background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, FEBRUARY 2018, 69, 1, 17–29

doi: 10.1515/geoca-2018-0002

www.geologicacarpathica.com

Provenance study of detrital garnets and rutiles  

from basaltic pyroclastic rocks of Southern Slovakia 

(Western Carpathians)

ONDREJ NEMEC and MONIKA HURAIOVÁ

Department of Mineralogy and Petrology, Faculty of Natural Sciences, Comenius University, Ilkovičova 6, 842 15 Bratislava;  

ondrej.nemec@uniba.sk, monika.huraiova@uniba.sk

(Manuscript received March 24, 2017; accepted in revised form December 12, 2017)

Abstract:  Detrital garnets and rutiles have been recovered from basaltic pyroclastic rocks in the northern part of  

the Pannonian Basin and characterized using electron probe microanalysis and imaging. All garnets are dominated by  

the almandine component, except for one sample dominated by spessartine. A total of three garnet groups have been 

distinguished according to the increased contents of grossular (Group I), pyrope (Group II) and spessartine components 

(Group III). Compositions of the group I and II garnets with fluctuating Ca- and relatively low Mg contents are consistent 

with low- to medium-grade metasediments and/or metabasites. Locally increased Mg contents could indicate higher P–T 

metamorphic  overprint. The  dominantly  metamorphic  origin  of  the  Group  I  and  II  garnets  (composed  of  > 99 %  of 

 samples) is also corroborated by chlorite, tourmaline, staurolite, ilmenite and andalusite inclusions. Spessartine-rich 

garnets (Group III composed of < 1 % of samples) could be genetically linked with granitoids. Detrital rutiles invariably 

plot within the field of metasediments metamorphosed under amphibolite-facies conditions. Possible proximal (subjacent 

basement sampled by ascending lava) or distal sources (catchment sediments from uplifted Central Carpathian basement) 

of heavy mineral assemblages are discussed.

Keywords: Western Carpathians, Slovakia, maar, diatreme, garnet, rutile, provenance study.

Introduction

A number of studies have been carried out to reveal the pro-

venance of heavy mineral detritus in sedimentary basins (e.g., 

Mange & Morton 2007). Geochemical characteristics of spe-

cific heavy minerals bear information about igneous and meta-

morphic basement rocks in their source regions and/or distant 

contemporaneous volcanism. However, only a little attention 

has been hitherto paid to heavy mineral assemblages from 

 pyroclastic rocks deposited from phreato-magmatic eruptions 

in intra-plate tectonic settings. Although the vast majority of 

heavy minerals in the volcanoclastic deposits are unequivo-

cally genetically related to parental magma (e.g., olivine, 

pyro xene, amphibole, spinel), some minerals (e.g. tourmaline, 

rutile, staurolite, andalusite) must have been obviously disrup-

ted from the subjacent basement or clastic sedimentary rocks 

during explosive volcanism, thus possibly providing informa-

tion about the composition of the continental lithosphere. 

Garnet is a key rock-forming mineral of magmatic and meta-

morphic rocks from various tectonic settings. Its chemical 

composition is significantly dependent on that of parent rocks, 

as well as on crystallization conditions. Together with the rela-

tive stability under weathering and metamorphic reworking 

(e.g., Morton & Hallsworth 2007), these factors make garnet 

the most widely used mineral for the discrimination of sedi-

ment provenance (Morton 1985; Méres 2008; Šarinová 2008; 

Aubrecht et al. 2009; Suggate & Hall 2014).

In contrast to garnet, rutile has received only minor attention 

as  a  provenance  indicator  (e.g.,  Götze  1996;  Preston  et  al. 

1998, 2002), although it is a common accessory mineral in 

medium- to high-grade metamorphic rocks. In contrast, most 

igneous and low-grade metamorphic rocks are practically 

devoid of rutile (Force 1980, 1991) with some exceptions for 

authigenic rutile and sagenitic rutile crystals (Mange & Maurer 

1992) that are only rarely preserved in heavy mineral fraction 

during the separation process. 

Rutile’s structure allows for Al, V, Cr, Fe, Nb, Ta, Zr, Hf and 

U to substitute for Ti (Graham & Morris 1973; Brenan et al. 

1994; Hassan 1994; Murad et al. 1995; Smith & Perseil 1997; 

Rice et al. 1998; Zack et al. 2002; Bromiley & Hilairet 2005; 

Scott 2005; Carruzzo et al. 2006). Cr and Nb contents are par-

ticularly useful for the discrimination between metapelitic and 

metamafic source lithologies (Zack et al. 2004a). In addition, 

the incorporation of  Zr into the rutile crystal lattice has a strong 

temperature and pressure dependence, thus allowing for the 

calculation of crystallization P–T conditions (Zack et al. 

2004b; Watson et al. 2006; Tomkins et al. 2007). Given the 

above reasons, variations in chemical compositions of rutile 

combined with the Zr-in-rutile thermometry yield an impor-

tant tool for deciphering source rock lithology and/or meta-

morphic facies necessary for reliable provenance study.

This paper is focused on the garnet and rutile recovered 

from pyroclastic infillings of maars and diatremes of the south 

Slovakian Volcanic Field located in the northern part of the 

background image

18

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

Pannonian Basin (Fig. 1). The study 

area comprises two maars in Fiľakovo 

town (Hradný vrch, 48°16’17” N,  

19°49’33” E  and  Červený  vrch, 

48°16’43”  N,    19°49’24”  E), maars 

near Hodejov (48°17’52” N, 19°59’3” E), 

Hajnáčka (Kostná dolina, 48°12’35” N,  

19°57’59” E) and Gemerské Dechtáre 

(48°14’7”  N,    20°1’35”  E) villages, 

as well as two diatremes within the 

muni cipalities of Šurice (48°13’34” N,  

19°54’47” E) and Tachty (48°9’22” N,  

19°56’47”  E) villages. The main 

research objective was to elucidate 

the source rocks and origin of detrital 

garnets and rutiles from pyroclastic 

deposits using geochemical charac-

teristics. The obtained data provide 

information about the nature of 

pre-Tertiary basement supplemental 

to that obtained by the direct investi-

gation of xenoliths (e.g., Hovorka & 

Lukáčik 1972; Elečko et al. 2008).

Geological setting

The South Slovakian Volcanic 

Field (SSVF) covers an area of about 

150 km

2

, which extends over the 

Lučenská kotlina Depression and the 

Cerová Vrchovina Upland continuing 

into northern Hungary. Both regions 

represent a part of the Juhoslovenská 

kotlina Depression in the northern-

most promontory of the Pannonian 

basin within the Carpathian arc 

 

(Fig. 1a). The Panonnian basin is 

a back-arc basin formed on thinned 

crust during the extension established 

after a Miocene subduction (Konečný 

et al. 2002). Alkali basalt volcanism 

in this area represents typical intra-

plate association developed as a res-

ponse to a decompression melting 

associated with the back-arc exten-

sion coincidental with a diapiric 

Fig. 1.  a — Schematic map of the 

Carpathian arc and the intra-Carpathian 

back-arc (Pannonian) basin (modified 

after  Pécskay  et  al.  2006).  Rectangle 

marks the south-Slovakian Volcanic Field 

(SSVF). b — Sketch map of SSVF with 

marked volcanic phases (modified after 

Vass et al. 2007).

background image

19

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

updoming  of  asthenospheric  mantle  (Dobosi  et  al.  1995; 

Downes et al. 1995; Konečný et al. 1995).

Mafic alkali magma of the SSVF erupted within the time 

interval from ~ 7 to 0.2 Ma (Vass et al. 2007) during a total of 

six consecutive volcanic phases (Fig. 1b). The initial Late 

Miocene phase (1

st

 phase) in north-western part of the 

Juhoslovenská kotlina Depression includes lava flows along 

the  western  margin  of  the  Lučenská  kotlina  Depression 

(Podrečany and Mašková) and two maars near Jelšovec and 

Pinciná  villages.  Whole-rock  K–Ar  radiometric  ages 

(6.44 ± 0.47  Ma  and  6.6 ± 0.4  Ma)  of  the  lava  flow  near 

Podrečany  (Balogh  et  al.  1981)  corresponded  to  biostrati-

graphic  data  from  the  Poltár  Formation  (Planderová  1986) 

deposited in fluvial/limnic environment contemporaneously 

with the volcanic activity of this area (Vass et al. 2007). 

Products of the Late Miocene volcanic activity are affiliated 

with the Podrečany Basalt Formation (Balogh et al. 1981; Vass 

& Kraus 1985). Recent U–Pb and U–Th(He) data on zircon 

and apatite from Jelšovec and Pinciná maars, however, indi-

cate their Late Pliocene ages (Hurai et al. 2010, 2013).

The following volcanic activity (2

nd

 to 6

th

 phase) taking 

place in the terrestrial environment of the south-eastern part of 

the SSVF during the Pliocene to Quaternary was triggered by 

a local overheating caused by the updomed mantle plume 

(Konečný et al. 1995). Alkali basalts of the Cerová Vrchovina 

Upland are affiliated with the Cerová Basalt Formation (Vass 

& Kraus 1985). Volcanism in this area gave rise to a number of 

effusive forms, such as lava flows, necks and dykes, as well  

as products of phreatic and phreato-magmatic eruptions 

 

invol 

ving maars, tuff rings, scoria- and spatter cones. 

Diatremes representing feeder conduits of overlying maars 

removed by erosion due to vertical movements along NW–SE 

and NE–SW faults can also be discerned in this area (Konečný 

et al. 1995). 

Volcanic activity of 2

nd

 stage (5.5–3.7 Ma) occurred domi-

nantly inside and occasionally along margins of the updomed 

area. It included several lava necks, cinder cones and lava 

flows  located  in  the  southern  part  of  the  Cerová Vrchovina 

Upland. Two diatremes near Tachty and Stará Bašta villages 

were probably also created during this stage. The 3

rd

 stage took 

place within the time interval from 2.9 to 2.6 Ma close to mar-

gins of the updomed area. The stage comprises the Šurice and 

Hajnáčka  diatremes  that  are  subjects  of  this  study.  After 

short-lasting break (about 0.3 Ma), volcanic activity expanded 

over the margins of the updomed area during the 4

th

 volcanic 

stage (2.3–1.6 Ma), creating several lava flows and a complex 

maar near Bulhary village. The 5

th

 volcanic stage (1.6–1.1 Ma) 

occurred  dominantly  in  the  Lučenská  kotlina  Depression 

accompanied by sporadic activity within the updomed area. 

Two  maars  near  Fiľakovo  (Hradný  vrch  and  Červený  vrch) 

and Hodejov municipality were affiliated with the youngest  

6

th

 volcanic stage according to their relationship to river 

 terraces and their position on presumably Quaternary erosion 

palaeosurfaces  (Konečný  et  al.  2004;  Vass  et  al.  2007). 

However, combined U/Pb and (U-Th)/He zircon and apatite 

geochronometry showed considerably older ages, 

corresponding to 2.8 ± 0.2 Ma at Hodejov and 5.5 ± 0.6 Ma at 

Fiľakovo - Hradný vrch (Hurai et al. 2013). 

Volcanic products of the SSVF penetrate Upper Oligocene 

to Lower Miocene sedimentary formations deposited onto 

pre-Tertiary low-to-medium grade basement units. The pre- 

Tertiary basement in the northern part of the Lučenská kotlina 

Depression consists of early Variscan high-grade metamor-

phic and granitoid rocks of the Veporicum Unit covered by 

Late Carboniferous (Revúca Group) and Late Triassic 

(Foederata Group) sedimentary formations. The upper part of 

the basement is represented by the Gemericum superunit 

located to the south from the Lubeník-Margecany Line.  

The Gemericum superunit consists of low grade metamorphic 

rocks of the Early Palaeozoic Gelnica Group (porphyroids, 

silicic metatuffs, metasandstones and phyllites) overlain by 

remnants  of  the  Carboniferous  Ochtiná  Formation  of  the 

Dobšiná  Group  (sericite-chlorite  and  graphite-sericite  phyl-

lites, metabasalts and carbonates with local occurrences of 

serpentinites). The Mesozoic Meliata group composed mainly 

of limestones, shales and volcanic rocks is exposed in the 

southern  part  of  the  Gemericum  Superunit  (Vass  &  Elečko 

1992).

All afore-mentioned tectonic units are demarcated by the 

Tertiary, SW–NE-striking Rapovce – Plešivec transform fault. 

Tectonic assignment of rock complexes occurring south from 

this fault is ambiguous. Knowledge of the pre-Tertiary base-

ment in this area is only based on a single, relatively shallow 

(~2 km) borehole near Blhovce (FV-1) and rare xenoliths 

found in maars, diatremes and basalt lava flows. Low-grade 

metamorphic rocks (green-schist, phyllite) intercepted by  

the FV-1 borehole are alternatively correlated either with 

Palaeozoic rocks of the Gemericum superunit (Snopková & 

Bajaník  1979;  Vass  et  al.  2007)  or  those  of  the  Agtelek-

Rudabánya unit (Dank & Fülop 1990). High-grade metamor-

phic rocks (gneiss, amphibolite) described as xenoliths in 

andesite  laccoliths  near  Šiatorská  Bukovinka  are  tentatively 

correlated either with the Variscan basement of the Veporicum 

superunit (Hovorka & Lukáčik 1972) or with the Meliata unit 

(Plašienka et al. 1997). The Late Oligocene (Kiscellian) Číž 

Formation and the Eggerian Lučenec Formation subjacent to 

Early  Eggenburgian  coastal  sediments  of  the  Fiľakovo 

Formation (Vass & Elečko 1992) cover older unknown tec-

tonic  units  beneath  the  Lučenská  kotlina  Depression  and 

Cerová Vrchovina Upland. 

Methods

Samples  of  volcanoclastic  material,  10 –15  kg  in  weight 

were taken from non-coherent tuff and lapilli tuff horizons of 

maar structures and diatremes. The heavy mineral fraction was 

obtained by panning of the clastic material < 2 mm in diameter. 

The follow-up separation process included sieving to the  

0.5– 0.63 mm fraction, gravitational separation in heavy liquid 

(bromoform with D = 2.8 g/cm

3

 or sodium polytungstate with 

D = 2.9  g/cm

3

) and electromagnetic separation. Garnet and 

background image

20

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

0

200

400

600

800

1000

1200

Raman shift (cm )

-1

Intensity

0

200

400

600

800

1000

1200

Raman shift (cm )

-1

Intensity

910

293

Andalusite

Staurolite

230

442

787

934

899

rutile grains were handpicked from the paramagnetic fraction 

under the binocular microscope, then mounted in epoxy resin, 

sectioned and polished.

Mineral identification was carried out using a HORIBA 

Jobin–Yvon Xplora Raman spectrometer at the Geological 

division of the Earth Science Institute of the Slovak Academy 

of Sciences (Banská Bystrica). Spectra were recorded using 

532 or 638 nm excitations of a 25 mW Nd-YAG laser. 

A long-working-distance LMPLanFI 100×0.8 objective lens 

of an Olympus BX-51 optical microscope focused the laser 

beam and collected the scattered light with a Peltier-cooled 

(−70 °C), multi-channel CCD detector (1024×256 pixels) with 

spectral resolutions of 1.8 and 1.0 cm

-1

, respectively, for the 

two mentioned excitations and the holographic grating with 

1800 grooves/mm. 

Chemical compositions of separated mineral grains were 

determined using a CAMECA SX-100 electron microprobe at 

the Department of Electron Microanalysis of the State 

Geological Institute of Dionýz Štúr in Bratislava. Accelerating 

voltage of 15 kV, beam current of 20 nA and beam focused to 

5 µm were applied during measurements of garnet grains.  

The following standards and measured lines were used:  

Si (TAP, Kα, wollastonite), F (LPCO, Kα, LiF), Cl (LPET, Kα, 

NaCl), Al (TAP, Kα, Al

2

O

3

), Ca (LPET, Kα, apatite), Fe (LLIF, 

Kα, fayalite), Ti (LLIF, Kα, TiO2), K (LPET, Kα, orthoclase), 

Na (TAP, Kα, albite), Mg (TAP, Kα, forsterite), Mn (LLIF, Kα, 

rhodonite), Cr (LLIF, Kα, Cr). Detection limits were within 

0.01– 0.05 wt. % of oxide. 

Analytical conditions for rutile followed those proposed by 

Zack et al. (2004a) specially tailored for the Zr-in-rutile ther-

mometry. Each grain was analysed for Ti, Cr, Al, Fe, Nb, Zr, 

Si, Ta and Mg. The following standards and excitation lines 

were  used:  Si  (TAP,  Kα,  ZrSiO

4

),  Al  (TAP,  Kα,  Al

2

O

3

),  

Ti (LLIF, Kα, TiO

2

), Mg (TAP, Kα, forsterite), Cr (LLIF, Kα, 

Cr), Fe (LLIF, Kα, fayalite), Zr (LPET, Lα, ZrO

2

), Nb (TAP, 

Lα,  LiNbO

3

)  and  Ta  (LLIF,  Lα,  LiTaO

3

). Chemical homo-

geneity was checked in back-scattered electron images and by 

multiple analyses of single grains.

Garnet and rutile crystallochemical formulae were calcu-

lated on the basis of 8 and 1 cations, respectively. Formation 

temperatures of rutiles were calculated using an empirical 

Zr-in-rutile thermometer proposed by Zack et al. (2004b) and 

Watson et al. (2006).

Results

Heavy mineral assemblages and their abundances

The following minerals have been recovered from the 

 samples studied: pyroxene, amphibole, garnet, tourmaline, 

epidote, titanite, olivine, apatite, zircon, rutile, spinel, ilme-

nite, corundum, staurolite and andalusite (Fig. 2). Abundances 

of individual minerals are rather different in the localities 

 studied (Table 1). Garnet, amphibole and pyroxenes are domi-

nant  in  Hodejov,  Hajnáčka  and  both  maars  in  Fiľakovo. 

Samples from maar localities as well as diatremes are also 

similar in terms of the volume fraction of heavy minerals 

 separated from sediments. Abundance of individual minerals 

in the Hajnáčka - Kostná dolina maar was probably influenced 

by the redeposition of maar lake sediments (Sabol et al. 2004; 

Hurai et al. 2012). The Tachty and Šurice diatremes are sub-

stantially enriched by a heavy mineral fraction composed 

mainly of pyroxene and olivine. In contrast to other localities, 

spinel and andalusite are missing in the heavy mineral assem-

blages from these diatremes.

Chemical composition of garnets

Garnet forms pink-to-orange, subhedral to anhedral grains 

with rounded edges, up to 900 µm in size. BSE images do not 

show any inherited cores or overgrowth marginal zones  

(Fig. 3a–d). Numerous mineral inclusions have been identified 

Fig. 2. a — Representative Raman spectrum of andalusite from 

Hodejov, with distinctive bands at 293 and 910 cm

-1

.  b — Repre-

sentative Raman spectrum of staurolite from Fiľakovo

 - 

Červený vrch, 

with distinctive bands at 230, 442, 787, 899, 934 cm

-1

.

Locality

HO

F-CV

F-C

TA

SE

H-KD

HM (vol. %)

0.8

1.5

2.3

18.3

15.7

3.2

amphibole

25

21

25

7

10

14

garnet

28

30

31

2

3

19

epidote

2

1

4

2

titanite

4

7

3

+

+

3

ilmenite

+

olivine

2

2

4

23

31

9

zircon

1

3

+

4

pyroxene

29

32

28

64

53

42

tourmaline

3

5

apatite

2

2

+

+

rutile

3

2

2

+

+

2

spinel

+

1

staurolite

+

+

+

+

+

andalusite

+

+

+

corundum

+

+  indicates less than 1 % of mineral content
Abbrevation  of  localities:  HO:  Hodejov,  F-CV:  Fiľakovo - Červený  vrch,   

F-C:  Fiľakovo - Hradný  vrch,  TA:  Tachty,  SE:  Šurice,  H-KD:  Hajnáčka - Kostná 

 dolina

Table 1: Modal composition (vol. %) of heavy mineral assemblages 

in volcanoclastic deposits.

background image

21

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

in the investigated garnet grains: quartz, epidote, zircon, 

 apatite, xenotime, chlorite, muscovite, biotite, tourmaline, 

staurolite, Al

2

SiO

5

 polymorphs and Fe-Ti oxides, such 

 

as  rutile,  ilmenite  and  spinel.  Garnets  from  Fiľakovo -   

Červený  vrch  and  Hodejov  also  contained  silicate  melt 

inclusions.

The compositional variability of the investigated garnets is 

surprisingly wide, although the majority of garnets are domi-

nated by almandine with variable contents of grossular, pyrope 

and spessartine. Spessartine-dominated garnet was found in 

the Hodejov maar (Table 2). 

A total of two major and one minor compositional group can 

be recognized in all investigated localities (Fig. 4). The major 

group I consists of almandines with a lower pyrope content 

(up to 14 mol. % prp) whereas group II comprises almandine 

garnets with increased content of the pyrope component 

 (15 –30  mol.  %  prp). The  third  minor  group  corresponds  to 

spessartine-rich almandine or spessartine. Both major groups 

can be further subdivided into two subgroups based on the 

contrasting grossular content.

The largest group (Ia) comprises almandine garnets 

 

(56 –78 mol. % alm) with an increased grossular component 

(10 –30 mol. % grs). Pyrope and spessartine end-member con-

tents reach up to 13 mol. % within this subgroup. Inclusions of 

staurolite, chlorite, tourmaline and Al

2

SiO

5

 polymorphs are 

basically similar to those found in the group II garnets. Some 

garnets from this group also exhibit higher spessartine content 

(up to 32 mol. %) in the core with decreasing of Mn towards 

the rim of the garnet (Table 2). The grs-rich almandine occurs 

in all localities studied.

 The almandine-rich group Ib garnets contain 71–86 mol. % 

of almandine component accompanied by 4–14 mol. % prp, 

up to 10 mol. % sps, and up to 10 mol. % grs. The group Ib 

garnets occur mainly in the Tachty diatreme, and in small 

amounts also in all other localities, except for the Hodejov 

maar  and  Šurice  diatreme.  The  group  Ib  garnets  usually 

Fig. 3. Back-scattered electron (BSE) images of garnets (grt) from pyroclastic tuffs. a — Garnet with inclusions of zircon (zrn) and Al

2

SiO

5

 

minerals from Hodejov maar (sample HO-2G, an3 — group IIb). b — Garnet with inclusions of chlorite (chl) from Gemerské Dechtáre maar 

(sample GD-1G, an5 — group Ia). c — Garnet with inclusions of staurolite, kyanite, ilmenite and zircon from Hodejov maar (sample HO-5-3, 
an03 — group IIb). d — Garnet with mineral inclusions of chlorite (chl), ilmenite (ilm) and epidote (ep) from Fiľakovo

 - 

Červený vrch maar 

(sample CV-1, an5 — group Ia).

background image

22

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

Grs

Alm

Prp

Sps

Alm

Prp

Group Ib. - almandines

Fiľakovo - Hradný vrch

Hodejov

Group Ia. - grs-rich almandines

Group IIb. - prp-rich almandines

Group IIa. - prp-grs-rich almandines

Šurice

Hajnáčka - Kostná dolina

Fiľakovo - Červený vrch

Gemerské Dechtáre

Group Ib.

Group IIb.

Group IIa.

Group IIa.

Group Ia.

Group III. - sps-rich almandines

Group III.

Group IIb.

Group Ib.

Group III.

Group Ia.

enclose quartz, ilmenite and zircon, but some of them also 

contained chlorite and tourmaline inclusions (e.g., 

Fiľakovo - Hradný vrch, Gemerské Dechtáre). 

Group IIa garnets are almandine garnets proportionally 

enriched with pyrope (14–24 mol. %) and grossular (11–30 

mol.  %)  end-members.  The  spessartine  component  is  also 

rela tively  abundant,  reaching  up  to  10  mol.  %.  Quartz  and 

Fe–Ti oxides are typical inclusions. Some garnets of this 

group  contain  silicate  melt  inclusions  (Fiľakovo - Červený 

vrch). Group IIa garnets are typical for the Fiľakovo maars, 

but they also occur in other localities studied.

Group IIb garnets are almandine garnets (65–75 mol. %) 

with an increased pyrope content ranging from 17 to 29 

mol. %. Grossular (up to 10 mol. %) and spessartine (up to  

Table 2: Representative electron probe microanalyses, crystallochemical formulae and endmember contents of detrital garnets from pyroclastic 

sediments of the SSVF.

Sample:

HO-5-3

HO-2G HA-KD-7

CVV-3-1

HV-1G

HV-1-G

SE-2-3

TA-IH-1

TA-2-8 HA-KD-7 HA-KD-7

HO-2G

Anal.No

3

3

13

5

11-c

12-r

1

15

4

20

1

10

Locality

HO

HO

H-KD

F-CV

F-C

F-C

SE

TA

TA

H-KD

H-KD

HO

Group

IIb.

IIb.

IIb.

IIa.

Ia.

Ia.

IIa.

Ib.

Ib.

Ia.

III.

III.

SiO

2

38.35

38.52

38.32

38.33

37.66

37.44

38.01

37.19

37.22

37.62

37.21

36.76

TiO

2

0.00

0.04

0.01

0.04

0.08

0.16

0.02

0.07

0.03

0.12

0.17

0.27

Al

2

O

3

21.57

22.08

21.35

21.16

21.34

20.85

21.53

20.87

21.23

20.96

20.82

20.68

Cr

2

O

3

0.00

0.01

0.02

0.02

0.01

0.00

0.04

0.00

0.03

0.00

0.00

0.05

FeO

30.59

30.76

33.27

28.89

25.96

30.05

30.48

38.50

38.17

29.90

16.75

6.97

MnO

0.65

0.85

1.19

0.62

9.36

3.00

0.62

0.18

0.65

2.61

19.20

31.75

MgO

6.94

6.72

5.59

5.78

0.79

1.00

5.07

1.81

3.00

1.51

0.40

0.40

CaO

1.59

1.67

1.38

5.40

6.27

8.26

5.47

2.04

0.61

8.20

7.15

4.22

Total

99.71

100.67

101.12

100.23

101.50

100.77

101.25

100.68

101.01

100.92

101.70

101.10

Si

4+

3.009

2.996

3.002

2.995

2.999

2.991

2.956

3.003

2.978

2.990

2.965

2.964

Ti

4+

0.000

0.002

0.000

0.002

0.005

0.010

0.001

0.004

0.002

0.007

0.010

0.016

Al

3+

1.995

2.024

1.971

1.949

2.003

1.963

1.974

1.987

2.001

1.963

1.956

1.966

Cr

3+

0.000

0.000

0.001

0.001

0.000

0.000

0.002

0.000

0.002

0.000

0.000

0.003

Fe

2

2.006

1.999

2.178

1.887

1.728

2.007

1.915

2.598

2.552

1.986

1.115

0.470

Mg

2+

0.812

0.779

0.653

0.673

0.094

0.119

0.588

0.218

0.358

0.179

0.047

0.048

Mn

2+

0.043

0.056

0.079

0.041

0.631

0.203

0.041

0.012

0.044

0.175

1.296

2.169

Ca

2+

0.134

0.139

0.115

0.452

0.535

0.382

0.456

0.176

0.053

0.699

0.611

0.364

Total

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

Prp

27.10

26.21

21.58

22.05

3.14

3.92

19.18

7.26

11.90

5.88

1.53

1.59

Alm

66.98

67.22

72.00

61.80

57.82

66.10

64.61

86.47

84.89

65.36

36.34

15.40

Grs

4.47

4.68

3.81

14.81

17.91

23.28

14.87

5.86

1.75

22.99

19.90

11.94

Sps

1.45

1.89

2.61

1.34

21.13

6.69

1.34

0.41

1.46

5.77

42.23

71.07

-c: core analyses, -r: rim analyses
Abbreviations  of  localities:  HO:  Hodejov,  F-CV:  Fiľakovo  - Červený  vrch,  F-C:  Fiľakovo - Hradný  vrch,  TA:  Tachty,  SE:  Šurice,  H-KD:  Hajnáčka - Kostná  Dolina,  

GD: Gemerské Dechtáre

Fig. 4. Chemical compositions of SSVF garnets (n = 140) projected onto the classification diagram based on endmember abundance (mol. %). 

Abbreviations: Alm — almandine, Prp — pyrope, Grs — grossular, Sps — spessartine.

background image

23

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

7 mol. %) contents are relatively low. Mineral inclusions cor-

respond to staurolite, chlorite and Al

2

SiO

5

 polymorphs. 

A majority of the pyrope-rich group IIb garnets occur in 

Hodejov maar. However, they have been encountered in all 

localities studied, except for the Fiľakovo - Hradný vrch maar. 

The minor group III comprises one spessartine-rich alman-

dine  garnet  (42  mol.  %  sps)  from  Hajnáčka - Kostná  dolina 

maar and one spessartine grain from the Hodejov maar with as 

much as 71 mol. % sps. Other components are generally low: 

up to 20 mol. % grs and up to 2 mol. % prp.

Chemical composition and crystallization temperatures of 

rutiles

Rutile grains separated from pyroclastic sediments are 

 reddish-brown in colour and they form anhedral to subhedral 

prismatic crystals up to 400 µm in size. Rutiles are chemically 

homogenous, usually without mineral inclusions, except for 

one rutile from the Hodejov maar, which contained numerous 

minute zircon inclusions. Rutile grains are also very frequently 

intergrown with quartz. Rare quartz rods (Fig. 5) indicate 

an over-saturation with silica which is an essential prerequisite 

for the application of the Zr-in-rutile thermometer (Ferry & 

Watson 2007).

Raman spectra of rutile (Fig. 6) showed distinctive bands at 

143,  247,  447,  612  cm

-1

 distinguishing the tetragonal rutile 

from other major structural TiO

2

 polymorphs, such as anatas 

(144, 197, 400, 516 and 640 cm

-1

) and brookite (153, 247, 322 

and 633 cm

-1

) (Porto et al. 1967; Ohsaka et al. 1978; Tompsett 

et al. 1995).

All the investigated rutiles are essentially pure compounds 

with  ~ 99  wt.  %  averaged  normalized  content  of  TiO

2

.  

The  remaining  1  wt.  %  was  distributed  among  Cr

2

O

3

, FeO, 

ZrO

2

, Nb

2

O

5

 and Ta

2

O

5

.  Concentrations of the substituent ele-

ments displayed large variations. Iron content varied between 

1038 and 4397 ppm. Nb contents attained 3968 ppm, with the 

majority of values ranging between 2500 and 3500 ppm. 

Chromium contents were most variable, ranging from 44 to 

1820 ppm.

Crystallization temperatures calculated after the empirical 

calibration of Zack et al. (2004b) fluctuated between 592 and 

782 °C in Hodejov, from 548 to 753 °C in Fiľakovo - Červený 

vrch, from 570 to 766 °C in Šurice and from 662 to 710 °C in 

Tachty. The same thermometer calibrated by Watson et al. 

(2006) yielded slightly lower temperatures clustered in nar-

rower  intervals:  568–685  °C  in  Hodejov,  545–665  °C  in 

Fiľakovo - Červený vrch, 556 to 673 °C in Šurice, and 607 to 

637 °C in Tachty. Electron probe microanalyses of rutile and 

calculated temperatures are summarized in Table 3. The dis-

crepancy between the two selected thermometer calibrations 

was discussed by several authors (Watson et al. 2006; Chen & 

Li 2008, Meinhold et al. 2008, Meinhold 2010). The two ther-

mometers  intersect  at  a  temperature  of  about  540  °C  but 

diverge significantly both at lower and higher temperatures, 

implying possible pressure-driven Zr incorporation into the 

rutile crystal lattice (Watson et al. 2006).

Discussion

Provenance of garnets

Deciphering the provenance of almandine garnets may be 

ambiguous, because they can crystallize under different condi-

tions in various rock types, comprising plutonic and volcanic 

rocks (e.g., granite, andesite), and metamorphic rocks of 

amphibolite to granulite facies (Deer et al. 1997). Indeed, 

detrital garnets from pyroclastic rocks of the SSVF fall into at 

least three different fields in the discrimination diagram pro-

posed by Morton et al. (2004), thus overlapping possible met-

amorphic and magmatic origins (Fig. 7).

Increased pyrope content is diagnostic of garnets formed 

under high-pressure to ultra-high-pressure metamorphic con-

ditions (e.g., Nandi 1967; Miyashiro & Shido 1973; Oszczypko 

& Salata 2005), whereas Mg-rich, Ca-depleted garnets are 

generally affiliated with granulites or charnockites (Sabeen et 

al. 2002; Morton et al. 2004; Mange & Morton 2007). In con-

trast, sediments metamorphosed in amphibolite facies condi-

tions usually contain Mg-depleted garnets with variable Ca 

contents  (Morton  et  al.  2004;  Mange  &  Morton  2007). 

Therefore, we attribute the group I of Mg-depleted garnets 

with variable Ca contents from the SSVF to amphibolite-fa-

cies metasediments despite the fact that they also overlap the 

field of acid to intermediate magmatic rocks. According to 

Mange & Morton (2007), this field was mainly defined to 

 better distinguish garnets with an increased spessartine con-

tent genetically related to granites and/or pegmatites. The sub-

group Ia of grs-rich almandine also correlates with garnets 

from phyllites and garnet mica-schists of the Gemericum and 

Fig. 5. Back-scattered electron (BSE) image of rutile (sample HO-3R, 

Hodejov). Small grey needles represent quartz inclusions. Circles 

mark spots analysed by electron probe. Numbers refer to Zr concen-

trations (in ppm), T

Z

 and T

W

 values correspond to temperatures (°C) 

calculated  after  Zack  et  al.  (2004b)  and Watson  et  al.  (2006). The 

inferred temperatures indicate a homogenous distribution of Zr in the 

investigated rutile grain.

background image

24

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

0

200

400

600

800

1000

1200

Intensity

143

612

447

247

Rutile

Raman shift (cm )

-1

Veporicum Superunits (Méres & Hovorka 1989; Hovorka & 

Méres 1990; Janák et al. 2001; Vozárová in Šarinová 2008). 

Part of group Ia garnets also exhibit sps and grs contents 

decreasing towards the rim, thus resembling the similar trend 

observed in garnet mica-schists by Hovorka et al. (1987), 

Méres  &  Hovorka  (1991)  and  Korikovsky  et  al.  (1990).  

The subgroup Ib of alm-rich garnets is similar to those found 

in amphibolite facies metasediments (paragneisses) of the 

pre-Alpine basement rocks of the Western Carpathians 

(Hovorka et al. 1987; Méres & Hovorka 1989; Faryad 1990, 

1995,  1996;  Vozárová  1993;  Vozárová  &  Faryad  1997; 

Plašienka et al. 1999). 

The increased prp content observed in the group II garnets, 

particularly in the subgroup Ib, would indicate higher grade 

metamorphic  P-T conditions. The medium- to high-grade 

 metamorphic conditions are also indicated in both the sub-

group Ia and IIb garnets by staurolite and Al

2

SiO

5

 inclusions, 

as well as by the ubiquitous presence of these minerals in the 

associated heavy mineral assemblage. The subgroup IIa gar-

nets with increased pyrope and grossular components are 

 similar to those described from high-grade metabasites and 

metasediments (Méres 2008; Aubrecht et al. 2009; Šarinová 

2008; Morton et al. 2004; Mange & Morton 2007). However, 

similar garnets may also occur in garnet mica-schists, amphi-

bolites or granulites. On the other hand, peridotite or eclogite 

can be excluded as possible source rocks of the investigated 

garnets  because  of  their  low  pyrope  (<50  mol.  %)  content 

(Coleman et al. 1965; Deer et al. 1992; von Eynatten & Gaupp 

1999). Based on different grs content, we infer that the group 

IIa garnets with proportional abundance of grs and prp compo-

nents could be genetically related to amphibolite-to-granulite 

facies metabasites. The composition of this garnet group is 

also similar to that of garnets described from amphibolites of 

the pre-Alpine basement of Western Carpathians (Spišiak & 

Hovorka 1985; Faryad 1996; Hovorka et al. 1992; Hovorka & 

Méres 1990; Janák et al. 1996; Janák & Lupták 1997; Vozárová 

& Faryad 1997; Méres et al. 2000; Faryad et al. 2005). Garnets 

with increased pyrope content have also been rarely found in 

basalts as xenocrysts or products of secondary metasomatic 

processes (e.g. Skewes & Stern 1979; Rollinson 1999; Aydar 

& Gourgaud 2002; Rankenburg et al. 2004); but there is no 

evidence of garnet-bearing basalts in the SSVF area (e.g., 

Miháliková & Šímová 1989). However, part of the group IIa 

almandines overlaps the field of magmatic garnets genetically 

related to andesites (Bouloton & Paquette 2014; Harangi et al. 

2001; Bónová 2005). Hence, the existence of magmatic gar-

nets in pyroclastic sediments of the SSVF cannot be entirely 

ruled out. 

Spessartine-rich garnets in pyroclastic sediments of the 

Hajnáčka - Kostná dolina and Hodejov maars deserve special 

attention. Significant sps content may occur in almandine gar-

nets derived from felsic igneous rocks or low-grade metasedi-

ments (Deer et al. 1997). Sps-rich garnets commonly occur in 

granites, granitic pegmatites and skarn deposits (e.g. Suggate 

& Hall 2014). We assume that the small group III of sps-rich 

almandine and spessartine from Hajnáčka - Kostná dolina and 

Hodejov may have been derived either from underlying base-

ment granitoids envisaged in this area by Kantor (1960) and 

Vozárová & Vozár (1988), or from granitoid pebbles found in 

sediments of the Bukovinka Formation (Vass et al. 1981) 

pene trated  by  the  EHJ-1  borehole  drilled  west  of  Čamovce 

and  Nová  Bašta  (Vass  et  al.  2007)  in  the  proximity  of  the 

Hajnáčka and Hodejov maars. Faryad & Dianiška (1989) also 

described  high-spessartine  garnets  (up  to  58 %)  in  granitoid 

rocks from the Gemericum Superunit.

Provenance of rutiles

Rutile is a common mineral phase in a wide range of litho-

logies, including high-grade metamorphic rocks, magmatic 

rocks, sediments or hydrothermal ore deposits (Force 1980; 

Deer et al. 1992). However, rutile mainly crystallizes in 

Sample

HO-10

HO-10

HO-3R

CVV-3-1

F-CV-R3

F-CVR2

SE-SP-R1

SE-V-R3

SE-V-R3

TA-R1

TA-R1

Anal. No

7

5

10

8

1

3

7

3

6

2

4

Locality

HO

HO

HO

F-CV

F-CV

F-CV

SE

SE

SE

TA

TA

Fe

2976

1538

1970

2141

2164

2075

2707

2669

2540

2428

1649

Cr

210

585

1396

293

826

753

917

1479

1093

444

337

Nb

3015

1426

2292

1014

3159

2418

942

1958

3593

2063

2883

Zr

212

139

492

159

276

304

432

227

172

192

218

Ta

347

143

191

82

376

108

249

127

107

137

230

Mg

139

68

185

98

205

83

b.d.

122

b.d.

b.d.

b.d.

log(Cr/

Nb)

− 1.16

− 0.39

− 0.22

− 0.54

− 0.58

− 0.51

− 0.01

− 0.12

− 0.42

− 0.67

− 0.93

T

Z

 (°C)

675

621

782

638

708

720

766

683

648

662

678

T

w

 (°C)

615

584

685

594

636

643

673

620

599

607

617

Concentrations are given as parts per million (ppm), bdl = below detection limit
Abbreviations of localities: HO: Hodejov, F-CV: Fiľakovo -  Červený vrch, TA: Tachty, SE: Šurice

Table 3: Representative electron probe microanalyses of detrital rutiles from pyroclastic sediments of the SSVF.

Fig. 6. Representative Raman spectrum of rutile from Fiľakovo

 -  

Červený 

vrch with distinctive bands at 143, 247, 447, 612 cm

-1

.

background image

25

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

medium- to high-grade metamorphic conditions (e.g., 

Goldsmith  &  Force  1978;  Force  1980).  Zack  et  al.  (2002, 

2004a) proposed that Cr and Nb abundances in rutile can be 

employed to distinguish between metamafic and metapelitic 

source lithologies. These authors inferred that metapelite 

rutiles contain 900 –2700 ppm Nb that predominates over Cr. 

Meinhold et al. (2008) proposed that the lowermost limit 

should be equal to 800 ppm Nb in rutile from metapelitic litho-

logies. Rutiles with Cr > Nb or those with Cr < Nb and Nb < 800 

ppm should be derived from metamafic rocks. To simplify this 

concept,  Triebold  et  al.  (2007)  introduced  the  log(Cr / Nb) 

value to discriminate between metamafic and metapelitic 

source lithologies (Fig. 8). Similar to the Cr/Nb ratio, Zack et 

al. (2004b) suggested the iron content is an additional indica-

tor of metamorphic origin, since metamorphic rutiles mostly 

contain >1000 ppm Fe.

Using the approach of Zack et al. (2002) combined with 

temperatures calculated after Watson et al. (2006) we infer that 

rutiles from the Hodejov and Fiľakovo - Červený Vrch maars 

and those from Tachty and Šurice diatremes may have been 

derived from amphibolite-facies metasedimentary rocks 

(mica-schist or paragneiss), as is documented in Fig. 8. Hence, 

the provenance of rutiles is basically the same as that of the 

associated metamorphic garnet from amphibolite facies 

metasediments.

Proximal versus distal origin of heavy minerals?

In summary, the group I and group II garnets of the SSVF 

are be most likely to be affiliated to metamorphic source rocks, 

whereas group III is likely magmatic in origin, being geneti-

cally associated with granitic rocks. Possible source areas of 

these rock types include subjacent deep-seated crystalline 

basement units or shallow basin catchment sediments trans-

ported from the Central Carpathians. The first possibility is 

indicated by the borehole FV-1 near Blhovce that penetrated 

Fig. 7. Detritic garnets from volcanoclastic deposits of the SSVF plotted on the ternary diagram with almandine+spessartine (X

Fe+Mn

), grossular 

(X

Ca

) and pyrope (X

Mg

) endmembers and subdivision lines dividing garnets from different source rocks (modified after Mange & Morton 2007). 

The type-A field denotes garnets from high-grade granulites or charnokites and intermediate-to-acidic rocks sourced from deep crust, the 

type-Bi field corresponds to intermediate-acidic igneous rocks, the type-Bii field denotes amphibolite-facies metasediments, the type-Ci field 

is affiliated with high-grade metabasic rocks. Other garnet types include ultramafic source rocks, such as pyroxenite and peridotite (type-Cii), 

metasomatic rocks (skarns), low-grade metabasic rocks, and ultra-high temperature calc-silicate granulites (type-D). Fields for garnets from 

phyllites, mica-schists, gneisses, amphibolites and amphibolized eclogites from pre-Alpine basement rocks of the Western Carpathians were 

compiled from Hovorka et al. (1987, 1992), Hovorka & Méres (1990), Korikovsky et al. (1990), Spišiak & Hovorka (1985), Méres & Hovorka 

(1989), Vozárová (1993), Faryad (1990, 1995, 1996), Faryad et al. (2005), Janák et al. (1996, 2001), Janák & Lupták (1997), Vozárová & 

Faryad (1997), Plašienka et al. (1999), Méres et al. (2000) and Šarinová (2008). The field for magmatic garnets (andesites dacites & tuffs) was 

compiled from data in Bouloton & Paquette (2014), Harangi et al. (2001), Bónová (2005) and Vozárová in Šarinová (2008).

background image

26

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

-3

-2

-1

0

1

2

500

550

600

650

700

log (Cr/Nb)

calc. T °C)

(

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

1000

2000

3000

4000

Cr (ppm)

Nb (ppm)

metapelitic

rutile from

metapelitic rocks

Hodejov

Fiľakovo - Červený vrch

a

b

Šurice
Tachty

mid- to upper Devonian green-schists and phyllites (Vass & 

Bajaník 1988). These metasedimentary sequences, however, 

did not contain any garnet. Mica schist and amphibolite known 

as  xenoliths  in  Miocene  andesite  intrusions  near  Šiator  and 

Karanč (Hovorka & Lukáčik 1972; Elečko et al. 2008) may be 

an alternative proximal garnet source derived from underlying 

basement rocks. 

Pebbles and heavy minerals in Tertiary sediments redepo-

sited from distal sources may also have contributed to the 

heavy mineral assemblage of pyroclastic deposits in the SSVF. 

A certain amount of garnets accompanied by staurolite and 

kyanite was mentioned in the heavy mineral fraction of clastic 

sediments of the Juhoslovenská kotlina Basin (Marková et al. 

1980, 1982); however, garnet composition has not been stu-

died. These minerals diagnostic of high-grade metamorphic 

rocks may have been transported by rivers from the uplifted 

Central Carpathian basement involving the Gemeric (Gelnica 

Group) and/or the Veporic Superunits (Vass & Elečko 1992; 

Vass et al. 2007), deposited in catchment sediments of the 

Juhoslovenská kotlina Basin, and finally redistributed in the 

volcanoclastic deposits by phreato-magmatic eruptions. 

Obviously, we are unable to discriminate with our present 

state of knowledge between the various proximal and distal 

sources of heavy minerals in the pyroclastic deposits of the 

SSVF, mainly due to missing compositional data on heavy 

minerals from Tertiary clastic sediments.

Interestingly, systematic study of zircons in primary pyro-

clastic  deposits  of  the  Pinciná,  Fiľakovo - Hradný  vrch, 

Hodejov,  and  Gemerské  Dechtáre  maars  (Hurai  et  al.  2010, 

2013) and in redeposited sediments of the Hajnáčka - Kostná 

dolina maar (Hurai et al. 2012) did not provide any evidence 

for zircons inherited from proximal or distal pre-Tertiary 

sources. In turn, all investigated volcanic structures only con-

tained populations of very young (2–5 Ma) magmatic zircons 

derived from A-type granite/syenite melts produced by 

advanced fractional crystallization of underplated alkali basalt 

(e.g.,  Huraiová  et  al.  1996,  2017)  and  entrained  in  younger 

basalt portions as zircon-bearing xenoliths or isolated zircon 

xenocrysts. Fragmentation coincidental with shallow phreato- 

magmatic explosions triggered by the contact of the ascending 

basaltic magma with aquifers is indicated by morphological 

features of the investigated zircons: fragments of larger 

rounded zircons reflect non-equilibrium melting and transport 

of xenocrysts in contact with basaltic magma prior to the final 

eruption, whereas small euhedral zircons of the same age and 

composition must have been armoured in xenoliths disrupted 

during the final eruption, being thus isolated from the sur-

rounding basalt during ascent to the surface.

Conclusions

1. We provide the first study focused on garnet and rutile in 

pyroclastic sediments of the South Slovakian Volcanic Field 

with the aim of deciphering their origin and provenance.

2. Almandine garnets have been derived from two contrasting 

magmatic and metamorphic lithologies. Metamorphic gar-

nets  (> 99 %  of  samples)  with  increased  grossular  and 

pyrope contents were likely derived from garnet-mica 

schists, gneisses, amphibolites or granulites, whereas 

 spessartite-rich  magmatic  garnets  (<1 %  of  samples)  are 

probably derived from underlying basement granitoids or 

granitoid pebbles in Tertiary basin deposits.

3. Based on Nb and Cr contents, rutiles can be affiliated with 

metasedimentary source rocks. Formation temperatures 

between  545  and  673 °C  indicate  amphibolite  facies 

conditions. 

4. We assume that the assemblage of metamorphic minerals in 

the pyroclastic sediments comes from the fragmented 

pre-Tertiary gneiss-amphibolite basement. Some garnets 

may also be correlated with granitoid host rocks that occur 

as pebbles in Tertiary clastic sediments.

Fig. 8. a — Nb versus Cr discrimination diagrams for rutile from different metamorphic lithologies (modified after Zack et al. 2002). b — Plot 

of temperatures calculated from Zr contents after Watson et al. (2006) versus mafic and pelitic compositions discriminated according to  

log (Cr / Nb) value (modified after Triebold et al. 2007). Positive and negative log (Cr / Nb) values indicate rutile from metamafic and metape-

litic  rocks,  respectively.  Note  that  the  terms  “metamafic” and  “metapelitic” were  introduced  by  Zack  et  al.  (2002,  2004a)  to  distinguish 

between the rutile sources, although simplified terms “mafic” and “felsic” would be more appropriate.

background image

27

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

Acknowledgements: The authors wish to express their thanks 

to the reviewers for their thorough reviews, which conside-

rably improved the quality of this paper. This work was sup-

ported by the Comenius University project under the contract 

No. UK/184/2017 and the VEGA grant 1/0143/18. We would 

like to offer our special thanks to Prof. Pavel Uher for provi-

ding samples of sediments from Hajnáčka - Kostná dolina maar, 

and to Dr. Patrik Konečný for electron probe analytical work.

References

Aubrecht R., Méres Š., Sýkora M. & Mikuš T. 2009: Provenance of 

the detrital garnets and spinels from the Albian sediments of the 

Czorstyn Unit (Pieniny Klippen Belt, Western Carpathians, 

 Slovakia).  Geol. Carpath. 60, 463–483.  

Aydar E. & Gourgaud A. 2002: Garnet-Bearing Basalts: An Example 

from Mt. Hasan Central Anatolia Turkey. Mineral. Petrol. 75, 

185–201.

Balogh  K.,  Miháliková A.  & Vass  D.  1981:  Radiometric  dating  of 

basalt in Southern and Central Slovakia. Záp. Karpaty Ser. Geol. 

7, 113–126.

Bónová K. 2005: Mineralogy, petrology and P-T conditions of  magma 

crystallization of the andesite bodies Maliniak and Lysá Stráž 

from  Lysá  Stráž  –  Oblík  formation,  Eastern  Slovakia.  Miner. 

Slov. 37, 503–512.

Bouloton J. & Paquette J.-L. 2014: In situ U–Pb zircon geochronology 

of Neogene garnet-bearing lavas from Slovakia (Carpatho– 

Pannonian region, Central Europe). Lithos 184–187, 17–26.

Brenan J.M., Shaw H.F., Phinney D.L. & Ryerson F.J. 1994: Rutile–

aqueous fluid partitioning of Nb, Ta, Hf, Zr, U and Th: implica-

tions for high field strength element depletions in island-arc 

 basalts.  Earth. Planet. Sci. Lett. 128, 327–339.

Bromiley G.D. & Hilairet N. 2005: Hydrogen and minor element 

 incorporation in synthetic rutile. Mineral. Mag. 69, 345–358. 

Carruzzo S., Clarke D.B., Pelrine K.M. & MacDonald M.A. 2006: 

Texture, composition and origin of rutile in the South Mountain 

Batholith, Nova Scotia. Can. Mineral. 44, 715–729.

Chen Z.Y. & Li Q.L. 2008: Zr-in-rutile thermometry in eclogite at 

Jinheqiao in the Dabie orogen and its geochemical implications. 

Chinese Sci. Bull. 53, 768–776. 

Coleman R.G., Lee D.E., Beatty L.B. & Brannock W.W. 1965: 

 Eclogites and eclogites: their differences and similarities. Geol. 

Soc. Am. Bull. 76, 483–508. 

Dank  V.  &  Fülöp  J.  (Eds.)  1990:  Geological  Structural  map  of 

 Hungary.  MAFI, Budapest (in Hungarian).

Deer W.A., Howie R.A. & Zussman J. 1992: An introduction to the 

rock-forming minerals. 2

nd

 Ed. Longmans, Essex, 1–696. 

Deer W.A., Howie R.A. & Zussman J. 1997: Rock-forming minerals. 

Volume 1A. Orthosilicates. 2

nd

 Ed. Longmans, London, 1– 919.


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

basalt magmatism in Northern Hungary and Slovakia: petrology, 

source compositions and relationship to tectonics.  Acta   Vulcanol

7, 199–207.

Downes H., Pantó Gy., Póka T., Mattey D.P. & Greenwood P.B. 1995: 

Calc-alkaline volcanics of the Inner Carpathian arc, Northern 

Hungary: new geochemical and oxygen isotopic results. Acta 

Vulcanol. 7, 29–41.

Elečko M., Hraško L. & Konečný P. 2008: Refinement of continua-

tion of crystalline complexes in the basement of neovolcanites 

(Southern Slovakia). Open-file report, D. Štúr Inst. Geol.

Bratislava, 1–123.

Faryad S.W. 1990: Gneiss-amphibolite complex of Gemericum. 

 Miner. Slov. 22, 303–318 (in Slovak).

Faryad S.W. 1995: Determination of P–T conditions of metamor-

phism in the Spiš-Gemer Ore Mts. (Western Carpathians).  Miner. 

Slov. 27, 9–19 (in Slovak).

Faryad S.W. 1996: Petrology of amphibolites and gneisses from 

Branisko massif. Miner. Slov. 28, 265–272 (in Slovak).

Faryad S.W. & Dianiška I. 1989: Garnets from granitoids. Geol. Zbor. 

Geol. Carpath. 40, 715–734.

Faryad S.W., Ivan P. & Jacko S. 2005: Metamorphic petrology of me-

tabasites from the Branisko and Čierna Hora Mountains (West-

ern Carpathians Slovakia). Geol. Carpath. 56, 3–16. 

Ferry J.M. & Watson E.B. 2007: New thermodynamic models and 

revised calibration for the Ti-in-zircon and Zr-in-rutile thermo-

meters. Contrib. Mineral. Petrol. 154, 429–437.

Force E.R. 1980: The provenance of rutile. J. Sediment. Petrol. 50, 

485–488.

Force E.R. 1991: Geology of titanium-mineral deposits. Geol. Soc. 

Amer. Spec. Paper 259, 1–112.

Goldsmith R. & Force E.R. 1978: Distribution of rutile in metamor-

phic rocks and implications for placer deposits. Miner. Deposita 

13, 329–343. 

Götze J. 1996: Genetic information of accessory minerals in clastic 

sediments. Zbl. Geol. Paläont. 1, 101–118.

Graham J. & Morris R.C. 1973: Tungsten- and antimony-substituted 

rutile. Mineral. Mag. 39, 470–473.

Harangi Sz., Downes H., Kósa L., Szabó Cs., Thirlwall M. F., Mason 

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

 volcanic rocks of the Northern Pannonian Basin (Eastern- Central 

Europe): Geochemistry, petrogenesis and geodynamic implica-

tions. J. Petrol. 42, 1813–1843.

Hassan  W.F.  1994:  Geochemistry  and  mineralogy  of  Ta-Nb  rutile 

from Peninsular Malaysia. J. Soc. Am. Earth Sci. 10, 11–23.

Hovorka D. & Lukáčik E. 1972: Xenoliths in andesites of the Massifs 

Karanč, Šiator (Southern Slovakia) and their geologic interpreta-

tion. Geol. Zborn. Geol. Carp. 23, 297–303.

Hovorka  D.  &  Méres  Š.  1990:  Clinopyroxene-garnet  metabasites 

from  the  Tribeč  Mts.  (Central  Slovakia).  Miner. Slov. 22, 

 533–538 (in Slovak). 

Hovorka D., Méres Š. & Krištín J. 1987: Garnets from paragneisses 

of the central zone of the West Carpathians. Miner. Slov. 19, 

289–309. 

Hovorka D., Méres Š. & Caňo F. 1992: Petrology of the garnet clino-

pyroxene metabasites from the Malá Fatra Mts. Miner. Slov. 24, 

45–52 (in Slovak). 

Hurai V., Paquette J.-L., Huraiová M. & Konečný P. 2010: U–Th–Pb 

geochronology of zircon and monazite from syenite and pinci-

nite xenoliths in Pliocene alkali basalts of the intra-Carpathian 

back-arc basin. J. Volcanol. Geotherm. Res. 198, 275–287.

Hurai V., Paquette J.-L., Huraiová M. & Sabol M. 2012: U–Pb geo-

chronology of zircons from fossiliferous sediments of the 

 Hajnáčka  I  maar  (Slovakia)  —  type  locality  of  the  MN16a 

 biostratigraphic  subzone. Geol. Mag. 149, 989–1000.

Hurai V., Danišík M., Huraiová M., Paquette J.-L. & Ádám A. 2013: 

Combined U/Pb and (U–Th)/He geochronometry of basalt maars 

in Western Carpathians: implications for age of intraplate 

 volcanism and origin of zircon metasomatism. Contrib. Mineral. 

Petrol. 166, 1235–1251.

Huraiová M., Konečný P., Konečný V., Simon K. & Hurai V. (1996) 

Mafic and salic xenoliths in Late Tertiary alkaline basalts: fluid 

inclusion and mineralogical evidence for a deep-crustal 

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

8, 901–916.

Huraiová M., Paquette J.-L., Konečný P., Gannoun A.-M. & Hurai V. 

2017: Geochemistry, mineralogy, and zircon U-Pb-Hf isotopes 

in peraluminous A-type granite xenoliths in Pliocene– Pleistocene 

basalts of northern Pannonian Basin (Slovakia). Contrib. 

 Mineral.  Petrol. 172, 8, Article number 59.

background image

28

NEMEC and HURAIOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

Janák M. & Lupták B. 1997: Pressure-temperature conditions of high 

grade  metamorphism  and  migmatitization  in  the  Malá  Fatra 

crystalline complex, the Western Carpathians. Geol. Carpath. 

48, 5, 287–302. 

Janák M., O’Brien P.J., Hurai V. & Reutel Ch. 1996: Metamorphic 

evolution and fluid composition of garnet-clinopyroxene amphi-

bolites from the Tatra Mts., Western Carpathians. Lithos 39, 

57–79. 

Janák M., Plašienka D., Frey M., Cosca M., Schmidt S.T., Lupták B. 

& Méres Š. 2001: Cretaceous evolution of a metamorphic core 

complex, the Veporic unit, Western Carpathians (Slovakia): P–T 

conditions and in situ 

40

Ar/

39

Ar UV laser probe dating of meta-

pelites. J. Metamorph. Geol. 19, 197–216. 

Kantor J. 1960: Cretaceous orogenic processes in the light of geo-

chronology of Veporic crystalline complex (Kohút zone). Geol. 

Práce Správy 20, 5–27 (in Slovak).

Konečný V., Lexa J., Balogh K. & Konečný P. 1995: Alkali basalt 

volcanism in Southern Slovakia — Volcanic forms and time 

 evolution.  Acta Vulcanol. 7, 167–171.

Konečný V., Kováč M., Lexa J. & Šefara J. 2002: Neogene evolution 

of the Carpatho-Pannonian region: an interplay of subduction 

and back-arc diapiric uprise in the mantle. EGU Stephan Mueller 

Spec. Publ. Ser. 1, 105–123.

Konečný V., Lexa J., Konečný P., Balogh K., Elečko M., Hurai V., 

Huraiová M., Pristaš J., Sabol M. & Vass D. 2004: Guidebook to 

the Southern Slovakia Alkali Basalt Volcanic Field. D. Štúr Inst. 

Geol., Bratislava, 1–143.

Korikovsky S.P., Dupej J., Boronikhin V.A. & Zinovieva N.G. 1990: 

Zoned garnets and their equilibria in mica schists and gneisses of 

Kohút crystalline complex, Hnúšťa region, Western Carpathians. 

Geol. Zborn. Geol. Carpath. 41, 99–124. 

Mange M.A. & Maurer H. 1992: Heavy minerals in the study of sedi-

ments: their application and limitations. In: Mange M.A. & 

Maurer H. (Eds.): Heavy Minerals in Colour. Springer, 4–10.

Mange M.A. & Morton A.C. 2007: Geochemistry of Heavy Minerals. 

In: Mange M.A. & Wright D.T., (Eds.): Heavy Minerals in Use. 

Developments in Sedimentology 58, Elsevier, Amsterdam,  345–391.

Marková  M.  1980:  Mineralogical,  petrographic  and  geochemical 

 investigation of Tertiary sediments of Lučenská kotlina Depres-

sion. D. Štúr Inst. Geol., Bratislava (in Slovak).

Marková M. 1982: Report from mineralogical and petrographic in-

vestigation  of  samples  from  borehole  JH-1  Nižný  Skálnik,  

D. Štúr Inst. Geol., Bratislava (in Slovak).

Meinhold G. 2010: Rutile and its applications in earth sciences. Earth 

Sci. Rev. 102, 1–28.

Meinhold G., Anders B., Kostopoulos D. & Reischmann T. 2008: 

 Rutile chemistry and thermometry as provenance indicator: 

an example from Chios Island,  Greece. Sediment. Geol. 203, 

98–111.

Méres  Š.  2008:  Garnets  —  important  informations  resource  about 

source area and parental rocks of the siliciclastic sedimentary 

rocks. In: Jurkovič L. (Ed.): Conference “Cambelove dni 2008”, 

Abstract Book, Comenius Univ., Bratislava, 37–43 (in Slovak).

Méres Š. & Hovorka D. 1989: Metamorphic development of gneisses 

in  the  Suchý,  Malá  Magura  and  Malá  Fatra  Mts.  (Central 

 Slovakia).  Miner. Slov. 21, 203–216 (in Slovak).

Méres Š. & Hovorka D. 1991: Geochemistry and metamorphic evolu-

tion of the Kohút crystalline complex mica schists (the Western 

Carpathians). Acta Geol. Geogr. Univ. Com. Geol. 47, 15–66.

Méres Š., Ivan P. & Hovorka D. 2000: Garnet-pyroxene metabasites 

and antigorite serpentinites — evidence of the leptyno-amphibo-

lite complex in the Branisko Mts. (Tatric Unit, central Western 

Carpathians). Miner. Slov. 32, 479–486.

Miháliková A. & Šímová M. 1989: Geochemistry and petrology of 

Miocene-Pleistocene alkali basalts of Middle and South 

 Slovakia.  Záp. Karpaty Ser. Geol. 12, 7–142 (in Slovak).

Miyashiro A. & Shido F. 1973: Progressive compositional change of 

garnet in metapelite. Lithos 6, 13–20.

Morton A.C. 1985: Heavy minerals in provenance studies.  In:  

Zuffa G.G. (Ed.): Provenance of Arenites. Reidel, Dordrecht, 

249–277.

Morton A.C. & Hallsworth C.R. 2007: Stability of detrital heavy min-

erals during burial diagenesis. In: Mange M.A., Wright D.T. 

(Eds.): Heavy minerals in Use. Developments in Sedimentology 

58, Elsevier, Amsterdam, 215–245.

Morton A.C., Hallsworth C. & Chalton B. 2004: Garnet compositions 

in Scottish and Norwegian basement terrains: a framework for 

interpretation of North Sea sandstone provenance. Mar. Petrol. 

Geol. 21, 393–410.

Murad E., Cashion J.D., Noble C.J. & Pilbrow J.R. 1995: The chemi-

cal state of Fe in rutile from an albitite in Norway. Mineral. Mag

59, 557–560.

Nandi K. 1967: Garnets as indices of progressive regional metamor-

phism. Mineral. Mag. 36, 89–93. 

Ohsaka, T., Izumi, F. & Fujiki, Y., 1978. Raman spectrum of anatase, 

TiO

2

J. Raman Spectrosc. 7, 321–324.

Oszczypko N. & Salata D. 2005: Provenance analyses of the Late 

Cretaceous–Palaeocene deposits of the Magura Basin (Polish 

Western Carpathians) – evidence from a study of heavy  minerals. 

Acta Geol. Pol. 55, 237–267. 

Pécskay Z., Lexa J., Szakács A., Seghedi I., Balogh K., Konečný V., 

Zelenka T., Kovacs M., Póka T., Fülöp A., Márton E., Panaiotu C. 

& Cvetković V. 2006: Geochronology of Neogene magmatism 

in the Carpathian arc and intra-Carpathian area. Geol. Carpath. 

57, 511–530.

Planderová  E.  1986:  Biostratigraphic  evaluation  of  sediments  

of  the  Poltár  Formation.  Geol. Práce Správy  84,  113–118  (in 

Slovak).

Plašienka D., Grecula P., Putiš M., Kováč M. & Hovorka D. 1997: 

Evolution and structure of the Western Carpathians: An over-

view. In: Grecula P., Hovorka D. & Putiš M. (Eds.): Geological 

Evolution of the Western Carpathians. Miner. Slov. Monogr.

Geocomplex, Bratislava, 1–24.

Plašienka D., Janák M., Lupták B., Milovský R., Frey M. 1999: Kine-

matics and Metamorphism of Cretaceous Core Complex: 

 

the Veporic Unit of the Western Carpathians. Phys. Chem.  

Earth (A) 24, 8, 651–685.

Porto, S.P.S., Fleury, P.A. & Damen, T.C. 1967: Raman spectra of 

TiO

2

, MgF

2

, ZnF

2

, FeF

2

, and MnF

2

Phys. Rev. 154, 522–526.

Preston R.J., Hartley A., Hole M.J., Buck S., Bond J., Mange- 

Rajetzky M. & Still J. 1998: Integrated whole-rock trace ele-

ment geochemistry and heavy-mineral chemistry studies: aids to 

the correlation of continental red-bed reservoirs in the Beryl 

Field, U.K. North Sea. Petrol. Geosci. 4, 7–16.

Preston J., Hartley A., Mange-Rajetzky M., Hole M.J., May G. & 

Buck S. 2002: The provenance of Triassic continental sand-

stones from the Beryl Field, northern North Sea: mineralogical, 

geochemical, and sedimentological constraints. J. Sedim. Res. 

72, 18–29.

Rankenburg K., Lassiter J.C. & Brey G.P. 2004: Origin of megacrysts 

in volcanic rocks of the Cameroon Volcanic Chain — Constraints 

on magma genesis and crustal contamination. Contrib. Mineral. 

Petrol. 147, 129–144.

Rice C., Darke K. & Still J. 1998: Tungsten-bearing rutile 

 

from the Kori Kollo gold mine, Bolívia. Mineral. Mag. 62,  

421–429.

Rollinson H. R. 1999: Petrology and geochemistry of metamorphosed 

komatiites and basalts from the Sula Mountains Greenstone Belt, 

Sierra Leone. Contrib. Mineral. Petrol. 134, 86–101.

Sabeen H. M., Ramanujam N. & Morton A.C. 2002: The provenance 

of garnet: constraints provided by studies of coastal sediments 

from southern India. Sediment. Geol. 152, 279–287.

background image

29

DETRITAL GARNETS AND RUTILES FROM BASALTIC PYROCLASTIC ROCKS OF SOUTHERN SLOVAKIA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2018, 69, 1, 17–29

Sabol M., Balogh K., Ďurišová A., Elečko M., Hensel K., Holec P., 

Hudáčková  N.,  Janštová  M.,  Kernátsová  J.,  Klembara  J., 

Konečný P., Konečný V., Pipík R., Slamková M., Sitár V., Túnyi 

I. & Vass D. 2004: Early Villanyian site of Hajnáčka I (southern 

Slovakia).  Gemer-Malohont Musem,  Rimavská  Sobota, 

 Comenius Univ., Bratislava, 143 p.

Šarinová K. 2008: Identification of the source rocks of detrital garnets 

by their chemical composition (Western Carpathians, Slovakia). 

Miner. Slov. 40, 33-44.

Scott K.M. 2005: Rutile geochemistry as a guide to porphyry Cu–Au 

mineralization, Northparkes, New South Wales, Australia. 

 Geochem. Explor. Env. A 5, 247–253.

Skewes M.A. & Stern C.R. 1979: Petrology and geochemistry of 

 alkali basalts and ultramafic inclusions from the Pali-Aike 

 Volcanic Field in Southern Chile and the origin of Patagonian 

Plateau lavas, J. Volcanol. Geotherm. Res. 6, 3–25.

Smith D. & Perseil E.A. 1997: Sb-rich rutile in the manganese 

 

concentrations at St. Marcel-Praborna, Aosta Valley, Italy, 

 petrology and crystal-chemistry. Mineral. Mag. 61, 655–669.

Snopková, P. & Bajaník, Š. 1979: Evidence of Devonian (givetian– 

frasnian) in borehole FV-1 Blhovce. Geol. Práce Správy 72, 

7–17 (in Slovak).

Spišiak J. & Hovorka D. 1985: Two types of garnet-bearing amphi-

bolites from Klátov Group. Miner. Slov. 17, 167–174.

Suggate S.M. & Hall R. 2014: Using detrital garnet compositions to 

determine provenance: a new compositional database and proce-

dure. In: Scott R.A., Smyth H.R., Morton A.C. & Richardson N. 

(Eds.): Sediment Provenance Studies in Hydrocarbon Exploration 

and Production. Geol. Soc. London Spec. Publ. 386,   373–393.

Tomkins H.S., Powell R. & Ellis D.J. 2007: The pressure dependence 

of the zirconium-in-rutile thermometer. J. Metamorph. Geol. 25, 

703–713.

Tompsett, G.A., Bowmaker, G.A., Cooney, R.P., Metson, J.B., 

 Rodgers, K.A. & Seakins, J.M. 1995: The Raman spectrum of 

brookite, TiO

2

 (Pbca, Z=8). J. Raman Spectrosc. 26, 57–62.

Triebold S., von Eynatten H., Luvizotto G.L. & Zack T. 2007:  Deducing 

source rock lithology from detrital rutile geo chemistry: an exam-

ple from the Erzgebirge, Germany. Chem. Geol. 244, 421–436.

Vass D. & Bajaník Š. 1988: Structural Borehole FV-1 (Blhovce). Reg. 

Geol. Záp. Karpát 23, 1–86.

Vass  D.  &  Elečko  M.  1992:  Explanation  to  the  gological  map  

of Lučenská kotlina Depression and Cerová vrchovina Upland. 

D. Štúr Inst. Geol., Bratislava, 1–196 (in Slovak).

Vass D. & Kraus I. 1985: Two basalts of different age in southern 

Slovakia and their relation to the Poltár Formation. Miner. Slov. 

17, 435–440 (in Slovak).

Vass D., Elečko M. & Bodnár J. 1981: Tectonics of Rimavská kotlina 

Depression. Geol. Práce Spr. 75, 77–90.

Vass D., Elečko M. & Konečný V. 2007: Geology of Lučenská kotlina 

Depression and Cerová vrchovina Upland. D. Štúr Inst. Geol.

Bratislava, 1–117 (in Slovak).

von Eynatten H. & Gaupp R. 1999: Provenance of Cretaceous syn-

orogenic sandstones in the Eastern Alps: constraints from frame-

work petrography, heavy mineral analysis and mineral  chemistry. 

Sediment. Geol. 124, 81–111. 

Vozárová  A.  1993:  Pressure-temperature  conditions  of  metamor-

phism in the northern part of the Branisko Crystalline Complex. 

Geol. Carpath. 44, 219–232.

Vozárová A. & Faryad S.W. 1997: Petrology of Branisko crystalline 

rock  complex.  In:  Grecula  P.,  Hovorka  D.  &  Putiš  M.  (Eds.): 

Geological Evolution of the Western Carpathians. Miner. Slov. 

Monogr., Bratislava, 343–350.

Vozárová A. & Vozár J. 1988: Late Paleozoic in West Carpathians.  

D. Štúr Inst. Geol., Bratislava, 1–314. 

Watson E.B., Wark D.A. & Thomas J.B. 2006: Crystallization ther-

mometers for zircon and rutile. Contrib. Mineral. Petrol. 151, 

413–433.

Zack T., Kronz A., Foley S.F. & Rivers T. 2002: Trace element abun-

dances in rutiles from eclogites and associated garnet mica 

schists. Chem. Geol. 184, 97–122.

Zack T., von Eynatten H.V. & Kronz A. 2004a: Rutile geochemistry 

and its potential use in quantitative provenance studies.  Sediment. 

Geol. 171, 37–58.

Zack T., Moraes R. & Kronz A. 2004b: Temperature dependence of Zr 

in rutile: empirical calibration of a rutile thermometer. Contrib. 

Mineral. Petrol. 148, 471–488.