background image

GEOLOGICA CARPATHICA,  FEBRUARY 2005, 56, 1, 77–90

Petrogenesis of convergent-margin calc-alkaline rocks and

the significance of the low oxygen isotope ratios: the Rodna-

Bârgãu Neogene subvolcanic area (Eastern Carpathians)

DELIA CRISTINA PAPP

1*

, IONEL URECHE

1

,

 

IOAN SEGHEDI

2

, HILARY DOWNES

3

 and LUIGI DALLAI

4

1

Geological Institute of Romania, Cluj-Napoca Branch, P.O. Box 181, 400750 Cluj-Napoca, Romania;  deliapapp@pcnet.ro

2

Institute of Geodynamics, Str. Jean-Luis Calderon 19–21, 70201 Bucharest, Romania

3

Birkbeck/UCL Research School of Geological and Geophysical Sciences, Birkbeck College, Malet St., London WC1E 7HX,

United Kingdom

4**

Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria IGAG, c/o Dipartimento Scienze della Terra, Università di Roma “La Sapienza”,

P.le Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy

**

Present address: CNR—Istituto di Geoscienze e Georisorse, Area di Ricerca di Pisa, Via Moruzzi 1, 56127 Pisa, Italy

(Manuscript received March 28, 2003; accepted in revised form March 16, 2004)

Abstract: Neogene calc-alkaline magmatites (from basaltic andesites to rhyolites including mafic cognate enclaves) of

the Rodna-Bârgãu subvolcanic area (East Carpathian arc) are evaluated on the basis of new mineral compositional data,

major and trace elements, as well as Sr and O isotope data. Two different series of rocks have been separated. The

magmas of the medium-K series had a rapid ascent toward the surface, as proven by the presence of primary garnet

bearing rocks, or by the sporadic occurrence of mafic cognate enclaves. The δ

18

O values of amphiboles vary from 4.2 to

5.4 ‰ (SMOW). The δ

18

O value measured on garnet is 4.3 ‰. The range of 

87

Sr/

86

Sr ratios is from 0.70588 to 0.70887.

The decrease of the δ

18

O values as 

87

Sr/

86

Sr ratios and SiO

2

 increase is interpreted as a progressive contamination of a

mantle derived magma with a contaminant depleted in δ

18

O and enriched in 

87

Sr/

86

Sr (i.e. hydrothermally altered lower

crustal rocks). Within the high-K series the presence of intermediate magma chambers where assimilation-fractional

crystallization processes took place is considered. The δ

18

O values measured on clinopyroxenes vary from 4.6 to 5.7 ‰

and on amphiboles from 3.8 to 6.7 ‰. The range of 

87

Sr/

86

Sr ratios is from 0.70605 to 0.70950. The covariation of the

δ

18

O values and 

87

Sr/

86

Sr ratios is scattered. The highest δ

18

O values correspond to the highest 

87

Sr/

86

Sr ratios and are

consistent with assimilation of the local upper-crustal rocks. The lower δ

18

O values and the observed oxygen isotope

disequilibrium between coexisting pyroxenes and amphiboles are explained by interaction with heated meteoric water.

Key words: Eastern Carpathians, subvolcanic intrusions, calc-alkaline magmas, crustal interaction, enclaves, low δ

18

O.

Introduction

Neogene  magmatic  rocks  of  the  Inner  Carpathian  arc  have

been  the  subject  of  many  recent  studies  (e.g.  Salters  1988;

Downes et al. 1995; Mason et al. 1996, 1998; Seghedi et al.

1995, 2001). However, there are as yet few published data on

the subvolcanic zone in the East Carpathian arc (e.g. Ureche et

al. 1995; Papp 1999; Niþoi et al. 2002). Here we report the first

detailed geochemical and isotopic study on Neogene magmat-

ic rocks from the Rodna-Bârgãu Mountains (Romania), which

form the main area of the subvolcanic zone. We evaluate the

calc-alkaline magmatism on the basis of new mineral compo-

sitional data, major and trace elements, as well as Sr and O

isotope data. The role of the mantle source, crustal assimila-

tion and magma mixing is addressed. Parental magmas show-

ing  a  depleted  oxygen  isotope  signature  relative  to  average

MORB are a special feature of the magmatic rocks from the

Rodna-Bârgãu Mountains. They are interpreted in terms of as-

similation of hydrothermally altered crustal rocks and interac-

tion between intrusive bodies and heated meteoric water.

Up to now, similar low δ

18

O rocks have not been reported

within the Carpathian Neogene volcanic arc. More extended

occurrences of rocks (e.g. alkaline basalts, granulite enclaves)

depleted  in  oxygen  isotope  have  been  described  in  the  Pan-

nonian Basin (e.g. Kempton et al. 1997; Dobosi et al. 2003),

but those are related to the distensional efforts behind the Car-

pathian arc.

Worldwide,  significantly 

18

O-depleted  primary  magmas

have  been  recovered  from  plume  derived  basalts  erupted  in

ocean  island  settings  (e.g.  Iceland,  Hawaii,  Canary  Islands)

(Eiler 2001 and literature therein). The origin of this low δ

18

O

signature has been attributed to either interaction of basaltic

magmas within the hydrothermally-altered lower oceanic crust

or  as  a  primary  feature  of  the  plume  itself.  For  the  more

evolved magmas from Canary Islands, Thirlwall et al. (1997)

favour  an  interpretation  that  their 

18

O-depleted  character

might have been acquired during contamination by hydrother-

mally altered rocks in the current lithosphere.

Our study brings new arguments in the debate of the origin

of the 

18

O-depleted magmas enforcing the importance of con-

www.geologicacarpathica.sk

*Corresponding  author:  E-mail:  deliapapp@pcnet.ro;  Tel./Fax:

+40264-429430

background image

78                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

tamination  by  hydrothermally  altered  crustal  rocks  in  conti-

nental  arc-related  magmatism.  It  also  provides  new  data,

which might contribute to improving the models of geo-tec-

tonic evolution of the Inter-Carpathian area.

Geological setting of the Rodna-Bârgãu Mountains

Magmatic rocks in the Inner Carpathian arc are considered

by most authors (e.g. Csontos 1995; Balintoni 1996) to belong

to  an  active  continental  margin,  connected  to  a  subduction

zone located at the southwestern border of the Eurasian plate.

Although subduction was related to Alpine tectonic activity,

which  started  during  the  Cretaceous,  the  major  convergent

event occurred in Miocene times (Sãndulescu 1984). Neogene

magmatism was associated with the consumption of a small

piece of ocean crust, attached to the European plate, beneath

the ALCAPA (Alpine-Carpathian-Pannonian) and Tisia-Getia

continental blocks (Rãdulescu & Sãndulescu 1976; Seghedi et

al. 1998).

The  subvolcanic  zone  is  located  on  the  Tisia-Getia  block

close to the boundary with both the ALCAPA block and the

Eastern European Plate, between the two volcanic segments:

Oaº-Gutâi in the north-west and Cãlimani-Gurghiu–Harghita

in  the  south-east  (Fig. 1,  insertion).  Within  the  subvolcanic

zone  numerous  intrusive  bodies  are  located  in  three  areas:

Þibleº, Toroioaga and Rodna-Bârgãu.

In the Rodna-Bârgãu area special geological-structural con-

ditions resulted from the tectonic contact of the Rodna meta-

morphic massif with the Transcarpathian Flysch Zone, delin-

eated by the Someº Fault system (Fig. 1). The host-rocks of

the magmatites are crystalline schists of the Middle Dacides

and sedimentary deposits of the Transcarpathian flysch.

The intrusive bodies from the Rodna Mountains, hosted by

metamorphic rocks, are mostly large massive bodies (stocks,

and laccoliths associated with sills and dykes). More acidic fa-

cies are represented by: Parva rhyolites, Cormaia rhyodacites

and Valea Vinului quartz andesites (porphyritic micrograno-

diorites).  In  contrast,  sedimentary  flysch  deposits  form  the

host-rocks  of  the  intrusive  bodies  in  the  Bârgãu  Mountains.

The main intrusive units are: Bucnitori and Sturzii (dacites),

Pleºii-Mal  (quartz  garnet  andesites),  Cornii  (andesites),

Chicera  and  Arsente  (Mãguri)  (microdiorites)  and  Heniu,

Oala,  Iliuþa,  Colibiþa  (South  Bârgãu)  (andesites).  The  intru-

sions vary in volume and have a surface exposure from 1 km

2

(Pleºii-Mal) to 20 km

2

 (Cornii, Heniu).

Within the Rodna-Bârgãu area the age of the magmatites is

11–9 Ma, corresponding to Pannonian, similar to other volca-

nic activity in the Eastern Carpathians (Pécskay et al. 1995).

The distribution of ages among the delimitated intrusive units

is as follows: Sturzii 10.6±0.7 Ma, Runc 10.4±0.8 Ma, Valea

Vinului  9.0±0.5 Ma,  Cornii  9.8±0.8 Ma,  Mãgura  Arsente

8.8±0.5 Ma, and Mãgura Rodnei 8.6±0.4 Ma.

Petrography of the magmatites

The main petrographic types of the Neogene magmatites are

basaltic  andesites,  microdiorites,  quartz  biotite  amphibole

andesites,  quartz-garnet  andesites,  dacites,  rhyodacites,  and

rhyolites. Transitional textures occur between subvolcanic and

plutonic facies, and between hypabyssal and volcanic-like fa-

cies.  There  is  a  relatively  high  degree  of  crystallization  and

most of the rocks are porphyritic.

The  main  minerals  are:  plagioclase  feldspars,  amphiboles,

pyroxenes, biotite, quartz and subordinate potassic feldspars.

The accessory minerals are: apatite, magnetite, zircon, garnet

and the secondary minerals are: clay minerals, sericite, chlo-

rite, calcite, and epidote.

Magmatic cognate enclaves are relatively frequent in andes-

ites,  microdiorites  and  diorites  (Niþoi  et  al.  1995).  They  are

subangular to rounded in shape and vary from 2–3 cm up to

20–25 cm in size. The cognate enclaves have a holocrystalline

hipidiomorphic structure, frequently showing a poikilitic char-

acter due to the presence of large amphibole crystals (mega-

crystals), which may include other minerals such as pyroxenes

and feldspars. The texture is massive. Amphiboles ± feldspars

represent the mineralogical composition of most cognate en-

claves, forming a hornblendite-like composition. Pyroxene ±

amphibole  ±  feldspars  (pyroxenite-like)  are  also  present.

Within  the  Valea  Vinului  quartz  andesites,  cog-

nate enclaves containing biotite  +   amphibole  +  feldspar  oc-

cur. The contact between cognate enclaves and host-rocks is

either sharp or can show evidence of partial dissemination in

the  host  melt.  Detailed  petrographic  descriptions  of  cognate

enclaves  and  their  relationship  with  the  host-rocks  can  be

found in Niþoi et al. (2002).

The  magmas  that  generated  the  host-rocks  in  the  Rodna-

Bârgãu  Mountains  had  a  calc-alkaline  character  and  show  a

complete differentiation trend, while the cognate enclaves are

much richer in FeO and MgO and display tholeiitic features

(Ureche 2000).

Sampling and analytical techniques

We have studied most of the important intrusive rocks in the

Rodna-Bârgãu  sector.  Samples  of  basaltic  andesites,  mi-

crodiorites, quartz biotite amphibole andesites, quartz garnet

andesites, dacites, rhyodacites and rhyolites, as well as mafic

cognate  enclaves,  were  selected  for  whole  rock  and  mineral

separates analysis.

For most of the whole-rock samples, major elements were

determined by wet chemical methods at the Prospecþiuni S.A.

(Bucharest) Laboratory. Trace elements and REE have been

determined by neutron activation method at the Geological In-

stitute  of  Romania.  In  addition,  23  pressed  powder  pellets

from the same whole-rock samples were made for determining

Rb, Sr, Y, Zr, Nb content by XRF analyses. For four samples

(I4/A2, I4/A3, I4px0, I4px4) complete chemical analysis (ma-

jor and trace elements) was performed by XRF. XRF analyses

have been carried out at the Department of Earth Science of

the “La Sapienza” University of Rome, using a PHILIPS 1480

Spectrometer  equipped  with  a  Rh  tube  running  at  30 Kv–

60 Ma  for  major  elements  and  50 Kv–50 Ma  for  trace  ele-

ments.  Ba,  La,  Ce,  Cr,  and  V  have  been  performed  by  a W

tube  running  at  50 Kv–50 Ma  conditions.  International  stan-

dards were used for calibration and the precision and accuracy

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        79

for major elements are estimated to be below 3 %.  The analyt-

ical precision is better than 5 % for Rb, Sr and Y and better

than  10 %  for  other  trace  elements  except  for  La  and  Ce,

which may be even more than 20 %.

The microprobe analyses were performed on polished thin

sections prepared within the laboratory of the CNR — Centro

di Studio per il Quaternario e l’Evolutione Ambientale, Rome

(at present Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria).

The analyses were made using a CAMECA SX50 equipped

with 5 WDS spectrometers and one EDS Link eXL. Over 400

points  distributed  on  profiles  were  measured  on  amphibole,

pyroxene, biotite, feldspar and garnet crystals.

Whole-rock powder samples of host rocks and cognate en-

claves  were  prepared  for  Sr  isotope  analyses.  The  isotope

analyses were carried out at the CNR — Centro di Studio per

il Quaternario e l’Evoluzione Ambientale, Rome. All samples

Fig. 1. Geological sketch map of the Rodna-Bârgãu Mountains. Intrusive magmatites (Pannonian): 1 — rhyolites; 2 — rhyo-dacites; 3 —

dacites; 4 — quartz andesites ± biotite; 5 — quartz garnet andesites; 6 — andesites, a — microdiorites, b — diorites, c — (hornblende ± py-

roxene); 7 — basaltic andesites. Sedimentary cover: 8 — shales, sandstones, pyroclastites (Lower Miocene); 9 — sandstones (Borºa For-

mation) (Paleogene-Lower Miocene);  10  —  shales,  standstones  (Paleogene);  11  —  marls,  shales,  breccias  (Priabonian-Paleogene); 12  —

limestones, sandstones, conglomerates (Lutetian-Priabonian). Metamorphic basement: 13 — Rusaia metamorphic series (Silurian); 14 —

Rebra metamorphic series (Upper Proterozoic); 15 — Bretila metamorphic series (Upper Proterozoic); 16 — shear zone; 17 — fault; 18 —

breccias; 19 — pyroclastic products (Neogene).

background image

80                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

were analysed in bulk, and the rocks were decomposed with a

mixture of ultrapure HF and HNO

3

 in a teflon vessel at 70 °C

for 48 h. The resulting solution was evaporated and taken up

in 6.2 N ultrapure HCl. The Sr was separated in a 3 ml AG

50W-X8 resin column. Isotopic analyses were carried out us-

ing  both  Finnigan  Mat  262RPQ  multicollector  and  VG 54E

single  collector  mass  spectrometers.  For  the  latter  machine,

the procedures of Ludwig (1994) were applied for data acqui-

sition and reduction. Internal precision (within-run precision)

of a single analytical result is given as two standard error of

the mean. Repeated analyses of standard NBS987 gave aver-

ages and errors expressed as 2 standard deviation as follows

87

Sr/

86

Sr=0.71024  +/–2  (n=20)  and  the  isotope  ratios  were

normalized to 

86

Sr/

88

Sr to 0.1194.

Mineral separates of amphibole, pyroxene and garnet have

been  analysed  for  O  isotope  ratios.  Mineral  separates  were

made by hand picking under a microscope. In some cases sup-

plementary  purification  of  the  separates  was  performed,  by

washing in an ultrasonic bath and/or acetone. Oxygen isotope

analyses were carried out at the CNR — Centro di Studio per

il Quaternario e l’Evolutione Ambientale, Rome, using a laser

fluorination  system  attached  to  a  Finnigan  MAT  “DELTA

plus” mass spectrometer. Some samples have been replicated

or newly performed at the Royal Holloway University of Lon-

don using a laser fluorination system following the method de-

Table 1: Representative microprobe analyses of amphiboles of host rocks and enclaves. Abbreviations: Hen — Heniu; V.Vin — V.Vinului;

Chi — Chicera; Ars — Arsente; ro — rock; en — enclave; r — rim; c — core; pt — potassian; tsch — tschermakite; mghas — mag-

nesiohastingsite; parg — pargasite.

scribed by Mattey & Macpherson (1993). The determinations

made in Italy and the UK are comparable. Two or more ex-

tractions were made on each sample; the average reproducibil-

ity of isotopic analyses is ±0.2 ‰ or better. The analytical data

are  reported  in  the  δ-notation  referenced  to  SMOW  as  the

mean of two or more replicate analyses.

Results

Main mineral species

Amphiboles are the main mafic minerals within the magmat-

ic rocks in the Rodna-Bârgãu area. All are Ca- rich and have

been classified according to IMA (Leake et al. 1997) nomen-

clature  (Table 1).  The  magnesium  number  [Mg#=MgO/

(MgO+FeO)]  varies  from  0.53  (Valea  Vinului  cognate  en-

clave) up to 0.87 (amphibole megacrystal–Arsente cognate en-

clave). Most amphibole phenocrysts, especially those found in

andesites  and  microdiorites  are  magnesiohastingsites.  Am-

phiboles from more acidic facies are tschermakites. Amphib-

oles in cognate enclaves are also relatively heterogeneous, dis-

playing  magnesiohastingsite  (Chicera–Arsente),  pargasite

(Cornii)  and  tschermakite  (Heniu)  compositions.  Zoning  is

present within most of the amphibole crystals, both in host-

Sample  

Anls. 

Loc. 

I15 

ro(r) 

Sturzii 

I15 

ro(c) 

Sturzii 

I31 

ro 

Pleºii 

I8 

ro 

Hen 

I8 

en 

Hen 

I18 

ro 

Iliuþa 

I11 

ro 

V.Vin 

I11 

ro 

V.Vin 

I5

ro 

Chi 

I5 

en 

Chi 

I4

ro

Ars

I4 

en(r) 

Ars 

I4 

en(c) 

Ars 

I4mega 

en 

Ars 

I14 

ro 

Cornii 

I14  

en 

Cornii 

SiO

2

 

44.53 

41.98  41.90  43.06  42.72  43.37 

40.95 

40.72 

42.44 

42.70 

42.08

41.52 

42.64 

42.73 

42.95  43.27 

TiO

2

 

0.91 

1.00 

0.69 

1.05 

1.86 

2.18 

1.47 

1.83 

1.30 

1.21 

1.67

1.87 

1.46 

1.19 

1.95 

2.15 

Al

2

O

3

 

11.48 

13.98  13.40  11.74  12.18  12.49 

12.02 

12.69 

13.18 

13.04 

13.13

12.98 

13.27 

13.12 

12.25  11.70 

Cr

2

O

3

 

0.00 

0.05 

0.07 

0.03 

0.06 

0.00 

0.08 

0.04 

0.06 

0.06 

0.09

0.10 

0.08 

0.00 

0.00 

0.10 

FeO* 

15.96 

16.82  17.99  17.51  13.83  14.32 

18.69 

16.25 

9.54 

8.86 

11.52

13.51 

9.52 

10.56 

12.11  11.50 

MnO 

0.62 

0.51 

0.51 

0.60 

0.23 

0.25 

0.56 

0.35 

0.10 

0.16 

0.23

0.32 

0.15 

0.15 

0.28 

0.20 

MgO 

12.18 

10.50  10.33  11.37  12.61  12.75 

9.25 

10.69 

15.28 

15.79 

14.13

12.68 

15.58 

15.16 

12.77  13.85 

CaO 

9.78 

10.37 

9.88 

9.56  11.12  10.19 

11.35 

11.21 

11.68 

11.73 

11.74

11.56 

11.92 

11.51 

11.37  11.92 

Na

2

1.40 

1.62 

1.86 

1.70 

1.86 

2.24 

1.46 

1.87 

2.26 

2.22 

2.37

2.24 

2.49 

2.29 

2.20 

1.96 

K

2

0.23 

0.32 

0.38 

0.24 

0.48 

0.38 

1.38 

1.38 

0.84 

0.84 

0.75

0.71 

0.80 

0.69 

0.92 

0.74 

BaO 

0.00 

0.00 

0.01 

0.00 

0.01 

0.00 

0.02 

0.03 

0.03 

0.01 

0.01

0.00 

0.02 

0.01 

0.01 

0.02 

0.08 

0.13 

0.14 

0.12 

0.12 

0.00 

0.11 

0.14 

0.21 

0.24 

0.14

0.08 

0.08 

0.06 

0.21 

0.21 

Total 

97.17 

97.27  97.15  96.98  97.08  97.17 

97.34 

97.19 

96.91 

96.85 

97.84

97.57 

98.01 

97.47 

97.01  97.62 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si 

6.51 

6.18 

6.21 

6.35 

6.29 

6.21 

6.21 

6.15 

6.18 

6.20 

6.13

6.12 

6.14 

6.18 

6.35 

6.34 

Al

IV

 

1.49 

1.82 

1.79 

1.65 

1.71 

1.79 

1.79 

1.85 

1.82 

1.80 

1.87

1.88 

1.86 

1.82 

1.65 

1.66 

T sites 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

8.00 

Al

VI

 

0.50 

0.61 

0.55 

0.39 

0.40 

0.37 

0.36 

0.40 

0.44 

0.43 

0.38

0.37 

0.39 

0.41 

0.49 

0.36 

Ti 

0.10 

0.11 

0.08 

0.12 

0.21 

0.24 

0.17 

0.21 

0.14 

0.13 

0.18

0.21 

0.16 

0.13 

0.22 

0.24 

Cr 

0.00 

0.01 

0.01 

0.00 

0.01 

0.00 

0.01 

0.01 

0.01 

0.01 

0.01

0.01 

0.01 

0.00 

0.00 

0.01 

Fe

3+

 

0.75 

0.84 

0.94 

0.96 

0.53 

0.65 

0.55 

0.44 

0.48 

0.52 

0.48

0.50 

0.46 

0.62 

0.20 

0.26 

Mg 

2.65 

2.31 

2.28 

2.50 

2.77 

2.79 

2.09 

2.40 

3.32 

3.42 

3.07

2.79 

3.34 

3.27 

2.82 

3.02 

Fe

2+

 

1.00 

1.12 

1.15 

1.02 

1.09 

0.95 

1.82 

1.54 

0.61 

0.49 

0.88

1.12 

0.64 

0.57 

1.28 

1.11 

C sites 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

5.00 

Fe

2+

 

0.20 

0.11 

0.14 

0.17 

0.09 

0.16 

0.01 

0.05 

0.07 

0.06 

0.05

0.04 

0.05 

0.08 

0.02 

0.04 

Mn 

0.08 

0.06 

0.06 

0.07 

0.03 

0.03 

0.07 

0.04 

0.01 

0.02 

0.03

0.04 

0.02 

0.02 

0.03 

0.02 

Ca 

1.52 

1.64 

1.57 

1.51 

1.75 

1.60 

1.84 

1.79 

1.82 

1.82 

1.83

1.83 

1.84 

1.78 

1.80 

1.87 

Na 

0.20 

0.19 

0.23 

0.24 

0.13 

0.21 

0.08 

0.12 

0.09 

0.09 

0.09

0.08 

0.12 

0.14 

0.07 

B sites 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00

0.09 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

2.00 

Na 

0.20 

0.27 

0.31 

0.25 

0.40 

0.43 

0.35 

0.44 

0.54 

0.53 

0.58

0.55 

0.62 

0.53 

0.49 

0.49 

0.04 

0.06 

0.07 

0.05 

0.09 

0.07 

0.27 

0.27 

0.16 

0.14 

0.14

0.13 

0.15 

0.13 

0.17 

0.14 

A sites 

0.24 

0.33 

0.38 

0.30 

0.49 

0.50 

0.62 

0.70 

0.70 

0.67 

0.72

0.68 

0.77 

0.65 

0.66 

0.63 

OH 

1.96 

2.63 

2.78 

1.94 

1.94 

2.00 

2.69 

2.60 

1.90 

1.98 

1.94

1.96 

1.96 

1.97 

1.90 

1.90 

Mg# 

0.69 

0.65 

0.64 

0.68 

0.70 

0.72 

0.53 

0.60 

0.83 

0.86 

0.77

0.70 

0.83 

0.87 

0.68 

0.73 

Modif. 

ferro 

ferro 

ferro 

ferro 

 

 

pts 

pts 

 

 

 

 

 

 

 

Name 

  tsch 

  tsch 

  tsch 

  tsch 

tsch 

tsch 

mghas 

mghas 

mghas 

mghas 

mghas

mghas 

mghas 

mghas 

parg 

parg 

 

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        81

rocks  and  cognate  enclaves.  Some  amphiboles  (e.g.  Arsente

microdiorite) display Mg-richer core and Fe-richer rim, while

other amphiboles (e.g. Sturzii dacite) display reverse zonation

with Mg-richer rim and Fe-richer core.

Pyroxenes are present only in the more basic petrographic

types, where they are subordinated in abundance to the am-

phiboles. They are also found in some mafic magmatic cog-

nate enclaves. In some cognate enclaves pyroxene is the only

mineralogical  component.  Only  clinopyroxene  occurs  in  the

studied  rocks  (Table 2).  Within  the  cognate  enclaves  mostly

diopside  is  present,  while  augite  occurs  mainly  in  the  host-

rocks. Occasionally, clinoenstatite was found in the pyroxen-

ite enclaves within the Arsente microdiorite.

Biotite is present in the more acidic petrographical types ei-

ther as the only mafic mineral (Parva rhyolite) or in associa-

tion with amphiboles (Ilva rhyodacites and dacites, as well as

Valea Vinului quartz biotite andesites). It is also present in the

mafic magmatic cognate enclaves within the Valea Vinului In-

trusive Unit, where it has a slightly different chemical compo-

sition compared with the host-rock biotite. This corresponds

to higher Al and Fe, and to lower Mg content.

Plagioclase  feldspars  are  the  main  components  of  all  the

petrographic types; they form both phenocrysts and microlites

in the matrix. Anorthite content varies according to the petro-

Sample 

Analysis 

Location 

I5 

Rock 

Chicera 

I4 

rock 

Arsente 

I4/A2 

en 

Arsente 

I4px0 

en 

Arsente 

I4px0 

en 

Arsente 

I4px1 

en 

Arsente 

I4px2 

en 

Arsente 

I4px4 

en 

Arsente 

I14 

en 

Cornii 

I6 

en(cor) 

Runc 

I6 

en(rim) 

Runc 

SiO

2

 

52.13 

52.07 

51.12 

53.65 

55.14 

52.54 

52.83 

52.25 

50.67 

51.84 

51.59 

Al

2

O

3

 

1.56 

1.28 

3.18 

1.77 

1.83 

1.85 

1.52 

2.25 

3.84 

2.08 

2.14 

TiO

2

 

0.63 

0.28 

0.56 

0.24 

0.13 

0.20 

0.20 

0.11 

0.72 

0.62 

0.58 

Cr

2

O

3

 

0.10 

0.07 

0.05 

0.52 

0.34 

0.14 

0.10 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

FeO* 

8.17 

9.29 

6.30 

3.92 

11.15 

5.27 

5.46 

6.40 

6.70 

9.44 

9.41 

MnO 

0.48 

0.46 

0.24 

0.20 

0.25 

0.13 

0.24 

0.27 

0.24 

0.37 

0.39 

MgO 

14.69 

14.14 

15.62 

17.03 

30.08 

15.51 

15.21 

15.59 

13.70 

15.22 

14.94 

CaO 

20.86 

21.59 

21.87 

22.50 

0.67 

24.18 

24.00 

22.39 

23.69 

19.97 

20.33 

K

2

0.04 

0.03 

0.03 

0.01 

0.01 

0.00 

0.00 

0.00 

0.02 

0.03 

0.02 

Na

2

0.50 

0.25 

0.31 

0.21 

0.02 

0.13 

0.13 

0.30 

0.41 

0.29 

0.27 

BaO 

0.00 

0.03 

0.00 

0.02 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.02 

0.00 

0.00 

0.11 

0.24 

0.00 

0.03 

0.00 

0.14 

0.20 

0.31 

0.00 

0.00 

0.23 

Total 

99.26 

99.72 

99.27 

100.00 

99.60 

100.09 

99.90 

99.90 

100.06 

99.86 

99.91 

WO 

43.41 

44.17 

44.90 

45.54 

1.30 

48.39 

48.37 

45.40 

49.19 

40.91 

41.68 

EN 

42.53 

40.26 

44.62 

47.95 

81.40 

43.18 

42.66 

44.02 

39.58 

43.39 

42.62 

FS 

14.06 

15.57 

10.48 

6.51 

17.30 

8.43 

8.97 

10.58 

11.23 

15.70 

15.70 

 

 

 

 

graphic type: between 20–25 % (oligoclase) in acid rocks, and

between 55–76 % (labrador–bytownite) in most microdiorites

and basaltic andesites (Table 3). The plagioclases in Chicera

and Heniu Magmatic Units (microdiorites, amphibole andes-

ites)  are  even  more  basic,  with  an  anorthite  content  of  70–

80 %. Plagioclase feldspars frequently show normal and oscil-

latory zoning, which is best shown in samples of the Arsente,

Valea Vinului, Cornii and Sturzii Units, indicating modifica-

tion of crystallization conditions (i.e. magma chamber refilling

and/or rapid cooling during the emplacement of the intrusive

body).

Potassic  feldspars  are  present  in  very  small  amounts  (0–

4 wt. %), mostly in the cognate enclaves or in the form of mi-

crolites  in  the  matrix  of  the  more  acidic  petrographic  types

(Valea Vinului). They form totally subordinated phenocrysts

in porphyritic microgranodiorites. They are mostly orthoclase.

In many cases they are replaced by sericite, kaolinite and cal-

cite.

Garnets are present only in the Pleºii-Mal quartz andesites

and  Sturzii  dacite,  as  1–2 wt. %  of  the  rock  volume.  They

form  phenocrysts  with  subhedral  or  euhedral  morphologies,

0.5–2.5 mm  in  size,  and  have  almandine-rich  compositions

(over  55 %)  (Table 4).  Garnets  are  fresh,  without  inclusions

and  reaction  zones.  Most  are  found  as  inclusions  in  plagio-

 

 

 

 

Sample 

Analysis 

 

Location 

I15 

rock 

core 

Sturzii 

I15 

rock 

middle 

Sturzii 

I15 

rock 

rim 

Sturzii 

I31 

rock 

 

Pleºii 

I8 

rock 

 

Heniu 

I8/hb1 

en 

 

Heniu 

I8/hb2 

en 

 

Heniu 

I4/A2 

en 

core 

Arsente 

I4/A2 

en 

middle 

Arsente 

I4/A2 

en 

rim 

Arsente 

I4mega 

en 

 

Arsente 

I6 

rock 

 

Runc 

SiO

2

 

55.42 

57.43 

56.25 

57.15 

50.97 

52.04 

64.54 

55.40 

54.46 

56.33 

65.03 

51.66 

Al

2

O

3

 

27.78 

26.38 

27.18 

26.40 

30.56 

29.57 

18.18 

27.23 

28.00 

26.62 

18.31 

29.66 

CaO 

10.29 

8.59 

9.59 

8.71 

13.67 

12.81 

0.17 

9.81 

10.77 

9.31 

0.11 

13.08 

MnO 

0.11 

0.00 

0.00 

0.11 

0.04 

0.03 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.04 

FeO* 

0.14 

0.07 

0.07 

0.09 

0.25 

0.24 

0.16 

0.28 

0.29 

0.29 

0.06 

0.63 

BaO 

0.00 

0.05 

0.04 

0.01 

0.00 

0.03 

0.11 

0.00 

0.06 

0.03 

0.10 

0.00 

Na

2

5.70 

6.65 

6.07 

6.43 

3.75 

4.26 

0.66 

5.93 

5.14 

6.13 

0.39 

4.00 

K

2

0.16 

0.15 

0.14 

0.17 

0.07 

0.09 

15.38 

0.38 

0.32 

0.33 

15.99 

0.20 

Total 

99.60 

99.33 

99.33 

99.07 

99.34 

99.05 

99.19 

99.03 

99.04 

99.04 

100.00 

99.30 

Ab 

49.59 

57.83 

52.97 

56.60 

33.00 

37.40 

6.00 

51.12 

45.49 

53.32 

3.60 

35.20 

An 

49.49 

41.29 

46.25 

42.40 

66.50 

62.10 

0.80 

46.71 

52.67 

44.77 

0.00 

63.70 

Or 

0.92 

0.88 

0.78 

1.00 

0.50 

0.50 

93.10 

2.17 

1.84 

1.91 

96.40 

1.10 

 

 

Table 3: Representative microprobe analyses of feldspars of host rocks and enclaves. Abbreviation: en — enclave.

Table 2: Representative microprobe analyses of pyroxenes of host rocks and enclaves. Abbreviation: en — enclave.

background image

82                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

Table 4: Representative microprobe analyses of garnets. Abbreviations: plz — plagioclase; hbl — hornblende.

Sample 

I9 Mal 

 

 

Pleºii 

 

 

 

 

 

 

Analysis 

in plz 

 

 

in plz        (from  rim  to  core) 

 

in hbl 

 

 

 

rim 

middle 

core 

4

6

rim 

middle 

core 

SiO

2

 

37.69 

37.90 

37.90 

37.52 

37.79 

37.70 

37.67

37.52 

37.55

37.42 

37.63 

37.71 

TiO

2

 

0.19 

0.16 

0.06 

0.23 

0.09 

0.13 

0.21

0.25 

0.28

0.29 

0.21 

0.18 

Al

2

O

3

 

20.78 

20.82 

20.87 

20.60 

20.85 

20.58 

20.59

20.55 

20.81

20.29       20.5 

20.75 

Cr

2

O

3

 

0.08 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00

0.08 

0.00

0.00 

0.00 

0.00 

MgO 

5.81 

5.57 

5.68 

5.60 

5.45 

5.25 

5.05        4.6 

5.35

5.35 

5.42 

5.45 

CaO 

5.22 

5.37 

4.51 

4.74 

5.35 

4.66 

5.65

4.35 

5.11

4.95 

4.58 

5.13 

MnO 

3.85 

3.45 

4.15 

4.03 

3.59 

4.52 

3.75

5.22 

4.11

3.55 

3.99 

3.65 

FeO 

27.35 

27.51 

27.72 

28.14 

27.87 

28.05 

28.03

27.69 

27.73

28.36 

28.56 

28.07 

Total 

100.97 

100.78 

100.89 

100.86 

100.99 

100.89 

100.95

100.26 

100.94

100.20 

100.89 

100.94 

End             

members 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uv 

0.24 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00

0.24 

0.00

0.00 

0.00 

0.00 

Adr 

0.53 

0.45 

0.17 

0.63 

0.25 

0.37 

0.59

0.72 

0.79

0.80 

0.59 

0.51 

Grs 

13.29 

13.95 

11.91 

11.95 

14.00 

12.08 

14.47

11.17 

12.86

12.46 

11.60 

13.17 

Alm 

56.49 

57.53 

57.96 

58.29 

57.97 

58.49 

58.31

59.09 

57.80

59.29 

59.34 

58.42 

Sps 

8.06 

7.31 

8.79 

8.46 

7.56 

9.55 

7.90

11.28 

8.68

7.53 

8.40 

7.69 

Prp 

21.39 

20.77 

21.17 

20.68 

20.22 

19.51 

18.73

17.50 

19.87

19.92 

20.07 

20.21 

Sum 

  100.00 

  100.00 

  100.00 

  100.00 

  100.00 

  100.00 

  100.00

  100.00 

  100.00

  100.00 

  100.00 

  100.00 

 

 

 

clase and rarely in hornblende phenocrysts. Garnets occur ei-

ther in the core of their host crystals or they can have a periph-

eral position. The optical and chemical features of the plagio-

clases hosting garnet crystals are similar to other plagioclases

in the rocks.

The presence of the assemblage amphibole-biotite–quartz–

plagioclase–K-feldspar–magnetite in lithologies  like  Sturzii

dacite  and  Valea  Vinului  andesites  recommend  that  the  Al-

content in hornblende geobarometer of Johnson & Rutherford

(1989)  may  be  applied  for  pressure  estimations.  Assuming

temperatures close to the range over which this barometer has

been calibrated (740–780 °C) pressures of 550–800 MPa have

resulted. The same barometer has been tentatively applied for

others intrusive units (Pleºii, Cornii, Chicera, Arsente, Heniu,

Iliuþa) resulting in pressures within the same range, both for

host-rocks and cognate enclaves. Slightly higher pressure val-

ues have been obtained in the case of cognate enclaves com-

pared  with  their  host-rocks.  The  highest  pressure  has  been

found for the Sturzii dacite. Significant differences are record-

ed between the pressure values corresponding to the core of

the crystals from Sturzii dacite (~780 MPa) and the pressure

value corresponding to the rim (~490 MPa). This finding im-

plies  that  decompression  occurred  during  crystallization  of

amphiboles. The pressure estimates for host-rocks and cognate

enclaves  suggest  mid-crustal  depths  of  approximately  15–

25 km for amphibole crystallization.

Major and trace element geochemistry

Major  and  trace  elements  compositions  of  the  host-rocks

and cognate enclaves are presented in Table 5. SiO

2

 ranges be-

tween  39.81 wt. %  and  49.87 wt. %  in  the  mafic  magmatic

cognate enclaves, and from 52.42 wt. % (Colibiþa andesite) to

75.39 wt. % (Parva rhyolite) in the host-rocks. This variation

corresponds to basalts, basaltic andesites, andesite, dacites and

rhyolite. Two series of rocks can be seen in the K

2

O-SiO

2

 dia-

Fig. 2.  Si O

2

  vs.  Na

2

O+K

2

O  diagrams  for  Rodna-Bârgãu  igneous

rocks showing the separation of two series of rocks.

gram  (LeMaitre  1989)  (Fig. 2).  The  first  series  comprises

andesites and microdiorites from South Bârgãu (Heniu, Oala),

the quartz garnet andesites (Pleºii-Mal), Sturzii-Bucnitori dac-

ites and Parva rhyolites and lies in the medium- to low-K do-

main. The second series contains some of the basaltic andes-

ites, Mãguri and Cornii andesites and microdiorites, and Valea

Vinului biotite quartz andesites. It trends towards the high-K

field. It is worth noting that within the medium-K series am-

phiboles are the only mafic minerals, while within the high-K

series clinopyroxenes, amphiboles and biotites all occur. The

cognate  enclaves  fall  mostly  in  the  domain  of  basalts,  with

SiO

2

  less  than  50 wt. %,  and  K

2

O  less  than  1 wt. %,  except

those from the Valea Vinului and Arsente which are enriched

in K

2

O due to high biotite content.

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        83

Isotopic composition of the magmatic rocks

Table 6 summarizes the oxygen and strontium isotope anal-

yses performed on host-rocks and cognate enclaves from the

main intrusive units. Mineral separates, mostly amphibole and

pyroxene, were analysed for O isotope ration because whole-

rock  δ

18

O  values  can  often  be  affected  by  low-temperature

processes such as hydration and weathering, which are charac-

terized by large 

18

O enrichment effects.

Our  samples  display  δ

18

O  values  between  3.7  and  6.7 ‰

(SMOW). These values are lower than the expected values for

pyroxene  and  hornblende  in  typical  continental  margin  arc

volcanic rocks (e.g. Hoefs 1997). The variation of δ

18

O values

reported  for  the  neighbouring  areas  (Neogene  magmatites

from  Cãlimani–Gurghiu-Harghita  Mountains  (Mason  et  al.

1996))  and  Ukrainian  Neogene  volcanic  arc  (Seghedi  et  al.

2001) is clearly different (5.1 to 8.7 ‰ and 6.1 to 8.3 ‰ re-

spectively) (see also Fig. 7).

Using mineralogical (clinopyroxene vs. amphibole), petro-

graphical (xenolith vs. host-rock) and geochemical (medium-

Fig. 3a.  Major  and  trace  element  for  Rodna-Bârgãu  igneous  rocks.

Symbols as in Fig. 2.

Fig. 3b. Harker variation diagrams for Rodna-Bârgãu igneous rocks.

Symbols as in Fig. 2.

In the host rocks, variation trends of TiO

2

, FeO*, MgO, and

CaO  with  SiO

2

  content  show  negative  correlations,  whereas

K

2

O  and  Na

2

O  increase  with  increasing  SiO

2

  (Fig. 3a).  The

major element variation of the cognate enclaves is more scat-

tered. The compatible trace element contents (Ni, Cr, Co) are

higher in the cognate enclaves compared with the host rocks

(Table 5). The variation with SiO

2

 of these elements is con-

trasting in cognate enclaves (increasing as SiO

2

 increases) and

in host-rocks (decreasing as SiO

increases). A better correla-

tion was obtained for host-rocks as compared to cognate en-

claves. Rb, Nb, Pb, Sr, Zr and Y show a scattered variation

with SiO

2

 (Fig. 3b). The two series of rocks distinguished ac-

cording to the K

2

O-SiO

2

 diagram are also discriminated on the

Rb-SiO

2

 variation diagram. The variation of Y in cognate en-

claves clearly exceeds that of the host-rocks. The Sr and Zr

contents  in  cognate  enclaves  are  slightly  lower  than  in  the

host-rocks.

The incompatible trace elements and the REE compositions

are similar for both host-rocks and cognate enclaves (Table 5).

However, the cognate enclaves are less enriched in incompati-

ble  trace  elements  and  more  heterogeneous  than  the  host-

rocks. The REE patterns of rocks (Fig. 4) correspond to those

from arcs associated with subduction areas (Wilson 1989) and

resemble  the  neighbouring  areas  of  the  Carpathian  arc

(Downes et al. 1995; Mason et al. 1996). They are LREE en-

riched,  while  the  HREE  pattern  is  similar  to  the  primitive

mantle.

Fig. 4. Chondrite-normalized rare earth elements diagram for repre-

sentative  rocks.  Normalized  coefficient  from  Sun  &  McDonough

(1989). Symbols as in Fig. 2 and sample names as in Table 5.

background image

84                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

Table 5: Major and trace element data for Rodna-Bârgãu igneous rocks. Major elements are given in percent (%) and trace elements in ppm.

Abbreviations: ba — basaltic andesite; pa — pyroxene andesite; aa — amphibole andesite; qba — quartz biotite andesite; qga — quartz

garnet andesite; md — microdiorites; d — dacite; r — rhyolite; nd — not determined. Total iron is expressed as FeO.

Sample 

Location 

Rock type 

P1 

Parva 

P2 

Parva 

P3 

Parva 

I15 

Sturzii 

P21 

Sturzii 

P22 

Bucnitori 

P23 

Bucnitori 

I10’ 

V.Vin. 

qba 

I11 

V.Vin. 

qba 

P13 

V.Vin. 

qba 

P14 

V.Vin. 

P4 

Plesii 

qga 

I9 

Mal 

qga 

I14’ 

Cornii 

aa 

P82 

Cornii 

aa 

P108 

Cornii 

aa 

I4 

Arsente 

md 

P62 

Arsente 

md 

I5’ 

Chicera 

md 

P71 

Chicera 

md 

SiO

2

 

  75.39   74.17   74.52   65.30   67.22    66.53    67.27      60.33      61.42    63.95    63.22    64.92   58.60    58.23   59.36   58.17    54.50    55.93    53.12    54.23 

TiO

2

 

    0.17     0.05     0.12     0.34     0.33      0.20      0.52       0.49        0.58      0.54     0.64      0.45     0.66      0.64     0.51     0.61      1.04      0.92      0.47      0.84 

Al

2

O

3

 

  14.53   15.18   15.26   17.30   16.16    16.14    16.98     15.01      16.69    16.07    16.14   16.98    18.97    18.4    17.74   16.53    17.77    18.14    19.96    17.69 

FeO* 

    1.41     1.25     1.65     3.87     3.40      3.13      3.33       6.83        5.70      6.45     5.49      4.15     5.07      8.43     6.31     7.23      8.24      6.23      5.43      7.54 

MnO 

    0.07     0.06     0.04     0.11     0.10      0.09      0.09       0.24        0.13      0.11     0.13      0.09     0.16      0.15     0.14     0.17      0.24      0.14      0.05      0.14 

MgO 

    0.20     0.30     0.20     1.44     1.38      1.26      0.86       3.68        2.73      2.43     2.45      2.27     1.98      2.62      2.7     3.52      4.28      4.14      4.62      4.78 

CaO 

    1.49     1.41     1.98     5.17     5.06      5.58      3.87       5.88        4.68      0.07     5.41      4.71     6.83      6.01     6.47     6.41      7.18      7.25      9.45      8.84 

Na

2

    2.10     2.25     3.23     3.59     3.89      4.11      4.05     2.8        3.13      3.83     3.31      4.05    3.4      3.14     4.15     3.64      3.32      3.58      3.05      3.05 

K

2

    3.50     3.47     2.32     0.96     1.39      1.86      1.81       2.88        3.24      3.24     2.95      1.15     0.93      1.81     2.35     2.66      2.07      1.89      2.75      1.56 

P

2

O

5

 

    0.05     0.04     0.16     0.26     0.09      0.08      0.10       0.23     0.3      0.60     0.27      0.09     0.02      0.16     0.20     0.21      0.23      0.18      0.06      0.18 

H

2

    2.36     2.17     1.28     0.95     1.14      1.41      1.30       0.89       1.11      1.97     0.66      1.68    2.9      0.18     0.90     1.00      1.63      1.77      1.12      1.41 

Total 

100.27 100.35 100.76   99.29 100.16  100.39  100.18      99.26     99.71    99.26  100.67  100.54   99.52    99.77 100.83 100.15  100.50  100.17  100.08  100.28 

Rb 

189 

nd  128 

  39    61       71 

     67 

  120 

  111 

118   115 

  51 

  35 

  66    81    71 

   63 

   51 

   54 

   62 

Sr 

173  207  225 

287  386     325 

   351 

  420 

  393 

288   345 

368 

287 

435 

482  358 

 386 

 235 

 333 

 207 

  14    11 

nd    15 

nd       10 

     19 

    25 

    24 

  22     23 

  20 

  16 

  24    30    20 

   16 

nd     17 

   21 

Zr 

  39    44    67 

111  137     101 

   103 

  168 

  156 

150   188 

123 

110 

145 

162  138 

 109 

nd     96 

   73 

Nb 

nd 

nd 

nd    11 

nd 

nd 

nd      10 

    10 

nd 

nd 

nd 

    5 

nd 

nd       4 

nd       5 

nd 

Pb 

  21    42    13 

    3    4 

nd 

    12 

    18 

  24     14 

    3 

  11    15    13 

   36 

   20 

   58 

   16 

Ga 

    8 

nd    11 

  15    15 

nd       12 

    29 

    17 

  19     21 

  18 

  18 

  16    16    16 

   21 

   25 

   15 

Zn 

nd    52    47 

  45    42 

nd       45 

    78 

  120 

125     73 

  92 

  90 

 

  71  114 

 

   41 

nd     59 

Ni 

    4      5      7 

    6      7 

nd 

    13 

    15 

  15     10 

  19 

  12 

  16    10    12 

   27 

   22 

     4 

   51 

Co 

    1      5      3 

    4      5         5 

    11 

  11       9 

   7 

  10 

  17 

7    14 

   18 

   11 

   11 

   33 

Ba 

325  601  378 

220  376     403 

   516 

1023 

1010 

746   993 

307 

300 

844 

772  821 

 426 

 327 

   95 

 246 

Cr 

5      6    10 

  11    10       10 

     19 

    43 

    40 

  84     84 

  11 

  46 

  36    32    21 

   38 

   92 

 253 

 236 

  14    23    18 

  45    66 

nd       36 

  122 

  112 

108   136 

  72 

  75 

153 

122  132 

 179 

 107 

 150 

 226 

Sc 

nd 

nd 

nd      8    10         6 

    13 

    15 

  12     15 

  10 

  12 

  23    12    28 

   17 

nd 

nd 

Cu 

  65    13    20 

  22    10 

nd 

    36 

    20 

  39     31 

  38 

  23 

  34    38    35 

   76 

   53 

   46 

   65 

Sn 

nd 

nd 

nd 

nd      2.03 

nd         2.06        1.14        2.00      2.06      2.09  nd      2.50      2.00     2.02  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

La 

  23.77   24.89  nd    25.00   30.49      17.25       33.03      36.00      31.00    43.27     62.70   17.91   12.00    39.00   53.65   32.56    14.60  nd       3.80 

nd 

Ce 

  26.70  nd 

nd    31.00  nd       31.45 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd    23.03   18.00    29.00   29.36  nd     13.30  nd       4.80 

nd 

Sm 

    3.35  nd 

nd      4.33  nd         4.36 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      2.76     4.40      4.20     4.25  nd       3.8 

nd       1.30 

nd 

Eu 

    0.85  nd 

nd      0.43  nd         0.44 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      0.82     0.75      0.37     0.37  nd       0.84  nd       0.51 

nd 

Tb 

    0.45     0.93  nd      0.46  nd         0.16 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      0.55     0.52      0.69     0.37  nd       0.38  nd       0.43 

nd 

Yb 

    0.61  nd 

nd      1.20     1.63        0.88         1.45        2.40 

nd      2.47      2.61      1.35     1.58      2.38     1.55     2.54     0.67 

nd       0.79 

nd 

Lu 

nd 

nd 

nd      0.27  nd         0.27 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      0.17     0.24      0.12     0.12  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Cs 

    9.42  nd 

nd 

nd 

nd         0.51 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      0.31  nd      2.80  nd 

nd       1.20  nd 

nd 

nd 

Th 

  10.16  nd 

nd      4.40  nd         4.46 

nd      11.00      11.10    11.64     11.49     1.64     1.00      4.00     4.05  nd       4.30  nd 

    1.60 

nd 

Hf 

    1.99  nd 

nd      2.60  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      1.54     1.50      2.50  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Ta 

    2.41  nd 

nd      1.20  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd      1.02     0.50      1.40  nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

 

 

 

K  vs.  high-K  series)  criteria,  several  groups  of  δ

18

O  values

have been delimited. Descriptive statistics of the δ

18

O values

is presented in Table 7. For comparison, the variation of the

δ

18

O values in mantle clinopyroxenes (amphiboles present) is

also shown (data from Mattey et al. 1994). To test for signifi-

cant differences between means, one-way analysis of variance

test (ANOVA) has been performed giving p=0.0026 (differ-

ences are significant at p<0.05). The pyroxenes from cognate

enclaves show the closest values to the mantle. Comparable

values were found in Iliuþa basaltic andesite. The lowest val-

ues are shown by the Mãguri andesites (high-K series). The

highest  δ

18

O  values  were  found  in  the  Cornii  (6.6 ‰)  and

Colibiþa  andesites  (6.7 ‰).  The  most  scattered  values  are

shown by amphiboles from the cognate enclaves. In some of

the analysed enclaves (I4px1, I4px2, I4px4, I8/hb2) isotopic

disequilibria  between  amphiboles  and  coexisting  pyroxenes

can be observed.

The  δ

18

O  value  for  garnet  from  the  Pleºii  quartz  garnet

andesite (4.3 ‰) lies within the range of the δ-values exhibit-

ed by the amphiboles from the medium-K series. Much higher

δ

18

O value (7.3 ‰) was obtained for the metamorphic garnet

(alm 61 %; and 23 %; sps 4 %; prp 12 %) from the staurolite

garnet micaschists within the Rebra series. The δ

18

O value of

the Pleºii garnet is lower than the values for garnet reported in

the literature (Harangi et al. 2001 and literature there in). For

the Carpatho-Pannonian region the δ

18

O values of the igneous

almandine  garnet  range  from  6.1  to  10.5 ‰  (Mason  et  al.

1996; Harangi et al. 2001).

Age correction of the measured 

87

Sr/

86

Sr ratio values (using

data from Pécskay et al. 1995) has been performed in order to

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        85

Table 5: Continuing.

Sample 

Location 

Rock type 

P95 

Chicera 

md 

I6 

Runc 

pa 

P11 

Heniu 

aa 

I8’ 

Heniu 

aa 

I7’ 

Oala 

aa 

I16 

Colibita 

aa 

I18’ 

Iliuþa 

ba 

 

Cognate 

enclave 

I10/en 

V.Vin. 

I14/en 

Cornii 

I4/A2 

Arsente 

I4/A3 

Arsente 

I4 px0 

Arsente 

I4 px 1 

Arsente 

I4 px 4 

Arsente 

I5/en 

Chicera 

I8/hb2 

Heniu 

I8/hb1 

Heniu 

I16/en 

Colibita 

SiO

2

 

  56.93    52.46    52.83   53.08    58.96    52.42    53.78    SiO

2

     47.91    41.68    48.62    42.52    49.87    46.97    47.05    39.81    43.31    42.33    47.62 

TiO

2

 

    0.65      0.93      1.07     1.12      0.67      0.72      0.95    TiO

2

       1.73      1.86      1.29      1.17      0.35      0.73      0.69      2.00      1.67      1.40      1.23 

Al

2

O

3

 

  17.51    17.02    18.78   18.15    17.82    18.94    18.76    Al

2

O

3

     16.65    13.98    14.05    13.25      2.42      7.00      6.35    16.66    12.25    13.70    17.75 

FeO* 

    6.27      7.98    10.60     8.17      5.86      9.21      7.69    FeO*     13.47    14.15    11.13    10.43      6.63      9.06      8.85    16.20    11.34    11.95    10.66 

MnO 

    0.10      0.17      0.17     0.26      0.15      0.18      0.17    MnO       0.29      0.31      0.21      0.18      0.12      0.16      0.15      0.21      0.19      0.14      0.17 

MgO 

    4.15      6.31      3.27     3.49      2.69      3.56      4.93    MgO       6.55    11.50    10.23    14.89    19.56    16.42    16.98      9.09    13.86    14.17      7.34 

CaO 

    8.15    10.81      8.57     7.69      6.17      6.88      6.90    CaO       5.19    10.16      9.23    11.53    19.83    17.31    17.81    11.34    12.98    11.52      9.51 

Na

2

    3.42      2.76      3.56     3.81      3.88      3.91      3.89    Na

2

O       2.45      1.99      1.88      2.33      0.31      0.93      0.82      1.98      1.60      2.08      2.77 

K

2

    1.69      1.37      1.00     1.34      1.18      1.12      1.06    K

2

   3.3      1.17      2.31      0.68      0.04      0.33      0.28      0.39      0.87      0.76      0.81 

P

2

O

5

 

    0.14      0.12      0.13     0.14      0.19    0.2      0.17    P

2

O

5

       0.12      0.19      0.06    0.1       0 

    0.09      0.02      0.11      0.05 

    0.06 

H

2

    1.67      0.96      0.75     2.10      2.11      2.06      1.07    H

2

O       2.56      2.25      1.00      2.26      0.89      1.00      1.00      1.88      1.77      2.11      1.94 

Total 

100.68  100.89  100.73   99.35    99.68    99.20    99.37    Total   100.22    99.24    99.34   73.39   100.02  100.00   100.00    99.67    99.89  100.16    99.89 

Rb 

   57 

  46 

  50    29    16     69 

   42 

  Rb 

  157     11 

   81 

   19 

     2 

     2 

     4 

   19 

   37 

     7 

   80 

Sr 

 319 

454 

472 

256  210   442 

 327 

  Sr 

  220   129 

 195 

 154 

   41 

   83 

   77 

 163 

   94 

 127 

 190 

   14 

  16 

  40    23    17     22 

   22 

  Y 

    39     28 

   23 

   18 

     5 

   14 

   14 

   18 

   30 

   21 

   47 

Zr 

 102 

  94 

181 

116    73   143 

 146 

  Zr 

    58     48 

   85 

   44 

   13 

   25 

   20 

   40 

   56 

   40 

 120 

Nb 

nd      6 

  10      9      4       6 

     8 

  Nb 

    16       4 

     4 

     3 

     3 

     3 

     3 

     3 

     8 

     4 

   10 

Pb 

     8 

  27 

    4    14      2       3 

     5 

  Pb 

    17     16 

     7 

   11 

     9 

     6 

     5 

   14 

     6 

     4 

     3 

Ga 

   21 

  27 

  19    16    18     17 

   19 

  Ga 

    32     26 

   14 

   14 

   20 

   11 

   10 

   13 

   13 

   13 

   22 

Zn 

   74 

nd    77 

nd 

nd     57 

nd 

  Zn 

nd 

nd     73 

 217 

nd     42 

   37 

nd 

nd 

nd 

nd 

Ni 

   20 

  17 

  14    24      2.5       8 

   35 

  Ni 

    17     19 

   72 

   82 

   15 

 109 

 109 

   65 

   77 

   80 

   23 

Co 

   18 

  33 

  22    22      9     10 

   32 

  Co 

    65     21 

   53 

   54 

   23 

   72 

   54 

   32 

   30 

   35 

   58 

Ba 

 432 

460 

231 

310  550   270 

 240 

  Ba 

1000       0 

 584 

 210 

   19 

   77 

   70 

   40 

nd       0 

 115 

Cr 

   70 

  35 

  48  320    44     19 

 130 

  Cr 

      6     70 

 111 

   38 

   60 

 378 

 370 

nd     80 

   58 

   38 

 237 

340 

191 

320  120   160 

 240 

  V 

  300     28 

 411 

 334 

 300 

 273 

 267 

 320 

 450 

 330 

 440 

Sc 

   26 

  34 

  28    25    11.7     15 

   28 

  Sc 

    90     15 

nd 

nd     22 

nd 

nd       0 

   90 

 280 

   80 

Cu 

   62 

210 

  32    35    32     43 

 110 

  Cu 

  210     50 

nd 

nd     43 

nd 

nd     63 

   65 

   62 

 310 

Sn 

nd 

nd    21      2      2.5 

nd       3 

  Sn 

      5.5       3 

nd 

nd       0 

nd 

nd       0 

     3 

     3 

     2 

La 

nd 

nd    11.41   11.43   31.31    13.85     30.00    La 

  <30 

nd   <30 

 <30 

 <30 

 <30 

 <30 

   30 

nd 

nd 

nd 

Ce 

nd 

nd    10.40   10.42   29.71    11.68 

nd 

  Ce 

nd 

nd     37 

   39 

nd     37 

   30 

nd 

nd 

nd 

nd 

Sm 

nd 

nd      2.61      2.65     5.82      3.00 

nd 

  Sm 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Eu 

nd 

nd      0.73      0.73     1.32      0.78 

nd 

  Eu 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Tb 

nd 

nd      0.55      0.55     0.57      0.45 

nd 

  Tb 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Yb 

nd      3.00      2.61      1.85     0.64      1.55       3.00    Yb 

      7       3 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd       5 

Lu 

nd 

nd 

nd 

nd      0.13      0.16 

nd 

  Lu 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Cs 

nd 

nd      1.91  nd      2 

nd 

nd 

  Cs 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Th 

nd      4.30      2.71     2.73   12.21      4.00     10.00    Th 

nd 

nd       3 

   <2 

nd     <2 

   <2 

nd 

nd 

nd 

nd 

Hf 

nd 

nd      2.01  nd 

nd 

nd 

nd 

  Hf 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

Ta 

nd 

nd      0.53  nd 

nd 

nd 

nd 

  Ta 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

nd 

 

 

 

obtain the initial 

87

Sr/

86

Sr ratios (Table 6). The differences be-

tween  corrected  and  uncorrected  values  are  negligible.  The

initial 

87

Sr/

86

Sr ratios have been used in all diagrams. The total

range of 

87

Sr/

86

Sr ratios is from 0.70588 to 0.70950. The low-

est value is from the Iliuþa basaltic andesite from the medium-

K series. Variation curves of the host-rocks from medium-K

and high-K series plot as distinctive straight lines on the 

87

Sr/

86

Sr  vs.  1/Sr  diagram  (Fig. 5),  suggesting  two-component

mixing.  The  increase  of  the 

87

Sr/

86

Sr  ratios  matches  the  in-

crease of the Sr content in the high-K series. For the medium-

K  series  there  is  a  slightly  negative  correlation  between  the

two parameters. The cognate enclaves display 

87

Sr/

86

Sr ratios

from 0.70620 to 0.70902. On the 

87

Sr/

86

Sr vs. 1/Sr diagram,

the  pyroxenites  and  the  hornblendites  define  distinct  fields.

There is a larger variation of Sr content within the cognate en-

claves than in the host rock. The similar 

87

Sr/

86

Sr signature of

the cognate enclaves as compared with their host rocks is con-

sistent  with  their  co-magmatic  origin.  In  some  cases  higher

values  were  found  in  cognate  enclaves  relative  to  their  host

rock. This could be explained by their relatively low Sr con-

Fig . 5. 

87

Sr/

86

Sr vs. 1/Sr for host-rocks and cognate enclaves in the

Rodna-Bârgãu Mountains.

tent (41 to 195 ppm) that made them more susceptible to 

87

Sr

contamination.

background image

86                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

Discussion

The  results  of  the  geochemical  study  based  on  the  major,

minor, rare earth elements, O and Sr isotopes can be used to

form a framework for discussion of the petrogenetic processes

that influenced the magma evolution in the region.

Processes related to magma differentiation

Differentiation by fractional crystallization is suggested by

the existence of a complete series of rocks containing all the

petrographic types, from basalts to rhyolites. The presence of

a  great  variety  of  mineral  species:  plagioclases,  amphiboles,

pyroxenes,  quartz,  biotite,  garnets,  iron  oxides  etc.  corre-

sponds to a succession of fractional crystallization. The pres-

ence of obvious trends of linear correlation of the major ele-

ments  with  differentiation  indices  (SiO

2

)  also  pleads  for

magma  differentiation  (Fig. 3a).  Another  argument  for  frac-

tional crystallization is offered by the REE pattern. The nega-

tive anomaly of Eu found in all lithologies indicates the im-

portance  of  plagioclase  fractionation.  The  negative  Eu

anomaly could also be generated by partial melting with a pla-

gioclase-rich residue. Scattered variations of minor elements

with  SiO

2

,  indicate  diverse  conditions  of  differentiation  for

Series 

Sample 

Location 

Rock type 

87

Sr/

86

Sr 

87

Sr/

86

Sr

i

 

ä

18

cpx

 

ä

18

hbl

 

 ä

18

grt

 

medium-K 

I15 

Sturzii 

dacite 

0.70818 

0.70812 

 

4.3 

 

 

I9 

Mal 

qtz grt andesite 

0.70704 

0.70699 

 

 

 

 

I31 

Pleºii 

qtz grt andesite 

 

 

 

4.8 

4.3 

 

I7 

Oala 

amph andesite 

0.70671 

0.70668 

 

5.2 

 

 

I8 

Heniu 

amph andesite 

0.70929 

0.70925 

 

4.8 

 

 

I8/hb1 

Heniu 

hornblendite 

0.70798 

0.70796 

 

5.1 

 

 

I8/hb2 

Heniu 

hornblendite 

0.70902 

0.70887 

 

4.2 

 

 

I18 

Iliuþa 

basaltic andesite 

0.70593 

0.70588 

 

5.4 

 

high-K 

I10 

V.Vinului 

qtz bi andesite 

0.7090 

0.70889 

 

 

 

 

I11 

V.Vinului 

qtz bi andesite 

0.70749 

0.70738 

 

 

 

 

I4 

Arsente 

microdiorite 

0.70797 

0.70791 

 

3.9 

 

 

I4/A2 

Arsente 

hornblendite 

0.70620 

0.70605 

 

3.8 

 

 

I4mega 

Arsente 

hornblendite 

0.70954 

0.70950 

 

4.6 

 

 

I4px0 

Arsente 

pyroxenite 

0.70862 

0.70860 

5.7 

 

 

 

I4px1 

Arsente 

pyroxenite 

0.70633 

0.70632 

5.2 

4.2 

 

 

I4px2 

Arsente 

pyroxenite 

0.70879 

0.70877 

4.6 

5.2 

 

 

I4px4 

Arsente 

pyroxenite 

0.70941 

0.70939 

4.6 

4.0 

 

 

I5 

Chicera 

microdiorite 

0.70706 

0.70700 

4.6 

3.7 

 

 

I5en 

Chicera 

hornblendite 

 

 

 

5.4 

 

 

I14 

Cornii 

amph andesite 

0.7090 

0.70891 

 

6.6 

 

 

I14en 

Cornii 

hornblendite 

 

 

5.7 

5.6 

 

 

I6 

Runc 

px andesite 

0.70794 

0.70790 

5.3 

 

 

 

I16 

Colibiþa 

amph andesite 

0.70845 

0.70839 

 

6.7 

 

 

I16en 

Colibiþa 

hornblendite 

 

 

 

5.2 

 

Rebra 

5/96 

Rodna 

micaschist 

 

 

 

 

7.3 

 

 

 

Table 6: Sr-O isotope analyses for representative host-rocks and cognate enclaves from the Rodna-Bârgãu Mountains. Sr isotope data are

expressed as measured and age (10.6–8.6 Ma) corrected 

87

Sr/

86

Sr ratios.

different  magmatic  units.  Consequently,  each  intrusive  unit

may  have  encountered  specific  differentiation  processes  and

possibly did not evolve from a single source.

Similarities in mineralogy of the main mineral species, in P-T

conditions of amphibole crystallization, in incompatible trace

element patterns, and in strontium and oxygen isotope compo-

sition between cognate enclaves and their host rocks, clearly

indicate that cognate enclaves formed from the same magmat-

ic source. They could be products of magma mixing processes

resulting from repeated feeding of magma chambers with pa-

rental mafic melts. This could also explain why cognate en-

claves predominantly occur within larger intrusive units with

intermediate composition (Heniu, Mãguri, Cornii, and Valea

Vinului).  The  maintenance  of  an  intermediate  composition

during  crystallization  and  crustal  rock  assimilation  involves

new inputs of mafic magma. Oscillatory zoning and corrosion

shown by plagioclase phenocrysts from Arsente, Valea Vinu-

lui and Cornii intrusions might also indicate refill of the mag-

matic chamber with less evolved melts. However, an alterna-

tive possible explanation is that the cognate enclaves represent

broken fragments of cumulate layers formed on the floor of

the intermediate magma chambers.

Evidence for crustal assimilation

In  subduction-related  magmatism  possible  contamination

mechanisms are: source contamination related to the descend-

ing slab and its sediments, and/or crustal contamination within

crustal  magma  chamber  achieved  by  assimilation-fractional

crystallization  processes  (AFC).  The  existing  geotectonic

models in the Carpatho-Pannonian region (e.g. Rãdulescu &

Sãndulescu 1976; Csontos 1995) consider that during the sub-

duction  process  oceanic  crust,  thinned  continental  crust,  as

well  as  related  sediments  (present-time  External  Carpathian

Flysch strata) were consumed.

 

 

 

Mantle 

Cognate 

enclaves 

Medium-K 

series 

High-K 

series 

Cornii/Colibiþa 

 

cpx 

cpx 

amph 

amph 

cpx  amph 

amph 

Mean 

5.52 

  5.30    4.53 

  4.92 

  4.95    3.80 

  6.65 

Min. 

5.25 

4.6 

3.8 

4.3 

4.6  3.7 

6.6 

Max. 

5.75 

5.7 

5.6 

5.4 

5.3  3.9 

6.7 

Std. dev.  0.16 

  0.52    0.76 

  0.42 

  0.49    0.14 

– 

 

 

 

Table 7: Summary of the distribution of the δ

18

O values.

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        87

High 

87

Sr/

86

Sr  ratios  are  usually  interpreted  in  terms  of

crustal assimilation. As the increase of the 

87

Sr/

86

Sr ratios is

also linked to the enrichment of lithophile trace elements as

compared to primitive mantle and MORB, crustal assimilation

process is to be considered in the petrogenesis of the Rodna-

Bârgãu magmatites. Crustal assimilation is also proved by the

presence  of  crustal  enclaves  (metamorphic  and  sedimentary

rocks).

The Th/Nb vs. SiO

2

 diagram (Fig. 6) clearly shows discrim-

ination of the two series of rocks. The high-K series is charac-

terized  by  higher  Th/Nb  ratio  suggesting  a  more  important

contribution of the upper crust and/or sediments in their gener-

ation, whereas the medium-K series display lower Th/Nb ra-

tios  is,  therefore,  less  affected  by  contamination  with  such

components.

For the medium-K series the most probably contaminant is

the lower crust. Its involvement is supported by the presence

of  garnet-bearing  andesites.  Petrogenesis  of  primary  garnet-

bearing  igneous  rocks  requires  special  composition  and  P-T

conditions of the magma, as well as special tectonic setting for

facilitating rapid ascent of the magma to the surface because

of the limited stability field of the garnet. It is explained by

partial melting of the lower crust due to the uprising of man-

tle-derived  magmas,  producing  small  volumes  of  acid  rocks

with a high content of Al

2

O

3

 (e.g. Harangi et al. 2001). The

assemblage garnet+plagioclase+amphibole+quartz is stable

at pressures higher than 800 MPa and temperatures of 800–

850 °C in a dacite melt with 5 % H

2

O (Day et al. 1992). Such

highly hydrated dacite magma can be generated from a basal-

tic precursor with 2–3 % water (Green 1992). For the garnet

bearing andesites (Pleºii-Mal) and dacites (Sturzii) high inter-

nal pressure of the magma due to a high H

2

O-rich fluid con-

tent, and the appearance of a decompression regime could fa-

cilitate relatively rapid ascent of magma and preservation of

garnets. The occurrence of the Rodna-Bârgãu garnet-bearing

rocks  close  to  the  Someº  Fault  and  the  lack  of  cognate  en-

claves,  which  would  indicate  the  existence  of  intermediate

chambers, are other arguments for a rapid ascent of magma. A

hydrous mantle source, which is another essential requirement

for the formation of primary garnet-bearing rocks, is consis-

tent with the elevated Ba/La ratio of the rocks from the medi-

um-K series and also with the exclusive occurrence of hydrous

mafic minerals within this series.  Exploded fluid inclusions,

surrounded  by  other  small  fluid  inclusions,  found  within

quartz  grains  from  Bucnitori  dacite,  clearly  suggest  that  de-

compression took place (Papp et al. 2003) facilitating rapid as-

cent of magma and preservation of garnets. Pressure decreas-

ing, inferred from the chemical composition of amphiboles in

Sturzii dacite, also suggests a decompression regime.

Significance of the low oxygen isotope ratios

Different  processes  could  induce  depletion  in 

18

O  of  the

magmatic  rocks.  Typically,  low-

18

O  rocks  are  interpreted  in

terms of hydrothermal alteration in the upper crust by interac-

tion with cold meteoric water or seawater. Low temperature

(between  200  and  400 °C)  hydrothermal  systems  with  short

lifetimes (<10

6

 years) produce large isotopic effects and im-

portant isotopic disequilibrium between rock-forming miner-

als. Other mineralogical and petrographic effects typically oc-

cur (Taylor 1974): partial or total alteration of primary mafic

minerals,  micrographic  intergrowths  of  alkali  feldspar  and

quartz, miarolitic cavities and veins filled with quartz, alkali

feldspar,  chlorite,  etc.  Conversely,  sub-solidus  hydrothermal

exchange at very high temperatures (400–800 °C) is compati-

ble with the general absence of hydrous alteration products in

the mineral assemblages, with the presence of clinopyroxenes,

and with a relatively uniform oxygen isotope composition in

all  lithologies  (Hoefs  1997  and  literature  therein).  In  certain

cases, low-δ

18

O magmas may be formed by remelting of hy-

drothermally altered country rocks or by large-scale assimila-

tion of such material.

Hydrothermal  alteration  products  are  poorly  developed  or

absent in most of the intrusive bodies under study. δD values

measured on whole-rocks (andesites, microdiorites, rhyolites)

or amphiboles vary from –55 ‰ to –75 ‰ (Papp 1999) and

are  “normal”  values  for  igneous  rocks.  Because  of  the  high

diffusion rate of hydrogen in rocks, late low-temperature inter-

action  with  crustal  fluids  would  have  produced  important

shifts towards low δD values. All these observations, as well

as  the  existence  of  a  correlation  between  oxygen  and  stron-

tium isotopic ratios, lead us to discuss the low measured δ

18

O

values in terms of primary isotopic characteristics of the pa-

rental magmas. However, sub-solidus exchange with meteoric

underground  water  has  to  be  taken  into  consideration  as  a

complementary  process  during  the  cooling  history  of  the

rocks, also leading to depletion in 

18

O.

On  the 

87

Sr/

86

Sr  vs.  δ

18

O  diagram  (Fig. 7),  the  medium-K

series  defines  a  significant  negative  correlation  (correlation

coefficient, r=–0.72). The trend starts from basaltic andesites

(Iliuþa)  to  andesites  (Oala),  quartz  andesites  (Pleºii-Mal)  and

dacites (Sturzii). The decrease of the δ

18

O values as 

87

Sr/

86

Sr ra-

tios and SiO

2

 increase is interpreted as a progressive contamina-

tion of a mantle-derived magma with a contaminant depleted in

Fig. 6.  Th/Nb  vs.  SiO

2

  diagram  for  Rodna-Bârgãu  magmatites.

Flysch  sediments  (SED)  and  upper  crust  (UC)  from  Mason  et  al.

(1996),  lower  crust  (LC)  from  Kempton  et  al.  (1997).  Different

fields  for  cognate  enclaves,  medium-K  and  high-K  series  are

shown. Symbols as in Fig. 2.

background image

88                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

δ

18

O and enriched in 

87

Sr/

86

Sr (i.e. hydrothermally altered crust-

al rocks). As shown in the previous paragraph lower crust could

be taken into consideration as the crustal component. A lower

crust characterized by low δ

18

O values (<4.3 ‰) and medium

to high 

87

Sr/

86

Sr ratios (>0.710) has to be assumed in order to

explain the isotopic characteristic of these rocks. Kempton et al.

(1997) reported similar low δ

18

O values for the lower crust in

the  Carpatho-Pannonian  area,  although  they  correlate  with

much lower 

87

Sr/

86

Sr ratios (see Fig. 7).

Iliuþa basaltic andesite is the least contaminated rock, show-

ing δ

18

O values and 

87

Sr/

86

Sr ratios close to a mantle source.

Taking into account its volcanic-like texture and the small vol-

ume of the intrusion, we can assume that the magma solidified

rapidly  near  the  surface,  without  important  interaction  with

meteoric water to affect the initial δ

18

O value.

The  petrogenesis  of  primary  garnet-bearing  rocks  (Pleºii-

Mal and Sturzii) imply a rapid ascent of magmas, without sig-

nificant contamination within the middle/upper crust. Garnet

is a highly refractory mineral to oxygen isotope exchange. In

the Pleºii andesite the garnet appears to be in isotopic equilib-

rium with the coexisting amphibole (4.8 ‰). Equilibrium oxy-

gen fractionation between garnet and amphibole is less than

0.4 in the temperature range of 850–1000 °C (Zheng 1993a,b).

Moreover, the garnets of the Pleºii andesite display a signifi-

cantly different δ

18

O value compared with the garnets of the

Rebra series (7.3 ‰) and therefore a xenocrystic metamorphic

origin for the garnets from the quartz andesite could be ruled

out  suggesting  a  primary  magmatic  origin.  Taking  all  these

facts  into  consideration,  the  garnets  of  the  Pleºii  andesite

could be indicative for the oxygen isotope composition of the

magma from which it crystallized (i.e. 4.3 ‰).

In spite of its more basic composition relative to the Pleºii

quartz andesite and Sturzii dacite, Heniu amphibole andesite

exhibits higher 

87

Sr/

86

Sr ratios and higher δ

18

O value. A pro-

cess  of  assimilation  and  equilibrium  crystallization  (AEC)

(Huppert & Sparks 1985) could be a possible explanation for

the  increasing 

87

Sr/

86

Sr.  Hotter  and  voluminous  mafic  mag-

mas  are  able  to  assimilate  more  crustal  material  than  cooler

less voluminous acid ones. The preservation of an intermedi-

ate  composition  during  assimilation  and  crystallization  im-

plies new inputs of mafic magma, which are supported by the

presence of cognate enclaves (Heniu is by far the largest intru-

sive unit).

Within the high-K series a correlation between the δ

18

O val-

ues, 

87

Sr/

86

Sr  ratios  and  SiO

2

  content  cannot  be  identified

(Fig. 7). For the Mãguri andesites the distribution is scattered.

In addition, oxygen isotope disequilibrium between coexisting

pyroxenes and amphiboles, both in host-rocks and cognate en-

claves have been observed, as well as additional mineralogical

and petrographical alteration effects (some alteration of prima-

ry  mafic  minerals,  miarolitic  cavities  and  veins  filled  with

quartz and calcite). These features are characteristics of hydro-

thermal  systems  with  a  short  lifetime.  Therefore,  for  the

Mãguri intrusions the most probable explanation for the deple-

tion  in 

18

O  is  the  interaction  between  intrusive  bodies  and

heated meteoric water. However, the isotopic heterogeneities

observed within the Mãguri andesites might be due to an inho-

mogeneous  source.  This  could  be  an  incompletely  homoge-

nized MASH zone (mixing, assimilation, storage and homoge-

nization; Hildreth & Moorbath 1988), which operated at the

lower-crustal depths. The presence of MASH zones was previ-

ously suggested for the Cãlimani–Gurghiu–Harghita segment

(Mason et al.1996).

Cornii  and  Colibiþa  andesites,  from  the  high-K  series,  are

characterized by the highest δ

18

O (6.7 ‰) and

 87

Sr/

86

Sr ratio

(0.709),  which  imply  extensive  crustal  assimilation.  These

rocks are well crystallized, and have high K and Sr contents.

They form large intrusions. All these features can be explained

by  stagnation  of  magma  in  large  chambers,  situated  in  the

mid-crustal depth, where AFC processes took place. Distinc-

tive equilibrium mantle-like δ

18

O values of the pyroxene and

amphibole from the cognate enclaves within Cornii andesite

indicate  an  origin  from  a  mantle-derived  uncontaminated

source. The higher δ

18

O values of the host rocks are not con-

sistent with assimilation of a highly altered crust.

Conclusions

The  geotectonic  evolution  and  the  magmatic  processes  in

the Rodna-Bârgãu Mountains are an intrinsic part of the gen-

eral evolution of the Carpatho-Pannonian region during Ter-

tiary times. The East Carpathian magmatic arc is closely relat-

ed  to  the  subduction  processes  located  at  the  southwestern

border of the Eurasian plate.

The results of the mineralogical and geochemical study (ma-

jor and trace elements, oxygen and strontium isotopes) allowed

us to evaluate the petrogenetic processes which influenced mag-

matic evolution. Each intrusive unit encountered specific differ-

entiation processes by fractional crystallization, crustal assimi-

lation and magma mixing. Two different series of rocks have

been separated: one medium-K and another high-K.

Fig. 7.  δ

18

O  (mineral  separate)  vs. 

87

Sr/

86

Sr  (whole-rock)  diagram

for Rodna-Bârgãu igneous rocks. Bulk rock fields of Pannonian Ba-

sin lower crust (LC) (Kempton et al. 1997) and for East Carpathian

arc  including  Cãlimani–Gurghiu–Harghita  segment  (CGH)  (Mason

et al. 1996) and Ukrainian Carpathians (Ukr) (Seghedi et al. 2001)

are also shown for comparison. The Cãlimani low-K group (LKC) is

also highlighted. See text for discussions. Mineral phases from the

same rock are indicated by tie lines.

background image

PETROGENESIS OF CALC-ALKALINE ROCKS: NEOGENE SUBVOLCANIC AREA (EASTERN CARPATHIANS)        89

The rocks of the medium-K series are the oldest, being em-

placed at about 10.6 Ma. Mantle-derived magma, contaminat-

ed with lower-crustal material is considered to be the source of

these rocks. The magmas had a rapid ascent toward the sur-

face, without a long-lasting stagnation period in intermediate

crustal magmatic chambers, as proven by the presence of pri-

mary garnet bearing rocks, or by the sporadic occurrence of

cognate enclaves. This is the case of Parva, Sturzii-Bucnitori,

Pleºii-Mal, Oala and Iliuþa Intrusive Units, which form small

intrusive bodies. An exception is Heniu Intrusive Unit, which

may  have  paused  in  the  upper/middle  crust  where  it  experi-

enced an AEC process. Within this series, the decreasing of

the δ

18

O values as 

87

Sr/

86

Sr ratios and SiO

2

 increase is inter-

preted  as  a  progressive  contamination  of  a  mantle  derived

magma with a contaminant depleted in δ

18

O and enriched in

87

Sr/

86

Sr (i.e. hydrothermally altered lower crustal rocks).

The high-K series has been emplaced later in the evolution

of the magmatic activity (~9 Ma). The evolution of these mag-

mas  was  more  complex;  thus,  the  presence  of  intermediate

magma chambers needs to be considered. The magmas of the

Cornii  and  Valea  Vinului  Intrusive  Units  stagnated  in  large

chambers (see the large volume of the intrusions) where AFC

processes took place. These rocks are well crystallized, have

high K and Sr content, as well as higher 

87

Sr/

86

Sr and 

18

O/

16

O

ratios. The higher δ

18

O values and 

87

Sr/

86

Sr ratios displayed

by Cornii and Colibiþa Intrusive Units are consistent with as-

similation  of  a  different  contaminant  from  that  involved  in

petrogenesis of the medium-K series. This could be the local

upper-crustal  schists.  The  Mãguri  Intrusive  Units  are  the

youngest rocks in the area. They show characteristics of a hy-

drothermal  system:  oxygen  isotope  disequilibrium  between

coexisting pyroxenes and amphiboles, both in host-rocks and

cognate enclaves, as well as additional mineralogical and pet-

rographical alteration effects.

Acknowledgments: Special thanks are addressed to Prof. G.

Cavarretta who made it possible that an important part of the

present study was carried out at the CNR — Centro di Studio

per  il  Quaternario  e  l’Evolutione  Ambientale,  Rome,  within

the  No.  52  NATO  Fellowships  Programme  of  which  D.C.

Papp benefited. Laboratory managers and staff are thanked for

their help during analytical work: Prof. M. Barbieri for carry-

ing out strontium isotope analyses, A.M. Conte for the XRF

measurements,  M.  Serracino  for  technical  assistance  during

microprobe determinations and Prof. B. Turi for providing ac-

cess to oxygen isotope facility. M.L. Frezzotti and F. Tecce

are thanked as well for their invaluable help at various stages

of this work. The authors thank Dr. J. Lexa and Dr. M. Munte-

anu for the critical reviewing of the manuscript.

References

Balintoni  I.  1996:  Alpine  structural  outline  of  the  Pannonian-Car-

pathian realm. Stud. Univ. Babes-Bolyai, Geol., XL, 1, 55–72.

Csontos L. 1995: Tertiary tectonic evolution of the Inter-Carpathian

area: a review. Acta Vulcanol. 7, 1–14.

Day R.A., Green T.H. & Smith I.E.M. 1992: The origin and signifi-

cance  of  garnet  phenocrysts  and  garnet-bearing  xenoliths  in

Miocene calc-alkaline volcanics from Northland, New Zealand.

J. Petrology 33, 125–161.

Dobosi G., Kempton P., Downes H., Embey-Isztin A., Thirlwall M.

& Greenwood P. 2003: Lower crustal granulite xenoliths from

the  Pannonian  Basin,  Hungary.  Part  2:  Sr–Nd–Pb–Hf  and  O

isotope  evidence  for  formation  of  continental  lower  crust  by

tectonic emplacement of oceanic crust. Contr. Mineral. Petrol-

ogy 144, 671–68.

Downes  H.,  Pantó  Gy.,  Póka  T.,  Mattey  D.P.  &  Greenwood  P.B.

1995:  Calc-alkaline  volcanics  of  the  Inner  Carpathian  arc,

Northern  Hungary:  new  geochemical  and  oxygen  isotopic  re-

sults. Acta Vulcanol. 7, 29–41.

Eiler J.M. 2001: Oxygen isotope variation of basaltic lavas and up-

per  mantle  rocks.  In:  Valley  J.W.  &  Cole  D.R.  (Eds.):  Stable

isotope geochemistry. Rev. Mineral. Geochem. 43, 319–364.

Green T.H. 1992: Experimental phase equilibrium studies of garnet-

bearing I-type volcanics and high-level intrusives from North-

land,  New  Zeeland.  Trans.  Roy.  Soc.  Edinb.  Earth  Sci.  83,

429–438.

Harangi Sz., Downes H., Kosa L., Szabo Cs., Thirlwall M.F., Mason

P. & Mattey D. 2001: Almandine garnet in calc-alkaline volca-

nic  rocks  of  the  Northern  Pannonian  Basin  (Eastern-Central

Europe): geochemistry, petrogenesis and geodynamic interpre-

tations. J. Petrology 42, 1813–1843.

Hildreth W. & Moorbath S. 1988: Crustal contribution to arc mag-

matism in the Andes of Central Chile. Contr. Mineral. Petrolo-

gy 98, 455–489.

Hoefs  J.  1997:  Stable  isotope  geochemistry.  Springer-Verlag,  Ber-

lin, 1–201.

Hupert  H.E.  &  Sparks  R.S.J.  1985:  Cooling  and  contamination  of

mafic and ultramafic magmas during ascent through the conti-

nental crust. Earth Planet. Sci. Lett. 74, 371–386.

Johnson M.C. & Rutherford M.J. 1989: Experimental calibration of

the aluminium-in-hornblende geobarometer with application to

Long Valley Caldera (California) volcanic rocks.  Geology  17,

837–841.

Kempton P.D., Downes H. & Embey-Isztin A. 1997: Mafic granu-

lites in Neogene alkali basalts from Western Pannonian Basin:

insight  into  the  lower  crust  of  collapsed  orogen.  J.  Petrology

38, 7, 940–969.

Leake B.E., Woolley A.R., Arps C.E.S., Birch W.D., Gilbert M.C.,

Grice J.D., Hawthorne F.C., Kato A., Kisch H.J., Krivovichev

V.G.,  Linthout  K.,  Laird  J.,  Mandarino  J.A.,  Maresch  W.V.,

Nickel  E.H.,  Rock  N.M.S.,  Schumacher  J.C.,  Smith  D.C.,

Stephenson N.C.N., Ungaretti L., Whittaker J.W. & Youzhi G.

1997: Nomenclature of amphiboles: report of the Subcommit-

tee on Amphiboles of the International Mineralogical Associa-

tion, Commission on New Minerals and Mineral Names. Amer.

Mineral. 82, 1919–1037.

LeMaitre R.W. 1989: A classification of igneous rocks and glossary

of terms. Blackwell, Oxford, 1–193.

Ludwig  K.R.  1994:  Analyst  version  2.20:  a  computer  program  for

control of a thermal-ionization, single collector mass-spectrom-

eter. U.S. Department of Interior Geologcal Survey, Open File,

Report, 92–543.

Mason P., Downes H., Thirlwall M., Seghedi I., Szakács A., Lowry

D. & Mattey D. 1996: Crustal assimilation as a major petroge-

netic  process  in  the  East  Carpathian  Neogene  and  Quaternary

continental margin arc, Romania. J. Petrology 37, 4, 927–959.

Mason P.R.D., Seghedi I., Szakács A. & Downes H. 1998: Magmat-

ic constraints on geodynamic models of subduction in the East-

ern Carpathians, Romania. Tectonophysics 29, 157–176.

Mattey  D.  &  Mcphearson  C.  1993:  High-precision  oxygen  isotope

microanalysis of ferromagnesian minerals by laser fluorination.

Chem. Geol. 105, 305–318.

Mattey D., Lowry D. & Mcphearson C. 1994: Oxygen isotope compo-

sition of mantle peridotite. Earth Planet. Sci. Lett. 128, 231–241.

background image

90                                                                    PAPP, URECHE, SEGHEDI, DOWNES and DALLAI

Niþoi  E.,  Marincea  ª.  &  Ureche  I.  1995:  Enclaves  in  the  Neogene

calc-alkaline  rocks  in  the  subvolcanic  zone  of  the  East  Car-

pathians: origin and significance. Roman. J. Mineral. 77, Sup-

pl. 1, 33–34.

Niþoi E., Munteanu M., Marincea ª. & Paraschivoiu V. 2002: Mag-

ma-enclaves  interaction  in  the  East  Carpathian  subvolcanic

zone,  Romania:  petrogenetic  implication.  J.  Volcanol.  Geoth.

Res. 118, 229–259.

Papp  D.C.  1999:  Application  of  stable  isotopes  to  Earth  Science.

Hydrogen  Isotope  Geochemistry  in  the  Rodna  and  Bârgãu

Mountains.  Ph.D.  Thesis,  “Babeº-Bolyai”  Univ., Cluj-Napoca

1–225 (in Romanian, with English abstract).

Papp D.C., Tecce F., Frezzotti M.L & Ureche I. 2003: Microthermo-

metric study of fluid inclusions in Neogene shallow intrusions

from  Inner  Carpathian  arc  (Romania).  J.  Geochem.  Expl.  78–

79, 105–109.

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

M. & Bernad A. 1995: K-Ar datings of Neogene volcanic rocks

of the Neogene-Quaternary calc-alcaline volcanic rocks in Ro-

mania. Acta Vulcanol. 7, 53–61.

Rãdulescu  D.  &  Sãndulescu  M.  1976:  The  plate-tectonic  concept

and the geological structure of the Carpathians. Tectonophysics

16, 155–161.

Salters V.J.M., Hart S.R. & Pantó Gy. 1988: Origin of Late Cenozo-

ic volcanic rocks of the Carpathian arc, Hungary. In: L. Royden

&  F.  Horvath  (Eds.):  The  Pannonian  Basin:  a  study  in  Basin

evolution. AAPG Memoir 45, 279–292.

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

Bucureºti,  1–336 (in Romanian).

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

magmatic evolution in the East Carpathians Neogene volcanic

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

Seghedi  I.,  Balintoni  I.  &  Szakács  A.  1998:  Interplay  of  tectonics

and  Neogene  post-collisonal  magmatism  in  the  Intra-Car-

pathian region. Lithos 45, 483–497.

Seghedi I., Downes H., Pécskay Z., Thirlwall M.F., Szakács A., Pri-

chodko M. & Mattey D. 2001: Magma genesis in a subduction-

related  post-collisional  volcanic  arc  segment:  The  Ukrainian

Carpathians. Lithos 57, 237–262.

Sun S.S. & McDonough W.F. 1989: Chemical and isotopic system-

atics  of  oceanic  basalts:  implication  for  mantle  composition

and processes. In: Saunders A.D. & Norry M.J. (Eds.): Magma-

tism in the Ocean Basin.  Geol.  Soc.  London,  Spec.  Publ.  42,

313–345.

Taylor H.P. Jr. 1974: The applications of oxygen and hydrogen iso-

tope studies to problem of hydrothermal alteration and ore dep-

osition. Econ. Geol. 69, 843–883.

Thirlwall M.F., Jenkins C., Vroon P.Z. & Mattey D.P. 1997: Crustal

interaction  during  construction  of  ocean  islands:  Pb-Sr-Nd-O

isotope  geochemistry  of  the  shield  basalts  of  Grand  Canaria.

Chem. Geol. 135, 233–262.

Ureche I., Papp D.C. & Niþoi E. 1995: Neogene magmatites from the

Rodna and Bârgãu Mountains (East Carpathians): Some petro-

graphical  and  petrochemical  peculiarities.  Roman.  J.  Mineral.

77, Suppl. 1, 56–57.

Ureche  I.  2000:  Petrology  of  the  Neogene  magmatites  from  the

Bârgãu  Mountains.  Ph.D  Thesis,  “Babeº-Bolyai”  Univ.,  Cluj-

Napoca 1–70 (in Romanian, with English abstract).

Wilson M. 1989: Igneous Petrology. Wiley, London, 1–466.

Zheng  Y.F.  1993a:  Calculation  of  oxygen  isotope  fractionation  in

anhydrous  silicate  minerals.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  57,

1079–1091.

Zheng Y.F. 1993b: Calculation of oxygen isotope fractionation in hy-

droxyl-bearing silicates. Earth Planet. Sci. Lett. 120, 247–263.