Petrologic and geochemical characterization of São Jorge island volcanism, Azores

Abstract

The island of São Jorge (38º 45’ 24’’ N - 28º 20’ 44’’W and 38º 33’ 00’’ N - 27º 44’ 32’’ W) is one of the nine islands of the Azores Archipelago that is rooted in the Azores Plateau, a wide and complex region which encompasses the triple junction between the American, Eurasia and Nubia plates. São Jorge Island has grown by fissural volcanic activity along fractures with the regional WNW-ESE trend, unveiling the importance of the regional tectonics during volcanic activity. The combination of the volcanostratigraphy (Forjaz & Fernandes, 1975; and Madeira, 1998) with geochronological data evidences that the island developed during two main volcanic phases. The first subaerial phase that occurred between 1.32 and 1.21 Ma ago (Hildenbrand et al. 2008) is recorded on the lava sequence forming the cliff at Fajã de São João, while the second phase started at 757 ka ago, is still active, and edified the rest of the island. This second phase edified the east side of the island that corresponds to Topo Volcanic Complex, in the period between 757 and 543 ka ago, while the west side named Rosais Volcanic Complex, started at 368 ka ago (Hildenbrand et al. 2008) and was still active at 117 ka ago. After the onset of Rosais, volcanic activity migrates to the center of São Jorge edifying Manadas Volcanic Complex. The volcanism on São Jorge is dominantly alkaline, with a narrow lithological composition ranging between the basanites/tefrites through the basaltic trachyandesites, in spite of this the two volcanic phases show distinct mineralogical, petrographic and geochemical characteristics that should be related with different petrogenetic conditions and growth rates of the island. Abstract viii During the first volcanic phase, growth rates are faster (≈3.4 m/ka), the lavas are slightly less alkaline and plagioclase-richer, pointing to the existence of a relative shallow and dynamic magma chamber where fractional crystallization associated with gravitational segregation and accumulation processes, produced the lavas of Fajã de São João sequence. The average growth rates during the second volcanic phase are lower (≈1.9 m/ka) and the lavas are mainly alkaline sodic, with a mineralogy composed by olivine, pyroxene, plagioclase and oxide phenocrysts, in a crystalline groundmass. The lavas are characterized by enrichment in incompatible trace element and light REE, but show differences for close-spaced lavas that unveil, in some cases, slight different degrees of fertilization of the mantle source along the island. These differences might also result from higher degrees of partial melting, as observed in the early stages of Topo and Rosais volcanic complexes, of a mantle source with residual garnet and amphibole, and/or from changing melting conditions of the mantle source as pressure. The subtle geochemical differences of the lavas contrast with the isotopic signatures, obtained from Sr-Nd-Pb-Hf isotopes, that São Jorge Island volcanism exhibit along its volcanic complexes. The lavas from Topo Volcanic Complex and from the submarine flank, i.e. the lavas located east of Ribeira Seca Fault, sample a mantle source with similar isotopic signature that, in terms of lead, overlaps Terceira Island. The lavas from Rosais and Manadas volcanic complexes, the western lavas, sample a mantle source that becomes progressively more distinct towards the west end of the island and that, in terms of lead isotopes, trends towards the isotopic composition of Faial Island. The two isotopic signatures of São Jorge, observed from the combination of lead isotopes with the other three systems, seem to result from the mixing of three distinct end-members. These end-members are (1) the common component related with the Azores Plateau and the MAR, (2) the eastern component with a FOZO signature and possibly related with the Azores plume located beneath Terceira, and (3) the western component, similar to Faial, where the lithosphere could have been entrained by an ancient magmatic liquid, isolated for a period longer than 2Ga. The two trends observed in the island reinforce the idea of small-scale mantle heterogeneities beneath the Azores region, as it has been proposed to explain the isotopic diversity observed in the Archipelago.

A ilha de São Jorge (38º 45’ 24’’ N - 28º 20’ 44’’W e 38º 33’ 00’’ N - 27º 44’ 32’’ W) é uma das nove ilhas do Arquipélago dos Açores que integram uma extensa e complexa estrutura, a Plataforma dos Açores, onde convergem as placas Americana, Eurasiática e Núbia que definem a junção tripla dos Açores. A ilha de São Jorge exibe características próprias, dentro do contexto açoriano, que evidenciam um vulcanismo fissural ao longo da direcção WNW-ESE, indicando uma importante interacção entre a actividade tectónica e a actividade vulcânica. A conjunção entre dados de natureza vulcanoestratigráfica (Forjaz & Fernandes, 1975; and Madeira, 1998) e geocronológica, revelam que a formação da ilha deverá ter decorrido fundamentalmente durante duas fases vulcânicas distintas. Durante a primeira fase vulcânica, entre 1,31 e 1,21 Ma (Hildenbrand et al. 2008) ter-se-á formado o empilhamento lávico sobranceiro à Fajã de São João e, há cerca de 757 Ka, provavelmente, iniciou-se a segunda fase vulcânica que foi responsável pela edificação da restante parte da ilha e que se tem mantido activa até aos nossos dias. Durante a segunda fase vulcânica, no período compreendido entre os 757 e 543 ka, terá sido edificado o Complexo Vulcânico do Topo, constituindo a zona este da ilha; enquanto que a parte oeste, englobando o Complexo Vulcânico dos Rosais, deverá ter-se começado a formar à cerca 368 ka e mantido em actividade até, pelo menos, há aproximadamente 117 ka. Depois da edificação do Complexo Vulcânico dos Rosais a actividade Resumo iv vulcânica parece ter migrado para a zona central da ilha o que conduziu à formação do Complexo Vulcânico das Manadas. O vulcanismo em São Jorge é predominantemente alcalino, apresentando uma diversidade litológica que varia entre os basanitos/tefritos e os traquiandesitos basálticos. Apesar deste pequeno espectro litológico, as duas fases vulcânicas apresentam diferentes características mineralógicas, petrográficas e geoquímicas que deverão derivar de distintas condições petrogenéticas e taxas efusivas diversas e, consequentemente, de velocidades de crescimento dos empilhamentos lávicos distintos. Durante a primeira fase vulcânica, em que a velocidade média de crescimento da ilha foi mais elevada (≈3.4 m/ka), as lavas apresentam-se ligeiramente menos alcalinas e mais enriquecidas em plagioclase. Tais factos sugerem a existência de uma câmara magmática, possivelmente, pouco profunda e bastante dinâmica, sob o empilhamento lávico da Fajã de São João, à qual estarão associados processos de cristalização fraccionada, segregação gravítica e acumulação. A velocidade média de crescimento das sequências lávicas, durante a segunda fase vulcânica, foi mais baixa (≈1.9 m/ka) e as lavas apresentam uma composição, maioritariamente, alcalina sódica em que a paragénese é representada por fenocristais de olivina, piroxena, plagioclase e óxidos. As lavas são caracterizadas por um enriquecimento em elementos traço incompatíveis e terras raras leves mas evidenciam, para lavas geograficamente próximas, diferentes níveis de enriquecimento que poderão indicar pequenas heterogeneidades na fonte mantélica. Outros factores a considerar, que eventualmente contribuem para estas assimetrias, poderão ser: (1) a ocorrência de taxas de fusão ligeiramente mais elevadas, como observado nas lavas mais antigas dos complexos vulcânicos do Topo e Rosais; (2) a presença na fonte mantélica de granada e anfíbola residuais e/ou (3) a variação nas condições de fusão da fonte, tais como, a pressão. As subtis diferenças geoquímicas acima referenciadas contrastam com as assinaturas isotópicas obtidas através dos isótopos de Sr-Nd-Pb-Hf, estando claramente impressas nas lavas dos vários complexos vulcânicos da ilha de São Jorge. As lavas do Complexo Vulcânico do Topo e do flanco submarino, i.e. as lavas localizadas a este da falha da Ribeira Seca, amostram uma fonte mantélica com uma assinatura isotópica, que em termos de chumbo é semelhante à ilha Terceira. Por outro lado, as lavas dos complexos vulcânicos dos Rosais e das Manadas, i.e. as lavas do lado oeste de São Jorge, mostram que a Petrologic and Geochemical Characterization of São Jorge Island Volcanism, Azores v fonte mantélica se torna progressivamente mais diferenciada em termos de isótopos de chumbo, sobrepondo-se à assinatura isotópica da ilha do Faial. As duas assinaturas isotópicas de São Jorge, verificada pelos isótopos de chumbo, em conjugação com os outros três sistemas isotópicos (Sr- Nd-Hf), evidenciam a contribuição de três reservatórios/componentes mantélicos para a formação das composições observadas. Estes componentes mantélicos são (1) o Componente Comum, relacionado com a Plataforma dos Açores e a Crista Média Atlântica, (2) o Componente Este, com uma assinatura FOZO e, possivelmente, relacionado com o ponto quente dos Açores localizado sob a ilha Terceira, e (3) o Reservatório Oeste, semelhante ao encontrado sob a ilha do Faial, onde a litosfera poderá ter sido impregnada por um líquido magmático antigo e isolado no manto por mais de 2Ga. Neste contexto, parece poder-se concluir que as duas assinaturas isotópicas observadas reforçam a existência de pequenas heterogeneidades sob a Região dos Açores, como tem sido proposto, por alguns autores, para explicar a diversidade isotópica observada nas ilhas do Arquipélago.