Ca-rich pyroxene from basic and silicic volcanic rocks from the Cameroon Volcanic Line (West-Africa): crystal chemistry and petrological relationships

Summary

C2/c pyroxene (Cpx) phenocrysts from basic rocks (basanite-trachyphonolite suite and alkali basalts) and differentiated CIPW Ne- and Q-normative trachytes and rhyolites occurring in the continental sector of the Cameroon Volcanic Line were investigated by single-crystal X-ray diffraction combined with electron probe microanalysis. This technique provides accurate data on site occupancy and geometric variations.

The investigated Cpx is the only liquidus Ca-rich crystallizing phase from both basic and differentiated volcanics.

Cpx from basic alkaline rocks are characterized by large V_T owing to their low Si(T), which requires high R³⁺ (Al^VI + Fe³⁺ + Cr³⁺ + Ti⁴⁺) in M1 site, due to Si-Al^IV substitution. High Ca content allows the appropriate netcharge for the overbonded O3 oxygens.

Cpx from differentiated silicic volcanics have large V_M1 related to high Fe²⁺ (M1), since Cpx crystallized from MgO-poor (< 0.5 wt%) melts at relatively low fO₂ (QFM buffer). The high Fe²⁺ (M1) causes lengthening of 〈M1-O〉, which requires shortening of T-O1 and T-O2 (i.e. high Si), irrespective of the magmatic affinity of the Cpx in SiO₂-undersaturated or oversaturated conditions. Therefore, Cpx from silicic rocks have similar (Ca + Na) contents to those formed from basic rocks, but their 〈M2-O3〉 is relatively longer, owing to the shortening of 〈T-O3〉. It follows that Cpx crystallizing from silicic melts show a relatively large V_M2 increase, which is not related to an increase in (Ca + Na).

The β-Δ_M2 (distortion parameter) relationship of Cpx indicates that the basic magmas parental to Q-normative rocks were slightly to moderately alkaline basalts and not SiO₂-undersaturated or oversaturated, while those from trachyphonolite and Ne-trachyte were distinctly more SiO₂-undersaturated (e.g. basanitic magmas).

V_cell–V_M1 relationships confirmed that the investigated Cpx phenocrysts crystallized in the crust at relatively low pressure (ca. 1–5 kbar).

Zusammenfassung

Ca-reiche Pyroxene von basischen und sauren Gesteinen der Cameroon Volcanic Line (Westafrika): Kristallchemie und petrologische Beziehungen

C2/c Pyroxenphänokristalle aus basischen Gesteinen (Basanit–Trachyphonolith-Suite und Alkalibasalte) und differenzierte CIPW Ne- und Q-normative Trachyte und Rhyolithe, die im kontinentalen Sektor der Cameroon Volcanic Line auftreten, wurden mittels Einkristall-Röntgendiffraktion, ergänzt durch Elektronenmikrosonden-Analyse, untersucht. Diese Technik ermöglicht genaue Angaben zur Besetzung der Gitterpositionen und der geometrischen Variationen.

Der untersuchte Klinopyroxen ist die einzige kristallisierende Ca-reiche Liquidusphase, sowohl in den basischen als auch in den differenzierten Vulkaniten. Klinopyroxene aus alkalischen Gesteinen sind durch große V_T, als Folge von niedrigem Si(T) und von Si-Al^VI Substitution, charakterisiert, was wiederum hohe R³⁺(Al^VI + Fe³⁺ + Cr³⁺ + Ti⁴⁺) in der M1 Position erforderlich macht. Klinopyroxene aus differenzierten sauren Vulkaniten haben ein großes V_M1. Dies steht mit hohen Fe²⁺ (M1) Gehalten in Beziehung, da Klinopyroxen aus MgO-armen (< 0.5 Gew.%) Schmelzen bei relativ niedrigem fO₂ (QFM Buffer) auskristallisierte. Die hohen Fe²⁺-Gehalte in M1 verursachen eine Verlängerung der 〈M1-O〉 Abstände, was wiederum eine Verkürzung der T-O1 und T-O2 Abstände (i.e. hohes Si) erforderlich macht, ungeachtet der magmatischen Affinität des Klinopyroxens in SiO₂-untersättigten oder -übersättigten Bedingungen. Daher haben Klinopyroxene aus sauren Gesteinen ähnliche (Ca + Na)- Gehalte wie jene aus basischen; aber ihr 〈M2-O3〉 ist, als Folge der 〈T-O3〉 Verkürzung, relativ länger. Daraus folgt, daß Klinopyroxene, die aus silikatischen Schmelzen auskristallisieren eine relativ große Zunahme in V_M2 zeigen, die aber nicht mit einer Zunahme von (Ca + Na) in Beziehung steht. Die β-Δ_M2 (Verzerrungsparameter) Beziehung zeigt, daß die basischen Magmen, die Stammagmen der Q-normativen Gesteine, leicht bis mäßig alkalische Basalte waren und nicht SiO₂-untersättigte oder -übersättigte. Jene der Trachyphonolithe und Ne-Trachyte waren deutlicher SiO₂-untersättigt (z.B. die basanitischen Magmen). Die Beziehungen von V_cell-V_M1 bestätigen, daß die Klinopyroxenphänokristalle in der Kruste bei relativ niedrigen Drucken (ca. 1–5 kbar) kristallisierten.