrishnamurty  1985,  1993;  Senan-

ayake  &  McElhinny  1981;  Shaw  et  al.  1991;  Sherwood

1988, 1992; and Sherwood & Basu Mallik 1996), which has

been  adapted  for  this  study.  Classification  of  a  sample  is

done  by observing the shape of the curve gained from the

experiment  and  placing  it  into  one  of  three  main  groups:

group 1 curves (Fig. 6) exhibit an increase in susceptibility

from 78 K to room temperature (293 K) and so have RS val-

ues <1. Group 2 curves (Fig. 6) show a decrease in suscepti-

bility from 78 K to 293 K and therefore RS is >1. Group 3

curves  (Fig.  6)  exhibit  a  peak  at  around  125  K  whilst  the

susceptibility values at 78 and 293 K are similar having RS

values  ca.  1.  Samples  which  exhibit  curves  with  compo-

nents common to two of the three groups are labelled 3/1 or

1/3 depending on the group from which the dominant com-

ponent is derived (the first number represents the dominant

component group). Unusual samples which show a marked

peak at 250 K (group 4) from one site within this study are

discussed later.

The mean values of RS (

χ

78

/

χ

293

) for susceptibility groups

1, 2 and 3 are 0.43, 1.54 and 1.14 respectively. These values

are  similar  to  those  found  by  Senanayake  &  McElhinny

(1981) and by Sherwood (1988).

Low temperature susceptibility behaviour can not be attrib-

uted to any chemical or physical state of magnetic minerals

without  further  information  (Radhakrishnamurty  1993),  ex-

cept that the behaviour of group 3 samples is almost certainly

caused by MD magnetite. From the information shown in Ta-

ble 2 it can be seen that the vast majority of samples in group

1 have a Curie temperature indicative of Ti-rich titanomagne-

tites, and that all the samples that have been classed as group

3 show Curie temperatures which indicate Ti-poor  magnetic

minerals. These two observations agree with the hypotheses

that Ti-rich titanomagnetites will have group 1 behaviour and

that MD magnetite will have group 3 behaviour (Radhakrish-

namurty 1985, 1993; Senanayake & McElhinny 1981). Like

group 3 samples, the samples of group 2 all have Curie tem-

peratures in excess of 480 

o

C, and this is consistent with the

findings of other authors. Unlike group 3 samples however,

there  are  no  generally  accepted  conclusions  that  can  be

reached  about  the  behaviour  of  group  2  samples.  Radha-

krishnamurty (1977, 1985) ascribes group 2 behaviour to the

presence  of  cation-deficient  magnetite,  but  as  in  Sherwood

(1988), all except one of the samples in this study which have

titanomaghemite inversion peaks (Curie type 1b), have group 1

behaviour. Senanayake & McElhinny (1981) explain group 2

behaviour as a result of the presence of titanomagnetite grains

with  exsolved  ilmenite  lamellae.  Sherwood  &  Basu  Mallik

(1996) suggested that the presence of primary ilmenite is likely

to be the principle cause of this type of behaviour. Reflected

light microscopy will be able to detect the presence of ilmenite

in our samples. The results presented here do not support any

definite conclusions concerning this behaviour, although hys-

teresis plots do suggest the presence of paramagnetic material

(possibly ilmenite) in most of the group 2 samples.

Repeatable  plots  were  obtained  from  the  POZ  samples

(Fig. 6) which have a marked peak at ca. 250 K. Additional-

Fig. 5. Examples of Curie curve types 3 and 4.

ALD 7 (Type 3)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetizatio

n

Heating
Cooling

SAN 5 (Type 4a)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetizatio

n

Heating
Cooling

BAR 2 (Type 4b)

0

200

400

600

800

Temperature 

o

C

Magnetizatio

n

Heating
Cooling

background image

12                                                                         POLLARD, SHERWOOD and BÖHNEL

ly,  thermomagnetic  analyses  of  these  samples  produced

curves with a single low Curie temperature (Ti-rich) phase

spread over a range of ca. 100 

o

C (see Fig. 3). Shaw et al.

(1991) and Sherwood (1992) describe similar peaks in their

susceptibility analyses, and have attributed them to the un-

blocking of a low blocking temperature SD titanomagnetite.

Room temperature susceptibility

The values for low- and high-field mass-specific suscepti-

bility (see Table 2) are almost exactly the same for each in-

dividual  sample  site:  a  scale  of  the  difference  between  the

two values is given by percentage frequency dependent sus-

ceptibility (

χ

fd%). From the 

χ

fd% value one can tell wheth-

er the sample has a significant quantity of ferri- and ferro-

magnetic grains lying close to the superparamagnetic (SP)/

single domain (SD) grain size boundary (Thompson & Old-

field 1986). The values of 

χ

fd% obtained for all but 6 of the

samples is <1%, i.e. <1% of the overall low frequency sus-

ceptibility is contributed to by SP grains. The other samples

have 

χ

fd% values <3 which is still only a minor overall con-

tribution from SP grains.

Discussion

The  rock  magnetic  data  from  both  the  Late  Tertiary  and

Quaternary sites (Table 1) were compared to note any chro-

nological variation in characteristics. The only obvious dif-

ference noted is that all the Quaternary samples tested have

a  high  temperature  Curie  phase,  whereas  the  Tertiary  sites

have a significant proportion of samples that yielded a low

temperature  phase.  Therefore,  all  the  Quaternary  samples

have Ti-poor titanomagnetite, whilst the magnetic minerals

of the Late Tertiary samples are either Ti-rich or Ti-poor ti-

tanomagnetite. There appear to be no other obvious chrono-

logical patterns in the remaining rock magnetic data.

A comparison of our data with previous findings from the

same  region  show  similar  rock  magnetic  properties  (note

that results from sites south of latitude 20

o

N can only be di-

Fig. 6. Typical low temperature susceptibility curves for each group.

A R D  5

( g r o u p  1 )

0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

- 2 0 0

- 1 0 0

0

T e m p e ra tu r e  

o

C

χ/χ

0

A L T  4

( g r o u p  2 )

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

2

- 2 0 0

- 1 0 0

0

T e m p e ra tu re  

o

C

χ/χ

0

T E C  5

( g r o u p  3 )

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

- 2 0 0

- 1 0 0

0

T e m p e ra tu r e  

o

C

χ/χ

0

P O Z  7

( g r o u p  4 )

0

0 .5

1

1 .5

2

2 .5

3

3 .5

4

4 .5

- 2 0 0

- 1 0 0

0

T e m p e ra tu re  

o

C

χ/χ

0

background image

PRELIMINARY  RESULTS  FROM  ROCK  MAGNETIC  ANALYSES  OF  BASALTS                                     13

rectly compared as there is no comparable data north of this

latitude in the Gulf Coast region). Strong field thermomag-

netic analysis by Böhnel (1985, 1997) found samples with

Curie  temperatures  mostly  in  the  range  520 

o

C  to  580 

o

C

which  generally  agree  with  the  findings  of  this  study.  The

only  slight  difference  is  that  this  study  revealed  a  greater

number  of  samples  dominated  by  a  low  temperature  Curie

phase. Gonzalez et al. (1997) studied the central and west-

ern TMVB and show a similar distribution of high and low

temperature Curie phases.

Hysteresis  parameters  obtained  by  Böhnel  (1985)  give

values for M

RS

/M

S

 that are very similar to the values gained

in this study,  indicating that the vast majority of volcanic

rocks from this area have a mixture of SD and MD grains.

Only a small minority has either predominantly one or the

other domain states.

A  comparison  between  the  results  of  EAP  and  TMVB

samples (Tables 2 and 3) reveal no significant differences in

rock magnetic characteristics. Differences do exist however,

between samples, and these are assumed to be due to factors

such as compositional variation, exposure to weathering etc.

Summary and further work

These  results  indicate  that  for  the  majority  of  the  sites

studied  there  are  significant  amounts  of  stable  magnetic

minerals  within  the  rocks.  Therefore,  they  should  be  suit-

able for a paleomagnetic study in which the primary objec-

tive  will  be  to  obtain  site-mean  paleomagnetic  directions

and  paleopoles.  These  values  will  be  used  to  try  to  recon-

struct the tectonic history of the Gulf Coast region from the

Late Tertiary to present day, which is uncertain at this time.

A further field season has been completed and these results

are being processed at present. The combination of the new

data with that presented here will give a more even spatial

distribution of site locations. However, these results at least

prove that further study is worthwhile.

Acknowledgements: This research was funded by Liverpool

John  Moores  University  and  Universidad  Nacional  Autono-

ma  de  Mexico.  Thanks  are  due  to  the  staff  at  the  Geomag-

netism  Laboratory,  University  of  Liverpool  where  some  of

the  measurements  were  carried  out.  We  are  also  grateful  to

the Gonzalez-Huesca family, Ramon Sandoval and the Insti-

tuto de Geofisica for their help with the fieldwork.

References

Burbach  G.  V.,  Frohlich  C.,  Pennington  W.D.  &  Matsumoto  T.,

1984: Seismicity and tectonics of the subducted Cocos plate.

Journal of Geophysical Research, 89, 7719–7735.

Cantagrel J.M. & Robin C., 1979: K-Ar dating on eastern Mexican

volcanic  rocks  relations  between  the  andesitic  and  alkaline

provinces. Journal of Volcanology and Geothermal Research,

5, 99–114.

Gonzalez S., Sherwood G., Böhnel H. & Schnepp E., 1997: Palaeo-

secular variation in central Mexico over the last 30,000 years:

the  record  from  lavas.  Geophysical  Journal  International,

130, 201–219.

Grommé S., Wright T.L. & Peck D.L., 1969: Magnetic properties

and  oxidation  of  iron-titanium  oxide  minerals  in  Alae  and

Makaopuhi  lava  lakes,  Hawaii.  Journal  of  Geophysical  Re-

search, 74, 5277–5293.

Mankinen  E.A.,  Prevot  M.  &  Gromme  C.S.,  1985:  The  Steens

Mountain  (Oregon)  geomagnetic  polarity  transition  1:  direc-

tional  history,  duration  of  episodes,  and  rock  magnetism.

Journal of Geophysical Research, 90, 10393–10416.

Nixon G.T., 1982: The relationship between Quaternary volcanism

in central Mexico and the seismicity and structure of subduct-

ed oceanic lithosphere. Geol. Soc. Amer. Bull., 93, 514–523.

Nixon  G.T.,  Demant  A.,  Armstrong  R.L.  &  Harakal  J.E.,  1987:

K-Ar and geologic data bearing on the age and evolution of

the TMVB. Geofisica Internacional, 26, 109–158.

O’Reilly W., 1984: Rock and mineral magnetism. Blackie, Glasgow,

1–220.

Parker  D.F.  &  McDowell  F.W.,  1973:  K-Ar  geochronology  and

eruptive  history  of  Oligocene  volcanic  rocks,  Davies  Moun-

tains, trans-Pecos, Texas. Geological Society of America, Ab-

stracts with programs, 5, 764–765.

Radhakrishnamurty C., 1985: Identification of titanomagnetites by

simple magnetic techniques and application to basalt studies.

Journal of the Geological Society of India, 26, 640–651.

Radhakrishnamurty  C.,  1993:  Magnetism  and  basalts.  Memoir  of

the Geological Society of India, 26, 1–209.

Radhakrishnamurty C., Likhite S.D. & Sahasrabudhe, P.W., 1977:

Nature  of  magnetic  grains  and  their  effect  on  the  remanent

magnetization of basalts. Physics of the Earth and Planetary

Interiors, 13, 289–300.

Robin C., 1976: Simultaneous presence of magmatism of opposite

tectonic  significance  in  eastern  Mexico.  Bull.  Soc.  Géol.

France, 18, 1637–1645 (in French).

Robin C., 1982: Mexico. In: Thorpe R.S. (Ed): Andesites, orogenic

andesites, and related rocks. Wiley, New York, 137–147.

Robin C. & Tournon J., 1978: Spatial relations of andesitic and al-

kaline  provinces  in  Mexico  and  Central  America.  Canad.  J.

Earth Sci., 15, 1633–1641.

Senanayake W.E. & McElhinny M.W., 1981: Hysteresis and sus-

ceptibility  characteristics  of  magnetite  and  titanomagnetites:

interpretation  of  results  from  basaltic  rocks.  Physics  of  the

Earth and Planetary Interiors, 26, 47–55.

Shaw J., Sherwood G.J., Musset A.E., Rolph T.C., Subbarao K.V. &

Sharma P.V., 1991: The strength of the geomagnetic field at the

Cretaceous-Tertiary  boundary  palaeointensity  results  from  the

Deccan Traps (India) and the Disko Lavas (Greenland). Jour-

nal of Geomagnetism and Geoelectricity, 43, 395–408.

Sherwood G.J., 1988: Rock magnetic studies of Miocene volcanics

in eastern Otago and Banks Peninsula, New Zealand: compar-

ison between Curie temperature and low temperature suscep-

tibility  behaviour.  New  Zealand  Journal  of  Geology  and

Geophysics, 31, 225–235.

Sherwood G.J., 1992: Some rock magnetic properties of mid-Creta-

ceous basalts from Israel and India (Rajmahal Traps), and their

bearing on palaeointesity experiments. Physics of the Earth and

Planetary Interiors, 70, 237–242.

Barker D.S.,1977: Northern trans-Pecos magmatic province: intro-

duction  and  comparison  with  the  Kenya  Rift.  Geol.  Soc.

America Bull., 88, 1421–1427.

Böhnel  H.,  1985:  Palaeomagnetic  investigations  of  Jurassic  to

Quaternary rocks from central and southern Mexico (in Ger-

man). Ph.D. Thesis, Univ. Münster, 1–235.

Böhnel  H.,  1997:  Quaternary  block  rotations  in  the  eastern

Trans-Mexican volcanic belt calculated from palaeomagnetic

data. In: Delgado, H. (Ed): Cenozoic volcanism and tectonics

of Mexico.Geol. Soc. Amer. Spec. Pap.,  in press.

background image

14                                                                         POLLARD, SHERWOOD and BÖHNEL

Sherwood  G.J.  &  Basu  Mallik  S.,  1996:  A  palaeomagnetic  and

rock magnetic study of the northern Rajmahal Volcanics, Bi-

har,  India.  Journal  of  Southeast  Asian  Earth  Sciences,  13,

123–131

Thompson  R.  &  Oldfield  F.,  1986:  Environmental  magnetism.

Allen and Unwin, London, 1–227.

Thorpe R.S., 1977: Tectonic significance of alkaline volcanism in

eastem Mexico. Tectonophysics, 40, 19–26.