background image

GEOLOGICA CARPATHICA, AUGUST 2008, 59, 4, 295—306

www.geologicacarpathica.sk

An apatite-rich enclave in the High Tatra granite (Western

Carpathians): petrological and geochronological study

ALEKSANDRA GAWĘDA

University of Silesia, Faculty of Earth Sciences, Będzińska st. 60, 41-200 Sosnowiec, Poland;  gaweda@us.edu.pl

(Manuscript received June 25, 2007; accepted in revised form March 14, 2008)

Abstract: A mafic, coarse-grained apatite-rich enclave found in the High Tatra granite, Western Carpathians, is an
ultrapotassic rock with mixed (mantle-crustal) geochemical and mineralogical signatures. A U-Pb zircon age dates the
intrusion at 345 ± 5.1 Ma. Zircon cores preserve ages of 361 ± 7.6 Ma and 391 ± 4.6 Ma. The apatite-rich rock could be
interpreted as a cumulate material related to common Tatra granite of comparable age (360—340 Ma). This rock, of very
unusual mineralogy, is an atypical cumulate formed in rocks of granitoid composition.

Key words: Variscan, High Tatra Mts, petrology, apatite-rich cumulate, U-Pb zircon dating.

Introduction

Granites usually contain enclaves of various origins. Some are
co-genetic with the host granite magma (autoliths), some are
mingled  magmas  of  more  basic  types,  others  are  restite  and
many  show  no  genetic  links  (xenoliths).  All  enclaves  are  a
record of the hidden history of the granite they are enclosed in.
The role of mafic magma in granite plutonism was underlined
in the first half of the XX

th

 century and is still under active in-

vestigation (Pitcher 1997; Vincenzo & Rocchi 1999; Barbarin
2005). The rock- and mineral chemistry of mafic enclaves car-
ries information about the source, origin and evolution of the
mantle  contribution  to  the  processes  involved  in  granitoid
magmatism and also about the source mantle, existing beneath
the crust at the time of magma generation.

Phosphorus-rich magmatic rocks are not a common lithology

in the Earth’s crust. Apatite-rich lamprophyres related to peralu-
minous,  post-collisional,  1.8 Ga  granitoid  intrusions  occur  in
the Fennoscandian Shield (Konopelko et al. 1998; Eklund et al.
1998).  Enclaves  of  biotite-apatite  rocks  in  early  Variscan
(368 Ma)  granites  have  been  described  from  the  Achala
Batholith, Argentina; these are interpreted as cumulates (Dorais
et  al.  1997).  Internal  structures  of  granitoid  rocks  (sensu  lato)
resembling  depositional  features  and  interpreted  as  a  result  of
accumulation of early-formed crystals (cumulates) are relatively
scarce and restricted to magmas rich in water and flourine, low-
ering the melt viscosity (Collins et al. 2006).

In  this  paper,  new  data  from  an  apatite-rich  mafic  enclave

from the High Tatra granite are presented. They help to define
and  constrain  a  poorly  known  magmatic  episode  in  the
Variscan history of the Tatra Mountains, a part of the Central
Western Carpathians.

Geological setting and sampling

The  Tatra  Mountains  crystalline  core  is  composed  of  four

petrographic types of granitoids: common Tatra granodiorite-
tonalite  (360—340 Ma),  Goryczkowa  Granite  (356 Ma),

quartz-diorite  (341 Ma)  and  the  youngest  High  Tatra  granite
(314 Ma) (Kohút & Janák 1994; Poller et al. 2001; Gawęda et
al.  2005;  Burda  &  Klötzli  2007).  All  intrude  a  metamorphic
envelope outcropping mainly in the western part of the Tatra
massif (Fig. 1).

The eastern part of the Tatra Mts (High Tatra Mts) is com-

posed of two main types of granite – a meso-Variscan S-type
(340—360 Ma)  and  a  late-Variscan  hybrid  I/S-type  (ca.
314 Ma). The latter is rich in various types of enclaves includ-
ing  metasedimentary  xenoliths,  diorites  (mafic  precursors),
mafic  magmatic  enclaves  (MME),  schlieren  and  felsic  blobs
(Pawlica  1918;  Janák  1993;  Gawęda  2005;  Gawęda  et  al.
2005; Gawęda 2007a,b). Two basic petrographic types, biotite
monzogranite  and  porphyritic  granite,  were  distinguished
among the High Tatra type (Gawęda 2007b). All of the granite
pulses,  differing  in  age  and  chemistry,  form  one  composite,
polygenetic  pluton.  The  granite  components  of  the  pluton
show VAG (Volcanic Arc Granites) geochemical characteris-
tics and isotopic signatures that suggest continuous melting of
heterogeneous  metasediments  during  subduction  of  oceanic
crust  under  the  continental  wedge  and  during  which  interac-
tion  with  mantle  melts  was  significant  (Poller  et  al.  2001;
Gawęda 2007b).

In the upper part of the Batyżowiecka (Batizovská) Valley,

at  about  1950 m  on  the  western  slopes  of  Gerlach  Mt,  a  ca.
0.9 m enclave of mela-syenite with numerous K-feldspar phe-
nocrysts was discovered in the porphyritic variety of the High
Tatra granite (Figs. 1, 2a). The contact between the mafic en-
clave and the leucocratic porphyritic granite is sharp. The maf-
ic  enclave,  the  host  granite,  their  contact  zone  and  different
petrographical  types  of  granites  (including  quartz  diorites)
were sampled over the distance of ca. 100 m.

Analytical methods

Microscopic observations were made using a BX-60 Olym-

pus microscope at the Faculty of Earth Sciences, University of
Silesia, Sosnowiec, Poland. Microprobe analyses of minerals

background image

296

GAW

Ę

DA

and  BSE  photographs  were  carried  out  on  a  CAMECA  SX-
100 electron microprobe in the Inter-Institution Laboratory of
Microanalysis of Minerals and Synthetic Substances, Warsaw,
using sets of natural and synthetic standards. Major and trace
elements  were  analysed  by  XRF  and  ICP-MS  at  the  ACME
Analytical  Laboratories,  Vancouver,  Canada. 

87

Sr/

86

Sr  and

143

Nd/

144

Nd isotopic ratios were measured using a VG sector

54  mass  spectrometer  at  the  Department  of  Geochronology,
Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences,
Warsaw.  Values  of 

87

Sr/

86

Sr  were  normalized  to  SRM  987

(

87

Sr/

86

Sr = 0.710266 ± 17, n = 5). Values of 

143

Nd/

144

Nd were

normalized  to  JNd-1  (

143

Nd/

144

Nd = 0.512107 ± 15,  n = 10).

Zircons crystals were separated using standard techniques in-
volving  crushing,  hydrofracturing,  washing,  Wilfley  table,
magnetic separator and handpicking at the Institute of Geolog-
ical Sciences, Polish Academy of Sciences, Kraków. 75 zircon
grains were selected for morphological studies by (SEM). Zir-
con  and  apatite  morphology  (SEM),  their  internal  structures
(CL) as well as 7 zircons selected for dating were imaged by
SEM and CL using a FET Philips XL 30 electron microscope
(15kV and 1nA) at the University of Silesia, Sosnowiec.

Zircons  were  dated  by  LA-ICP-MS  at  the  Geochronology

Laboratory,  Institute  of  Geology,  University  of  Vienna.  Zir-
con 

206

Pb/

238

U and 

207

Pb/

206

Pb ages were determined using a

193 nm solid state Nd-YAG laser (NewWave UP193-SS) cou-
pled to a multi-collector ICP-MS (Nu Instruments HR). Spot
analyses were 15—25 µm in diameter. Line widths for rastering
were 10—15 µm with a rastering speed of 5 µm/sec. The calcu-
lated 

206

Pb/

238

U and 

207

Pb/

206

Pb intercept values were correct-

ed for mass discrimination from analyses of standards 91500
(Wiedenbeck  et  al.  1995)  and  Plešovice  (Slama  et  al.  2006)
measured  during  the  analyses  using  a  standard  bracketing
method. The correction involves regression of standard mea-
surements  by  a  quadratic  function.  A  common  Pb  correction
was  applied  to  the  final  data  using  the  apparent 

207

Pb/

206

Pb

age and the Stacey-Kramers (1975) Pb evolution model. The

Fig. 1. Simplified geological map of the Tatra Mts massif with the location of the apatite-rich enclave sampling point (compilation after Kohút
& Janák 1994; Gawęda et al. 2005). 1 – metamorphic cover, 2 – anatectic leucogranites, 3 – common Tatra granite, 4 – High Tatra granite,
5 – Goryczkowa granite, 6 – sedimentary cover, 7 – main faults: a – identified, b – assumpted, 8 – sampling point.

Fig. 2. Photos of apatite-rich enclave: a – Field photograph of the
apatite-rich enclave. Geological hammer as a scale. – Micropho-
tograph of the apatite-rich enclave. Note the quartz grains, mantled
by mica and titanite. Abbreviations: Kfs – K-feldspar, Pl – pla-
gioclase, Qtz – quartz, Bt – biotite, Ap – apatite, Tnt – titan-
ite, Ms – muscovite.

background image

297

PETROLOGICAL AND GEOCHRONOLOGICAL STUDY OF THE HIGH TATRA GRANITE (WESTERN CARPATHIANS)

Sample No.  G2-05  G1g-05  Mkn-05  G12g-05  G9d-05 CTG
 

1 2  3  4  5 6 

Pl 

  6.13 

51.35 

38.68 

37.25 

46.18  60.30

Kfs 

39.77 13.37  33.14  29.10  – 20.90

Qtz 

  4.37 

18.56 

16.42 

19.65 

  6.73  16.60

Bt/Chl 

30.77 

  9.63 

  6.05 

  7.00 

41.99    1.40

Ms 

  4.49 

  2.91 

  4.05 

  4.60 

  0.70    0.40

Ep 

  0.10 

– 

  0.96 

  1.00 

  0.65    0.25

Np+tnt 

  0.57 

  1.84 

  0.35 

  0.43 

  1.35    0.02

Ap 

13.74 

  1.77 

  0.25 

  0.70 

  1.90    0.10

Zrn/Mnz 

  0.04 

  0.60 

  0.10 

  0.27 

  0.50    0.03

Table 1: Modal analyses of the apatite-rich enclave and the surround-
ing granitoid rocks. 1 – apatite-rich enclave, 2, 3, 4 – porphyritic
varieties of High Tatra type granites, 5 – quartz diorite, 6 – an ex-
ample of common Tatra type granite.

Component 

 Bt1c Bt1m Bt4c Bt4m Bt4r Ms1c Ms2c Ms2m

Ms2r 

SiO

2

 

35.01 34.86 34.83 34.97 35.66 44.94 44.97 45.06 44.96 

TiO

2

 

  3.26    2.48    3.33    3.12    3.08    1.63    1.70    1.31    1.62 

Al

2

O

3

 

16.84 15.72 16.84 16.93 17.02 31.51 31.48 31.80 31.37 

Cr

2

O

3

 

  0.05    0.01    0.02    0.02    0.03    0.04    0.00    0.00    0.00 

FeO 

21.54  23.53 

22.04  22.78  22.57    4.36    4.18    4.25    4.36 

MgO 

  8.74    8.43    7.79    8.07 

7.9 

  0.85    0.81    0.78    0.88 

MnO 

  0.39    0.22    0.36    0.34    0.29    0.03    0.00    0.00    0.04 

Na

2

  0.14    0.04    0.07    0.09    0.09    0.48    0.45    0.46    0.42 

K

2

9.4 

  8.88 

  9.17    9.22    9.28  10.37  10.42  10.30  10.37 

BaO 

  0.00    0.04    0.06    0.02    0.19    0.12    0.04    0.14    0.06 

Total 

95.37 94.21 94.51 95.56 96.11 94.33 94.06 94.09 94.08 

Si  

    5.414     5.497    5.44      5.421     5.484     6.174     6.184     6.192     6.187 

Al

IV

 

    2.586     2.503    2.56      2.579     2.516     1.826     1.816     1.808     1.813 

Al

VI

 

    0.483     0.419      0.539     0.514     0.569     3.275     3.286     3.342     3.275 

Ti  

    0.380     0.294      0.391     0.364     0.356     0.168     0.176     0.135     0.168 

Cr  

    0.006     0.001      0.003     0.002     0.004     0.004     0.000     0.000     0.000 

Fe  

    2.785     3.103      2.878     2.952     2.903     0.501     0.481     0.488     0.502 

Mg  

    2.016     1.981      1.814     1.864     1.811     0.174     0.167     0.159     0.180 

Mn  

    0.051     0.030      0.048     0.044     0.038     0.003     0.000     0.000     0.005 

Na  

    0.041     0.013      0.022     0.026     0.026     0.128     0.120     0.123     0.113 

K  

    1.854     1.786      1.828     1.823     1.822     1.817     1.829     1.805     1.821 

Ba  

    0.000     0.003      0.004     0.001     0.011     0.006     0.002     0.007     0.003 

fm  

    0.574     0.607      0.607     0.608     0.612     0.739     0.742     0.754     0.731 

Table 2: Microanalyses of biotite (Bt) and muscovite (Ms) with their crystal-chemical formu-
las (22 O

2—

) from the mela-syenite enclave. fm = Fe/(Fe + Mg + Mn); c – core, m – margin.

final U/Pb ages were calculated at 1

σ standard deviation us-

ing the Isoplot/Ex program – version 3.00 (Ludwig 2003).

Petrography and mineral characteristics

The porphyritic mafic enclave shows minor secondary alter-

ation  (insignificant  biotite  chloritization)  only  in  the  5 mm
thick contact zone. The enclosing porphyritic K-feldspar gran-
itoid is also slightly altered near the contact. The composition
of the host granitoid changes from K-feldspar syenogranite in
the  1 m  contact  zone  to  the  porphyritic,  K-feldspar-rich
monzogranite with quartz diorite enclave at about 50 m from
the contact and to biotite monzogranite further out. There is no
indication of cooling against the granite in the enclave and no

mineralogical  zoning,  but  the  narrow  (about  1 cm)  fine-
grained margin is noticeable inside the granite.

The  medium-grained  enclave  (size  of  rock-forming  miner-

als  fall  in  the  range  of  2—8 mm)  is  composed  of  K-feldspar
porphyrocrysts  ( ~ 30 mm),  biotite,  apatite,  albite,  quartz  and
muscovite (Table 1). The accessories ( < 1%) are monazite, xe-
notime,  epidote-allanite,  zircon,  magnetite-ilmenite-rutile  in-
tergrowths, titanite, chlorite and calcite. The Mafic Index (MI
=  biotite  +  apatite  +  opaque  minerals  +  titanite  +  epidote)  is
ca.  45 %  (Gawęda  2006).  A  weak  fabric  is  defined  by  Kfs
megacrysts and biotite-apatite alignment (Fig. 2b).

The  Kfs  euhedral  porphyrocrysts  show  normal  zoning  in

BaO  content  from  1.86—0.91 wt. %  (0.035—0.024 Ba  a.p.f.u.)
in cores to 0.75—0.43 wt. % (0.014—0.008 Ba a.p.f.u.) at rims
(Fig. 3). Inclusions of albitic plagioclase, and falls in Ba con-
tent,  emphasise  the  zoning  of  the  host-feldspar  (Fig. 3).  The
matrix  plagioclase  is  also  albite  (Ab

93

An

5

Or

2

—Ab

97

An

3

).  Bi-

otite  (fm = 0.644—0.598,  Ti = 0.39—0.36  a.p.f.u.)  is  weakly
zoned with a slight drop in Ti content from core to rim (Ta-
ble 2). In general, the biotite chemistry compares with that of
the  enclosing  granite  (Fig. 4).  The  TiO

2

  content  of  the  dis-

persed muscovite flakes in the range 1.3—1.7 wt. %, and fm in
the  range  0.731—0.754  (Table 2)  both  reflect  the  magmatic
character of the white mica (Monier & Robert 1986). They are
chemically and optically homogeneous.

Two types of apatite (0.2—2 mm    ) were identified: Ap

1

 –

unzoned  isometric  clear  apatite  crystals  (Figs. 2b, 5a,c;
Table 3a) and prevailing Ap

2

 – xenomorphic crystals with a

patchy  internal  structure  marked  by  differences  in  Fe,  Y,  Na
and Mg contents and with inclusions of HREE-rich xenotime

and zircon (Fig. 5a,b,d; Table 3b), poiki-
loblastically  intergrown  with  biotite
flakes.

Zircons,  from  15—100 

µm  in  size,  oc-

cur as inclusions in Ap

1

, in biotite and in

opaque  minerals.  In  the  classification  of
Pupin  (1980),  the  zircon  morphologies
are  widely  distributed  with  populations
typical  of  high-temperature  mantle-de-
rived  magmas  (J

1—2

),  lower-temperature

crustal-derived magmas (S

6—7

—S

16—17

) and

mixtures of both (S

21—24

,  Figs. 6,  7).  Zir-

con  inclusions  in  apatite  are  of  J

1

  type

only (Fig. 5d,e). All of the zircon crystals
have cores with Zr/Hf  ~ 43—55 and rims
with Zr/Hf  ~ 19.5—42 (Fig. 7; Table 4).

Zoned  euhedral  epidotes  show  transi-

tions  from  allanite  cores  to  REE-bearing
epidote at the rims (Table 5), as is typical
of  magmatic  epidote  crystals.  Secondary
zoizite + titanite  fringes  the  overgrow  the
REE-epidote  (Table 5).  Unzoned  Ce-
monazite crystals (Table 3b) occur as in-
clusions  in  biotite,  apatite  and  opaque
minerals,  locally  the  decomposition  of
monazite  and  formation  of  REE-epidote
is  observed.  Opaque  minerals  occur  as
aggregates  of  intergrown  ilmenite,  mag-
netite  and  rutile  in  varying  proportions

Ø 

background image

298

GAW

Ę

DA

(Table 6)  and  suggest  the  decomposition  of  an  original  ul-
vöspinel under oxidizing conditions. The opaque crystals host
tiny inclusions of calcite and are overgrown by titanite coro-
nas.  The  titanite  may  be  a  product  of  secondary  reaction  be-
tween Ti-rich opaque minerals and calcite.

Whole-rock geochemistry

The rock is characterized by low SiO

2,

 and a very high P

2

O

5

reflecting  the  high  apatite  content  (Table 7).  However,  it  is
quartz (3.60) and corundum (4.34) normative (Gawęda 2006)
as biotite is the main rock-forming aluminosilicate and prima-
ry muscovite is present. Petrographical observations (i.e. man-
tling of the quartz by micas and titanite, Fig. 2b) suggest that the
quartz could have been physically wedged into the enclave.

The Fe

2

O

3

, TiO

2

, Ba, Rb, total REE, Zr, Hf, Y contents are

high  and  that  of  Sr  moderate  (Table 6;  Fig. 8a,b,c,d).  REE
fractionation,  dominated  by  HREE  fractionation,  is  weak
(Ce

N

/Yb

N

= 3.16; Table 7). The rock is characterized by a pro-

nounced negative Eu anomaly (Eu/Eu* = 0.354; Table 7; Fig. 9)
and a low Sr/Sr* value (Sr/Sr* = Sr

N

/

√[Ce

N

×Nd

N

] = 0.135), es-

pecially  when  compared  to  the  other  Tatra  granitoids  (com-
pare  Table 7  and  Gawęda  2007b).  The  ASI  index  (ASI = Al/
[Ca + K + Na—3.33P]) recalculated against the molecular P

2

O

5

content equals 1.499 and the sample plots in the peraluminous
field of Maniar & Piccoli (1989), while without correction to
phosphorus the sample is metaluminous (ASI = 0.837). As the
rock  is  corundum  normative  and  magmatic  micas  are  volu-
metrically important components the first value is considered
here. The K

2

O/Na

2

O ratio is equal to 3.93, so the rock can be

classified  as  ultrapotassic  (Fig. 8e).  The  agpaitic  index
([K

2

O + Na

2

O]/Al

2

O

3

[molar]) is 0.61. Sr prevails over Rb (Rb/

Sr = 0.467) and Nd over Th (Nd/Th = 6.526; Fig. 8d). Zr/Hf at
32.41 is typical of most crustal rocks.

Fig. 3. Cs and Ab distribution profiles in alkali feldspar phenocryst.
Scale in micrometers.

Fig. 4. Plot of biotite composition in the Ti [a.p.f.u.]/fm space. For
comparison  biotites  from  porphyritic  granites,  monzogranites  and
diorites were used.

Fig. 5.  Examples  of
SEM and BSE images
of  apatite  and  zircon.
a  –  BSE  image  of
isometric Ap

1

 (analyt-

ical points of apatite 1
& 2) and xenomorphic
Ap

2

  (point 3),  inter-

grown  with  biotite
(grey).  b  –  BSE  im-
age  of  xenomorphic
Ap

2

 with patchy inter-

nal  structure  (analyti-
cal  points  4—7  ade-
quate  to  analyses  in
Table 3a) and dissolu-
tion embayments. c –
SEM  image  of  Ap

1

.

d  –  SEM  image  of
hipidiomorphic  Ap2
with  zircon  inclusion
(pointed  by  arrow).
e – SEM image of J2
zircon crystal.

background image

299

PETROLOGICAL AND GEOCHRONOLOGICAL STUDY OF THE HIGH TATRA GRANITE (WESTERN CARPATHIANS)

Sample 

Xen 1 

Xen 2 

Mon 1 

P

2

O

5

 

35.13 35.01 29.60 

Y

2

O

3

 

44.19 

43.12 

  0.00 

La

2

O

3

 

  0.03 

  0.06 

13.71 

Ce

2

O

3

 

  0.03 

  0.15 

29.09 

Pr

2

O

3

 

  0.07 

  0.04 

  3.25 

Nd

2

O

3

 

  0.43 

  0.70 

12.67 

Sm

2

O

3

 

  0.57 

  0.72 

  2.31 

Gd

2

O

3

 

  2.66 

  2.85 

  1.51 

Er

2

O

3

 

  4.09 

  3.73 

  0.12 

Dy

2

O

3

 

  4.89 

  4.89 

  0.32 

Ho

2

O

3

 

  1.20 

  0.84 

  0.09 

Yb

2

O

3

 

  2.97 

  2.97 

  0.00 

Lu

2

O

3

 

  0.71 

  0.73 

  0.00 

Fe

2

O

3

 

  0.24 

  0.00 

  0.00 

Tb

2

O

3

 

  0.52 

  0.50 

  0.10 

SiO

2

 

  0.15 

  0.16 

  0.20 

UO

2

 

  0.67 

  0.69 

  0.18 

ThO

2

 

  0.00 

  0.10 

  4.33 

PbO 

  0.00 

  0.00 

  0.03 

Total 98.552 97.238 97.51 

 

Apatite 

Ap 1 

Ap 2 

Analysis 

No.

1 2 3 4 5 6 7 

P

2

O

5

 

  42.54    40.69    42.03    42.48    40.14   42.91    41.91

SiO

2

 

    0.02      0.03      0.00      0.03      0.01     0.02      0.00

SO

2

 

    0.00      0.04      0.02      0.01      0.05     0.03      0.05

ThO

2

 

    0.00      0.00      0.06      0.09      0.00     0.03      0.08

Fe

2

O

3

 

    0.09      0.21      0.24      0.01      0.12     0.06      0.14

Y

2

O

3

 

    0.15      0.11      0.23      0.24      0.34     0.17      0.19

La

2

O

3

 

    0.02      0.01      0.18      0.24      0.03     0.01      0.01

Ce

2

O

3

 

    0.03      0.05      0.04      0.11      0.17     0.00      0.16

Nd

2

O

3

 

    0.13      0.10      0.00      0.01      0.15     0.00      0.16

Gd

2

O

3

 

    0.02      0.03      0.05      0.10      0.07     0.00      0.01

CaO 

  54.52    55.17    54.43    54.76    55.23   55.52    55.20

MnO 

    0.14      0.19      0.22      0.14      0.31     0.00      0.14

SrO

2

 

    0.03      0.04      0.02      0.01      0.04     0.02      0.08

Na

2

    0.06      0.06      0.15      0.11      0.18     0.07      0.10

H

2

    0.00      0.00      0.00      0.05      0.00     0.00      0.06

    2.71      3.63      3.25      2.12      3.90     2.43      2.12

Cl 

    0.03      0.04      0.04      0.02      0.04     0.01      0.02

Total 100.41 

100.40 

100.73 

100.26 

100.78 101.26 

100.43

Table 3: a – Selected microanalyses of apatite. – Selected xe-
notime and monazite microanalyses.

Sample 

Zr1(c1)  Zr1(c2)  Zr1(m)  Zr1(r)  Zr2(c)  Zr2(m) Zr3(c1) Zr3(c2) Zr3(m) 

SiO

2

 

31.98 31.91 31.13 32.15 31.92 31.98 32.15 31.27  

 

32.18 

ZrO

2

 

65.65 65.75 65.00 64.08 65.28 65.04 66.08 65.49  

 

65.71 

HfO

2

 

  1.04 

  1.08 

  1.35 

  2.87 

  1.18 

  2.17 

  1.08 

  1.32 

    1.92 

UO

2

 

  0.09 

  0.05 

  0.05 

  0.22 

  0.10 

  0.10 

  0.05 

  0.06 

    0.08 

Y

2

O

3

 

  0.54 

  0.47 

  0.32 

  0.12 

  0.43 

  0.16 

  0.46 

  0.22 

    0.11 

Yb

2

O

3

 

  0.14 

  0.11 

  0.05 

  0.08 

  0.11 

  0.05 

  0.11 

  0.03 

    0.08 

CaO 

  0.26 

  0.00 

  0.14 

  0.37 

  0.18 

  0.18 

  0.00 

  0.17 

    0.00 

Total 

99.69 99.37 98.04 99.89 99.21 99.68 99.92 98.55 100.09 

Si 

    0.989 

    0.989 

    0.981 

    0.996 

    0.991 

    0.991 

    0.991 

    0.981 

      0.992 

Zr 

    0.990 

    0.994 

    0.999 

    0.969 

    0.989 

    0.983 

    0.993 

    1.002 

      0.988 

Hf 

    0.009 

    0.010 

    0.012 

    0.025 

    0.011 

    0.019 

    0.010 

    0.012 

      0.017 

    0.001 

    0.000 

    0.000 

    0.002 

    0.001 

    0.001 

    0.000 

    0.000 

      0.001 

    0.009 

    0.008 

    0.005 

    0.002 

    0.007 

    0.003 

    0.008 

    0.004 

      0.002 

Yb 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.001 

    0.000 

      0.001 

Ca 

    0.009 

    0.000 

    0.005 

    0.012 

    0.006 

    0.006 

    0.000 

    0.006 

      0.000 

Zr/Hf 

55.108 53.151 42.034 19.493 48.299 26.167 53.418 43.316 

    29.879 

a

b

Table 4: Microanalyses of zircon crystals and their crystal-chemical formulae.

U-Pb zircon dating and isotope geochemistry

U-Pb dating of 7 zircon crystals representing both J and S

morphological types (Fig. 7) reveal three generations of ages.
The oldest age of 391 ± 4.6 Ma (Fig. 10a; Table 8a) was found
in zircon cores and one mantle. Two zircon mantles and one
core provide an age of 361 ± 7.6 Ma (Fig. 10b; Table 8b). Zir-
con  rims,  and  one  core  with  magmatic  zoning,  yielded  the
youngest age of 345 ± 5.1 Ma (Fig. 10c; Table 8c). One homo-
geneous inner core was dated to ca. 700 Ma and one core with
oscillatory zonation to ca. 430 Ma (Table 8d).

The apatite 

87

Sr/

86

Sr can be considered to be the rock initial

ratio as apatite contains little or no Rb, assuming no isotopic
disturbances  occurred  (Tsuboi  &  Suzuki  2003).  The  apatite

87

Sr/

86

Sr  value  of  0.707620,  lower  than  whole-rock  IR

Sr

345

87

Sr/

86

Sr ratio (Table 9) suggests either a mixed mantle/crust-

Fig. 6.  The  position  of  zircon  crystals  morphology  on  Pupin’s
(1980) typological diagram.

background image

300

GAW

Ę

DA

al origin for the rock or, perhaps, some disturbance of a prima-
ry  value.  A  three  point  errorchron  based  on  apatite,  Kfs  and
the  host  whole  rock  suggests  an  age  of  312 ± 530 Ma
(IR

Sr

312

= 0.70740).  The  rock  is  characterized  by  an  IR

Nd

345

value  of  0.511901, 

ε

Nd

345

  and  crustal  residence  age

T

DM

= 1.341 (Table 9). It is worth mentioning that both the Sr

and  Nd  isotopic  characteristics  of  the  apatite  rock  resemble
those  found  in  most  Variscan  granitoid  rocks  (Kohút  et  al.
1999).

Discussion

The origin of the apatite-rich rock and its systematic position

Low  SiO

2

  and  high  CaO  contents  reflect  the  high  apatite

content.  The  high  Al

2

O

3

  content  and  peraluminous  character

of the rock are due to the high contents of biotite and musco-
vite;  both  minerals  are  peraluminous—biotite  because  of  its
significant  siderophyllite  component.  The  modal  and  chemi-

 

Component  Al-ep9  Al-ep10 Al-ep11 Al-ep12 Al-ep16 Al-ep13 Al-ep14 Al-ep15  Ep-r-1  Ep-r-2 

 rim  mantle 

core 

mantle  rim secondary 

SiO

2

 

33.75 

32.63 

33.32 

     32.6 

31.98 

32.89 

33.85 

34.89 

37.32 

37.45 

TiO

2

 

0.1 

  0.19 

  0.12 

  0.17 

  0.22 

  0.13 

  0.06 

  0.11 

  0.01 

  0.04 

Al

2

O

3

 

19.35 18.06 19.08 18.06 17.65 18.69 19.98 20.36 21.66 22.09 

P

2

O

5

 

  0.63 

  0.07 

  0.42 

  0.19 

  0.38 

  0.05 

  0.19 

  0.21 

  0.29 

  0.56 

FeO 

12.59 13.65 12.97 13.46 12.82 12.75 12.34 13.03 14.01 13.65 

MnO 

  0.79 

  1.18 

  0.7

0

 

  0.87 

  0.87 

  0.54 

  0.79 

  0.58 

  0.19 

  0.11 

MgO 

  0.18 

  0.22 

  0.19 

  0.22 

  0.26 

  0.20 

  0.15 

  0.14 

  0.00 

  0.00 

CaO 

14.91 12.83 

 

 

   14.6

0

 13.2

0

 

12.19 

14.16 

15.61 

     17.1 

22.66 

22.59 

SrO 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.18 

  0.33 

La

2

O

3

 

  2.10 

  3.21 

  2.18 

  3.20 

  3.77 

  3.00 

  1.59 

  1.67 

  0.04 

  0.00 

Ce

2

O

3

 

  5.08 

  7.11 

  5.50 

  6.90 

  8.84 

  7.11 

  4.32 

  3.66 

  0.08 

  0.00 

Pr

2

O

3

 

  0.62 

  0.81 

  0.61 

  0.71 

  0.97 

  0.75 

  0.53 

  0.41 

  0.03 

  0.00 

Nd

2

O

3

 

  2.40 

  2.74 

  2.92 

  3.10 

  3.70 

  2.70 

  2.24 

  1.72 

  0.04 

  0.08 

Sm

2

O

3

 

  0.65 

  0.54 

  0.66 

  0.59 

  0.74 

  0.64 

  0.61 

  0.32 

  0.02 

  0.04 

Gd

2

O

3

 

  0.44 

  0.48 

  0.48 

  0.50 

  0.43 

  0.40 

  0.72 

  0.50 

  0.07 

  0.14 

ThO

2

 

  0.01 

  0.19 

  0.21 

  0.14 

  0.10 

  0.00 

  0.14 

  0.08 

  0.02 

  0.12 

V

2

O

3

 

  0.00 

  0.00 

  0.00 

  0.03 

  0.01 

  0.01 

  0.00 

  0.01 

  0.03 

  0.03 

Total 

 

93.60 93.91 93.96 93.94 94.93 94.02 93.12 94.79 96.66 97.22 

Si 

    6.169 

    6.166 

    6.144 

  6.15 

    6.089 

    6.151 

    6.180 

    6.193 

    6.219 

    6.180 

Ti 

    0.014 

    0.027 

    0.016 

    0.024 

    0.032 

    0.018 

    0.008 

    0.015 

    0.002 

    0.005 

Al 

    4.168 

    4.022 

    4.146 

    4.016 

    3.960 

    4.119 

    4.300 

    4.259 

    4.255 

    4.296 

Fe 

    1.924 

    2.156 

    2.000 

    2.124 

    2.041 

    1.995 

    1.883 

    1.935 

    1.952 

    1.884 

Mn 

    0.122 

    0.190 

    0.109 

    0.138 

    0.140 

    0.085 

    0.123 

    0.087 

    0.027 

    0.015 

Mg 

    0.050 

    0.063 

    0.051 

    0.061 

    0.075 

    0.055 

    0.041 

    0.037 

    0.000 

    0.001 

Ca 

    2.920 

    2.596 

    2.884 

    2.669 

    2.487 

    2.836 

    3.053 

    3.252 

    4.046 

    3.993 

Sr 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.000 

    0.018 

    0.032 

La 

    0.142 

    0.223 

    0.148 

    0.222 

    0.264 

    0.207 

    0.107 

    0.109 

    0.002 

    0.000 

Ce 

    0.340 

    0.492 

    0.371 

    0.476 

    0.616 

    0.487 

    0.289 

    0.238 

    0.005 

    0.000 

Pr 

    0.041 

    0.056 

    0.041 

    0.049 

    0.067 

    0.051 

    0.035 

    0.027 

    0.002 

    0.000 

Nd 

    0.157 

    0.185 

    0.192 

    0.209 

    0.252 

    0.180 

    0.146 

    0.109 

    0.002 

    0.005 

Sm 

    0.041 

    0.035 

    0.042 

    0.038 

    0.049 

    0.041 

    0.038 

    0.019 

    0.001 

    0.002 

Gd 

    0.027 

    0.030 

    0.029 

    0.031 

    0.027 

    0.025 

    0.044 

    0.030 

    0.004 

    0.007 

Th 

    0.001 

    0.008 

    0.009 

    0.006 

    0.004 

    0.000 

    0.006 

    0.003 

    0.001 

    0.004 

Table 5: Selected microanalyses of epidotes and their crystal-chemical formulae (25 O

2—

).

Sample sp1 Ilm1 sp2 Ilm2 sp3 Ilm3 sp4 

FeO 

  31.06   41.35   30.71     40.87   31.3   40.85    30.73 

Fe

2

O

3

    66.37     4.04   55.6       3.77   66.52     4.49    67.8 

MnO 

    0.05     3.87     0.64       4.65     0.00     4.18      0.07 

MgO 

    0.00     0.06     0.00       0.06     0.04     0.06      0.00 

Cr

2

O

3

      0.07     0.00     0.05       0.00     0.07     0.00      0.06 

V

2

O

5

 

    0.81     0.00     0.41       0.00     0.47     0.00      0.43 

Nb

2

O

5

      0.24     0.01     0.15       0.00     0.21     0.00      0.06 

TiO

2

 

    1.81   50.46   11.32     50.81     1.38   50.24      1.03 

Total 

100.41   99.78   98.88   100.16   99.99   99.82  100.18 

Fe

+2

 

    0.986     0.875     0.975      0.862     0.994    0.865     0.975

Fe

+3

 

    1.896     0.077     1.588      0.072     1.900    0.086     1.937

Mn

+2

 

    0.002     0.083     0.019      0.100     0.000    0.090     0.002

Mg

+2

 

    0.000     0.002     0.000      0.002     0.002    0.002     0.000

Cr

+3

 

    0.002     0.000     0.002      0.000     0.002    0.000     0.002

V

+5

 

    0.020     0.000     0.010      0.000     0.012    0.000     0.011

Nb

+5

 

    0.005     0.001     0.003      0.000     0.004    0.000     0.001

Ti

+4

 

    0.052     0.960     0.323      0.964     0.039    0.957     0.029

 

Table 6:  Selected  microanalyses  of  magnetite  (sp)  and  ilmenite  (Il)
and their crystal-chemical formulae (for 4 O

2—

 and 3 O

2—

 respectively).

Notice: sp2 and Ilm2 are not in equilibrium

background image

301

PETROLOGICAL AND GEOCHRONOLOGICAL STUDY OF THE HIGH TATRA GRANITE (WESTERN CARPATHIANS)

Table 7:  Whole-rock  analyses  of  major  and  trace  elements  in  the
apatite-rich enclave (G2-05), the selected granitoids (G1g-05, Mkn-
05, G12g-05) and quartz-diorite enclave (G9d-05). T

Zr

 – tempera-

ture calculated according to Watson & Harrison (1983) procedure.
CTG – an example of common Tatra granite.

Sample  
No. 

G2-05 G1g-05 Mkn-05 

G12g-05 

G9d-05 CTG 

SiO

2

 

    48.89      62.9 

    64.74     66.66     61.07      75.62 

TiO

2

 

      1.23        0.65        0.52       0.58       0.77        0.11 

Al

2

O

3

 

    16.21      18.87      17.78     17.04     17.91      13.48 

Fe

2

O

3

 

      7.98        3.23        3.19       3.61       5.89        0.67 

MnO 

      0.11        0.02        0.04       0.05       0.09        0.01 

MgO 

      2.7 

      1.92        1.23       1.13       2.73        0.13 

CaO 

      7.21        1.67        1.48       2.41       3.33        0.94 

Na

2

      1.67        4.71        3.88       4.49       4.31        3.07 

K

2

      6.57        3.56        5.14       2.39       2.33        5.10 

P

2

O

5

 

      5.08        0.25        0.32       0.28       0.36        0.15 

LOI 

      2.00        2.30        1.60       1.50       1.3        0.90 

C(tot) 

      0.04        0.15        0.02       0.05       0.01        0.03 

S(tot) 

      0.01        0.01        0.01       0.01       0.01        0.01 

Total 

    99.7 

  100.24      99.95   100.2   100.11    100.18 

ASI 

      1.499        1.301        1.228       1.199      0.821       0.957 

Sr 

  384.3 

  319.5 

  445.4 

 499.6   735.2    370.1 

Ba 

2538.5 

1093.7 

2421.9 

 705.7   681.9  1477.4 

Rb 

  179.6 

    91.9 

  110.4 

   73.2   107.5    131.4 

Th 

    25.1 

    15.9 

      9.3 

     9.9       2 

      0.4 

      8.7 

      1.7 

      1.8 

     2.6     19.3        1.0 

Cr 

    20.5 

    20.6 

    23 

 103 

   47.9      48.0 

  125 

    59 

    48 

 126 

 115 

      9.0 

Zr 

  440.8 

  205.8 

  159.1 

 143.8   122 

    41.7 

Hf 

    13.6 

      6.0 

      4.2 

     3.9       3.6        1.5 

  401.1 

    16.8 

    20 

   26.1     22 

      5.1 

Nb 

    19.7 

      8.5 

      8.8 

   11.3       8.6        2.7 

Ta 

      1.0 

      0.5 

      0.5 

     0.8       0.6        0.3 

La 

  105.70      49.70      14.20     39.90     17 

      4.40 

Ce 

  266.60    104.60      29.40     84.90     65.6        9.20 

Pr 

    36.90      11.98        3.36     10.37   129.6        1.12 

Nd 

  163.80      42.80      12.20     41.00     14.13        4.10 

Sm 

    54.10        8.50        3.00       9.40     50.6        1.20 

Eu 

      6.78        1.69        0.69       1.56       8.6        0.59 

Gd 

    63.48        5.89        2.98       7.78       1.58        0.94 

Tb 

    12.23        0.91        0.66       1.35       6.01        0.18 

Dy 

    72.06        3.99        4.58       7.65       0.84        0.99 

Ho 

    14.07        0.56        0.96       1.49       4.24        0.18 

Er 

    35.49        1.36        3.00       4.29       0.72        0.47 

Tm 

      4.64        0.20        0.44       0.64       1.91        0.08 

Yb 

    23.27        1.15        2.49       3.70       0.3        0.39 

Lu 

      3.00        0.19        0.37       0.57       1.62        0.09 

Eu/Eu*        0.354        0.730        0.657       0.600      0.672       1.698 
(Ce/Yb)

N

        3.157      25.061      12.950     11.655    22.042       6.500 

T

Zr 

[ºC] 752  822  797  801 754  695 

Fig. 7. CL and SEM images of zircon crystals used for U-Pb dating.
Analytical lines and points marked not to scale.

cal  composition  of  the  apatite-rich  rock  cannot,  in  any  case,
represent liquid, so it cannot be interpreted as a microgranular
enclave.  There  are  a  number  of  ways  in  which  the  enclave
rock may have originated. It may be (a) restite, (b) cumulate,
(c) recrystallized metasediment or (d) magmatic rock unrelat-
ed to the host granite. The lack of a negative Ce-anomaly and
the high REE, Ba, Zr, Y and Hf contents (Table 8) tell against
it being a P-rich metasediment (see Dorais et al. 1997). More-
over, there is no field and mineralogical evidence that the en-
clave  was  a  metasomatized  country  rock.  The  negative  Eu
anomaly and the high LILE content are atypical of restite. On
the other hand, a magmatic origin is supported by the internal
structures of minerals (zonation).

background image

302

GAW

Ę

DA

The  high  REE  content,  the  flat  chondrite-normalized  pat-

tern  and  the  high  HFSE  content  combined  with  low  SiO

2

(Table 8) could point to a mantle derivation or to its origin as
a cumulate. The undepleted HREE rule out residual garnet in
the source. The source similar to MORB can also be exclud-
ed as partial melting would give HREE-depleted, fractionat-
ed magmas. The prevalence of Nd over Th (Fig. 8d) is also
indicative for mantle-derived rocks. The strong negative Eu
anomaly, and the high Cr/Ni (4.1), low Zr and Nb contents
suggest  a  mantle  fractionate  or  a  related  cumulate  rock.  A
low Sr/Sr* value indicates relative Sr depletion analogous to
that of Eu; both suggest feldspar fractionation with a plagio-
clase-rich residue.

The low transitional-metal content, the high LILE concen-

tration,  and  the  high  La/Nb  (22.64)  open  the  possibility  of
the rock being a crustal melt. The prevalence of Fe over Mg
is  also  atypical  of  mantle  derivatives  as  is  the  high  Al

2

O

3

content (Table 7). The extreme P

2

O

5

, enrichment, high P

2

O

5

/

TiO

2

  and  high  LILE  content  have  been  noted  as  typical  of

low  fraction  lithospheric  mantle  melts  (Backer  &  Wyllie
1992). With only one sample, any fractional pattern calcula-
tions are impossible.

As a magmatic rock, the apatite-rich enclave can be classi-

fied as quartz mela-syenite (IUGS classification) or apatite-
rich  mela-syenodiorite  (TAS  classification  –  Le  Maitre  et
al. 1989). The rock plots in the shoshonitic field in contrast
to  the  calc-alkaline  and  high-K  calc-alkaline  host  granitoid
suites (Fig. 8d).

Fig. 8. Selected Harker diagrams of the apatite-rich enclave, diorites and host High Tatra granites.

Fig. 9. Chondrite-normalized (C1 chondrite, after Sun & Mc Donough
1989) REE patterns of the apatite-rich enclave, host granitoids and
metapelitic xenoliths. Symbols explanations: G2-05 – apatite-rich
enclave,  G1g-05  –  porphyritic  granite  from  the  contact,  Mkn-96
and  G12g-04  –  porphyritic  granites  9 m  and  20 m  from  the  con-
tact, G4m-05 – monzogranite from the Upper Batizovská Valley,
G9d-05 – quartz diorite from the Upper Batizovská Valley. Grey
area cover the quartz-diorites C1-normalized REE values.

background image

303

PETROLOGICAL AND GEOCHRONOLOGICAL STUDY OF THE HIGH TATRA GRANITE (WESTERN CARPATHIANS)

Table 8: LA ICP-MS isotope data from zircon grains from apatite-rich enclave. For the loca-
tion of the analytical points (sample numbers) see Fig. 7. U and Pb concentrations were not de-
termined because sample weighing was not possible.

Isotope 

parameter G2-05 G9d-05 G12g-04 CTG 

Rb [ppm] 

179.6 107  73.2 111.3 

Sr [ppm] 

384.3 

735.2 499.6 370.1 

87

Sr/

86

Sr WR 

0.713624±11 

0.707074±11 0.709021  0.711642 

87

Rb/

86

Sr WR

 

1.352949 

0.421059 0.423972 0.886077 

87

Sr/

86

Sr Ap 

0.707620±11 

– – – 

87

Sr/

86

Sr Kfs 

0.710478±21 

– – – 

87

Rb/

86

Sr Kfs

 

0.680109 

– – – 

IR

Sr

345

 

0.706980 0.705006 0.707126 0.707038 

 

 

 

 

Sm [ppm] 

54.1 

8.6 6.7 1.2 

Nd [ppm]  

163.8 

50.6 32.1  4.1 

143

Nd/

144

Nd WR 

0.512463±5 

0.512472±8 0.512360±13 0.512410±28 

147

Sm/

144

Nd

 

0.199678 

0.102753 0.126188 0.176948 

143

Nd/

144

Nd Ap

 

0.512618±15 

– – – 

IR

Nd

345

 

0.511901 0.512103 0.511944 0.511894 

ε

Nd

345

 

–3.548 0.902 –2.318 –3.580 

T

DM

 [Ga] 

1.341 0.989 1.242 1.353 

 

Table 9: Isotopic analyses of apatite-rich rock, its mineral separates and comparable rock-types.
G2-05 – apatite rich enclave, G9d-05 – quartz—diorite enclave, G12g-04 – porphyritic variety
of High Tatra type granite, CTG – an example of common Tatra granite. Errors are given in 2 

σ.

Time  of  the  apatite-rich  rock  for-
mation

U-Pb  zircon  dating  provides  dif-

ferent  Variscan  ages.  Zircons  crys-
tallized early enough to be included
in biotite and apatite. In the context
of the geological history of the Tatra
Mts  massif,  cores  yielding  391 Ma
and  some  older  exceptions  possibly
reflect  the  metamorphic  events  and/
or  partial  melting  episodes  in  the
Tatra  Massif  (Fig. 10a,b;  Burda
2006,  2007;  Gawęda  2007b).  The
concordant  age  of  361 Ma  is  in  ac-
cordance  with  both  the  common
Tatra granite age (Poller et al. 2000)
and the age of Western Carpathians
Variscan 

granite 

magmatism

(365 Ma; Kohút et al. 1999) as well
as with the partial melting processes
in  the  Western  Tatra  Mts  (Burda
2006,  2007).  The  concordant  age
from  the  zircon  rims  (345 Ma;
Fig. 10c) compares closely with a U-
Pb  zircon  age  for  quartz  diorites
(341 Ma;  Poller  et  al.  2001),  a  WR
Rb-Sr  isochron  age  for  Western
Tatra  pegmatites  (ca.  345 Ma;
Gawęda  1995)  and  a  K-Ar  age  for
shear-zone  muscovite  (ca.  343 Ma;
Deditius 2004).

The  Rb-Sr  three-point  errochron

age of ca. 312 Ma, and a zircon low-
er  intercept  U-Pb  age  of  314 ± 4 Ma
for  the  High  Tatra  granite  intrusion
(Poller  et  al.  2001),  are  consistent
with  300—330 Ma  Ar-Ar  age  of
Variscan uplift of the High Tatra Mts
(Janák 1994) and 298—318 K-Ar ages
of  shearing  (Deditius  2004)  and,
presumably,  final  cooling  of  the
Tatra crystalline massif.

Temperature and pressure determi-
nations

The  thermometer  of  Watson  &

Harrison  (1983),  based  on  rock  Zr
content,  applied  for  the  apatite-rich
rock,  provided  a  temperature  of
752 

°C without correction for Ca in

apatite,  while  after  correction  the
calculated  temperature  increased  to
890 

°C. For the other Tatra granitoid

rocks  the  temperature  intervals  are
as follows: 822—797 

°C for the Kfs-

rich pophyritic granites, 806—736 

°C

for  the  biotite  monzogranites  and

background image

304

GAW

Ę

DA

822—753 

°C for the quartz diorites (Gawęda 2007b), and the

correction for Ca in apatite is insignificant. As the rock chemi-
cal  and  mineralogical  composition  cannot  be  interpreted  in
terms of liquid, both temperatures are of doubtful meaning.

For the apatite-rich rock, calculation of the Mt-Ilm exsolu-

tion (Spencer & Lindsley 1981) gave a temperature of exsolu-
tion in the range 680—668 

°C in a growing oxygen fugacity re-

gime (log

10

fO

2

= —16). The latter temperature range is similar

to  earlier  determinations  for  the  High  Tatra  granitoids
(Grabowski & Gawęda 1999).

The flat REE profile of the enclave constrains the depth of

melt origin. High-pressure (22—32 kbar) melts in equilibrium

Fig. 10. 

206

Pb/

238

versus 

207

Pb/

235

U Concordia plots for the analy-

sed  zircon  grains  from  apatite-rich  enclave.  1  –  concordia  plot  for
391 ± 4.6 Ma zircon cores, 2 – concordia plot for 361 ± 7.6 Ma zircon
core and mantles, 3 – concordia plot for 345 ± 5.1 Ma zircon rims.

with an eclogitic residue show highly fractionated HREE de-
pletion with low Yb contents, whereas low-pressure ( ~ 8 kbar)
melts with no residual garnet show weakly fractionated REE
patterns  (Luais  &  Hawkesworth  1994)  similar  to  that  of  the
enclave (Fig. 9). Magmatic zoned epidote with allanitic cores
(Table 4), that crystallized after biotite but before quartz and K-
feldspar, suggests a pressure  > 6—8 kbar. The temperature of the
crystal  mush  for  the  given  P  did  not  exceed  740—775 

°C  for

H

2

O > 9 wt. % (Schmidt & Poli 2004). Assuming the high con-

centration of volatiles in the magma, suggested by the lack of
“dry”  minerals  and  the  presence  of  biotite  as  the  predominant
mafic  mineral,  the  higher  temperature  limit  can  be  approved
(Schmidt & Poli 2004), covering temperatures revealed by Mt-
Ilm geothermometer, conspicuously consistent with zircon ther-
mometry.  Biotite  chemical  zoning,  although  weak,  means
growing oxygen fugacity as Ti is incorporated into oxides.

The  presence  of  allanite-epidote  also  suggests  the  changes

in  Ca  activity  in  the  melt  as  monazite  crystallization  typifies
low-Ca activity conditions, and allanite presence, high Ca ac-
tivity (Broska et al. 2000). Possibly, early apatite (Ap

1

) crys-

tallization lowered the Ca activity enabling monazite crystalli-
zation,  and  Ap

2

  maintained  it  so.  Afterwards,  the  remaining

Ca was used for allanite formation during more oxidizing con-
ditions while plagioclase is almost pure albite (Petrík & Bros-
ka 1994).

The zoned K-feldspars, and changes in barium content, can

be interpreted in terms of magma mixing and/or changing par-
ent-magma temperatures, water contents, crystallization of ad-
ditional minerals, etc. (Long & Luth 1986; Słaby et al. 2002).
As barium diffusivity in alkali feldspars is very low, zoning is
usually a primary feature. No features such as perthite coars-
ening  identify  the  influence  of  post-magmatic  fluids  in  the
subsolidus stage (see Brown & Parsons 1989). The perturba-
tions  observed  in  the  analysed  profile  (Fig. 3)  may  reflect
changes in the crystallization path due, in the main, to falling
water contents – favouring crystallization of the plagioclase
now trapped as inclusions in the Kf megacrysts. Increased Ba
in Kf near each albite inclusion could reflect increasing water
contents in the magma and/or new mantle magma input. After
the Ba decrease to the margin, the Kf megacryst rims show re-
newed  Ba-enrichment  (up  to  0.029  a.p.f.u.,  1.58 wt. %  BaO
– see Fig. 3). This may represent crystallization from a resid-
uum rich in water, and in Ba.  

The  calculated  temperature  interval  of  700—800 

°C  is  the

crystallization  temperature  of  most  of  the  rock-forming  sili-
cates in the apatite-rich enclave as oxygen fugacity increased.
The Mt-Ilm geothermometry (680—668 

°C) could reflect cool-

ing on intrusion of the crystal mush and the decomposition of
primary  opaque  mineral  phases.  The  assumed  pressure  (6—
8 kbar) is at the higher end for the hybrid quartz diorite mag-
ma range (4—6 kbar; Gawęda et al. 2005). The enclave crystal-
lization  and  cooling  temperatures  compare  with  those  of  the
surrounding granites (Gawęda 2007b). Thus, the cooling his-
tory of the hosting granite may have been the key influence.

Speculative model of the apatite-rich magma formation

The apatite, which is the rock-forming mineral in the rock in

question,  is  a  carrier  of  both  F  and  P,  elements  significantly

background image

305

PETROLOGICAL AND GEOCHRONOLOGICAL STUDY OF THE HIGH TATRA GRANITE (WESTERN CARPATHIANS)

lowering  the  magma  viscosity.  Fluorine  and  phosphorus  en-
richment  could  allow  formation  of  a  cumulate,  typical  rather
of basic and alkaline rocks (Collins et al. 2006). Here the term
cumulate  is  used  without  defining  the  specific  process  of  its
formation. That could be both crystal sorting caused by gravi-
ty or during magma flow in the stress field. The last possibility
is supported by the oriented fabric of the apatite-rich rock and
the presence of tectosilicates (micas).

The hybrid character of the apatite rock suggests some simi-

larities  with  quartz  diorites  of  roughly  the  same  age  (ca.
341 Ma; compare data and discussion in Gawęda et al. 2005).
However, the differences in 

ε

Nd

345

 and in T

DM

 values point out

the different source of both rock-types (compare: Table 9 and
Poller et al. 2001). The processes like cumulate formation or
fractional crystallization could not change the isotopic charac-
teristics  of  the  magma.  On  the  selected  Harker  diagrams
(Fig. 8a,b,c) diffuse trends links the apatite-rich enclave rather
to common Tatra granites then to quartz diorites. However, it
must be noted that most of the quartz-diorites occur as xeno-
liths  in  younger  (ca.  314 Ma)  High  Tatra  granites  and  were
subjected  to  secondary  recrystallization  (see  Gawęda  et  al.
2005). Moreover, the linear trends typically produced by mix-
ing/mingling and fractional crystallization processes could be
easily  destroyed  if  cumulates  were  produced  early  and  more
evolved liquids were mingled/mixed with the magmas differ-
ing in origin and chemistry (Collins et al. 2006).

Both  the  IR

Sr

345

  and  the  apatite 

87

Sr/

86

Sr  ratios  (0.706980

and  0.707620  adequately)  could  suggest  at  least  mixed  (I/S)
origin  (Table 9).  As  the  apatite 

87

Sr/

86

Sr  ratio  is  higher  then

IR

Sr

345

 either system disturbance or the “foreign” character of

apatite  in  the  rock  can  be  suggested.  The  whole-rock  Rb-Sr
isotopic system may have been easily disturbed by a younger
episode  or  may  not  be  representative  of  the  real  whole-rock
value  if  the  enclave  size  (and  consequently  the  sample)  is
small. Another possibility is the assumption that during filter
pressing  of  the  cumulate  material  the  squeezed  melt  was
mixed and isotopically equilibrated with more mafic magma.
The presence of a large amount of interstitial liquid might influ-
ence the equilibration between the enclave and the host magma
(Elburg 1996). In fact, apatite Ap

2

 crystals, showing deep disso-

lution  embayments  and  irregular  internal  zoning  (Fig. 5a,b),
could be interpreted in terms of magma mixing regime (Słaby
& Martin 2008). The incoherence between the U-Pb zircon dat-
ing (last marked episode at 345 Ma) and the Rb-Sr errorchrone
point out that more then one process affected the isotope system
and diffusion played an important role (Elburg 1996).

The measured apatite 

143

Nd/

144

Nd ratio is lower than that in

the whole-rock sample, but higher than IR

Nd

345

 (Table 9). Be-

cause  of  the  slow  diffusion  the  LREE  are  thought  to  be  less
sensitive to secondary processes than Rb-Sr system (Pin et al.
1990). The calculated 

ε

Nd

345

 value of —3.548 (Table 9) would

imply a crustal provenance for the enclave. As both 

ε

Nd

345

 and

the  calculated  T

DM

  model  age  of  the  enclave  (1.341 Ga,  Ta-

ble 9) are similar to those calculated for common Tatra gran-
ites (sample CGT, Table 9, Gawęda, in print), and also fall in
the interval stated for typical West Carpathian Variscan gran-
ites (Kohút et al. 1999) it is possible that the enclave material
was in a crustal environment for a long time or it is genetically
linked with it.

Assuming the genetic link between the common Tatra gran-

ite  (360—340 Ma)  and  apatite-rich  cumulate  the  U-Pb  age  of
361 Ma, found in selected zircon grains (one core with mag-
matic  zonation  and  2  mantles)  together  with  345 Ma  zircon
rims,  can  mirror  one  prolonged  magmatic  process.  Such  a
long time span for a magmatic activity marks either the mag-
ma convection in the chamber and/or the replenishment by the
mafic magma pulses, forming together the prolonged magma
crystallization  and  formation  of  the  hybrid  features.  Such  a
conclusion is consistent with the presence of two MME types,
representing  two  mingling  episodes  (Gawęda,  in  print).  The
presence  of  the  cumulate  enclave,  showing  features  of  both
crustal- and mantle-derived magma influence, shed new light
on the origin and history of meso-Variscan granitoid magma-
tism, till now assumed to be purely S-type.

Concluding remarks

1.  Chemical  and  mineralogical  signatures  suggest  that  the

apatite-rich enclave has a hybrid character with similarities to
the ca. 360—340 Ma common Tatra granite. It can reasonably
be interpreted as the cumulate fraction, formed by the crystal
accumulation, possibly during magma flow.

2. The present enclave mineralogy is a result of mostly mag-

matic  processes  (magma  mixing/mingling),  and  changes  in
water  content,  calcium  activity  and  oxygen  fugacity,  usually
occurring during magma mixing.

3. The P-T history of the rock was partly overprinted by the

younger  High  Tatra  granite.  Petrographical  and  geochemical
data suggest that the temperature reached 740—775 

°C 8 kbar

at the base of the crystal-mush layer.

4. The ca. 361—345 Ma hybrid apatite-rich rock is a unique

feature of the geology of the Tatra Mts massif that spans a his-
tory of the meso-Variscan magmatism.

Acknowledgments:  R.  Piwkowski  and  E.  Lichota,  Tatra
guides, are thanked for help during climbing, field work and
sample transportation. Dr P. Dzierżanowski and Mrs. L. Jeżak
helped with microprobing and E. Teper with zircon imaging.
Dr J. Burda did the zircon dating in Vienna University. Prof.
U. Klötzli provided the Lam-Tool computer program for U-Pb
data  correction  and  plotting.  Prof.  J.A.  Winchester  (Keele
University,  GB)  and  Dr  P.S.  Kennan  (University  College
Dublin,  Ireland)  are  thanked  for  English  corrections  and  for
discussions  during  the  investigation.  The  work  gained  sub-
stantially from advice from Prof. B. Bonin, Prof. E. Słaby and
from  reviewer’s  comments  by  Dr  I.  Broska,  Dr  I.  Petrík  and
Prof.  R.  Kryža.  Polish  Ministry  of  Sciences  and  Education
Grant No. 2 PO4D 05629 founded the research.

References

Backer  M.B.  &  Wyllie  P.J.  1992:  High-presure  apatite  solubility  in

carbonate  liquids:  implications  for  mantle  metasomatism.
Geochim. Cosmochim. Acta 56, 3409—3422.

Barbarin B. 2005: Mafic magmatic enclaves and mafic rocks associ-

ated  with  some  granitoids  of  the  central  Sierra  Nevada
batholith,  California:  nature,  origin,  and  relations  with  the

background image

306

GAW

Ę

DA

host. Lithos 80, 155—177.

Beard J.S. 2008: Crystal-melt separation and the development of iso-

topic  heterogeneities  in  hybrid  magmas.  J.  Petrology  49,  5,
1027—1041.

Broska I., Petrík I. & Williams C.T. 2000: Coexisting monazite and

allanite  in  peraluminous  granitoids  of  the  Tribeč  Mountains,
Western Carpathians. Amer. Mineralogist 85, 22—32.

Brown  W.L.  &  Parsons  I.  1989:  Alkali  feldspars:  ordering  rates,

phase  transformations  and  behaviour  diagrams  for  igneous
rocks. Mineral. Mag. 53, 25—42.

Burda J. 2006: U-Pb zircon age of partial melting in metapelites from

the Western Tatra Mts. Miner. Pol., Spec. Pap. 29, 111—114.

Burda  J.  2007:  U-Pb  zircon  age  of  leucogranite  formation  ion  the

crystalline  basement  of  the  Western  Tatra  Mts.  Miner.  Pol.,
Spec. Pap.
 31, 85—88.

Burda J. & Klötzli U. 2007: LA-MC-ICP-MS U-Pb zircon geochro-

nology of the Goryczkowa type granite – Tatra Mts., Poland.
Miner. Pol., Spec. Pap. 31, 89—92.

Collins W.J., Wiebe R.A., Heally B. & Richards S.W. 2006: Replen-

ishment,  crystal  accumulation  and  floor  aggradation  in  the
megacrystic  Kameruka  Suite,  Australia.  J.  Petrology  47,  11,
2073—2104.

Deditius  A.  2004:  Characteristic  and  isotopic  age  of  the  muscovite

blasthesis  from  the  mylonitic  zones  in  the  crystalline  rocks  of
the  Western  Tatra  Mountains.  University  of  Silesia  Publishing
House
Geology, 16, 121—152 (in Polish, English abstract).

Dorais M.J., Lira R., Chen Y. & Tingey D. 1997: Origin of biotite-

apatite-rich enclaves, Achala batholiths, Argentina. Contr. Min-
eral. Petrology
 130, 31—46.

Eklund O., Konopelko D., Rutanen H., Fröjdö S. & Shebanov A.D.

1998:  1.8 Ga  Svekofenian  post-collisional  shoshonitic  magma-
tism in the Fennoscandian shield. Lithos 45, 87—108.

Elburg M.A. 1996: Evidence of isotopic equilibration between micro-

granitoid enclaves and host granodiorite, Warburton Granodior-
ite, Lachlan Fold Belt, Australia. Lithos 38, 1—22.

Gawęda A. 1995: Geochemistry and Rb/Sr isochron age of pegma-

tites from the Western Tatra Mts. (S-Poland). Geol. Carpathica
46, 2, 95—99.

Gawęda A. 2005: P-T metamorphic evolution preserved in metapelit-

ic xenoliths from the High Tatra granite. Miner. Soc. Pol., Spec.
Pap.
 25, 286—290.

Gawęda  A.  2006:  Apatite-rich  rock  from  the  High  Tatra  Granite,

Western Carpathians. Miner. Soc. Pol., Spec. Pap. 29, 127—130.

Gawęda A. 2007a: Mafic microgranular enclaves in the High Tatra Gran-

ite – preliminary report. Miner. Pol., Spec. Pap. 31, 111—114.

Gaweda A. 2007b: Variscan granitoid magmatism in the Tatra Moun-

tains  –  the  history  of  subduction  and  continental  collision.
Granitoids in Poland — AM Monographs No. 1, 319—332.

Gawęda A., Doniecki T., Burda J. & Kohút M. 2005: The petrogene-

sis of quartz-diorites from the Tatra Mountains (Central Western
Carpathians):  An  example  of  magma  hybridisation.  Neu.  Jb.
Mineral. Petrology
 191, 1, 95—109.

Grabowski J. & Gawęda A. 1999: Preliminary paleomagnetic study

of the High Tatra granites, Central Western Carpathians, Poland.
Geol. Quart. 43, 3, 263—276.

Janák  M.  1993:  Calc-silicate  metamorphic  rocks  of  the  High  Tatra

crystalline basement. Miner. Slovaca 25, 177—182 (in Slovak).

Janák  M.  1994:  Variscan  uplift  of  the  crystalline  basement,  Tatra

Mts., Central Western Carpathians: evidence from 

40

Ar/

39

Ar la-

ser probe dating of biotite and P-T-t paths. Geol. Carpathica 45,
5, 293—300.

Kohút  M.  &  Janák  M.  1994:  Granitoids  of  the  Tatra  Mts.,  Western

Carpathians: Field relations and petrogenetic implications. Geol.
Carpathica
 45, 5, 301—311.

Kohút  M.,  Kovach  V.P.,  Kotov  A.B.,  Salnikova  E.B.  &  Savatenkov

V.M. 1999: Sr and Nd isotope geochemistry of Hercynian granitic

rocks  from  the  Western  Carpathians  –  implications  for  granite
genesis and crustal evolution. Geol. Carpathica 50, 6, 477—487.

Konopelko D., Eklund O. & Ivanikov V. 1998: 1.8 Ga phosphorus-

rich  lamprophyre-granitoid  complex  in  the  Fennoscandian
shield:  parental  magmas  and  fractionation  paths.  Acta  Univ.
Carolinae, Geol.
 42, 1, 51—54.

Le Maitre R.W., Bateman P., Dudek A., Keller J., Lameyre Le Bas

M.J.,  Sabine  P.A.,  Schmid  R.,  Sorensen  H.,  Streckeisen  A.,
Woolley  A.R.  &  Zenettin  B.  1989:  A  classification  of  igneous
rocks and glossary of terms. Blackwell, Oxford, 1—193.

Long  P.E.  &  Luth  W.C.  1986:  Origin  of  K-feldspar  megacrysts  in

granitic rocks: implication for the partitioning model for barium.
Amer. Mineralogist 71, 367—375.

Luais B. & Hawkesworth C.J. 1994: The generation of the continen-

tal  crust:  an  integrated  study  of  the  crust  forming  processes  in
the Archean Zimbabwe. J. Petrology 28, 921—953.

Ludwig  K.R.  2003:  Isoplot/Ex  version  3.00.  A  geochronological

toolkit  for  Microsoft  Excel.  Berkeley  Geochronology  Center.,
Spec. Publ
. 4.

Monier  G.  &  Robert  J.-L.  1986:  Titanium  in  muscovites  from  two-

mica granites: substitution mechanism and partition with coex-
isting biotites. Neu. Jb. Mineral. Abh. 153, 147—161.

Pawlica  W.  1918:  Garłuchowskie  calc-silicate  rocks.  Rozprawy

Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego 13, 107—130 (in Polish).

Petrík I. & Broska I. 1994: Petrology of two granite types from the

Tribeč Mountains, Western Carpathians: an example of allanite
( + magnetite) versus monazite dichotomy. Geol. J. 29, 59—78.

Pitcher  W.S.  1997:  The  nature  and  origin  of  granite.  2

nd

  edition.

Chapman & Hall, London—New York, 1—387.

Poller U., Todt W., Kohút M. & Janák M. 2001: Nd, Sr, Pb isotope

study of the Western Carpathians: implications for the Paleozoic
evolution. Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt. 81, 159—174.

Pupin  J.P.  1980:  Zircon  and  granite  petrology.  Contr.  Mineral.  Pe-

trology 73, 207—220.

Schmidt  M.W.  &  Poli  S.  2004:  Magmatic  epidote.  Rev.  Mineral.

Geochem., MSA, 56, 399—430.

Slama J., Kosler J., Schaltegger U., Tubrett M. & Gutjahr M. 2006:

New  natural  zircon  standard  for  laser  ablation  ICP-MS  U-Pb
geochronology. Abstract WP05, Winter Conference on Plasma
Spectrochemistry
, Tucson, 187—188.

Słaby  E.  &  Martin  H.  2008:  Mafic  and  felsic  magma  interaction  in

granites: the Hercynian Karkonosze pluton (Sudetes, Bohemian
Massif). J. Petrology 49, 2, 353—391.

Słaby E., Galbarczyk-Gąsiorowska L. & Baszkiewicz A. 2002: Man-

tled  alkali-feldspar  megacrysts  from  the  marginal  part  of  the
Karkonosze granitoid massif (SW-Poland). Acta Geol. Pol. 52,
4, 501—519.

Spencer K.J. & Lindsley D.H. 1981: A solution model for coexisting

iron-titanium oxides. Amer. Mineralogist 66, 1189—1201.

Stacey J.S. & Kramers J.D. 1975: Approximation of terrestrial lead

isotope evolution by a two-stage model. Earth Planet. Sci. Lett.
26, 207—221.

Tsuboi M. & Suzuki K. 2003: Heterogeneity of initial 

87

Sr/

86

Sr ratios

within a single pluton: evidence from apatite strontium isotopic
study. Chem. Geol. 199, 189—197.

Vincenzo  G.D.  &  Rocchi  S.  1999:  Origin  and  interaction  of  mafic

and  felsic  magmas  in  evolving  late  orogenic  setting:  the  Early
Paleozoic  Terra  Nova  Intrusive  Complex,  Antarctica.  Contr.
Mineral. Petrology
 137, 15—35.

Watson T.M. & Harrison E.B. 1983: Zircon saturation revisited: tem-

perature and composition effects in a variety of crustal magma
types. Earth Planet. Sci. Lett. 64, 295—304.

Wiedenbeck M., Alle P., Corfu F., Griffin W.L., Meier M., Oberli

F., von Quadt A., Roddick J.C. & Spiegel W. 1995: Three nat-
ural  zircon  standards  for  U-Th-Pb,  Lu-Hf,  trace  element  and
REE analyses. Geost. Newsletter, 19, 1—23.