Alkalic magma modified by incorporation of diverse tholeiitic components: ‘Complex’ hybridization on Kahoolawe Island, Hawaii

Summary

Kahoolawe Island is a ∼ 1.4 to 1 Ma shield volcano composed of shield, caldera-fill, and postshield tholeiitic lavas, and postshield alkalic basalt and hawaiite lavas. One postshield vent erupted alkalic lavas (K₂O 1.1–1.6 wt.%) with resorbed olivines of wide compositional range (cores, Fo_86–71), resorbed Na-plagioclase (An_57–30; largely andesine) and clinopyroxene (evolved; Mg#s 76–71), and groundmass orthopyroxene (Mg# ≤62). They also contain tholeiitic gabbro xenoliths, which, as a suite, have a continuum of mineral compositions — clinopyroxene Mg#s 83–74, orthopyroxene Mg#s 83–76, and plagioclase An_69–35 (e.g., includes andesine gabbro). Lava compositions do not fall on expected ‘Hawaiian’ fractionation trends due to MgO ‘enrichment’ (e.g., CaO ∼ 7 wt.% @ MgO ∼6 wt.%). This assortment of mineral and rock components within alkalic lavas with apparent Mg enrichment is owed to a complex history that began with protracted mixing among primitive and differentiated tholeiitic magmas, probably near the end of shield building. These hybrid magmas crystallized a compositional variety of olivines that were resorbed during reservoir replenishments, and also crystallizedin situ to form orthopyroxene-bearing gabbro on reservoir walls. When magma production rates declined during the shield to postshield transition of tholeiitic to alkalic magmatism, the tholeiitic hybrids in reservoirs fractionated to yield highly evolved phases such as andesine and clinopyroxene with Mg# < 75. When postshield hawaiite magmas subsequently entered reservoirs, alkalic-tholeiitic hybridization occurred; the resulting `complex' mixture of hawaiite+tholeiitic hybrids resorbed andesine and clinopyroxene crystals and, upon eruption, entrained xenoliths of gabbro. Mass balancing suggests that the alkalic-tholeiitic hybridization involved ∼44% hawaiite mixed with a nearly equal amount of tholeiitic hybrid (MgO ∼9.5 wt.%) plus olivine and andesine. This type of complex hybridization is a logical process for magmatism associated with tholeiitic to alkalic transitions and waning magma production, and this Kahoolawe example is the first to document such mixing in Hawaiian reservoirs.

Zusammenfassung

Die Insel Kahoolawe ist ein ≈ 1.4 bis 1 Ma alter Schildvulkan, der sich aus tholeiitischen Schild-, Kaldera- und Post-Schildlaven, sowie aus alkalibasaltischen und hawaiitischen Post-Schildlaven zusammensetzt. Ein Post-Schildschlot förderte alkalische Laven (K₂O 1.1–1.6 Gew.%) mit resorbierten Olivinen, die eine breit gestreute Zusammensetzung zeigen (Kerne, Fo_86–71), resorbiertem Na-Plagioklas (An_57–30; großteils Andesin) und entwickeltem Klinopyroxen (Mg# 76–71), sowie Orthopyroxen in der Grundmasse (Mg# ≤62). Sie führen auch tholeiitische Gabbro-Xenolithe, die als Suite kontinuierliche Mineralzusammensetzungen zeigen — Klinopyroxen Mg# 83–74, Orthopyroxen Mg# 83–76 und Plagioklas An_69–35 (z.B. inklusive Andesin-Gabbro). Die Lavenzusammensetzungen folgen wegen einer Mg-„Anreicherung” (z.B. CaO≈7 Gew.% @ MgO≈6 Gew.%) nicht dem für Hawaii erwarteten Fraktionierungstrend. Diese Ansammlung von Mineral- und Gesteinskomponenten in alkalischen Laven mit scheinbarer Mg-Anreicherung geht auf eine komplexe Entwicklungsgeschichte zurück, die mit einer länger andauern Mischung von primitiven und differentierten tholeiitischen Magmen, wahrscheinlich im Endstadium der Schildbildung, begann. Diese hybriden Magmen kristallisierten Olivin variabler Zusammensetzung, der im Zuge der Reservoir-Auffüllung resorbiert wurde und kristallisierte an den Reservoir-Wändenin situ als Orthopyroxen-führende Gabbros. Als die Magmenproduktionsraten im Übergang vom tholeiitischen Schild- zum alkalischen Post-Schild-Magmatismus geringer wurden, fraktionierten die tholeiitischen Hybride in den Reservoiren und führten zur Bildung von kochentwickelten Phasen, wie Andesin und Klinopyroxen mit Mg# < 75. Die Zufuhr von Post-Schildmagmen in die Reservoire verursachte eine alkalisch-tholeiitische Hybridisierung. Die resultierende Mischung von Hawaiit-Tholeiit-Hybriden resorbierte Andesin- und Klinopyroxen-Kristalle und verfrachtete die Gabbro-Xenolithe bei der Eruption. Massenbilanzen weisen darauf hin, daß die alkalisch-tholeiitische Hybridisierung ≈ 44% Hawait, gemischt mit etwa dem gleichen Anteil an tholeiitischem Hybrid (MgO≈29.5 Gew.%) plus Olivin und Andesin, beinhaltete. Diese Art komplexer Hybridisierung ist ein logischer Prozeß von Magmatismus mit tholeiitisch-alkalischem Übergangschemismus und ausklingender Magmenproduktion und dieses Beispiel von Kahoolawe ist das erste, das derartige Mischungsprozesse für Reservoire auf Hawaii dokumentiert.