Original paper

The Olivine and Leucite Lamproite Pipes of the Ellendale Volcanic Field (Western Australia)

Stachel, Thomas

Kurzfassung

Die vulkanologische und geologische Entwicklung von zwei Olivin-Lamproit-Schloten (Ellendale 4 und 9) und zwei Leuzit-Lamproit-Schloten (Mt North und 81-Mile Vent) des miozänen Ellendale-Vulkanfeldes wurde detailliert untersucht. Bei den Schloten des Ellendale-Vulkanfeldes handelt es sich um die Diatreme phreatomagmatisch gebildeter Maarvulkane. Die Aktivität wird immer dann ausgelöst, wenn an Schwächezonen aufsteigendes Magma die Basis eines Aquifers an der Schichtgrenze zwischen impermeablen Ton- und Siltsteinen (devonische Fairfield Group) und überlagernden, schwach verfestigten Sandsteinen (permische Grant Group) erreicht. Die in den Kratern von Ellendale 4 und 9 erbohrten Tuffprofile zeigen eine deutliche Dominanz massiger massflow-Ablagerungen gegenüber base-surge-Ablagerungen. Der hohe Anteil von Quarzkörnern aus der permischen Grant Group nimmt zum Hangenden der Tuffsequenz hin deutlich ab. Im Fall von Mt North und 81-Mile Vent liegt das heutige Aufschlußniveau im tieferen Bereich der ehemaligen Kraterwände. Dort werden überwiegend base-surge-Ablagerungen beobachtet; mass-flow-Ablagerungen existieren nur untergeordnet, gewinnen zum Hangenden der Tuffsequenz hin aber an Bedeutung. Der Gehalt an Quarz-Sandkörnern nimmt wiederum zum Top hin ab. Der Übergang von phreatomagmatischer zu extrusiver Aktivität ist in beiden Schloten von einer Phase intensiver Umlagerungsprozesse begleitet. Die phreatomagmatische Aktivität der Ellendale-Schlote kam zum Erliegen, als sich die Wurzelzone der wachsenden Maardiatreme tiefer in die impermeablen Schichten der Fairfield Group einschnitt und der Grundwasserzufluß dadurch versiegte. Eingeleitet durch Lavafontänen- und Schlackenwurftätigkeit stieg Magma dann in den Diatremen auf und füllte die Maarkrater, in Abhängigkeit von der Schmelzviskosität, als Lavaseen (Olivin-Lamproit) oder Lavadome (Leuzit-Lamproit). In den Oberflächenaufschlüssen der Leuzit-Lamproite läßt sich als letzte Phase die Intrusion einer Reihe von Gängen, in der Regel nahe dem Kontakt Tuff/Lavadom, nachweisen. Bei einer Vielzahl dieser Gänge läßt sich eine Verschlierung mittel- und feinkörniger Schmelzen beobachten. Petrographische Unterschiede innerhalb der beiden untersuchten Olivin-Lamproite können im wesentlichen auf in-situ-Abkühlungsphänomene zurückgeführt werden (z.B. Kristallisation von poikilitischem Phlogopit und K-Richterit). Invers zonierte Olivinkristalle (Forsterit-reiche, Ni-verarmte Ränder) deuten auf einen Anstieg der ŸO2-Bedingungen während des Magmenaufstiegs hin. Eine Abschätzung der Sauerstoff-Fugazität über Olivin-Spinell Gleichgewichte ergab jedoch für Magmenaufstieg und Platznahme relativ reduzierende Bedingungen (Abb. 7), entsprechend dem FMQ-Puffer (Fayalit-Magnerit-Quarz). Ein nachfolgendes Oxidations-Ereignis, bei Solidus-nahen Temperaturen, erfaßte nur die langsam abgekühlten zentralen Teile der Lavaseen. Die bei Ellendale 4 beobachteten geochemischen Variationen (Abb. 8) werden als Konsequenz intensiver Olivin-Fraktionierung in der später geförderten magmatischen Phase interpretiert. Im Fall von Ellendale 9 legen die geochemischen Untersuchungen geringe Unterschiede im Grad der partiellen Aufschmelzung nahe (Abb. 10 und 11). In Übereinstimmung mit diesen petrologischen Modellen lassen sich die systematischen Variationen in der Diamantverteilung beider Schlote (Abb. 9) durch Fraktionierungsprozesse (Ellendale 4) und eine nachlassende Effektivität beim Absammeln der Mantelquelle durch aufeinanderfolgende Magmenschübe (Ellendale 9) erklären. Die Lavadome von Mt North und 81-Mile Vent zeigen eine deutliche petrographische und geochemische Zonierung (Tab. 1, Abb. 13 und 15). Daher wird eine Förderung der Magmen aus intrakrustalen Reservoirs angenommen, die durch Kristallfraktionierung kompositionell vertikal zoniert waren. Massenbilanz-Kalkulationen auf der Basis der Hauptelementverteilung deuten auf Fraktionierung von Olivin, Diopsid und einer FeTi-Oxidphase hin, unter möglicher Beteiligung geringerer Mengen von Phlogopit, Apatit und Priderit. Unterschiede in der Verteilung von Spuren- und Hauptelementen im Fall von Mt North verweisen allerdings auf die Wirksamkeit zusätzlicher Prozesse, wie Magmenmischung oder Phlogopitresorption.

Abstract

The Ellendale Volcanic Field forms part of the Miocene West Kimberley Volcanic Province in the northern part of Western Australia. The volcanology and the geochemistry of two extensively drilled olivine lamproites (Ellendale 4 and 9) and two well exposed leucite lamproites (Mt North and 81-Mile Vent) were studied in detail. The Ellendale pipes resulted from phreatomagmatic activity which started when magma rising in a zone of structural weakness reached the interface between relatively impermeable shales and siltstones (Devonian Fairfield Formation) and the high yielding aquifer in the overlying Permian Grant Group sandstones. Most of the tuffs deposited within the craters of Ellendale 4 and 9 consist of massive bedded mass flow deposits, with only minor base surge deposits. At Mt North and 81-Mile Vent, where the current outcrop level is at the height of the lower part of the former crater walls, the majority of the tuffs are of base surge origin, and towards the top of the sequence the deposits show an increase in the generally low proportion of mass flows. There the transition from phreatomagmatic to extrusive activity is marked by a phase of intense redeposition. Phreatomagmatic activity ceased when the root zones of the growing diatremes penetrated downwards into the relatively impervious Fairfield Group rocks. After an intermediate stage of lava fountain activity magma finally rose within the maar craters either as a lava lake (olivine lamproite) or a lava dome (leucite lamproite). Petrographic differences within the investigated olivine lamproite pipes are mainly restricted to in-situ cooling phenomena. The chemical variations observed at Ellendale 4 appear to be due to considerable olivine fractionation in the later magmatic phase. At Ellendale 9, however, chemical data suggest small variations in the degree of partial melting. The systematic variations in diamond grade within both pipes may be related to the derived petrologic models. The petrographic and chemical zonation of the lava domes of Mt North and 81-Mile Vent indicates production from a layered intracrustal magma reservoir, where crystal fractionation took place. The decoupling of major and trace elements observed at Mt North suggests additional processes, such as magma mixing or phlogopite entrainment.

Keywords

Diatremespipesolivine lamproiteleucite lamproitetufflava domelava lakezonationdiamondsfractionationoxygen fugacityanalysesparagenesispartial meltingfractional crystallisation Western Australia (Ellendale Volcanic Field)