background image

                                                 325

NEOGENE GURGHIU MOUNTAINS VOLCANIC RANGE (EASTERN CARPATHIANS)

GEOLOGICA CARPATHICA, 55, 4, BRATISLAVA, AUGUST 2004

325–332

EVOLUTION OF THE NEOGENE GURGHIU MOUNTAINS VOLCANIC

RANGE (EASTERN CARPATHIANS, ROMANIA), BASED ON

K-Ar GEOCHRONOLOGY

IOAN SEGHEDI

1

, ALEXANDRU SZAKÁCS

1

, NORMAN J. SNELLING

and ZOLTÁN PÉCSKAY

3

1

Institute of Geodynamics, str. Jean-Luis Calderon 19–21, 70201 Bucharest, Romania;  seghedi@geodin.ro

2

Lechlade Rd. 46, Faringdon, Oxon SN7 8AQ, United Kingdom; (formely at Faculty of Geology, University Complutense Madrid, Spain)

3

Institute of Nuclear Research of the Hungarian Academy of Sciences, Bem Tér 18c, pf. 51, H-4001 Debrecen, Hungary

(Manuscript received February 18, 2003; accepted in revised form October 2, 2003)

Abstract: K-Ar ages of rocks from the Gurghiu Mountains, the middle part of the longest volcanic chain in the Eastern

Carpathians (Cãlimani–Gurghiu–Harghita), indicate an interval of volcanic activity between 9.4–5.4 Ma. Magmatic

activity migrated from North to South and built the following volcanic centres: Jirca (J), Fâncel-Lãpuºna (FL), Bacta (B),

Seaca-Tãtarca (ST), Borzont (BZ), ªumuleu (S) and Ciumani-Fierãstraie (CF). The timing of volcanic activity in each

volcanic centre reflects the previously recognized overlapping age progression from North to South along the arc: J=9.2–

7.0 Ma; FL=9.4–6.0 Ma; B=7.5–7.0 Ma; ST=7.3–5.4 Ma; BZ=6.8 Ma; S=6.8–6.2 Ma; CF=7.1–6.3 Ma. Two periph-

eral small intrusive bodies have also been dated (Ditrãu — 7.9 Ma and Corund — 7.4 Ma). The duration of volcanic

activity of each centre is ca. 1 Ma, with a larger interval of 2.5 Ma for the Fâncel-Lãpuºna volcano. Volcanic activity in

the southernmost volcanic centres (ST; BZ; S; CF) between 7–6 Ma was contemporaneous. Certain volcanological prob-

lems are pointed out: (i) the voluminous debris-avalanche deposit assumed to belong to the Cãlimani Mountains includes

blocks of ca. 8 Ma up to the Gurghiu Valley and between 7.5–7.8 Ma south of the Gurghiu Valley (ii) the Fâncel-

Lãpuºna caldera was generated around 6.9 Ma and involved a post-caldera uplift and/or erosion of the caldera floor and

younger domes; and (iii) the model based on volcanic facies distribution is consistent with the new age-data.

Key words: Eastern Carpathians, Gurghiu Mountains, K-Ar data, volcanology, debris-avalanche.

Introduction

The Cãlimani–Gurghiu–Harghita (CGH) chain is the southeast-

ern segment of the Neogene/Quaternary magmatic arc adjoining

the Carpathians from Slovakia, through Hungary and Ukraine,

to Romania. Gurghiu Mountains represent the middle segment

of the ~160 km-long CGH volcanic chain located along the in-

ner (western) side of the East Carpathian orogenic zone (Fig. 1).

Its geographical boundaries are the Mureº Valley in the north,

and the upper reaches of the Târnava Mare Valley in the south,

embracing a ~60 km-long, 40 km-wide mountain range with its

highest elevation at Seaca Peak (1776 m). The Gurghiu Moun-

tains volcanic area is located along the structural boundary be-

tween  the  Inner  Eastern  Carpathians  including  the  so-called

“Crystalline-Mesozoic zone” (Dacides Unit, Sãndulescu 1984)

of the Eastern Carpathians in the east, and the Neogene sedi-

ment-filled  Transylvanian  Basin  in  the  west.  The  Quaternary

Gheorgheni intra-mountain depression is situated between the

volcanic area and the “Crystalline-Mesozoic zone” at the east-

ern margin of the Gurghiu Mountains.

The CGH volcanic chain, including the Gurghiu Mountains

is  a  typical  andesite-dominated  calc-alkaline  volcanic  range,

displaying a subduction-type geochemical signature (Rãdulescu

& Sãndulescu 1973; Seghedi et al. 1995; Mason et al. 1996).

Compared  with  other  segments  of  the  chain,  the  volcanic

rocks of the Gurghiu Mountains are both petrographically and

chemically  monotonous.  With  minor  exceptions  (basaltic

andesites and dacites), andesites are dominant and pyroxene

andesite is the most common rock type. Magmas were frac-

tionated with typical mineral assemblages found in calc-alka-

line  suites  and  also  experienced  limited  crustal  assimilation

and mixing processes (Seghedi et al. 1995; Mason et al. 1996).

The volcanism in the Gurghiu Mountains was first dated by

Rãdulescu et al. (1972) and later by Michailova et al. (1983)

and Pécskay et al. (1995). The present geochronological study

draws  upon  these  data  (36  measurements),  as  well  as  on  a

number of additional K-Ar age determinations (30) performed

at  the  Complutense  University  of  Madrid  (Spain)  (13)  and

ATOMKI,  Debrecen  (Hungary)  (14)  (Table 1).  Collectively,

these K-Ar ages allow a more detailed understanding of the

evolution of volcanism in the Gurghiu Mountains. The dated

samples represent all the volcanic edifices, as well as their pe-

ripheral  volcaniclastic  aprons  (Fig. 1).  Lava  flows,  andesite

lithic blocks in volcaniclastic rocks, as well as intrusive rocks

have been sampled to better constrain the age of different vol-

canoes and of the principal volcanic events.

Six samples in this study were analysed both in Madrid and

Debrecen, enabling us to assess the possible analytical prob-

lems that might bear on the reliability and reproducibility of

K-Ar dating of Neogene calc-alkaline volcanics.

background image

326

SEGHEDI, SZAKÁCS, SNELLING and PÉCSKAY

Fig. 1. Geological sketch of the Gurghiu Mountains with K-Ar sample locations: 1 — Volcaniclastic rocks originating from the main source

area in the Cãlimani Mountains — “Rusca-Tihu Debris Avalanche Deposits” and some of “Rusca-Tihu Volcaniclastic Formation”; 2 — Vol-

caniclastic rocks originating mainly from Fâncel-Lãpuºna, Seaca-Tãtarca, ªumuleu and Ciumani-Fierãstraie volcanoes; 3 — Lava and asso-

ciated cone facies of central-type volcanoes (abbreviations: J = Jirca; FL = Fâncel-Lãpuºna; B = Bacta; ST = Seaca-Tãtarca; BZ = Borzont;

S = ªumuleu; CF = Ciumani-Fierãstraie); 4 — Intrusive complex inside Fâncel-Lãpuºna caldera; 5 — Sample location; 6 — Craters and

calderas. Inserted map give detail on the position of the Gurghiu Mountains in the framework of Neogene volcanism in Romania.

background image

                                                 327

NEOGENE GURGHIU MOUNTAINS VOLCANIC RANGE (EASTERN CARPATHIANS)

Experimental methods, precision and errors

All the potassium determinations reported herein were made

in  the  Debrecen  laboratories.  Approximately  0.1 g  of  finely

powdered sample was dissolved in acids and the residue was

taken into solution; potassium concentration was determined by

flame photometry with a Na buffer and a Li internal standard.

Conventional experimental methods were used in the deter-

mination of argon. In both laboratories, argon was extracted

from  0.2–0.3 mm  fraction  of  whole-rock  samples  (initial

sample weight = 3–5 kg) by induction heating in Mo crucibles

and  purified  in  a  previously  baked  glass  and  stainless  steel

vacuum system. Argon 38-spike was added from conventional

pipette  systems  (calibrated  against  international  reference

samples  Asia  1/65,  LP-6,  HD-B1,  GL-0),  and  the  evolved

gases  were  purified  using  Ti  getters,  molecular  sieves,  hot

CuO and liquid nitrogen traps. The purified argon was mea-

sured in the static mode using a Micromass 6 mass spectrom-

eter in Madrid and a 15 cm-radius sector instrument built in

the Institute of Nuclear Research (Hungarian Academy of Sci-

ences)  in  Debrecen  (Balogh  1985).  Both  instruments  were

checked  regularly  by  inter-laboratory  reference  samples:

HDB1, LP-6, G1-O, Asia 1/65, and Bern 4M and 4B. When

checking against any particular reference sample, the “influ-

ence” of that sample was deleted from the calculation of the

spike calibration constants.

Since  the  radiogenic  argon  content  of  these  reference

samples is about 10 times greater than that of the rock being

analysed, systematic errors may be difficult to detect. How-

ever, during the course of this investigation, 10 samples were

analysed in both laboratories for inter-laboratory comparison.

The results, when plotting against each other, generally fall on

or close to the line of no significant difference. Some anoma-

lous data are apparent, but we are confident that they result

from  failure  to  completely  outgas  the  fused  rock  samples,

rather than systematic instrumental bias.

Replicate  analyses  made  in  Madrid  on  young  volcanic

samples from the Canary Islands, with an average radiogenic

40

Ar content of about 0.12 nl/gm (17 replicates on 7 samples),

yielded  a  pooled  standard  deviation  of  ±0.0123 nl  (one

sigma).  The  average  radiogenic 

40

Ar  content  of  the  samples

studied in this investigation is about 0.35 nl/gm, and the afore-

mentioned replicate data would suggest that the precision on

the analytical data reported here is likely to be between 5 %

and 10 %. Such an estimate agrees well with the errors in the

age  calculated  for  each  individual  analysis  by  the  classical

method  of  partial  differentiation  of  the  analytical  errors  at-

tached  to  the  variables  (see  for  example  Baker  et  al.  1967;

Mahood & Drake 1982 and references therein). In calculating

the individual age errors, we have assumed errors (one sigma

standard  deviation)  of  ±1 %  on  the  measured  isotope  ratios

(

40

Ar/

38

Ar and 

36

Ar/

38

Ar), ±2 % on the spike calibration and

±3 %  on  the  K  determinations.  Although  we  consider  that

these error estimates are overestimates (probably by a factor of

2), we believe that such conservative assumptions will avoid

misleading chronological conclusions that may arise from un-

derestimated errors.

The new data are given in the Table 1. For six samples, ar-

gon  determinations  have  been  made  independently  in  both

Debrecen and Madrid. These samples yield radiogenic argon

values that do not differ significantly using the criterion devel-

oped by McIntyre (1963). The critical value for the difference

between analyses in Debrecen and Madrid should not exceed

2.772 ×  sigma  (0.034 nl),  where  sigma  is  taken  to  be  the

pooled standard deviation on replicates of ±0.0123 nl, as dis-

cussed  above.  This  criterion  is  developed  from  the  conven-

tional  “t-test”  and  assumes  a  normal  distribution  of  experi-

mental  errors.  For  these  samples,  the  adopted  age  is  the

weighted mean (and weighted standard deviation) of the two

determinations.

Volcanic edifices

Although  the  morphological  boundaries  are  obvious,  the

Gurghiu Mountains, as a geological entity is more difficult to

define,  because  volcanic  rocks  (especially  volcaniclastic

rocks) originating from volcanic edifices located in both the

geographically  defined  Cãlimani  and  Gurghiu  Mountains,

interfinger  with  each  other  along  the  Mureº  Valley  and  its

tributaries (Szakács & Seghedi 1996). The “Rusca-Tihu De-

bris Avalanche Deposit” (a volcanic debris-avalanche deposit)

and  the  “Rusca-Tihu  Volcaniclastic  Formation”,  originating

from  the  Cãlimani  Mountains  crop  out  south  of  the  Mureº

Valley, while the “Fâncel-Lãpuºna Volcaniclastic Formation”,

derived from the northern Gurghiu (Fâncel-Lãpuºna volcano)

occurs north of the Mureº Valley. These formations have been

defined by Szakács & Seghedi (1996, 2000) (Fig. 2).

As in the other parts of CGH volcanic chain, the volcanic

structure  of  the  Gurghiu  Mountains  consists  of  an  axial,

roughly NW–SE row of adjoining composite volcanic edifices

(e.g.  Davidson  &  De  Silva  2000)  surrounded  by  extensive

merged  volcaniclastic  aprons  (Figs. 1, 2).  The  peripheral

volcaniclastic pile, which was formerly described in terms of a

“volcano-sedimentary  formation”  (Rãdulescu  et  al.  1964a,

1973)  consist  of  a  ring-plane-type  volcaniclastic  association

including volcanic debris flow deposits, volcanic debris-ava-

lanche deposits and rarely pyroclastic fall and pyroclastic flow

deposits. It represents the medial to distal facies related to the

volcanic  edifices  in  the  Gurghiu  Mts  (Szakács  &  Seghedi

1995).

The types of volcanic edifices in the Gurghiu Mountains in-

clude composite volcanoes with or without a caldera, shield

volcanoes, and lava dome complexes. Individual or complex

intrusive bodies are also present in the centre or at the periph-

ery of the edifices. Adjoining and partially overlapping com-

posite cones are located in the axis of the Gurghiu Mountains.

From north to south, there are five larger edifices of this kind,

namely:  Jirca,  Fâncel-Lãpuºna,  Seaca-Tãtarca,  ªumuleu  and

Ciumani-Fierãstraie  (Fig. 1).  In  addition,  there  are  two  lava

dome  complexes  (Borzont  and  Bacta).  Except  for  the  late

stage  of  Fâncel-Lãpuºna,  all  are  essentially  lava-dominated

volcanoes. The brief characterization of each of these volcanic

edifices is summarized from Szakács & Seghedi (1995, 1996).

Jirca  is  the  northernmost  edifice,  whose  erosional  rem-

nants,  displaying  steep-sided  topography,  are  covered  by

younger products of the neighboring Fâncel-Lãpuºna volcano

and the Cãlimani Mountains volcanic area. A deeply eroded

background image

328

SEGHEDI, SZAKÁCS, SNELLING and PÉCSKAY

central intrusive complex at Jirca, largely affected by perva-

sive hydrothermal alteration, is surrounded by lava flows. The

remnants of a Strombolian scoria cone (Zespezele) are also rec-

ognized. Peripheral volcaniclastic rocks represented by basaltic

andesite and andesite debris flow deposits are present, but are

covered by younger volcanic rocks belonging to the adjacent

larger volcanic structures, Fâncel-Lãpuºna and Cãlimani.

The southward-open amphitheatre-shaped Fâncel-Lãpuºna

caldera, ~10 km across (Rãdulescu et al. 1964b), dominates

the northern half of the Gurghiu Mountains. Unroofed large

complex intrusions (andesites and microdiorites) are found in-

side the caldera. Along and near the topographically-defined

caldera-rim, older lava flows and younger lava domes, rang-

ing from basaltic andesites to amphibole andesites, are clus-

tered.  The  caldera  was  identified  mostly  on  morphological

grounds  by  Rãdulescu  et  al.  (1964b),  who  suggested  the

caldera  origin  of  the  huge  topographic  depression  10 km

across, but no large-volume eruptive products to account for

the missing volume of the presumed pre-caldera volcanic edi-

fice have been recognized by previous researchers. The recent

identification of the voluminous pumice-rich Fâncel-Lãpuºna

Volcaniclastic  Formation  (FLVF,  Szakács  &  Seghedi  1996)

as the possible candidate for the products of a caldera-forming

eruption (e.g. Walker 1984; Lipman 2000) lent more support

to this hypothesis. Pumice-rich pyroclastic flow and less fre-

quent pumice fall deposits of amphibole or amphibole-pyrox-

ene andesites composition, have been found on the northern

and eastern slopes of the volcanic edifice, including its upper-

most parts surrounding the topographic rim of the presumed

caldera.  Their  reworked  counterparts  (mostly  pumice-rich

volcanic  debris  flow  deposits)  crop  out  at  many  locations

along the northern and eastern lower slopes of the volcano.

FLVF is spread to the north and east of the caldera within a ra-

dius of ~25 km; a part of the formation occurs as far as the

southern Cãlimani Mountains (Fig. 2). Its present areal cover-

age  is  ~490 km

2

,  with  10 m-average  thickness  and  an  esti-

mated volume of ~4.9 km

3

 (Szakács & Seghedi 1996), may at

least  partially  account  for  the  caldera  depression.  Intrusions

consisting  of  basaltic  andesites,  andesites  and  microdiorites

have  been  mapped  in  the  centre  of  the  edifice  (Figs. 1, 2).

Small amphibole-pyroxene andesite to dacite lava domes (up

to 1.5 km in diameter) are located at the margins or in the inte-

rior  of  the  caldera  edifice.  A  similar  amphibole-pyroxene

andesite  lava  dome  cluster,  Bacta  adjoins  the  caldera  at  its

south-eastern side (Fig. 1).

Seaca-Tãtarca  is  the  next  volcanic  edifice  to  the  south.

This large, lava-dominated volcano, with a basal diameter of

~16 km, displays a shield-like topography with gentle outer

Fig.  2.  Sketch  map  of  volcanic  events  belonging  to  the  Cãlimani  and  Gurghiu  volcanic  areas  along  the  Mureº  Valley,  emphasizing

Fâncel-Lãpuºna caldera generation (modified after Szakács & Seghedi 1996): 1 — Rusca-Tihu Debris Avalanche Deposit; 2 — Rusca-

Tihu Volcaniclastic Formation; 3 — Jirca volcanic edifice; 4 — Fâncel-Lãpuºna volcano: a. Volcanic edifice, b. Central intrusive com-

plex, c. Fâncel-Lãpuºna Volcaniclastic Formation (R: 25 km radius), d. Late-stage domes; 5 — Bacta dome-cluster; 6 — Seaca-Tãtarca

volcanic edifice; 7 — Topographic rim of volcanic edifices.

background image

                                                 329

NEOGENE GURGHIU MOUNTAINS VOLCANIC RANGE (EASTERN CARPATHIANS)

slopes and a surprisingly regular, almost circular, central to-

pographic depression (5 km in diameter), whose rim shows a

relatively uniform elevation, breached to the north. Its struc-

ture seems simple, consisting of a pile of lava flows, mostly

pyroxene andesite. Karátson (1999) and Karátson et al. (1999)

describes this depression as an erosion caldera on purely mor-

phological  grounds,  however,  later,  Karátson  &  Thouret

(2001) accept that a “true” caldera and an erosion caldera can

coexist,  as  refers  to  a  primary  volcanic  depression  trans-

formed later by erosion.

Since no obvious large-volume pyroclastic deposits are as-

sociated with this edifice, nor voluminous effusive products to

be  allocated  to  one  particular  eruptive  event,  Seaca-Tãtarca

central depression is rather a remnant of an eroded crater, then

a caldera (e.g. Szakács & Ort 2001). The southernmost part of

the Gurghiu Mountains consists of a closely-spaced cluster of

smaller edifices which, together with the northernmost North

Harghita  volcanoes,  are  controlled  by  WNW–ESE-striking

tectonic  alignments  (Fig. 1).  Borzont  is  a  small  amphibole

andesite volcano with a central intrusive core unroofed par-

tially by erosion.

ªumuleu is a composite volcanic edifice, with a basal di-

ameter of ~12 km and ~4 km in diameter central depression

with a well-developed shallow intrusive core-complex. Both

the intrusions domes (amphibole and pyroxene andesites and

microdiorites)  and  host  lava  flows  are  highly  altered.  Lava

flows (pyroxene andesites), extending beyond the crater show

gentle-dipping slopes and are topped by crater-rim lava domes

(amphibole and pyroxene andesites). A prominent flank vent

that  erupted  pyroxene  andesite  lava  is  present  on  the  lower

southern side of the volcano.

Ciumani-Fierãstraie  is  a  double-crater  composite  edifice

with pyroxene andesite lavas dominating its lower slopes that

are  buttressed  westwards  against  lavas  of  the  neighbouring

ªumuleu volcano (Fig. 1). The Ciumani crater is breached to

the south and Fierãstraie crater to the north. Lava domes oc-

cupy  the  topographic  crest  between  the  two  craters  on  the

western part of the summit area. Both craters have been ero-

sion-modified  (enlarged)  and  host  intrusive  core  complexes

with related hydrothermal alteration zones.

Volcaniclastic  deposits,  mostly  consisting  of  volcanic  de-

bris flow deposits, cover a widespread area to west and south-

west of the Seaca-Tãtarca, ªumuleu and Ciumani-Fierãstraie

volcanoes. It consists of merged volcaniclastic aprons of the

individual  volcanoes,  which  cannot  be  mapped  individually

because of the similar composition of their respective source

volcanoes (Szakács & Seghedi 1995).

Discussion of K-Ar ages and eruptive history

The location of the thirty new K-Ar whole-rock determina-

tions  (Table 1)  together  with  36  previously  published  K-Ar

determinations (Pécskay et al. 1995), are shown in Fig. 1. The

timing of volcanic structures is summarized in Fig. 3.

Recent observations (Szakács & Seghedi 1996) led to a re-

evaluation of 6 age determinations (Pécskay et al. 1995) on

samples of block-sized lithic clasts collected from the western

periphery of the Gurghiu Mountains from volcaniclastic de-

posits. These deposits have been mapped as a volcanic debris-

avalanche deposit having their origin in the Cãlimani Moun-

tains (Figs. 1, 2). These deposits although extremely chaotic

and  heterogeneous  contain  mainly  basaltic  andesites,  with

large  clinopyroxene  phenocrysts  as  a  distinctive  feature.

These rocks show an age interval between 8.0–8.1 Ma north

of  the  Gurghiu  Valley  (GH-51,  GH-56,  GH-59).  Three

samples collected from similar deposits and of similar petrog-

raphy south of the Gurghiu Valley show slightly younger ages

(7.5–7.8 Ma),  but  with  partially  overlapping  error-bars

(Fig. 3).  The  ages  measured  on  volcanic  lithic  clasts  in  the

volcanic debris-avalanche deposit indicate ca. 7.5–8.1 Ma as

the period of pre-avalanche volcanic activity at the source vol-

cano (Figs. 1,  2), which is consistent with the K-Ar ages of

lithologically  similar  rocks  in  the  Cãlimani  volcanic  area

(7.4–8.7 Ma) (Seghedi et al. in print). However, the origin of

some debris-avalanche clasts (in outcrops located at the south

of  the  Gurghiu  Valley)  from  the  early  Fâncel-Lapuºna  vol-

cano, cannot be ruled out. In the Cãlimani area, as constrained

by K-Ar determinations, 8.0±0.5  Ma is the assumed age for

the edifice failure and related debris-avalanche event (Rusca-

Tihu Debris Avalanche Deposit) (Szakács & Seghedi 1996;

Seghedi et al. in print).

The oldest and northernmost volcanic structure belonging

to the Gurghiu Mountains is Jirca (9.2–8.4 Ma). An isolated

intrusion, situated close to Jirca volcano toward north, which

consist  of  pyroxene-bearing  aphyric  andesite  (G-20),  was

dated at 7.0 Ma, however it is not clear if this event can be at-

tributed to the Jirca volcano. At its periphery, the Jirca vol-

cano is partially covered by younger volcaniclastic products

belonging to both the North Cãlimani and the Fâncel-Lãpuºna

volcanoes.

The Fâncel-Lãpuºna volcano has been the major focus of

K-Ar studies, since it is the largest volcanic structure of the

Gurghiu Mountains. The oldest volcanic activity is mostly ef-

fusive and represented mainly by basaltic andesites and py-

roxene  and  amphibole  andesites,  which  corresponds  to  the

8.7–7.5 Ma interval (GH-53, GH-80, GH-79, GH-78, 3974).

Fragments  of  the  same  petrography  belonging  to  the

volcaniclastic apron around the volcano show an age interval

between 7.7–7.5 Ma suggesting their generation contempora-

neous with the effusive edifice (GH-49, GH-81, GH-61). This

interval can be considered as the pre-caldera stage. Amphib-

ole,  pyroxene-bearing  andesites  and  dacites,  found  as

volcaniclastic deposits attributed to FLVF show 7.1–6.91 Ma

and  have  been  generated  during  the  caldera  stage  (Fig. 3).

Younger ages have been obtained for the amphibole (pyrox-

ene)  andesite  domes  at  the  border  of  the  caldera  (5.99–

6.23 Ma), which belong to the post-caldera stage according to

morphological  observations.  Three  different  bodies,  belong-

ing to an intrusive complex in the caldera interior, showing

various  petrography  (microdiorite  with  pyroxene,  andesites

with pyroxene and amphibole, basaltic andesites) have been

dated. Results (9.44 Ma, 8.5 Ma and 8.13 Ma) show a wide

range. The small-sized Bacta structure, located southeast of

the Fâncel-Lãpuºna volcano, homogeneous from petrographic

point  of  view  (amphibole,  pyroxene-bearing  andesites),

evolved  between  6.97–7.52 Ma.  It  is  indicating  a  relatively

short time interval of extrusion. Similar rock types belonging

background image

330

SEGHEDI, SZAKÁCS, SNELLING and PÉCSKAY

to  the  Fâncel-Lãpuºna  volcano  are  almost  coeval  (7.5–

6.0 Ma). An isolated small dome on the eastern periphery of

Bacta shows 6.6 Ma.

The bulk of the  Seaca-Tãtarca  volcano evolved between

7.2–6.3 Ma. A younger age was detected for a lava flow in-

side the edifice (5.4 Ma) suggesting a last eruption (Pécskay

et al. 1995). There is an excellent agreement between the du-

plicate  measurements  performed  on  pyroxene  andesite

samples  (GH-34,  GH-35)  from  this  volcano.  Moreover,  the

sample collected by Michailova et al. (1983), from the same

outcrop  (GH-35),  gave  the  same  K-Ar  age  within  error

(7.4 Ma) as the new age (7.25±0.21 Ma).

The  only  sample  dated  from  the  Borzont  lava  volcano

(6.8 Ma)  (Pécskay  et  al.  1995),  brings  an  age  in  the  same

range as that of the neighbouring volcanic structures (Fig. 3).

Age data for the ªumuleu volcano (6.8–6.2 Ma) and for the

Ciumani-Fierãstraie  edifice  (7.1–6.3 Ma)  show  a  roughly

similar age interval.

The  small  pyroxene  amphibole-bearing  andesite  bodies

(several meters in diameter), mapped as intrusions, which cut

volcaniclastic deposits at the south-western periphery of the

Gurghiu  Mountains,  give  7.4 Ma  (GH-69)  (Pécskay  et  al.

1995).  Similar  rocks  on  the  north-eastern  margin  of  the

Gurghiu volcanic (Ditrãu) show 7.9 Ma (GH-84).

Conclusions

The age determinations show an interval of volcanic activ-

ity  between  9.4–5.4 Ma.  The  distribution  of  K-Ar  data

(Fig. 3)  confirms  the  previously  recognized  age  progression

along  the  Cãlimani–Gurghiu–Harghita  arc  (Rãdulescu  et  al.

1973; Pécskay et al. 1995). The duration of the main volcanic

activity corresponding to each volcanic center is considered to

be about 1 Ma, with a longer interval for the most complex

Fâncel-Lãpuºna volcano  (2.5 Ma),  which  was  active  mainly

during Pannonian times.

Simultaneous activity of all the volcanoes (Seaca Tãtarca,

Borzont, ªumuleu and Ciumani-Fierãstraie), took place in the

southern  part  of  the  Gurghiu  Mountains  between  7–6 Ma.

Nr. 

crt 

Sample 

Locality 

Volcano  Rock 

type 

K%  vol.rg 40 Ar 

nl/gm 

% atm.  Age (Ma)  Adopted age  Lab. 

References 

GH-84 

Ditrau V. 

PI 

Apxam  1.88 

0.6490 

57.63 

7.86 ± 0.37 

  

  

GH-76 

Nirajul Mare 

DA 

Apx 

0.64 

0.3300 

19.29 

7.74 ± 0.40 

  

  

GH-77 

Nirajul Mare 

DA 

Apx 

0.92 

0.4560 

29.23 

7.50 ± 0.33 

  

  

GH-83 

Magura  de sus V. 

Aam 

0.90 

0.3280 

31.24 

8.90 ± 0.46 

  

  

GH-83 

Magura  de sus V. 

Aam 

0.81 

0.2523 

77.90 

9.12 ± 0.52 

  

  

GH-82  

Gudea V. 

Apx 

1.07 

0.3497 

53.21 

8.38 ± 0.31 

  

  

GH-49 

Eszenyo V. 

FL 

Aam 

1.85 

0.5538 

59.70 

5.99 ± 0.31 

  

  

G-612 

Cilnic Ridge 

FL 

Aam 

1.48 

0.1830 

35.88 

6.23 ± 0.50 

  

  

G-616 

Fancel Ridge 

FL 

Aampx  1.62 

0.3300 

43.59 

6.91 ± 0.34 

  

  

10 

GRG-28B  Coasta Mare Ridge 

FL 

Dam 

1.57 

0.4292 

42.10 

7.01± 0.32 

  

  

11 

G-354A 

Galautas V. 

FL 

Aam 

1.39 

0.4088 

31.50 

7.54 ± 0.30 

  

  

12 

G-383 

Musca Brook 

FL 

Apx 

1.46 

0.4300 

31.70 

7.59 ± 0.30 

  

  

13 

GH-78 

Batrana Ridge 

FL 

Apxam  1.85 

0.5468 

37.20 

7.59 ± 0.30 

  

  

14 

GH-81 

Mariselu V. 

FL 

Aam 

1.83 

0.7440 

54.85 

7.69 ± 0.29 

  

  

15 

GH-79  

Viclean Ridge 

FL 

Apx 

0.81 

0.2752 

79.45 

7.74 ± 0.56 

  

  

16 

GH-54 

Zambroi Summit 

FL 

AB 

0.82 

0.3070 

25.83 

8.13 ± 0.43 

  

  

17 

GH-80 

Piatra Ridge 

FL 

Apxam  1.62 

0.5474 

41.50 

8.68 ± 0.35 

  

  

18 

G-562 

Fancel V. 

FL 

Mdpx 

1.54 

0.1760 

56.65 

9.44 ± 0.77 

  

  

19 

G-604 

Fagul Ascutit 

Aampx  1.29 

0.3210 

33.08 

6.58 ± 0.34 

  

  

20 

GH-50 

Sineu Quarry 

Aam 

1.46 

0.4141 

50.10 

7.29 ± 0.31 

6.97 ± 0.25* 

  

20         " 

           " 

  

  

0.3938 

66.10 

6.60 ± 0.33 

  

Pécskay et  al. 1995 

21 

GH-46 

Bacta V. 

Aampx  1.42 

0.4027 

15.50 

7.29 ± 0.28 

  

 

22 

GH-47 

Bacta V. 

Aampx  1.32 

0.3903 

54.20 

7.53 ± 0.33 

7.46 ± 0.31* 

 

22         " 

           " 

  

  

0.3608 

89.00 

7.00 ± 0.88 

  

Pécskay et  al. 1995 

23 

GH-48 

Bacta V. 

Aam 

1.33 

0.3909 

44.10 

7.55 ± 0.31 

7.52 ± 0.21* 

 

23         " 

            " 

  

  

0.3895 

29.50 

7.50 ± 0.29 

  

Pécskay et  al. 1995 

24 

GH-34 

Tarvez Summit 

ST 

Apx 

0.97 

0.2414 

45.10 

6.39 ± 0.27 

6.39 ± 0.21* 

 

24         " 

            " 

  

  

0.2429 

67.40 

6.40 ± 0.33 

  

Pécskay et  al. 1995 

25 

GH-35 

Bucin Pass 

ST 

Apx 

1.11 

0.3124 

34.70 

7.29 ± 0.29 

7.25 ± 0.21* 

 

25         " 

            " 

  

  

0.3095 

42.00 

7.20 ± 0.30 

  

Pécskay et  al. 1995 

26 

GH-33 

Sumuleul Mare V. 

ABpxam  0.99 

0.2407 

58.30 

6.20 ± 0.28 

 

Pécskay et  al. 1995 

27 

GH-31 

Sumuleul Mic V 

Apx 

1.11 

0.2928 

51.20 

6.70 ± 0.29 

 

Pécskay et  al. 1995 

28 

GH-32 

Sumuleu Mare V. 

Apxam  1.11 

0.3023 

43.10 

7.00 ± 0.29 

6.80 ± 0.21* 

 

28         " 

            " 

  

  

0.2852 

54.30 

6.60 ± 0.29 

  

Pécskay et  al. 1995 

29 

GH-29 

Chilieni Quarry 

CF 

Apx 

0.98 

0.2669 

34.80 

7.00 ± 0.28 

 

 

30 

GH-30 

Drumul lui Gavrila V. 

CF 

Aam 

1.18 

0.3243 

37.10 

7.10 ± 0.28 

 

Pécskay et  al. 1995 

 

*Calcuted mean age

Table 1: K-Ar ages for rocks from Gurghiu Mountains volcanic area. The samples follow the order of volcanoes from north to south as

they are shown in Fig. 1. Abbreviation: for volcanoes as in Fig. 1, additional: PI — peripheric intrusions, DA — clasts in debris-ava-

lanche. For rock types: AB — basaltic andesite, A — andesite, D — dacite, Md — microdiorite, px — pyroxene, am — amphibole.

Laboratory: M — Madrid, D — Debrecen.

background image

                                                 331

NEOGENE GURGHIU MOUNTAINS VOLCANIC RANGE (EASTERN CARPATHIANS)

Fig.  3.  Timing  of  Neogene  volcanic  events  in  the  Gurghiu  Mountains  (Cãlimani–Gurghiu–Harghita  chain,  Romania).  Major  volcanic

events: FL-Caldera — Fâncel-Lãpuºna caldera-forming event; DA — Debris-avalanche event.

This suggest that andesitic magma reached the surface during

the ca. 1 Ma time interval, which is a typical duration for indi-

vidual East Carpathian volcanoes (Szakács et al. 1997).

The K-Ar data sustain volcanological observations that the

volcanic units belonging to neighbouring edifices interfinger

at their peripheries during the inferred interval of volcanic ac-

tivity. Such space-time relationships have been observed be-

tween  the  Cãlimani  and  Fâncel-Lãpuºna  (Fig. 2)  and  espe-

cially  between  Seaca-Tãtarca,  ªumuleu  and  Ciumani-

Fierãstraie  volcanoes.  However,  the  pile  of  peripheral

volcaniclastic deposit in the south-western part of the Gurghiu

cannot be assigned to the different volcanic source-areas since

they show similar ages, as well as similar petrography.

K-Ar ages considerably refined other volcanological inter-

pretations,  as  well.  The  ages  obtained  on  clasts  in  volcani-

clastic  deposits  derived  from  the  Cãlimani  Mountains  con-

strain  the  timing  of  edifice  failure  of  the  source  volcano

(Rusca-Tihu)  around  8 Ma  (Figs. 1, 2)  (Szakács  &  Seghedi

2000). We also may estimate the time of caldera formation at

the Fâncel-Lãpuºna volcano (around 6.9 Ma), on the basis of

the age of the youngest dated clast in the FLVF. Additionally,

the  andesite  domes  at  the  border  of  the  caldera  (5.99–

6.23 Ma) suggests the timing of post-caldera volcanic activ-

ity. The intrusive complex of various age and petrography in-

side the Fâncel-Lãpuºna caldera may suggest either uplifting

during a resurgence event, following the caldera generation,

or an erosional exposure after the caldera generation. Most of

the large intrusive bodies inside the central edifice have ages

between 8.5–8.13 Ma, in the same range with lavas that con-

structed the initial volcanic edifice (8.7–7.5 Ma), which may

represent  the  core-complex  roots  of  the  pre-caldera  edifice.

However,  the  oldest  dated  intrusion  (9.4 Ma)  shows  similar

background image

332

SEGHEDI, SZAKÁCS, SNELLING and PÉCSKAY

petrography and age as of the pre-volcanic intrusions below

the Cãlimani volcanic area (Seghedi et al. in print) and it can

be attributed to this event. The ages of the most distal lava

flows and volcaniclastic deposits (e.g. in the Fâncel-Lãpuºna

and  Seaca-Tãtarca  volcanoes)  are  similar  to  those  of  corre-

sponding  central  edifices,  each  of  which  display  a  central

(proximal) facies and peripheral (distal) facies, as has previ-

ously been reported (Szakács & Seghedi 1995).

Acknowledgments:  The  Geological  Institute  of  Romania

(GIR) supported fieldwork. Analytical work was supported by

an inter-Academy cooperation project between GIR, Institute

of Geodynamics “Sabba S. Stefãnescu” and ATOMKI, and by

a  bilateral  cooperation  project  between  GIR  and  the  CSIC-

University Complutense of Madrid. We thank Robert I. Till-

ing of the U.S. Geological Survey for helpful review and edi-

torial improvements to the earlier version of the manuscript.

We acknowledge the critical and helpful review of the paper

by K. Németh, J. Lexa and V. Koneèný.

References

Baker  I.,  Gale  L.H.  &  Simons  J.  1967:  Geochronology  of  the  St.

Helena Volcanoes. Nature 215, 1451–1456.

Balogh K. 1985: K-Ar dating of Neogene volcanic activity in Hun-

gary.  Experimental  technique,  experiences  and  methods  of

chronological studies. ATOMKI Reports D/1, 277–288.

Davidson  J.  &  De  Silva  S.  2000:  Composite  volcanoes.  In:

Sigurdsson H., Houghton B., McNutt S.R., Rymer H. & Styx J.

(Eds.): Encyclopedia of volcanoes. Academic Press, San Diego,

663–681.

Karátson  D.  1999:  Erosion  of  primary  volcanic  depressions  in  the

Inner Carpathian Volcanic Chain. Z. Geomorphol. N.F. Suppl.-

Bd. 114, 49–62.

Karátson D., Thouret J.-C., Moriya I. & Lomoschitz A. 1999: Ero-

sion  calderas:  origins,  processes,  structural  and  climatic  con-

trol. Bull. Volcanol. 61, 164–193.

Karátson D. & Thouret J.-C. 2001: Reply to the comments on the ar-

ticle  “Erosion  calderas:  origins,  processes,  structural  and  cli-

matic  control”  by  Alexandru  Szakács  and  Michael  Ort.  Bull.

Volcanol. 63, 291–292.

Lipman  P.W.  2000:  Calderas  In:  Sigurdsson  H.,  Houghton  B.,

McNutt S.R., Rymer H. & Styx J. (Eds.):  Encyclopedia of vol-

canoes. Academic Press, San Diego, 643–662.

Mahood  G.A.  &  Drake  E.  1982:  K-Ar  dating  of  young  rhyolitic

rocks:  A  case  study  of  the  Sierra  La  Primavera,  Jalisco,

Mexico. Geol. Soc. Amer. Bull. 93, 1232–1241.

Mason  P.R.D.,  Downes  H.,  Thirlwall  F.,  Seghedi  I.,  Szakács  A.,

Lowry  D.  &  Mattey  D.  1996:  Crustal  assimilation  as  a  major

petrogenetic process in the East Carpathian Neogene and Quater-

nary continental margin arc, Romania. J. Petrology 37, 4, 927–95.

McIntyre  D.B.  1963:  Precision  and  resolution  in  geochronometry.

In:  C.C.  Albritton  Jr.  (Ed.):  The  fabric  of  geology.  Addison

Wesley, Reading Ms., 112–134.

Michailova  N.,  Glevasskaia  A.,  Tsykora  V.,  Neºtianu  T.  &

Romanescu  D.  1983:  New  palaeomagnetic  data  for  the

Cãlimani, Gurghiu and Harghita volcanic Mountains in the Ro-

manian Carpathians. An. Inst. Geol. Geofiz. 63, 112–124.

Pécskay Z., Edelstein O., Seghedi I., Szakács A., Kovacs M., Crihan M.

& Bernad A. 1995: K-Ar datings of Neogene-Quaternary calc-al-

kaline volcanic rocks in Romania. Acta Vulcanol. 7, 2, 15–28.

Rãdulescu D., Vasilescu A. & Peltz S. 1964a: Contribution to the

knowledge of the geological structure of Gurghiu Mountains.

An. Com. Geol. (Bucureºti) XXXIII, 87–151 (in Romanian).

Rãdulescu  D.,  Vasilescu  A.  &  Peltz  S.  1964b:  The  large  Fâncel-

Lãpuºna  caldera  of the Gurghiu Mountains. D.D.S. Inst. Geol.

XLIX (1959–1960), 1, 383–396 (in Romanian).

Rãdulescu D., Pãtraºcu S. & Bellon H. 1972: Pliocene geomagnetic

epochs: New evidence of reversed polarity around the age of 7

m.y. Earth Planet. Sci. Lett. 14, 114–128.

Rãdulescu  D.,  Peltz  S.  &  Stanciu  C.  1973:  Neogene  volcanism  in

the  East  Carpathians  (Cãlimani-Gurghiu-Harghita).  Guide  to

excursion  2AB,  Symposium  Volcanism  and  Metallogenesis,

Bucharest, 1–69.

Rãdulescu  D.  &  Sãndulescu  M.  1973:  The  plate-tectonic  concept

and the geological structure of the Carpathians. Tectonophysics

16, 7–16.

Sãndulescu  M.  1984:  Geotectonics  of  Romania.  Ed.  Tehnicã,

Bucureºti, 1–334 (in Romanian).

Seghedi  I.,  Szakács  A.  &  Mason  P.R.D.  1995:  Petrogenesis  and

magmatic  evolution  in  the  East  Carpathian  Neogene  volcanic

arc (Romania). Acta Vulcanol. 7, 2, 135–143.

Seghedi  I.,  Szakács  A.,  Pécskay  Z.  &  Mason  P.

 

in  print:  Eruptive

history and age of magmatic processes in the Cãlimani volca-

nic structure, Romania. Geol. Carpathica.

Szakács A. & Seghedi I. 1995: The Cãlimani-Gurghiu-Harghita vol-

canic  chain,  East  Carpathians,  Romania:  volcanological  fea-

tures. Acta Vulcanol. 7, 2, 145–155.

Szakács  A.  &  Seghedi  I.  1996:  Volcaniclastic  sequences  around

andesitic  stratovolcanoes,  East  Carpathians,  Romania.  Work-

shop Guide. Rom. J. Petrology, Vol. 77, Suppl. No.1, 1–55.

Szakács A., Ioane D., Seghedi I., Rogobete M. & Pécskay Z. 1997:

Rates  of  migration  of  volcanic  activity  and  magma  output

along  the  Cãlimani-Gurghiu-Harghita  volcanic  range,  East

Carpathians, Romania. Przegl. Geol. 45, 10, 1–1106.

Szakács A. & Seghedi I. 2000: Large volume volcanic debris ava-

lanche  in  the  East  Carpathians,  Romania.  In:  H.  Leyrit  &  C.

Montenat  (Eds.):  Volcaniclastic  rocks,  from  magma  to  sedi-

ments. Gordon Breach Sci. Publ., The Netherlands, 131–151.

Szakács  A.  &  Ort  M.  2001:  Comments  on  the  article  “Erosion

calderas: origins, processes, structural and climatic control” by

Karátson D., Thouret J.-C., Moriya I. & Lomoschitz A. (1999).

Bull. Volcanol. 61, 174–193; 63, 289–290.

Walker  G.P.L.  1984:  Downsag  calderas,  ring  faults,  caldera  sizes,

and  incremental  caldera  growth.  J.  Geophys.  Res.  89,  (B10),

8407–8416.