I. Ribeiro da Costa* & F.J.A.S. Barriga*

*Departamento de Geologia da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa e CREMINER / LA-ISR

Campo Grande – Edificio C6, Piso 4. 1749-016 Lisboa, Portugal – Telefone: 21.7500320.

e-mails: isabelrc@fc.ul.pt e fbarriga@fc.ul.pt

Resumo

Os serpentinitos aflorantes em zonas de falhas não-transformantes no sector Açoreano da Crista Média Atlântica apresentam aspectos texturais, mineralógicos e cristaloquímicos que permitiram caracterizar o manto superior subjacente a este sector e confirmar a influência do hotspot dos Açores nessa região.

O estudo de manto superior serpentinizado aflorante nas áreas Rainbow e Saldanha, neste sector da Crista Média Atlântica, pôs em evidência esses aspectos: a abundância de texturas pseudomórficas e a mineralogia relíquia (Fo_olivina = 87-92, En_piroxena = 89-92, Cr#_espinela = 46-52) indicam um protólito refractário correspondente a um harzburgito com espinela, pontualmente associado a dunitos e harzburgitos tectonizados com anfíbola. O carácter refractário destas rochas ultramáficas e o metassomatismo anfibolítico, coadjuvados pelos dados termobarométricos obtidos por RIBEIRO DA COSTA et al. (2006), são consistentes com fusão parcial significativa do Manto Superior e com actividade metassomática intensificada nas proximidades do hotspot dos Açores, tal como sugerem estudos anteriores neste sector da Crista Média Atlântica.

The upper mantle beneath the Mid-Atlantic Ridge in the Azores sector

Abstract

Low magma flow and significant crustal-scale extensional tectonics characterize the Mid-Atlantic Ridge (MAR), favouring seawater circulation down to the upper-mantle and fault-related exposures of serpentinized upper-mantle peridotite (e.g., FRANCIS, 1981; CANNAT, 1993; TUCHOLKE & LIN, 1994; ESCARTÍN & CANNAT, 1999). Samples of such serpentinized ultramafic rocks were collected on two locations of the Azores sector of the MAR: the Rainbow hydrothermal field (36°14'N), and the Saldanha massif (36°34'N).

Textural, mineralogical and crystalchemical features of such serpentinite outcrops from non-transform offsets in the Azores area of the Mid-Atlantic Ridge (MAR) have provided enough evidence to identify their protolith and to characterize the upper mantle beneath this oceanic sector, confirming the relevance of the Azores hotspot on the nature of this mantle sector.

Serpentinized upper mantle exposures on the Rainbow and Saldanha hydrothermal fields, located in the Azores sector of the Mid-Atlantic Ridge (MAR), exhibit pseudomorphic textures and relict mineralogy (Fo_olivine = 87-92, En_pyroxene = 89-92, Cr#_spinel = 46-52) indicative of a dominant refractory spinel-harzburgite protolith, occasionally accompanied by minor dunites and strongly tectonized amphibole-bearing harzburgites. The refractory nature of these ultramafics and modal amphibole metasomatism are consistent with a significant extent of upper mantle partial melting and metasomatic activity on approaching the Azores hotspot, as suggested by previous studies in the area (e.g., MICHAEL & BONATTI, 1985; BONATTI & MICHAEL, 1989; JUTEAU et al., 1990; MÉVEL et al., 1991). Moreover, mantle oxygen fugacities estimated by oxygen barometry in the relict mineralogy of the Rainbow and Saldanha rocks, considering likely harzburgite depths for mantlemelt segregation temperatures of 1200-1330°C (RIBEIRO DA COSTA et al., 2006), also match the data and interpretations of those authors for the upper-mantle beneath the Azores sector of the MAR.

Keywords: Refractory harzburgitic oceanic mantle, thermo-barometry, Mid-Atlantic Ridge (MAR).

INTRODUÇÃO

A Crista Média Atlântica (CMA) caracteriza-se por baixo fluxo magmático e importante tectónica distensiva à escala crustal, favorecendo a circulação de água do mar até ao Manto superior e, muitas vezes, a exumação de peridotito mantélico serpentinizado associada a grandes acidentes tectónicos (e.g., Francis, 1981; Cannat, 1993; Tucholke & Lin, 1994; Escartín & Cannat, 1999), tal como ocorre nalguns locais no sector Açoreano da CMA, nomeadamente nos campos hidrotermais Rainbow (36°14’N) e Saldanha (36°34’N), em foco no presente trabalho.

Evidências de carácter textural, mineralógico e geoquímico permitiram a identificação dos protólitos destes serpentinitos. Estas evidências, e os dados obtidos através de cálculos geotermobarométricos mais recentes (Ribeiro da Costa et al., 2006) com base na mineralogia relíquia destas rochas, permitiram estimar a profundidade do protólito peridotítico no manto superior oceânico e as fugacidades de oxigénio nessas condições. Os resultados do presente trabalho são também confrontados com as interpretações de outros autores que levaram a cabo estudos afins neste sector especial da CMA.

As amostras utilizadas neste estudo foram recuperadas durante as missões oceanográficas FLORES (1997), SALDANHA (1998) e IRIS (2001).

ENQUADRAMENTO GEOTECTÓNICO

A anomalia de fluxo magmático associada ao hotspot dos Açores situa-se 100-200 km a leste da CMA, perto da ilha do Faial (Georgen & Lin, 2002, e referências inclusas) e é responsável por gradientes térmicos, batimétricos, geoquímicos e gravíticos significativos numa extensão de 1500-2000 km ao longo da CMA, que afectam em particular o sector 38°N – 40°N desta Crista (e.g., Michael & Bonatti, 1985; Detrick et al., 1995; Fouquet et al., 1997; Georgen & Lin, 2002; Moreira & Allègre, 2002).

Os campos hidrotermais Rainbow e Saldanha situam-se no sector da CMA entre a Zona de Fractura do Pico e a Zona de Fractura Oceanographer, constituído por vários segmentos menores ligados por descontinuidades não-transformantes com desligamento esquerdo (Detrick et al., 1995; Cannat et al., 1999; Fig. 1). A actividade magmática escassa (e.g., Tucholke & Lin, 1994) e a tectónica distensiva intensa (Detrick et al., 1995; Cannat et al., 1999) tornam estas descontinuidades não-transformantes favoráveis à exumação e ao afloramento de manto superior (mais ou menos serpentinizado e tectonizado) e de rochas da crusta inferior oceânica (gabros e doleritos).

– Regional-scale bathymetric and tectonic map of the MAR between 33°N and 40°N, based on data collected during campaign SIGMA (after NEEDHAM et al., 1992, in DETRICK et al., 1995): 19 spreading segments and numerous smaller non-transform discontinuities have been identified between the Oceanographer and Hayes Fracture Zones. Inset shows tectonic geometry of the Azores Triple Junction (after SEARLE, 1980, in DETRICK et al., 1995).

É neste tipo de enquadramento que se localizam os dois campos hidrotermais, ambos em encaixante ultramáfico:

– o campo hidrotermal Rainbow (36°14’N 33°54’W), detectado em 1996 (German et al., 1996) e inicialmente estudado durante a missão FLORES (Barriga et al., 1997), ocupa um dos extremos da descontinuidade não-transformante AMAR/AMAR Sul (German et al., 1996; Fouquet et al., 1997, Fouquet & Scientific Party, 1997); a cobertura sedimentar é extensa, mas são raras as ocorrências vulcânicas;

– o campo hidrotermal Saldanha (36°34’N 33º26’W), descoberto em 1998 durante a missão SALDANHA (Barriga et al., 1999), situa-se no sector leste da descontinuidade não-transformante FAMOUS/AMAR (Needham et al., 1992; Gràcia et al., 1997, 2000; Parson et al., 2000; Costa, 2001; Miranda et al., 2003); esta ocorrência corresponde a uma secção exposta de manto superior serpentinizado, onde rochas ultramáficas, basálticas e gabróicas, variavelmente metassomatizadas, formam uma mélange tectónica heterogé­nea, entre a cobertura sedimentar abundante (Barriga et al., 1999; Costa, 2001; Miranda et al., 2003).

A circulação hidrotermal nestes dois campos hidrotermais é naturalmente muito favorecida pela sua localização em domínios tectonicamente complexos, controlados por falhas (German et al., 1996; Fouquet et al., 1997; Parson et al., 2000; Gràcia et al., 1997, 2000; Barriga, 1999; Costa, 2001; Miranda et al., 2003).

PROCEDIMENTOS ANALÍTICOS

As análises da mineralogia relíquia existente nos serpentinitos Rainbow e Saldanha foram realizadas por micro-sonda electrónica, em dois equipamentos: na micro-sonda JEOL JCXA-733 do Centro de Geologia (Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa) e na micro-sonda CAMEBAX-CAMECA do Laboratório Nacional de Energia e Geologia (S. Mamede de Infesta, Porto).

Padrões utilizados na análise das olivinas e piroxenas: olivina (Si, Mg, Ni, and Fe), distena (Al), wollastonite (Ca), kaersutite (Ti), rodonite (Mn), Cr-metal (Cr), Cu-metal (Cu) e Co-metal (Co), na micro-sonda JEOL; MgO (Mg), ortose (Al and Si), andradite (Ca), MnTiO3 (Mn and Ti), Cr2O3 (Cr), Fe2O3 (Fe), Co-metal (Co), Ni-metal (Ni) e Cu-metal (Cu), na micro-sonda CAMECA.

Padrões usados na análise das espinelas cromíferas: espinela (Al and Mg), magnetite (Fe), ilmenite (Ti), Cr-metal (Cr), na micro-sonda JEOL; MgO (Mg), ortose (Al), MnTiO3 (Mn and Ti), Cr2O3 (Cr), Fe2O3 (Fe), Ni-metal (Ni) e esfalerite (Zn), na micro-sonda CAMECA.

As fórmulas estruturais das olivinas e das piroxenas foram determinadas assumindo o número de oxigénios caracterizando a estequiometria desses minerais e ocupação completa das posições aniónicas nas estruturas.

As fórmulas estruturais das espinelas cromíferas foram determinadas assumindo ocupação completa das posições aniónicas e das posições dos catiões trivalentes, permitindo assim uma distribuição ideal do Fe3+ and Fe2+ na estrutura, para um dado teor de Fe total: o cálculo é iterativo e prossegue até ambas as condições estarem asseguradas; para as espinelas cromíferas da CMA, obteve-se boa convergência após 4-5 iterações. O método, desenvolvido por J. Figueiras e A. Mateus (pers. commun.) foi previamente validado por estudos de espectroscopia de Mössbauer (Waerenborgh et al., 2002).

Os dados de química de rocha-total apresentados neste trabalho foram obtidos nos laboratórios ACTLABS (Ancaster, Canada), por ICP-fusão (elementos maiores) e INAA – activação neutrónica (Cr, Ni, Zn, As, and REE).  

RESULTADOS

Evidências texturais

Apesar da sua intensa serpentinização, cerca de 75% dos serpentinitos amostrados apresentam texturas pseudomórficas reconhecíveis, tornando possível inferir a mineralogia original destas rochas. Predominam os pseudomorfos de olivina, formando a bem conhecida textura reticulada de serpentina (textura “mesh”; Fig. 2a) ou as suas derivadas, o que permite deduzir que a olivina constituía mais de 80% dos peridotitos originais. Na maior parte das amostras, ocorrem também “bastites” resul­tantes da serpentinização de ortopiroxena (de acordo com os critérios definidos por Dungan, 1979; Fig. 2b); estes pseudomorfos, em proporções modais variáveis, que não ultrapassam 20%, são texturalmente mais estáveis do que os de olivina; as relíquias de ortopiroxena são raras.

Fig. 2 – (a)-(c) Fotomicrografias da mineralogia relíquia nos serpentinitos estudados: (a) fragmentos de olivina relíquia envolvidos por serpentina reticulada pseudomórfica (amostra FL-02-04; polaróides cruzados); (b) ortopiroxena parcialmente pseudomorfizada por serpentina-bastite (amostra FL-08-12; polaróides cruzados); (c) Relíquias de espinela de Cr (amostra FL-02-04; luz plano-polarizada). (d) Mapa de raios-X (para o Fe) de um grão de espinela de Cr.

– (a)-(c) Photomicrographs of the relic mineralogy observed in the sampled serpentinites: (a) olivine relic fragments within mesh serpentine (sample FL-02-04; crossed polars); (b) orthopyroxene partly replaced by bastite serpentine (sample FL-08-12; crossed polars); (c) Cr-spinel relics (sample FL-02-04; plane-polarized light). (d) X-ray map of Cr-spinel grain showing Cr variation.

Minerais-relíquia

Alguns dos serpentinitos estudados retêm pequenas relíquias de olivina e ortopiroxena envolvidas pelas respectivas texturas pseudomórficas. As análises obtidas por micro-sonda electrónica (Tabela 1(a)) revelaram que ambos os silicatos-relíquia têm composições muito magnesianas (Fo_87-92 para a olivina, En_89-92 para a ortopiroxena), com a ortopiroxena a apresentar altos teores em Cr (0.69–0.91 % Cr₂O₃) e baixos teores de Al (2.07-2.68 % Al₂O₃).

TABELA 1 (a)

Electron microprobe analyses and calculated cation proportions for relic olivine and orthopyroxene from the Rainbow and Saldanha serpentinites, and for metasomatic amphibole from the Saldanha tectonized peridotites.

A cromite primária, razoavelmente bem preservada, é um mineral acessório ubíquo na maioria destes serpentinitos (Fig. 2c). Esta espinela cromífera apresenta as seguintes variações composicionais: #Cr=45-65, #Fe=30-50 (dados mais detalhados na (Tabela 1(b)). Tal como se verifica para as relíquias dos silicatos, as relíquias de cromite retêm composições originais bastante homogéneas, embora as análises de micro-sonda electrónica e os mapas de raios-X (Fig. 2d) efectuados nalguns grãos de cromite revelem alguma oxidação no bordo mais exterior, onde se regista enriquecimento relativo em Cr, Fe³⁺ e Fe²⁺ e perda de Mg e Al (ferritcromite: Cr # = 53-95; Fe # = 39-90), idênticos aos descritos para muitas outras cromites associadas a peridotitos serpentinizados (e.g., Beeson & Jackson, 1969; Onyeagocha, 1974; Kimball, 1990; Tesalina et al., 2003).

TABELA 1 (b)

Composição (analisada por micro-sonda electrónica) e proporções catiónicas de cromites-relíquia dos serpentinitos Rainbow e Saldanha.

Electron microprobe analyses and calculated cation proportions for relic chromite from the Rainbow and Saldanha serpentinites.

Alguns harzburgitos granoblásticos tectonizados do campo Saldanha (SAL-09-05B/C; Ribeiro da Costa, 2005) incluem bandas ricas em hornblenda titanífera (Tabela 1(a)): embora haja registo de ocorrências de veios anfibolíticos em peridotitos serpentinizados das zonas de intersecção da CMA com a Zona de Fractura Kane (Mével et al., 1991) e com a falha transformante Vema (Cannat & Seyler, 1995), atribuindo-se essa anfíbola à substituição de piroxena durante processos hidrotermais decorrentes em níveis profundos da litosfera, a composição da hornblenda encontrada nestes harzburgitos serpentinizados do campo Saldanha, nomeadamente os seus teores particularmente elevados em TiO₂ e baixos em Cr₂O₃ (Tabela 1(a)) sugerem que estas ocorrências resultem antes de metassomatismo mantélico.

Geoquímica de rocha total

A composição dos peridotitos subjacentes a este sector da CMA, inferida através dos serpentinitos estudados (Tabela 2), caracteriza-se por teores elevados de Mg e muito baixos de Al, e um empobrecimento geral em todos os metais-traço, com excepção do Ni e do Cr, como é expectável em harzburgitos com espinela. É evidente a semelhança entre as análises das rochas dos campos Rainbow e Saldanha, devidamente corrigidas para uma base anidra e sem fracção carbonatada (Tabela 2), e as composições de outros harzburgitos da CMA (Michael & Bonatti, 1985; Juteau et al., 1990).

É também interessante constatar que, na ausência de processos metassomáticos subsequentes, a serpentinização não parece ter afectado significativamente os padrões típicos de terras-raras dos harzburgitos (Fig. 3; Ribeiro da Costa, 2005), que mantêm o perfil tipicamente côncavo destas rochas ultramáficas (Frey, 1984; Gruau et al., 1998).

TABELA 2

Composição dos peridotitos serpentinizados dos campos hidrotermais Rainbow e Saldanha: os elementos maiores foram recalculados numa base anidra e sem carbonatos. As análises de harzburgitos médios da CMA de MICHAEL & BONATTI (1985)(1) e de JUTEAU et al. (1990)(2) são apresentadas para comparação.

Whole-rock composition of the Rainbow and Saldanha serpentinized peridotites: major elements recalculated on a carbonate-free, anhydrous basis. Average MAR harzburgite analyses from MICHAEL & BONATTI (1985)(1) e de JUTEAU et al. (1990)(2) are shown for comparison.

DISCUSSÃO

O protólito ultramáfico

As evidências apresentadas na secção anterior indicam que os serpentinitos Rainbow e Saldanha correspondem a harzburgitos mantélicos serpentinizados. O facto de terem sido frequentemente amostrados próximo de gabros, doleritos e basaltos, como no caso das amostras recolhidas no campo Saldanha, sugere que estas rochas pertencem aos níveis peridotíticos mais superiores do manto oceânico (Michael & Bonatti, 1985).

Este protólito harzburgítico residual, pontualmente associado a rochas duníticas, tem paralelo noutras ocorrências de manto superior oceânico serpentinizado e exumado em cristas oceânicas (e.g., Michael & Bonatti, 1985; Mével et al., 1991) e nas evidências observadas em ofiolitos (e.g., Spray, 1991; Coulton et al, 1995; Boudier & Nicolas, 1995). São particularmente relevantes as semelhanças geoquímicas e mineralógicas entre o protólito ultramáfico nas zonas Rainbow e Saldanha e o harzburgito espinelífero inferido como protólito dos serpentinitos de zonas de fractura no sector 34°-45°N da CMA e caracterizado por elevadas razões modais olivina/ortopiroxena, silicatos-relíquia muito magnesianos, altos teores de Cr e baixos teores de Al na espinela e na ortopiroxena, ausência de clinopiroxena, e uma depleção generalizada de elementos-traço (Michael & Bonatti, 1985; Bonatti & Michael, 1989; Juteau et al., 1990).

Fig. 3 – Padrões de elementos das terras-raras, com normalização condrítica para alguns serpentinitos dos campos Rainbow e Saldanha que não sofreram processos hidrotermais subsequentes à serpentinização (dados de RIBEIRO DA COSTA, 2005).

– Chondrite-normalized REE patterns for a few serpentinites from the Rainbow and Saldanha fields which have not gone through subsequent hydrothermal processes (data from RIBEIRO DA COSTA, 2005).

O manto subjacente às áreas Rainbow e Saldanha: seu comportamento e posição

Os aspectos descritos são típicos de peridotitos oceânicos residuais, altamente refractários, que foram submetidos a graus de fusão parcial consideráveis e temperaturas mantélicas elevadas (Michael & Bonatti, 1985; Bonatti & Michael, 1989; Johnson et al., 1990). Na realidade, vários estudos (e.g., Jaques & Green, 1980; Michael & Bonatti, 1985; Bonatti & Michael, 1989; Hellebrand et al., 2001) mostraram que os peridotitos mantélicos subjacentes à região 34°-45°N são mais refractários do que os peridotitos de outras zonas da CMA, provavelmente devido a um maior grau de fusão parcial (envolvendo taxas de fusão parcial 10 a 15% mais elevadas do que para peridotitos menos refractários), relacionado com a proximidade da anomalia térmica e química responsável pelo hotspot dos Açores (Michael & Bonatti, 1985; Johnson et al., 1990). De facto, os números de Cr elevados da espinela (#Cr= 45-65) e da ortopiroxena (#Cr = 17-19) dos harzburgitos serpenti­nizados provenientes dos campos Rainbow e Saldanha sugerem graus de fusão parcial de acima de  20-25%, de acordo com as calibrações apresentadas por Bonatti et al. (2003).

A ocorrência de peridotitos harzburgíticos nestas zonas de expansão oceânica é favorecida pela posição da astenosfera em níveis relativamente próximos da superfície (Spray, 1991), onde a crusta oceânica se encontra distendida e adelgaçada graças a tectónica intensa e à baixa produção magmática (e.g., Tucholke & Lin, 1994; Detrick et al., 1995; Cannat et al., 1999).

Mais recentemente, as paragéneses-relíquia dos serpentinitos dos campos Rainbow e Saldanha foram usadas para estimar alguns parâmetros petrológicos, nomeadamente temperaturas de equilíbrio e fugacidades de oxigénio do manto superior a essas temperaturas (Ribeiro da Costa et al., 2006): recorrendo à composição de um basalto (de tipo N-MORB) desta região da CMA, foram estimadas temperaturas de saturação da olivina da ordem de 1200-1300ºC; os cálculos geobarométricos baseados nestas temperaturas indicam pressões de 12-14 kbar, correspondentes a profundidades de aprox. 39-45 km, para estes harzburgitos mantélicos. Estes valores estão em boa concordância com a ocorrência, em zonas de expansão oceânica, de fusão parcial em níveis relativamente pouco profundos do manto, a pressões entre 10 e 15 kbar (McKenzie & Bickle, 1988).

Os cálculos de fugacidade de oxigénio levados a cabo no mesmo trabalho (Ribeiro da Costa et al., 2006), para as temperaturas e pressões estimadas, revelaram condições redutoras a moderadamente redutoras (DQFM = –4.13 to –1.65) para o manto harzburgítico subjacente aos campos Rainbow e Saldanha, como é típico do manto superior oceânico (e.g., Dick & Bullen, 1984).

Por outro lado, as fugacidades de oxigénio do manto obtidas para as amostras de peridotito com anfíbola do campo Saldanha (DQFM = + 1.13; Ribeiro da Costa et al., 2006) sugerem que esses peridotitos equilibraram sob condições mais oxidantes, provavelmente associadas a metassomatismo mantélico (Balhaus et al., 1991), como referido atrás. Tal é confirmado pelos teores ligeiramente mais baixos de Mg na olivina e na ortopiroxena e pela presença de anfíbola rica em Ti, nestas rochas (Tabela 1(a)).

As fugacidades de oxigénio obtidas por Ribeiro da Costa et al. (2006) são corroboradas pela composição da espinela, confirmando que as razões Fe³⁺/SFe e Cr/SR³⁺ das espinelas mantélicas são bons indicadores da fugacidade de oxigénio do manto (Hill & Roeder, 1974): os teores elevados de Cr (Cr# = 45-65) e as razões Fe³⁺/SFe muito baixas (Fe³⁺ < 0.04 átomos por unidade de fórmula, para 4 átomos de oxigénio; (Tabela 1(b)) que caracterizam as espinelas cromíferas primárias destes serpentinitos da CMA sugerem baixas fugacidades de oxigénio na secção do manto superior onde se formaram.

CONCLUSÕES

As características refractárias das rochas ultramáficas estudadas (olivina e ortopiroxena com altos teores em Mg, e espinela cromífera) e o metassomatismo anfibolítico são consistentes, respectivamente, com fusão parcial significativa do manto superior e actividade metassomática nas proximidades do hotspot dos Açores, como sugerem também estudos prévios nesta área.

Cálculos termobarométricos baseados na mineralogia-relíquia dos serpentinitos estudados (Ribeiro da Costa et al., 2006) permitiram inferir que os harzburgitos desta zona da Crista Média Atlântica deveriam situar-se a profundidade aproximada de 39-45 km no Manto Superior oceânico (12-14 kb), sob condições moderadamente redutoras, embora localmente pudessem estar sujeitos a processos de metassomatismo mantélico e a condições mais oxidantes.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi co-financiado pelo projecto SEAHMA (PDCTM-POCTI/MAR-15281-1999), do Programa PDCTM (FCT) e pelo CREMINER: POCT-ISFL-5-518/FEDER.

Merecem especial reconhecimento as equipas científicas das missões FLORES, SALDANHA e IRIS, responsáveis pela recolha das amostras usadas neste estudo e pela sua identificação preliminar, e os colegas Octávio Chaveiro (Centro de Geologia, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa), João Farinha Ramos, Jorge Ferreira e Fernando Santos (Laboratório Nacional de Energia e Geologia, S. Mamede de Infesta, Porto), pela assistência na obtenção de análises e de mapas de raios-X por micro-sonda electrónica.

Os autores agradecem também a João Mata, Pedro Madureira e Filipa Marques a revisão cuidadosa do manuscrito e as sugestões apresentadas para o melhorar.

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