background image

GEOLOGICA CARPATHICA, APRIL 2005, 56, 2, 179–189

www.geologicacarpathica.sk

Origin of amphibole megacrysts in the Pliocene-Pleistocene

basalts of the Carpathian-Pannonian region

ATTILA DEMÉNY

1

, TORSTEN W. VENNEMANN

2

, ZOLTÁN HOMONNAY

3

, ANDY MILTON

4

,

ANTAL EMBEY-ISZTIN

5

 and GÉZA NAGY

1

1

Laboratory for Geochemical Research, Hungarian Academy of Sciences, Budaörsi út 45, H-1112 Budapest, Hungary;

demeny@geochem.hu

2

Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne, BFSH-2, CH-1015 Lausanne, Switzerland

3

Department of Nuclear Chemistry, Eötvös Loránd University, Pázmány Pétér sétány 2, H-1117 Budapest, Hungary

4

School of Ocean and Earth Science, Southampton Oceanography Centre, European Way, Empress Dock, Southampton, SO14 3ZH,

United Kingdom

5

Department of Mineralogy and Petrology, Hungarian Natural History Museum, Ludovika tér 2, H-1088 Budapest, Hungary

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

Abstract: Major and trace element compositions, stable H and O isotope compositions and Fe

3+

 contents of amphibole

megacrysts of Pliocene-Pleistocene alkaline basalts have been investigated to obtain information on the origin of mantle

fluids beneath the Carpathian-Pannonian region. The megacrysts have been regarded as igneous cumulates formed in the

mantle and brought to the surface by the basaltic magma. The studied amphiboles have oxygen isotope compositions

(5.4±0.2 ‰, 1 σ), supporting their primary mantle origin. Even within the small δ

18

O variation observed, correlations

with major and trace elements are detected. The negative δ

18

O-MgO and the positive δ

18

O-La/Sm(N) correlations are

interpreted to have resulted from varying degrees of partial melting. The halogen (F, Cl) contents are very low (<0.1 wt. %),

however, a firm negative (F+Cl)-MgO correlation (R

= 0.84) can be related to the Mg-Cl avoidance in the amphibole

structure. The relationships between water contents, H isotope compositions and Fe

3+

 contents of the amphibole megacrysts

revealed degassing. Selected undegassed amphibole megacrysts show a wide δD range from –80 to –20 ‰. The low δD

value is characteristic of the normal mantle, whereas the high δD values may indicate the influence of fluids released

from subducted oceanic crust. The chemical and isotopic evidence collectively suggest that formation of the amphibole

megacrysts is related to fluid metasomatism, whereas direct melt addition is insignificant.

Key words:  Carpathian-Pannonian  region,  mantle  metasomatism,  amphibole  megacrysts,  degassing,  trace  elements,

stable isotopes.

Introduction

Megacrysts hosted in alkaline basalts are frequently studied in

order to obtain information on the chemical characteristics of

the  mantle  source.  Among  the  usual  megacryst  assemblage

(olivine, pyroxene, spinel, amphibole), amphibole is potential-

ly the most important mineral due to the amount of informa-

tion it can provide. Amphiboles are usually enriched in trace

elements  compared  to  other  megacryst  minerals  (e.g.  Witt-

Eikschen & Harte 1994; Johnson et al. 1996), making trace el-

ement analyses relatively easy and accurate. Oxygen isotope

compositions of amphiboles have long been studied with high

precision due to the reactivity with the commonly used BrF

5

reagent in contrast to other megacryst minerals like olivine or

spinel. Being a hydrous mineral, amphiboles may also be anal-

ysed for H isotope composition, thus yielding important con-

straints  on  metasomatic  processes  in  the  mantle.  These  fea-

tures  may  make  amphibole  an  excellent  subject  of  mantle

geochemistry studies. However, there are a number of factors

that  must  be  taken  into  account  in  interpreting  the  chemical

and  isotopic  compositions.  First,  megacryst  amphiboles  are

usually formed by metasomatic processes in the mantle, thus

their co-existence with other megacryst minerals can be ques-

tionable. Second, trace element contents may be strongly frac-

tionated due to crystallochemical variations in the amphiboles

and  its  parent  magma  (H

2

O  activity,  fO

2

,  etc.,  e.g.  Ionov  &

Hofmann 1995; Oberti et al. 2000; Tiepolo et al. 2000), which

are not very well constrained at present. Third, H isotope com-

positions are very sensitive to late-stage processes, like degas-

sing and hydrothermal alteration. These uncertainties preclude

simple and straightforward interpretations of geochemical data

on amphiboles. Nevertheless, a combined approach using sev-

eral independent methods can lead to reliable reconstruction

of mantle geochemistry.

The Pliocene-Pleistocene alkaline basalts of the Pannonian

Basin  frequently  contain  amphibole  megacrysts,  which  have

been thoroughly studied for crystallochemical characteristics

and trace element compositions (Zanetti et al. 1995). In recent

studies, Downes et al. (1995) and Dobosi et al. (1998, 2003a)

reported the trace  element contents and O-Sr-Nd isotope data

of the amphibole megacrysts. Their major conclusion is that

the amphiboles reflect the primitive mantle source beneath the

Pannonian Basin. The alkaline basalts and their mantle xeno-

liths have been widely investigated, making the region one of

background image

180                                                                                             DEMÉNY et al.

the best known areas of the world (see for example Kurat et al.

1991; Downes et al. 1992, 1995; Dobosi et al. 1995; Downes

& Vaselli 1995; Embey-Isztin & Dobosi 1995; Harangi et al.

1995; Koneèný et al. 1995a,b; Szabó et al. 1995a,b; Török &

De Vivo 1995; Huraiová et al. 1996; Szabó et al. 1996; Kemp-

ton  et  al.  1997;  Rosenbaum  et  al.  1997;  Hurai  et  al.  1998;

Seghedi et al. 2004). The trace element and radiogenic isotope

studies  showed  that  the  mantle  source  was  contaminated  by

subducted crustal material (as exemplified by the calc-alkaline

volcanism that preceeded the alkaline basaltic one), especially

in the central areas (Downes et al. 1992; Embey-Isztin & Do-

bosi 1995; Szabó et al. 1996; Seghedi et al. 2004). These re-

sults  suggested  that  the  amphibole  megacrysts  may  provide

useful information on the metasomatizing fluids and melts. H

and O isotope studies coupled with H

2

O wt. % and Fe

3+ 

% de-

terminations on mantle-derived rocks and their minerals from

the  Carpathian-Pannonian  region  are  very  rare  (Hurai  et  al.

1998; Demény et al. 2001, 2004). In this study we report ma-

jor and trace element data, stable isotope compositions and re-

dox  characteristics  from  amphibole  megacrysts  and  a  horn-

blendite vein (from Szigliget, Balaton Highland, Hungary, see

also  Embey-Isztin  1976)  and  compare  the  compositions  to

those obtained on xenolith-hosted amphiboles from Southern

Slovakia (Hurai et al. 1998). With the combined use of these

methods we discuss the processes coincidental with amphib-

ole crystallization.

Geological background and samples

The Neogene volcanism developed after and probably in re-

sponse to a series of tectonic events, which formed the Car-

pathian Basin. The main factors controlling the Neogene evo-

lution  of  the  Carpathian  Basin  and  related  post-extensional

volcanism are continental collision in the Central and Eastern

Alps, which induced extensional collapse of the orogenic ter-

ranes, subduction of the European plate along the Carpathians

and related calc-alkaline volcanism, updoming of the astheno-

sphere and heating, as well as thinning of the lithosphere (e.g.

Embey-Isztin et al. 1990; Szabó et al. 1992; Horváth 1993).

Adiabatic  decompression  in  the  rising  mantle  caused  partial

melting and the melts erupted as basaltic lava flows and tuffs

(Dobosi  et  al.  1995;  Harangi  et  al.  1995;  Koneèný  et  al.

1995a,b). The alkaline basaltic volcanism span the period of

17  to  0.5 m.yr.  (see  Pécskay  et  al.  1995  and  Koneèný  et  al.

1995a for review). Alkali basalts are remarkably fresh (Em-

bey-Isztin  &  Scharbert  1981;  Embey-Isztin  et  al.  1993a,b),

moderately porphyritic and holocrystalline. The basalts com-

prise phenocryst olivine (forsterite (Fo) content of 78–86), in

some  cases  accompanied  by  clinopyroxene.  The  matrix  is

composed of plagioclase, Ti-rich clinopyroxene, olivine, tita-

nomagnetite occasionally coexisting with ilmenite, and apatite

(Embey-Isztin et al. 1993a). Sr, Nd, and Pb isotope ratios have

values  between  inferred  DM  (depleted  mantle),  EM  II  (en-

riched mantle II), and HIMU (high µ, high 

238

U/

204

Pb) (Salters

et al. 1988; Embey-Isztin et al. 1993a; Embey-Isztin & Dobosi

1995; Harangi et al. 1995). The isotope compositions of the

lavas of the central part of the Carpathian-Pannonian region

plot closer to the EM II composition than those of the margin-

al  areas  with  a  higher  amount  of  an  asthenospheric  compo-

nent. Low Nb/La, Ce/Pb, 

143

Nd/

144

Nd, 

206

Pb/

204

Pb, and high

87

Sr/

86

Sr and 

207

Pb/

204

Pb ratios have been interpreted as evi-

dence for a relationship of the EM component with a metaso-

matic  enrichment  process  of  the  mantle  lithosphere  during

Tertiary plate subduction (Rosenbaum et al. 1997).

The amphibole megacrysts of the alkaline basalts have been

interpreted as fragments of igneous cumulates precipited from

an early magma intrusion and brought to the surface by later

basaltic  magmatism  (Szabó  &  Taylor  1994;  Downes  et  al.

1995; Huraiová et al. 1996; Dobosi et al. 2003a). The locali-

ties studied in this paper are in Burgenland (Tobaj and Güss-

ing, Austria; samples Tob, Gü), the Balaton Highland (Bala-

tonboglár, Mindszentkálla, Szigliget, Bondoróhegy, Hungary;

samples:  Bb,  Bog,  M,  Szg,  Bo),  the  Nógrád (Hungary)-

Gemer (Slovakia) region (Mašková, west of Luèenec, Slova-

kia,  and  Szilváskõ,  east  of  Salgótarján,  Hungary;  samples:

Mas, Szil) and the Persani Mountains (Trestia Valley, Roma-

nia; samples: Trs) (see also Fig. 1). Hornblendite veins from

composite mantle xenoliths from Szigliget (samples Szg and

Sz-3024) (see also Embey-Isztin 1976) are also studied. The

amphibole megacrysts reach 1–3 cm in diameter. The collec-

tion criteria were the unaltered state and the freshness of the

host rocks. Out of the collection, only those megacrysts were

analysed whose fragments were clear and inclusion-free under

binocular microscope. The purity of the amphibole separates

was checked by the standard XRD technique.

Analytical methods

Mineral major element compositions were determined with

a JEOL Superprobe 733 electron microprobe at the Laboratory

for Geochemical Research of the Hungarian Academy of Sci-

ences. The conditions used were: wavelength dispersive spec-

trometers,  15 kV  accelerating  voltage,  40 nA  beam  current,

20 µm  beam  diameter,  6×4 s  counting  time.  For  F  and  Cl

analyses beam current was modified to 100 nA. Standardiza-

tion was conducted by using mineral and artificial glass stan-

Fig. 1. Geological sketch-map of the Carpathian-Pannonian region

and sample locality areas. After Dobosi et al. (1998).

background image

ORIGIN OF AMPHIBOLE MEGACRYSTS IN THE PLIOCENE-PLEISTOCENE BASALTS                             181

dards (BaF

2

 and scapolite for F and Cl, respectively). The raw

data was corrected using the ZAF correction program provid-

ed by JEOL. The relative errors of major element analyses are

lower than 2 % for oxides with >10 wt. %, about 5–7 % for

oxides with 1–5 wt. %, and about 30 % for halogens. The H

2

O

content of amphiboles was determined using the vacuum fu-

sion method adapted after Vennemann & O’Neil (1993).

Hand-picked amphibole grains were powdered using an ag-

ate  mortar  and  pestle  under  ethanol,  which  dries  quickly  at

room temperature, thus, oxidation during prolonged grinding

was avoided. The 

57

Fe Mössbauer spectra of amphiboles were

recorded  at  room  temperature  in  constant  acceleration  mode

with a Wissel spectrometer using 

57

Co(Rh) source at the De-

partment of Nuclear Chemistry, Budapest. The Fe

3+

 contents

were calculated from the relative spectral contributions of the

doublets of the corresponding Fe

2+

 and Fe

3+

 species, using a

Lorentzian  least  square  fitting  by  Mösswinn

®

.  In  order  to

avoid  even  the  residual  minor  texture,  the  samples  were  re-

corded at the magic angle (54.7 deg), resulting in symmetrical

doublets in the spectra. This method is trivially applicable for

single crystals, but it is also good for polycrystals if the micro-

crystals have random distribution in the plane perpendicular to

the  direction  of  the  gamma  rays,  a  condition  which  is  very

easy to meet. Analysis of the spectra under such conditions, as

far  as  the  Fe

2+ 

to  Fe

3+

  ratio  is  concerned,  is  very  reliable

(±1 %). Further deconvolution of the spectra into several Fe

3+

and Fe

2+

 doublets is rather ambiguous, but it does not interfere

with the Fe

2+

/Fe

3+

 ratio if the fit in the statistical sense is cor-

rect. This is due to the fact that the higher velocity lines of the

Fe

2+

 doublets do not overlap with the Fe

3+

 doublet lines.

Laser ablation ICP-MS trace element analyses were carried

out on a VG Elemental PQ2+ ICP-MS coupled to a 4D Engi-

neering  (Hannover,  Germany)  excimer  laser  system  at  the

Southampton  Oceanography  Centre.  Measurements  were

made using a 30 µm laser beam focused on the polished sam-

ple surface. Following a pre-ablation time of 10 seconds, data

were  collected  for  30  seconds.  The  analytical  protocol  fol-

lowed  the  blank–standard–sample–standard  pattern.  For  the

purpose of calibration and monitoring instrument performance

during the analysis session, a polished piece of the NIST 610

glass  standard  containing  the  trace  elements  of  interest  was

used. After collection, the trace element data were corrected

for any instrumental drift, gas blank subtracted and then cali-

brated against the NIST 610 standard (using the ‘preferred av-

erage’ values of Pearce et al. 1997). To correct for matrix ef-

fects between the NIST 610 standard and the various minerals

analysed, internal corrections were applied using appropriate

element abundances (e.g. Ca, Ti, etc.) determined by electron

microprobe  analyses.  On  the  NIST  610  standard,  10  repeat

measurements are reproducible to within 5 %. Accuracy of the

LAM-ICP-MS  analyses  was  checked  by  comparison  with

INAA  data  on  amphibole  samples.  The  REE  concentrations

are accurate within 15 %. Classical ICP-MS techniques may

produce better accuracy, however, laser-ablation analysis has

the advantage of choosing the freshest (i.e. least altered) min-

eral surface, which may be difficult with bulk analysis. The

accuracy is reflected by Fig. 3, which shows good agreement

between trace element data obtained on similar samples but in

different laboratories (see also Dobosi et al. 2003a).

H  and  O  isotope  compositions,  and  water  contents  were

measured on hand-picked amphibole separates by convention-

al  extraction  and  mass  spectrometric  techniques  (Clayton  &

Mayeda  1963;  Vennemann  &  O’Neil  1993;  Demény  1995;

Demény  et  al.  1997)  using  Finnigan  MAT  delta  S  and  252

type  mass  spectrometers  at  the  Laboratory  for  Geochemical

Research, Budapest and the University of Tübingen, respec-

tively. Some of the amphibole megacrysts have been analysed

using the laser-based method at the University of Tübingen.

The method used was adapted after Sharp (1990) using F

2

 as

reagent, a Pt-disc sample holder, and measuring the 

18

O/

16

O

on O

2

 gas (Rumble & Hoering 1994; Kasemann et al. 2001).

The results are expressed in the δ-notation (δ = (R

1

/R

2

–1)×1000

where R

1

 and R

2

 are the D/H or 

18

O/

16

O ratios in the sample

and  the  standard,  respectively)  in  per mil  (‰)  relative  to

V-SMOW. Reproducibilities are ±2 ‰ for δD and better than

±0.15 ‰ for 

18

O values of the minerals analysed in duplicate.

NBS-28  quartz  and  UWG-2  garnet  standards  yielded  δ

18

O

values  of  9.64 ‰  and  5.83±0.11 ‰  (1 σ,  n = 5,  theoretical

value:  5.8 ‰,  Valley  et  al.  1995),  respectively,  during  the

course of the laser-based analyses.

Results

The major element compositions of amphiboles determined

by electron microprobe analyses are listed in Table 1. Classifi-

cation of amphiboles was conducted according to Leake et al.

(1997) based on chemical compositions determined by means

of electron microprobe analyses. The proportion of Fe

3+

 was

also calculated according to Schumacher (1997), though Fe

3+

/

Fe

tot

 ratios were determined by Mössbauer spectroscopy (see

Table 2). Taking crystal chemical considerations into account,

Schumacher (1997) established 3 maximum and 3 minimum

criteria. These criteria allow the determination of an interval

rather than an exact value for the Fe

3+

/Fe

2+

 ratio. The calcula-

tions yielded 0 as the minimum value for all of the studied am-

phiboles, thus, Table 1 shows only the upper limit Fe

3+

/Fe

2+

ratios along with ion numbers calculated for 23 oxygens. All

of the studied amphiboles plot in the calcic amphibole field of

Leake et al. (1997). The lines in Fig. 2 show the variations of

the ion number calculations between the lower and upper lim-

its of Fe

3+

/Fe

2+

 ratios calculated for the individual amphibole

samples  according  to  Schumacher  (1997).  The  ion  numbers

were also calculated using the Fe

3+

/Fe

2+

 ratios determined by

Mössbauer  spectroscopy.  These  latter  data  plot  on  the  lines

obtained by using the method of Schumacher (1997), except

for two samples (M-2001 and M-2002, see Tables 1 and 2),

where  the  calculated  upper  limit  is  lower  than  the  ratio  ob-

tained by Mössbauer spectroscopy, thus as a consequence the

calculated substitution at the “C” crystal position is lower than

5.  The  large  range  between  lower  and  upper  Fe

3+

/Fe

2+

  ratio

limits (reaching 0.97) make the classification based on  calcu-

lated Fe

3+

/Fe

2+

 ratio ambiguous (see also Fig. 2). Thus, a firm

classification can be made using the Mössbauer spectroscopy

data. Fig. 2 shows that the studied amphiboles are kaersutites

and  magnesio-hastingsites  at  Mašková,  pargasites  at  Tobaj

and  Güssing  (Burgenland)  and  magnesio-hastingsites  at  the

other  localities.  As  shown  by  Table 1,  the  most  significant

background image

182                                                                                             DEMÉNY et al.

chemical differences are in the MgO, FeO and TiO

2

 contents.

Areal variations among sampling localities have not been ob-

served. The Cl and F contents are rather low ranging between

0.02  and  0.06 wt. %  and  0.01  and  0.03 wt. %,  respectively.

Although the halogen contents are close to detection limits, a

firm correlation with MgO content occurs. The F and Cl anal-

yses  were  conducted  using  separate  standardization  proce-

dure, thus any measurement-related artifact can be excluded.

The mg# numbers tend to decrease with increasing F+Cl con-

tent (Table 1, the correlation calculation yields R

= 0.84). In-

Table 1: Chemical compositions (major elements in weight %, trace elements in ppm) of amphibole megacrysts from alkaline basalts of the

Carpathian-Pannonian region. Electron microprobe data are averages of two analyses selected from 4–5 analyses on the basis of reliablity

(e.g. oxide total). Fe

3+

/Fe

total

 are maximum ratios calculated following Schumacher (1997). Trace element compositions are averages of

8–10 laser spot analyses.

 Tob-1

 

 Tob-2

 

  Gü-1

 

 M-2001

 

 M-2002

 

MAS-1

 

 MAS-2

 

MAS-3

 

Szil-1

 

Trs-2007

 

SiO

2

 

  40.47

 

  41.43

 

  40.54

 

39.29

 

39.66

 

  39.74

 

  39.76

 

40.71

 

38.94

 

39.37

 

TiO

2

 

    3.27

 

    3.35

 

    3.75

 

  3.67

 

  3.70

 

    5.43

 

    4.29

 

  5.10

 

  3.99

 

  4.28

 

Al

2

O

3

 

  14.54

 

  14.45

 

  14.10

 

14.48

 

14.67

 

  15.57

 

  14.81

 

15.68

 

15.35

 

15.42

 

FeO

 

    7.84

 

    8.80

 

    7.92

 

13.93

 

14.22

 

    9.38

 

    9.72

 

10.51

 

12.17

 

13.24

 

MnO

 

    0.05

 

    0.08

 

    0.10

 

  0.15

 

  0.15

 

    0.09

 

    0.10

 

  0.12

 

  0.15

 

  0.17

 

MgO

 

  15.70

 

  15.0

 

  14.76

 

11.17

 

10.93

 

  14.32

 

  14.06

 

13.33

 

12.35

 

11.45

 

CaO

 

  10.31

 

  10.15

 

  10.85

 

  9.88

 

10.28

 

  10.05

 

  10.14

 

10.28

 

10.51

 

10.05

 

Na

2

O

 

    2.37

 

    2.47

 

    2.32

 

  2.69

 

  2.54

 

    2.94

 

    2.68

 

  2.97

 

  2.58

 

  2.70

 

K

2

O

 

    2.00

 

    1.94

 

    1.96

 

  1.92

 

  2.05

 

    0.82

 

    1.21

 

  0.89

 

  1.50

 

  1.64

 

Cl

 

    0.02

 

    0.03

 

    0.02

 

  0.04

 

  0.04

 

    0.02

 

    0.02

 

  0.02

 

  0.04

 

  0.06

 

F

 

    0.01

 

    0.01

 

    0.03

 

  0.03

 

  0.03

 

    0.02

 

    0.01

 

  0.02

 

  0.01

 

  0.02

 

SUM

 

  96.58

 

  97.73

 

  96.35

 

97.24

 

98.25

 

  98.36

 

  96.80

 

99.60

 

97.59

 

98.37

 

Fe

3+

/Fe

total

 

    0.966

 

    0.787

 

    0.431

 

  0.402

 

  0.312

 

    0.816

 

    0.735

 

  0.000

 

  0.503

 

  0.432

 

Si

 

    5.841

 

    5.930

 

    5.942

 

  5.834

 

  5.856

 

    5.650

 

    5.768

 

  5.851

 

  5.704

 

  5.747

 

Al(iv)

 

    2.159

 

    2.070

 

    2.058

 

  2.166

 

  2.144

 

    2.350

 

    2.232

 

  2.149

 

  2.296

 

  2.253

 

Al(vi)

 

    0.315

 

    0.367

 

    0.378

 

  0.369

 

  0.409

 

    0.259

 

    0.300

 

  0.507

 

  0.354

 

  0.401

 

Ti

 

    0.355

 

    0.361

 

    0.413

 

  0.410

 

  0.411

 

    0.581

 

    0.468

 

  0.551

 

  0.440

 

  0.470

 

Fe

3+

 

    0.914

 

    0.829

 

    0.419

 

  0.695

 

  0.548

 

    0.910

 

    0.866

 

  0.000

 

  0.751

 

  0.698

 

Mg(c)

 

    3.378

 

    3.209

 

    3.225

 

  2.473

 

  2.406

 

    3.035

 

    3.040

 

  2.856

 

  2.697

 

  2.492

 

Fe

2+

(c)

 

    0.032

 

    0.225

 

    0.552

 

  1.035

 

  1.208

 

    0.205

 

    0.313

 

  1.086

 

  0.740

 

  0.918

 

Mn(c)

 

    0.006

 

    0.010

 

    0.012

 

  0.019

 

  0.019

 

    0.011

 

    0.012

 

  0.000

 

  0.019

 

  0.021

 

Mg(b)

 

    0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.000

 

  0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.000

 

  0.000

 

  0.000

 

Fe

2+

(b)

 

    0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.000

 

  0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.177

 

  0.000

 

  0.000

 

Mn(b)

 

    0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.000

 

  0.000

 

    0.000

 

    0.000

 

  0.015

 

  0.000

 

  0.000

 

Ca(b)

 

    1.594

 

    1.557

 

    1.704

 

  1.572

 

  1.626

 

    1.531

 

    1.576

 

  1.583

 

  1.650

 

  1.572

 

Na(b)

 

    0.406

 

    0.443

 

    0.296

 

  0.428

 

  0.374

 

    0.469

 

    0.424

 

  0.225

 

  0.350

 

  0.428

 

Na(a)

 

    0.258

 

    0.242

 

    0.363

 

  0.347

 

  0.354

 

    0.341

 

    0.330

 

  0.602

 

  0.382

 

  0.336

 

K

 

    0.368

 

    0.354

 

    0.367

 

  0.364

 

  0.386

 

    0.149

 

    0.224

 

  0.163

 

  0.280

 

  0.305

 

ÓKation

 

  15.626

 

  15.596

 

  15.730

 

15.710

 

15.740

 

  15.490

 

  15.554

 

15.765

 

15.663

 

15.642

 

(Na+K)a

 

    0.63

 

    0.60

 

    0.73

 

  0.71

 

  0.74

 

    0.49

 

    0.55

 

  0.77

 

  0.66

 

  0.64

 

Mg#

 

    0.99

 

    0.93

 

    0.85

 

  0.71

 

  0.67

 

    0.94

 

    0.91

 

  0.69

 

  0.79

 

  0.73

 

Rb

 

  14

 

  16

 

  13

 

    3

 

    5

 

Sr

 

296

 

417

 

415

 

478

 

402

 

Y

 

    8

 

    9

 

  10

 

  15

 

  14

 

Zr

 

  30 

  52 

  54 

  31 

  34 

Nb

 

  13 

  16 

  16 

  12 

  16 

Cs

 

    0.05 

    0.04 

    0.09 

    0.04 

    0.10 

Ba

 

235 

302 

309 

160 

273 

La

 

    3.0 

    4.6 

    4.7 

    2.2 

    3.2 

Ce

 

  10 

  15 

  14 

    8 

  11 

Pr

 

    1.7 

    2.5 

    2.4 

    1.5 

    2.1 

Nd

 

  10 

  14 

  15 

  10 

  13 

Sm

 

    2.9 

    4.1 

    4.0 

    3.6 

    4.2 

Eu

 

    1.0 

    1.3 

    1.5 

    1.5 

    1.7 

Gd 

    2.7 

    3.6 

    4.0 

    3.1 

    3.2 

Tb 

    0.35 

    0.46 

    0.48 

    0.60 

    0.71 

Dy 

    1.7 

    2.2 

    2.7 

    3.6 

    3.4 

Ho 

    0.30 

    0.35 

    0.33 

    0.55 

    0.57 

Er 

    0.67 

    0.84 

    1.02 

    1.57 

    1.36 

Tm 

    0.07 

    0.09 

    0.09 

    0.18 

    0.16 

Yb 

    0.51 

    0.75 

    0.71 

    1.22 

    1.11 

Lu 

    0.06 

    0.07 

    0.06 

    0.14 

    0.11 

Hf 

    1.4 

    2.2 

    2.0 

    1.2 

    1.6 

Ta 

    0.68 

    0.80 

    0.92 

    0.54 

    0.74 

Pb 

    0.13 

    0.30 

    0.33 

    0.23 

    0.21 

Th 

    0.07 

    0.07 

    0.04 

    0.00 

    0.00 

    0.03 

    0.06 

    0.02 

    0.05 

    0.12 

 

terestingly, the halogen contents have no relationship with the

H

2

O  content  of  the  amphiboles  (Table 1),  thus,  they  are  not

subject to simple OH

–

–F+Cl substitution.

Trace element compositions are listed in Table 1. The sam-

ples show only small, but firm variations (Fig. 3). Chondrite-

normalized  REE  and  primitive  mantle-normalized  trace  ele-

ment diagrams (Fig. 4) show that the megacrysts studied are

very similar to those analysed by Dobosi et al. (2003a) from

the Balaton Highland Volcanic Field (western part of the Pan-

nonian Basin). Even within the small variations observed, sys-

background image

ORIGIN OF AMPHIBOLE MEGACRYSTS IN THE PLIOCENE-PLEISTOCENE BASALTS                             183

Fig. 2.  Classification  diagrams  of  Leake  et  al.  (1997)  for  calcic

amphiboles.  The  lines  represent  intervals  obtained  by  Fe

3+

/Fe

tot

calculation using the method of Schumacher (1997); diamonds are

the compositions calculated on the basis of Mössbauer spectrosco-

py data (listed in Table 2).

oxygen  isotope  compositions  are  negatively  correlated  with

MgO and positively with La/Sm(N) ratios (Fig. 6).

The hydrogen isotope compositions show a wide variation

from –107 ‰ to –15 ‰ (Table 2). The δD values are plotted

as a function of H

2

O contents of amphiboles (Fig. 7). The δD

and  δ

18

O  data  on  xenolith-hosted  amphiboles  from  the

Pliocene  to  Pleistocene  maar  volcanoes  and  tuff  cones  of

Southern Slovakia (Hurai et al. 1998) plot in the normal man-

tle ranges. Although Fe

3+

 contents are given only on the basis

of  electron  microprobe  analyses  for  two  amphibole  samples

analysed for δD and δ

18

O, they can be used as a rough esti-

mate  of  the  oxidation  state.  Thus,  the  data  of  Hurai  et  al.

(1998) will be used for comparison for the discussion of δD-

δ

18

O-H

2

O wt. %-Fe

3+

 correlations (see also Figs. 7, 8, 10 and

11). A slight positive correlation appears with low δD values

Fig. 3.  Trace  element  contents  normalized  to  the  primitive  mantle

(Hofmann 1988) in amphibole megacrysts from the Carpathian-Pan-

nonian region. Shaded field: amphibole megacrysts of Dobosi et al.

(2003a).

Fig. 4.  Chondrite-normalized  (Anders  &  Grevesse  1989)  REE-

contents in amphibole megacrysts from the Carpathian-Pannonian

region.  Shaded  field:  amphibole  megacrysts  of  Dobosi  et  al.

(2003a).

tematic  relationships  with  major  element  and  stable  isotopic

compositions are detected (Figs. 5, 7). Fig. 5 shows that there

is a negative correlation between mg# and La/Sm ratios in the

amphibole  megacrysts  of  the  Pliocene-Pleistocene  basalts.

The Tob-1 megacrysts have peculiar chemical and oxygen iso-

tope characteristics (see Figs. 5, 6, 9), but being only an outli-

er, this difference will not be discussed.

The stable isotope compositions also show some variations.

The  δ

18

O  values  (Table 2)  of  amphibole  megacrysts  scatter

around the primary mantle compositions (5.5 ‰, Mattey et al.

1994; Chazot et al. 1997) with an average of 5.45±0.23 ‰ (1 σ,

n = 15). These δ

18

O values are very similar to those reported by

Dobosi et al. (1998, 2003a) for amphibole megacrysts from the

alkaline basalts (5.27±0.15 ‰, 1 σ, n = 8). Although the varia-

tions in the δ

18

O values are close to the analytical precision, the

background image

184                                                                                             DEMÉNY et al.

Sample 

@

18

@D 

H

2

 Fe

3+

 

Tob-1 

5.8 

–29 

1.33 

28.28 

Tob-2 

5.2 

–19 

1.20 

 

Tob-3 

5.5 

–25 

1.28 

28.33 

Gü-1 

5.4 

–24 

1.25 

30.68 

Gü-2 

5.2 

–31 

1.24 

31.11 

Bog-2001 

5.5 

–29 

1.11 

 

M-2001 

5.9 

   –107 

0.60 

56.11 

M-2002 

5.6 

–61 

1.04 

36.63 

MAS-1 

5.1 

–31 

0.82 

34.47 

MAS-2 

5.1 

–75 

0.87 

40.69 

MAS-3 

5.4 

–56 

0.97 

31.79 

Szil-1 

5.5 

–15 

0.99 

46.45 

Trs-2007 

5.5 

–49 

1.15 

28.14 

Trs-2008 

5.5 

–59 

1.05 

29.20 

Trs-2018 

5.4 

–50 

1.16 

31.00 

Szg-3024 

 

–61 

1.00 

29.34 

Szg 

 

–61 

1.11 

27.79 

Bb-2 

 

–52 

1.29 

32.96 

Bo-20 

 

–81 

1.22 

 

 

Table  2:  Oxygen  and  hydrogen  isotope  compositions,  water  content

(in weight %) and Fe

3+

 contents (in % as 100×Fe

3+

/Fe

total

) of amphibole

megacrysts from alkaline basalts of the Carpathian-Pannonian region.

associated with low H

2

O contents, suggesting that degassing

may be responsible for the large δD variation observed. System-

atic δD differences between sampling localities do not exist.

One of the most important parts of the information needed

for the interpretation of hydrogen isotope compositions is the

Fe

3+

 content of the amphiboles (Dyar et al. 1992; Feldstein et

al. 1996). Fe

3+

 contents expressed as percentages (100 Fe

3+

/

Fe

tot

)  also  show  a  large  scatter  from  28  to  56 %  (Table 2).

When the Fe

3+

 contents are plotted as a function of H

2

O %, a

slight negative correlation appears (Fig. 8), that again points

to H

2

-degassing, which causes iron oxidation in the amphibole

structure (Feldstein et al. 1996; King et al. 1999). Similarly to

the hydrogen isotope compositions, the oxidation state of am-

phibole is sensitive to late stage processes, whose effects can

be  superimposed  on  the  primary  features,  thus  a  combined

evaluation is needed to explain the observed variations. The

hornblendite veins have chemical and isotopic characteristics

very similar to those of the megacrysts (see Tables 1 and 2),

thus they will not be discussed separately.

Discussion

Origin of 

δδδδδ

18

O variation

The first question about the origin of amphibole megacrysts

is their primary mantle nature, which is best reflected by the

oxygen isotope composition. Although the δ

18

O range of the

megacrysts  is  very  close  to  the  normal  mantle  composition

with a small scatter, a systematic variation appears. The nega-

tive  correlation  between  δ

18

O  values  and  MgO  contents

(Fig. 6) may be related to several processes: (i) crystal chemi-

cal  effects,  (ii)  crustal  contamination  either  by  assimilation

during magma transport through the crust or by source con-

tamination  by  subducted  material,  (iii)  fractional  crystalliza-

tion, or (iv) partial melting. Since the oxygen isotope fraction-

ation due to Mg-Fe variation does not exceed 0.2 ‰ (Zheng

1993), the effect of crystal chemistry on the observed oxygen

Fig. 6. A — δ

18

O values (in ‰ relative to V-SMOW) vs. mg num-

bers. B — δ

18

O values vs. La/Sm ratios normalized to the primitive

mantle (Hofmann 1988). Legend as in Fig. 5.

Fig. 5.  La/Sm  ratios  normalized  to  the  primitive  mantle  (Hofmann

1988) in amphibole megacrysts vs. their mg numbers. Filled square:

this  study,  grey  circle:  Tob-1.  Shaded  field:  amphibole  megacrysts

of Zanetti et al. (1995) and Dobosi et al. (2003a).

isotope variation (0.5 ‰, excluding Tob-1 amphibole on the

basis  of  its  chemical  compositions,  see  Results)  can  be  ex-

cluded. Crustal contamination processes may explain the δ

18

O

background image

ORIGIN OF AMPHIBOLE MEGACRYSTS IN THE PLIOCENE-PLEISTOCENE BASALTS                             185

and  MgO  variation.  Trace  element  compositions,  especially

certain trace element ratios that are sensitive to crustal material

addition (Ce/Pb, Nd/Pb, Ba/Th, etc.) can attest the contamina-

tion hypothesis. However, no correlation between these ratios

and the δ

18

O values could be observed (Fig. 9), thus contami-

nation is unlikely as a cause of the δ

18

O-MgO variation. Frac-

tional crystallization of the basaltic magma can also produce

the observed changes provided that high-MgO and low-δ

18

O

minerals (e.g. olivine) are crystallized. Apart from the amphib-

ole megacrysts, the basalts contain numerous pyroxene, spinel

and olivine mega- and xenocrysts. Crystallization of forsteritic

olivine and Mg-Al spinel from the basaltic magma has been

modelled using MgO % = 15 wt. % and δ

18

O = 5.1 ‰ as start-

ing compositions, theoretical mineral compositions and pub-

lished mineral-melt oxygen isotope fractionations (Mattey et

al.  1994;  Chazot  et  al.  1997).  The  calculations  indicate  that

about 30 % of the magma should have crystallized as olivine

and spinel in order to explain the observed  δ

18

O-mg# varia-

tion.  Zanetti  et  al.  (1995)  observed  varying  correlations  be-

tween mg# and elements with different compatibility, which

they  interpreted  as  resulting  from  fractional  crystallization

from evolved melt. However, olivine and spinel crystallization

cannot explain the relationships between oxygen isotope com-

position and some trace element ratios (e.g. La/Sm, see Fig. 6)

considering  the  very  low  mineral-melt  partition  coefficients

for olivine and spinel (Beattie 1994; Horn et al. 1994). Due to

the  low  partition  coefficients,  crystallization  of  olivine  and

spinel  would  not  affect  the  trace  element  content  of  the  re-

sidual  melt  significantly.  Other  minerals  (e.g.  pyroxene  and

amphiboles) with higher mineral-melt coefficients have lower

MgO contents or higher δ

18

O values, resulting in lower min-

eral-melt  oxygen  isotope  fractionation  (Mattey  et  al.  1994;

Chazot et al. 1997). The degree of crystallization that would

be needed to explain the observed δ

18

O variations (>99 % for

pyroxene  and  >85 %  for  amphibole  considering  Rayleigh

fractionation) is unreasonably high.

Generation of basaltic magma due to a low degree partial

melting of a peridotitic source may result in elevated δ

18

O val-

ues  in  the  basalt  (Eiler  2001)  and  would  also  produce  low

MgO content and elevated La/Sm ratio in accordance with the

relationships observed in this work. The melting process may

also  produce volatile-rich magma. However, as we have seen

degassing  may  affect  the  amphiboles,  thus  the  amphiboles’

water  contents  may  not  reflect  magma  compositions.  The

slight increase in halogen contents may also be related to the

melting  process.  However,  the  halogen  contents  of  amphib-

oles  strongly  depend  on  crystal  chemistry  (Morrison  1991).

The negative F+Cl–MgO correlation can also be related to the

Mg-Cl avoidance, as suggested by Morrison (1991).

In summary, the oxygen isotope compositions of amphibole

megacrysts  are  in  accordance  with  their  mantle  origin.  Ac-

cording  to  relationships  among  major,  minor  and  trace  ele-

ment contents, the small δ

18

O variations observed may be ex-

plained in terms of varying degrees of partial melting.

Origin of mantle fluids

Hydrogen isotope compositions may provide additional in-

formation on the origin of the fluids responsible for amphibole

Fig. 7. δD values (in ‰ relative to V-SMOW) vs. H

2

O contents (in

wt. %) in amphibole megacrysts and hornblendite veins. See text for

degassing effects. Open circles: from Hurai et al. (1998) and J. Hoe-

fs (pers. comm.).

Fig. 8. Fe

3+

 contents (in % relative to Fe

total

) vs. H

2

O contents (in

wt. %)  in  amphibole  megacrysts.  Open  circles:  from  Hurai  et  al.

(1998) and J. Hoefs (pers. comm.).

Fig. 9. Primitive mantle normalized (Hofmann 1988) Ce/Pb ratios

vs. δ

18

O values (in ‰ relative to V-SMOW) in amphibole mega-

crysts. Legend as in Fig. 5.

background image

186                                                                                             DEMÉNY et al.

formation. To evaluate the obtained δD values, their primary

nature should be proved and the effects of secondary process-

es,  such  as  weathering,  alteration  and  degassing  have  to  be

eliminated. Low temperature alteration can be ruled out owing

to  the  absence  of  secondary  minerals  (Fe-oxide-hydroxides,

chlorite,  clay  minerals)  and  elevated  H

2

O  content.  Further,

preservation of primary mantle oxygen isotope signature and

correlations with trace element ratios argue against significant

alteration.

Degassing results in depletion in water in the amphibole and

increasing oxidation in the case of hydrogen release. The posi-

tive correlation between δD and water content indicates that

degassing  may  have  indeed  affected  the  studied  amphiboles

(Fig. 7).

Degassing of amphibole is often associated with oxidation,

that is enrichment in Fe

3+

 (Dyar et al. 1992; King et al. 1999).

This  effect  can  be  observed  in  the  Fe

3+

-H

2

O  plot  (Fig. 8),

which shows a weak negative correlation between these vari-

ables. Dyar et al. (1993) have suggested another mechanism

for the water-deficient and oxidized nature of mantle kaersu-

tites. Considering the diffusion rate of hydrogen and mantle-

to-surface transport time of megacrysts, they found near-com-

plete  degassing  of  large  crystals  difficult.  Instead,  they

proposed  migration  of  oxidized  metasomatic  fluids  in  the

mantle. However, amphibole has a good cleavage, which de-

creases the effective grain size in term of diffusion. This is in-

dicated by host melt infiltration into cleavage planes observed

during  hand-picking  under  binocular  microscope.  Thus,  we

consider degassing a more likely process. Degassing may oc-

cur  as  dehydrogenation  (H

2

-loss)  and  dehydration  (partial

breakdown of amphibole). Dehydrogenation means preferen-

tial loss of the light H isotope, leaving the residual amphibole

enriched  in  deuterium  (Dyar  et  al.  1992;  Vennemann  &

O’Neil 1996). This process may explain the compositions of

the strongly D-enriched samples shown in Fig. 7, as the high-

δD group (>–40 ‰) shows negative correlation in agreement

with  dehydrogenation.  On  the  other  hand,  H

2

O  loss  would

cause a negative δD shift in the amphibole (Suzuoki & Epstein

1976; Graham et al. 1984; Vennemann & O’Neil 1996). This

process appears in the low-δD (<–50 ‰) group in Fig. 7. On

the basis of the data plotted in Figs. 7, 8 and 10, the samples

likely  to  have  suffered  degassing  (low  H

2

O %,  Fe

3+

/Fe

tot

>35 %) must be excluded from the evaluation of primary δD

characteristics of parental magma.

Fig. 11  shows  the  hydrogen  and  oxygen  isotope  composi-

tions of undegassed amphiboles. It is apparent that only some

samples fall close to the average upper mantle compositions

18

O = 5.5±0.2 ‰,  δD = –70±10 ‰,  Boettcher  &  O’Neil

1980; Kyser & O’Neil 1984; Mattey et al. 1994; Chazot et al.

1997;  Javoy  1998).  Hence,  these  samples  may  represent  the

primary uncontaminated asthenospheric mantle. The low-δD

group partially overlaps the field of xenolith-hosted amphib-

oles from Southern Slovakia (Hurai et al. 1998). However, the

amphiboles with the lowest δD values have low H

2

O contents

(<0.7 wt. %,  see  also  Fig. 7)  indicating  degassing,  thus  the

primary compositions for the xenolith-hosted amphiboles stud-

ied by Hurai et al. (1998) can be estimated at about –60 ‰.

Although the megacrysts studied in this paper are character-

ized by mantle-like δ

18

O, they form two groups according to

their δD values (Figs. 10, 11). As shown in Fig. 10, the high-

D group cannot be produced from the low-δD one by dehy-

drogenation as they have identical Fe

3+

 contents.  Indeed, the

Fe

3+

 content of 27 % seems to reflect an initial oxidation de-

gree characteristic of the mantle source. Thus, the δD values

also represent mantle compositions ranging from about –60 to

–20 ‰. The low δD limit is close to the normal mantle range,

but the high δD values are rather rare in terrestrial rocks and

are usually found in rocks, which have undergone seawater-

rock exchange (e.g. Stakes & O’Neil 1982; Yui & Jeng 1990).

The constant δ

18

O values exclude contamination by seawater-

bearing sediments regarding the strong 

18

O-enrichment in sed-

imentary rocks (δ

18

O~15–30 ‰, Hoefs 1987). The most like-

Fig. 10.  δD  values  (in  ‰  relative  to  V-SMOW)  as  a  function  of

Fe

3+

  contents  (in  %  relative  to  Fe

total

)  in  amphibole  megacrysts.

Open circles: from Hurai et al. (1998). See text for degassing effects.

Fig. 11. δD vs. δ

18

O values (in ‰ relative to V-SMOW) in unde-

gassed  amphibole  megacrysts.  Open  circles:  from  Hurai  et  al.

(1998). Mantle ranges: see text.

background image

ORIGIN OF AMPHIBOLE MEGACRYSTS IN THE PLIOCENE-PLEISTOCENE BASALTS                             187

ly explanation of the D-enrichment in the mantle is subduction

of high-δD rocks (e.g. serpentinites in the lower oceanic crust)

and subsequent release of D-enriched fluids, which may have

metasomatized the upper mantle. Unfortunately no H-O iso-

tope study is available from oceanic crust relics from the East-

ern Alps and Carpathians. Serpentinites and ophicarbonates of

the  Western  Alps  display  large  H  isotopic  variations  (from

–150 ‰ to –30 ‰, Burkhard & O’Neil 1988; Früh-Green et

al. 1990). The high δD values record a high-temperature inter-

action  of  the  oceanic  crust  with  seawater.  According  to  the

serpentine-water  H  isotope  fractionation  (Wenner  &  Taylor

1973), the fluid released from the subducted serpentinite mass

would  be  even  more  enriched  in  deuterium  (approaching

–20 ‰) than the source rock. This fluid would enter the man-

tle causing the metasomatism and D-enrichment.

Serpentinite  devolatilization  may  occur  at  mantle  depths

(Scambelluri  et  al.  1995, 1997),  carrying  large  amounts  of

high-δD fluid into the mantle. An independent indication of

subducted  oceanic  crust  material  under  the  Carpathian-Pan-

nonian region is the presence of mafic granulite xenoliths with

low δ

18

O values and MORB-like Sr-Nd isotope compositions

in  the  alkaline  basalts  (Dobosi  et  al.  2003b).  Subduction  of

oceanic crust has been presumed to have taken place during

the  Alpine  orogenesis  in  the  Carpathian-Pannonian  region,

producing  high-D  metamorphic  rocks  (Demény  et  al.  1997)

with δD values very similar to those detected in this study.

It is important in the evaluation of the above model that an

areal variability has been observed in radiogenic isotope com-

positions  of  the  Pliocene-Pleistocene  alkaline  basalts  of  the

CPR (Embey-Isztin & Dobosi 1995), which was related to an

increased amount of the subducted component in the central

part of the region. The constant oxygen isotope compositions

throughout the region indicate that the contamination was not

induced  by  direct  melt  addition  from  subducted  crust,  since

such process would have shifted the oxygen isotope composi-

tions to higher values. Our results indicate that the radiogenic

isotope  variations  may  have  been  caused  by  metasomatism

triggered by release of fluid from the subducted slab.

Conclusions

Amphibole  megacrysts  and  hornblendite  veins  from  com-

posite  mantle  xenoliths  of  Pliocene-Pleistocene  alkaline  ba-

salts of the Carpathian-Pannonian region were studied in this

paper to investigate the origin of mantle fluids, which induced

hydrous mineral formation. Former studies have proven that

the  megacrysts  represent  cumulate  phases  formed  during  an

early upwelling of basaltic magma, and were brought to the

surface by subsequent magma pulse. The δ

18

O values of the

amphiboles support their primary mantle origin. Correlations

with  the  MgO  contents  and  La/Sm  ratios  are  interpreted  in

terms  of  varying  degrees  of  partial  melting  and  amphibole

crystallization  from  the  evolved  basaltic  melt.  The  halogen

contents (F, Cl) of the amphiboles are very low, and their vari-

ations can either be related to the partial melting process, or to

the Mg-Cl avoidance rule.

Water and Fe

3+

 contents and H isotope compositions indicate

degassing effects. Dehydrogenation is subordinate, whereas de-

hydration prevails in the studied amphibole megacrysts. Un-

degassed  amphiboles  show  a  wide  δD  range  from  normal

mantle compositions (about –60 ‰) to unusually high values

(–20 ‰) attributed to metasomatism incidental to fluid release

from subducted oceanic crust. The trace element and O iso-

tope  co-variations  indicate  negligible  direct  melt  addition  to

the mantle. Radiogenic isotope variations observed in previ-

ous studies may be related to fluid-mediated element transport

from the subducted slab.

Acknowledgments: The study was financially supported by

the  Hungarian  Scientific  Research  Fund  (to  A.D.,  OTKA

T 029078) and was conducted in the framework of a Bolyai

János  Research  Scholarship  provided  to  A.D.  The  ICP-MS

work was carried out in an EC funded Large Scale Analytical

Facility (SOCFAC, contract no. HPRI-CT-1999-00108). H

2

O

wt. %  data  on  Slovak  amphiboles  were  kindly  provided  by

Prof.  J.  Hoefs.  We  gratefully  thank  J.  Lexa,  E.  Bali  and  an

anonymous reviewer for constructive comments.

References

Anders E. & Grevesse N. 1989: Abundances of the elements — me-

teoritic and solar. Geochim. Cosmochim. Acta 53, 197–214.

Beattie  P.  1994:  Systematics  and  energetics  of  trace-element  parti-

tioning between olivine and silicate melts: Implications for the

nature of mineral/melt partitioning. Chem. Geol. 117, 57–71.

Boettcher  A.L.  &  O’Neil  J.R.  1980:  Stable  isotope,  chemical,  and

petrographic  studies  of  high-pressure  amphiboles  and  micas:

evidence for metasomatism in the mantle source regions of al-

kali basalts and kimberlites. Amer. J. Sci. 280-A, 594–621.

Burkhard  D.J.M.  &  O’Neil  J.R.  1988:  Contrasting  serpentinization

processes in the eastern Central Alps. Contrib. Mineral. Petrol-

ogy 99, 498–506.

Chazot G., Lowry D., Menzies M. & Mattey D. 1997: Oxygen isoto-

pic  composition  of  hydrous  and  anhydrous  mantle  peridotites.

Geochim. Cosmochim. Acta 61, 161–169.

Clayton R.N. & Mayeda T.K. 1963: The use of bromine pentafluo-

ride  in  the  extraction  of  oxygen  from  oxides  and  silicates  for

isotopic analysis. Geochim. Cosmochim. Acta 27, 43–52.

Demény A. 1995: H isotope fractionation due to hydrogen-zinc re-

actions and its implications on D/H analysis of water samples.

Chem. Geol. 121, 19–25.

Demény  A.,  Sharp  Z.D.  &  Pfeifer  H.-R.  1997:  Mg-metasomatism

and  formation  conditions  of  Mg-chlorite-muscovite-quartz-

phyllites (leucophyllites) of the Eastern Alps (W. Hungary) and

their relations to Alpine whiteschists. Contrib. Mineral. Petrol-

ogy 128, 247–260.

Demény  A.,  Vennemann  T.W.  &  Homonnay  Z.  2001:  H  isotope

compositions  and  oxidation  state  of  mantle-derived  hydrous

minerals. J. Conference Abstracts 6, 462–463.

Demény  A.,  Vennemann  T.W.,  Hegner  E.,  Nagy  G.,  Milton  J.A.,

Embey-Isztin A., Homonnay Z. & Dobosi G. 2004: Trace ele-

ment  and  C-O-Sr-Nd  isotope  evidence  for  subduction-related

carbonate-silicate melts in mantle xenoliths (Pannonian Basin,

Hungary). Lithos 75, 1–2, 89–113.

Dobosi G., Fodor R.V. & Goldberg S.A. 1995: Late-Cenozoic alkal-

ic  basalt  magmatism  in  the  northern  Pannonian  basin,  eastern

Europe:  petrology,  source  compositions,  and  relationship  to

tectonics. In: Downes H. & Vaselli O. (Eds.): Neogene and re-

lated  magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian  Region.  Acta

Vulcanol. 7, 199–207.

background image

188                                                                                             DEMÉNY et al.

Dobosi G., Downes H., Mattey D. & Embey-Isztin A. 1998: Oxy-

gen  isotope  ratios  of  phenocrysts  from  alkali  basalts  of  the

Pannonian  basin:  Evidence  for  an  O-isotopically  homoge-

neous  upper  mantle  beneath  a  subduction-influenced  area.

Lithos 42, 213–223.

Dobosi G., Downes H., Embey-Isztin A. & Jenner G.A. 2003a: Ori-

gin  of  megacrysts  and  pyroxenite  xenoliths  from  the  Pliocene

alkali basalts of the Pannonian Basin (Hungary). Neu. Jb. Min-

eral. Abh. 178, 217–237.

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

& Greenwood P. 2003b: Lower crustal granulite xenoliths from

the Pannonian Basin, Hungary. Part II: Sr-Nd-Pb-Hf and O iso-

tope evidence for formation of continental lower crust by tec-

tonic  emplacement  of  oceanic  crust.  Contrib.  Mineral.

Petrology 144, 671–683.

Downes H. & Vaselli O. 1995: The lithospheric mantle beneath the

Carpathian-Pannonian  Region:  a  review  of  trace  element  and

isotopic evidence from ultramafic xenoliths. In: Downes H. &

Vaselli O. (Eds.): Neogene and related magmatism in the Car-

patho-Pannonian Region. Acta Vulcanol. 7, 219–229.

Downes H., Embey-Isztin A. & Thirlwall M.F. 1992: Petrology and

geochemistry  of  spinell  peridotite  xenoliths  from  the  western

Pannonian  Basin  (Hungary):  evidence  for  an  association  be-

tween  enrichment  and  texture  in  the  upper  mantle.  Contrib.

Mineral. Petrology 109, 340–354.

Downes H., Seghedi I., Szakács A., Dobosi G., James D.E., Vaselli

O., Rigby I.J., Ingram G.A., Rex D. & Pécskay Z. 1995: Petrol-

ogy  and  geochemistry  of  late  Tertiary/Quaternary  mafic  alka-

line volcanism in Romania. Lithos 35, 65–81.

Dyar M.D., McGuire A.V. & Mackwell S.J. 1992: Fe

3+

/H

+

 and D/H

in kaersutites — Misleading indicators of mantle source fugaci-

ties. Geology 20, 565–568.

Dyar M.D., Mackwell S.J., McGuire A.V., Cross L.R. & Robertson

J.D. 1993: Crystal chemistry of Fe

3+

 and H

+

 in mantle kaersu-

tite: Implications for mantle metasomatism. Amer. Mineralogist

78, 968–979.

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

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

tope geochemistry. Rev. in Mineralogy 43, 319–364.

Embey-Isztin  A.  1976:  Amphibolite/lherzolite  composite  xenolith

from  Szigliget,  north  of  the  Lake  Balaton,  Hungary.  Earth

Planet. Sci. Lett. 31, 297–304.

Embey-Isztin A. & Dobosi G. 1995: Mantle source characteristics for

Miocene-Pleistocene  alkali  basalts,  Carpathian-Pannonian  Re-

gion:  a  review  of  trace  elements  and  isotopic  composition.  In:

Downes H. & Vaselli O. (Eds.): Neogene and related magmatism

in the Carpatho-Pannonian Region. Acta Vulcanol. 7, 155–166.

Embey-Isztin A. & Scharbert H.G. 1981: Bericht über geochemisch-

petrographische  Untersuchungen  an  Basalten  vom  Kovácsi-

hegy  und  Uzsa,  Tátika  Gruppe,  Ungarn.  Anz.  Österr.  Akad.

Wiss., Math.-Naturwiss. Kl. 118, 1–6.

Embey-Isztin A., Scharbert H.G., Dietrich H. & Poultidis H. 1990:

Mafic granulite and clinopyroxenite xenoliths from the Trans-

danubian Volcanic Region, Hungary: implications for the deep

structure of the Pannonian Basin. Mineral. Mag. 54, 463–483.

Embey-Isztin A., Downes H., James D.E., Upton B.G.J., Dobosi G.,

Ingram G.A., Harmon R.S. & Scharbert H.G. 1993a: The petro-

genesis of Pliocene alkaline volcanic rocks from the Pannonian

Basin, Eastern central Europe. J. Petrology 34, 317–343.

Embey-Isztin A., Dobosi G., James D.E., Downes H., Poultidis H. &

Scharbert H.G. 1993b: A compilation of new major, trace element

and isotope geochemical analyses of the young alkali basalts from

the Pannonian Basin. Fragm. Mineral. Palaeont. 16, 5–26.

Feldstein S.N., Lange R.A., Vennemann T. & O’Neil J.R. 1996: Fer-

ric-ferrous  ratios,  H

2

O  contents  and  D/H  ratios  of  phlogopite

and  biotite  from  lavas  of  different  tectonic  regimes.  Contrib.

Mineral. Petrology 126, 51–66.

Früh-Green G., Weissert H. & Bernoulli D. 1990: A multiple fluid

history  recorded  in  Alpine  ophiolites.  J.  Geol.  Soc.,  London

147, 959–970.

Graham C.M., Harmon R.S. & Sheppard S.M.F. 1984: Experimental

hydrogen isotope studies: hydrogen exchange between amphib-

ole and water. Amer. Mineralogist 69, 128–138.

Harangi Sz., Vaselli O., Tonarini S., Szabó Cs., Harangi R. & Cora-

dossi N. 1995: Petrogenesis of Neogene extension-related alka-

line  volcanic  rocks  of  the  Little  Hungarian  Plain  Volcanic

Field,  Western  Hungary.  In:  Downes  H.  &  Vaselli  O.  (Eds.):

Neogene  and  related  magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian

Region. Acta Vulcanol. 7, 173–187.

Hoefs  J.  1987:  Stable  isotope  geochemistry.  Springer-Verlag,  Ber-

lin, 1–241.

Hofmann A.W. 1988: Chemical differentiation of the Earth: the rela-

tionship  between  mantle  continental  crust,  and  oceanic  crust.

Earth Planet. Sci. Lett. 90, 297–314.

Horn I., Foley S.F., Jackson S.E. & Jenner G.A. 1994: Experimen-

tally determined partitioning of high field strength- and select-

ed transition elements between spinel and basaltic melt. Chem.

Geol. 117, 193–218.

Horváth F. 1993: Towards a mechanical model for the formation of

the Pannonian Basin. Tectonophysics 226, 333–357.

Hurai V., Simon K., Wiechert U., Hoefs J., Koneèný P., Huraiová

M., Pironon J. & Lipka J. 1998: Immiscible separation of met-

alliferous Fe/ Ti-oxide melts from fractionating alkali basalt: P-

T-fO

2

  conditions  and  two-liquid  elemental  partitioning.

Contrib. Mineral. Petrology 133, 12–29.

Huraiová M., Koneèný P., Koneèný V., Simon K & Hurai V. 1996:

Mafic and salic igneous xenoliths in Late Tertiary alkaline ba-

salts:  Fluid  inclusion  and  mineralogical  evidence  for  a  deep-

crustal magmatic reservoir in the Western Carpathians. Eur. J.

Mineral. 8, 901–916.

Ionov  D.A.  &  Hofmann  A.W.  1995:  Nb-Ta-rich  mantle  amphib-

oles and micas — Implications for subduction-related metaso-

matic  trace-element  fractionations.  Earth  Planet.  Sci.  Lett.

131, 341–356.

Javoy  M.  1998:  The  birth  of  the  Earth’  atmosphere:  the  behaviour

and fate of its major elements. Chem. Geol. 147, 11–25.

Johnson  K.E.,  Davis  A.M.  &  Bryndzia  L.T.  1996:  Contrasting

styles of hydrous metasomatism in the upper mantle: An ion

microprobe  investigation.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  60,

1367–1385.

Kasemann S., Meixner A., Rocholl A., Vennemann T., Schmitt A. &

Wiedenbeck M. 2001: Boron and oxygen isotope composition

of certified reference materials NIST SRM 610/612, and refer-

ence materials JB-2G and JR-2G. Geostandards Newsletter 25,

405–416.

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

xenoliths in Neogene alkali basalts from the Western Pannon-

ian Basin: Insights into the lower crust of a collapsed orogen. J.

Petrology 38, 941–970.

King P.L., Hervig R.L., Holloway J.R., Vennemann T.W. & Righter

K.  1999:  Oxy-substitution  and  dehydrogenation  in  mantle-de-

rived  amphibole  megacrysts.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  63,

3635–3651.

Koneèný V., Lexa L., Balogh K. & Koneèný P. 1995a: Alkali basalt

volcanism in Southern Slovakia: volcanic forms and time evo-

lution. In: Downes H. & Vaselli O. (Eds.): Neogene and related

magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian  Region.  Acta  Vulca-

nol. 7, 167–171.

Koneèný P., Koneèný V., Lexa L. & Huraiová M. 1995b: Mantle xe-

noliths in alkali basalts of Southern Slovakia. In: Downes H. &

Vaselli O. (Eds.): Neogene and related magmatism in the Car-

patho-Pannonian Region. Acta Vulcanol. 7, 241–247.

background image

ORIGIN OF AMPHIBOLE MEGACRYSTS IN THE PLIOCENE-PLEISTOCENE BASALTS                             189

Kurat G., Embey-Isztin A., Karcher A. & Scharbert H.G. 1991: The

upper mantle beneath Kapfenstein and the Transdanubian Vol-

canic Region, E Austria and W Hungary: a comparison. Miner.

Petrology 44, 21–38.

Kyser  T.K.  &  O’Neil  J.R.  1984:  Hydrogen  isotope  systematics  of

submarine basalts. Geochim. Cosmochim. Acta 48, 2123–2133.

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  E.J.W.  &  Youzhi

G. 1997: Nomenclature of amphiboles: Report of the subcom-

mittee on amphiboles of the International Mineralogical Asso-

ciation,  Commission  on  new  minerals  and  mineral  names.

Canad. Mineralogist 35, 219–246.

Mattey  D.,  Lowry  D.  &  MacPherson  C.  1994:  Oxygen  isotope

composition of mantle peridotite. Earth Planet. Sci. Lett. 128,

231–241.

Morrison J. 1991: Compositional constraints on the incorporation of

Cl into amphiboles. Amer. Mineralogist 76, 1920–1930.

Oberti R., Vannucci R., Zanetti A., Tiepolo M. & Brumm R.C. 2000:

A  crystal  chemical  re-evaluation  of  amphibole/melt  and  am-

phibole/clinopyroxene  D

Ti

  values  in  petrogenetic  studies.

Amer. Mineralogist 85, 407–419.

Pearce  N.J.G.,  Perkins  W.T.,  Westgate  J.A.,  Gorton  M.P.,  Jackson

S.E.,  Neal  C.R.  &  Chenery  S.P.  1997:  A  compilation  of  new

and published major and trace element data for NIST SRM 610

and  NIST  SRM  612  glass  reference  materials.  Geostandard

Newsletter 21, 115–144.

Pécskay Z.,  Lexa J.,  Szakács A., Balogh Kad., Seghedi I., Koneèný

V., Kovács M., Márton E., Kalièiak M., Széky-Fux V., Póka T.,

Gyarmati P., Edelstein O., Rosu E. & Žec B. 1995:  Space and

time distribution of Neogene-Quaternary volcanism in the Car-

patho-Pannonian  Region.  In:  Downes  H.  &  Vaselli  O.  (Eds.):

Neogene  and  related  magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian

Region. Acta Vulcanol. 7, 15–28.

Rosenbaum J.M., Wilson M. & Downes H. 1997: Multiple enrichment

of the Carpathian-Pannonian mantle: Pb-Sr-Nd isotope and trace

element constraints. J. Geophys. Res. 102, 14947–14961.

Rumble III. D. & Hoering T.C. 1994: Analysis of oxygen and sulfur

isotope  ratios  in  oxide  and  sulfide  minerals  by  spot  heating

with a carbon dioxide laser in a fluorine atmosphrere. Accounts

of  Chem. Res. 27, 237–241.

Salters V.J.M., Hart S.R. & Pantó Gy. 1988: Origin of late Cenozoic

volcanic  rocks  of  the  Carpathian  Arc,  Hungary.  In:  Royden

L.H. & Horváth F. (Eds.): The Pannonian Basin. Amer. Assoc.

Petrol. Geol. Memoir 45, 279–292.

Scambelluri M., Müntener O., Hermann J., Piccarrdo G.B. & Trom-

msdorff V. 1995: Subduction of water into the mantle: History

of an Alpine peridotite. Geology 23, 459–462.

Scambelluri M., Piccardo G.B., Philippot P., Robbiano A. & Negret-

ti L. 1997: High salinity fluid inclusions formed from recyled

seawater in deeply subducted alpine serpentinite. Earth Planet.

Sci. Lett. 148, 485–499.

Schumacher J.C. 1997: The estimation of ferric iron in electron mi-

croprobe  analysis  of  amphiboles:  Appendix  to  the  nomencla-

ture of amphiboles. Canad. Mineralogist 35, 238–246.

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

Roºsu E., Pécskay Z., Márton E. & Panaiotu C. 2004: Neogene-

Quaternary  magmatism  and  geodynamics  in  the  Carpathian-

Pannonian region: a synthesis. Lithos 72, 117–146.

Sharp  Z.D.  1990:  A  laser-based  microanalytical  method  for  the  in

situ determination of oxygen isotope ratios of silicates and ox-

ides. Geochim. Cosmochim. Acta 54, 1353–1357.

Stakes  D.S.  &  O’Neil  J.R.  1982:  Mineralogy  and  stable  isotope

geochemistry  of  hydrothermally  altered  oceanic  rocks.  Earth

Planet. Sci. Lett. 57, 285–304.

Suzuoki  T.  &  Epstein  S.  1976:  Hydrogen  isotope  fractionation  be-

tween  OH-bearing  minerals  and  water.  Geochim.  Cosmochim.

Acta 40, 1229–1240.

Szabó Cs. & Taylor L.A. 1994: Mantle petrology and geochemistry

beneath  the  Nógrád-Gömör  Volcanic  Field,  Carpathian-Pan-

nonian Region. Int. Geol. Rev. 36, 328–358.

Szabó Cs., Harangi Sz. & Csontos L. 1992: Review of Neogene and

Quaternary  volcanism  of  the  Carpathian–Pannonian  region.

Tectonophysics 208, 243–256.

Szabó Cs., Harangi Sz., Vaselli O. & Downes H. 1995a: Tempera-

ture and oxygen fugacity in peridotite xenoliths from the Car-

pathian-Pannonian Region. In: Downes H. & Vaselli O. (Eds.):

Neogene  and  related  magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian

Region. Acta Vulcanol. 7, 231–239.

Szabó Cs., Vaselli O., Vannucci R., Bottazzi P., Ottolini L., Cora-

dossi  N  &  Kubovics  I.  1995b:  Ultramafic  xenoliths  from  the

Little  Hungarian  Plain  (Western  Hungary):  a  petrologic  and

geochemical  study.  In:  Downes  H.  &  Vaselli  O.  (Eds.):  Neo-

gene  and  related  magmatism  in  the  Carpatho-Pannonian  Re-

gion. Acta Vulcanol. 7, 249–263.

Szabó Cs., Bodnár R.J. & Sobolev A.V. 1996: Metasomatism asso-

ciated with subduction-related, volatile-rich silicate melt in the

upper  mantle  beneath  the  Nógrád-Gömör  Volcanic  field,

Northern  Hungary/Southern  Slovakia:  evidence  for  silicate

melt inclusions. Eur. J. Mineral. 8, 881–899.

Tiepolo M., Vannucci R., Oberti R., Foley S., Bottazzi P. & Zanetti A.

2000: Nb and Ta incorporation and fractionation in titanian par-

gasite  and  kaersutite:  crystal-chemical  constraints  and  implica-

tions for natural systems. Earth Planet. Sci. Lett. 176, 185–201.

Török K. & De Vivo B. 1995: Fluid inclusions in upper mantle xe-

noliths  from  the  Balaton  Highland,  Western  Hungary.  In:

Downes H. & Vaselli O. (Eds.): Neogene and related magma-

tism  in  the  Carpatho-Pannonian  Region.  Acta  Vulcanol. 7,

277–284.

Valley J.W., Kitchen N., Kohn M.J., Niendorf C.R. & Spicuzza M.J.

1995:  UWG-2,  a  garnet  standard  for  oxygen  isotope  ratios:

Strategies  for  high  precision  and  accuracy  with  laser  heating.

Geochim. Cosmochim. Acta 59, 5223–5231.

Vennemann  T.W.  &  O’Neil  J.R.  1993:  A  simple  and  inexpensive

method of hydrogen isotope and water analyses of minerals and

rocks based on zinc reagent. Chem. Geol. (Isot. Geosci. Sect.)

103, 227–234.

Vennemann T.W. & O’Neil J.R. 1996: Hydrogen isotope exchange

reactions between hydrous minerals and molecular hydrogen: I.

A  new  approach  for  the  determination  of  hydrogen  isotope

fractionation  at  moderate  temperatures.  Geochim.  Cosmochim.

Acta 60, 2437–2451.

Wenner  D.B.  &  Taylor  H.P.  1973:  Oxygen  and  hydrogen  isotopic

studies of the serpentinization of the ultramafic rocks in ocean-

ic environments and continental ophiolitic complexes. Amer. J.

Sci. 273, 207–239.

Witt-Eikschen  G.  &  Harte  B.  1994:  Distribution  of  trace  elements

between amphibole and clinopyroxene from mantle peridotites

of  the  Eifel  (western  Germany):  An  ion-microprobe  study.

Chem. Geol. 117, 235–250.

Yui T.-F. & Jeng R.-C. 1990: A stable-isotope study of the hydro-

thermal  alteration  of  the  East  Taiwan  Ophiolite.  Chem.  Geol.

89, 65–85.

Zanetti  A.,  Vannucci  R.,  Oberti  R.  &  Dobosi  G.  1995:  Trace-ele-

ment composition and crystal-chemistry of mantle amphiboles

from the Carpatho-Pannonian Region. In: Downes H. & Vaselli

O.  (Eds.):  Neogene  and  related  magmatism  in  the  Carpatho-

Pannonian Region. Acta Vulcanol. 7, 265–276.

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

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