Evidence for constitutional supercooling from orthopyroxene - pigeonite - plagioclase relations in the Borgmassivet suite of western Dronning Maud Land, Antarctica

Summary

The Kullen-type sills of western Dronning Maud land are up to 400 m thick and form part of the Meso- to Neoproterozoic Borgmassivet suite. They consist of a Basal, Cumulate, Central and Upper zone. The petrography of the Cumulate zone, with special emphasis on the occurrences at Hammer Heads in the Annandagstoppane area, is described. Microstructures, such as delicate chains of orthopyroxene primocrysts and an increase in grain size of plagioclase chadacrysts from the cores to the margins of postcumulus clinopyroxene oikocrysts, indicatein situ crystallization. Composite grains with orthopyroxene at the core, which is mantled, in turn, by inverted pigeonite, a second generation orthopyroxene and, on the outer margin, clinopyroxene in a reaction relation with the orthopyroxene, are sporadically developed.

The relation between the composite structures and plagioclase nucleation and growth is investigated by the study of plagioclase grain size distributions, nucleation density and An compositions of plagioclase cores, which indicate that two periods of plagioclase nucleation occurred. The first period of nucleation, represented by plagioclase chadacrysts enclosed in primocrysts of orthopyroxene, occurred during supercooling following intrusion. Release of latent heat of crystallization resulted in an increase in magma temperature and a normal sequence of fractional crystallization in which orthopyroxene crystallization was succeeded by pigeonite. The second period of plagioclase nucleation depleted the interface liquid in the zone of crystallization of calcium. The composition of the interface liquid was thus changed from the compositional field from which pigeonite crystallized to that from which orthopyroxene crystallized (cf the liquidus boundaries in the system CaMgSi₂O₆-Mg₂SiO₄SiO₂ ofKushiro, 1972). This constitutional supercooling (Chalmers, 1964;Tiller, 1991) resulted in crystallization of orthopyroxene and the reverse crystallization sequence En-rich orthopyroxene -pigeonite - En-rich orthopyroxene, prior to reaction of the last-formed orthopyroxene with the liquid to form clinopyroxene and subsequent inversion of pigeonite. A possible crystallization sequence is discussed by making use of thespeculative Fo-Di-An-SiO₂ (forsterite-diopside-anorthite-silica) system ofMorse (1980).

Zusammenfassung

Lagergänge des Kullen-Types im westlichen Dronning Maud Land sind bis zu 400m mächtig und sind Teil der meso- bis neoproterozoischen Borgmassivet-Abfolge. Sie bestehen aus einer basalen, einer Cumulat, einer zentralen und einer oberen Zone. Die Petrographie der Cumulat-Zone wird mit besonderer Betonung der Vorkommen von Hammer Heads im Annandagstoppane-Gebiet beschrieben. Mikrostrukturen, wie z.B. feinkörnige Ketten von Orthopyroxen-Primokristen und eine Zunahme in der Korngröße von Plagioklas-Chadakristen von den Kernen zu den Rändern in postcumulus Klinopyroxen-Oikokristen, weisen aufin situ Kristallisation hin. Zusammengesetzte Körner mit Orthopyroxen im Kern, der von invertiertem Pigeonit umgeben ist, einer zweiten Generation Orthopyroxen, und, am äußeren Rand, Klinopyroxen in Reaktionsbeziehung mit Orthopyroxen, kommen sporadisch vor.

Die Beziehung zwischen diesen zusammengesetzten Strukturen und der Nukleation, sowie dem Wachstum von Plagioklas wurde durch das Studium der Plagioklaskorngrößen, der Nukleationsdichte und der An-Zusammensetzung von Plagioklas-Kernen untersucht. Diese weisen darauf hin, daß zwei Perioden von Plagioklas-Nukleation vorgekommen sind. Die erste Nukleationsperiode wird durch Plagioklas-Chadakristen, die in Primokristen von Orthopyroxen eingeschlossen sind repräsentiert, und fand während einer Phase von Supercooling im Anschluß an die Intrusion statt. Das Freiwerden latenter Kristallisationswärme führte zu einer Zunahme der Magmentemperatur und zu einer normalen Abfolge fraktionierter Kristallisation, in der auf die Orthopyroxen-Kristallisation Pigeonit folgte. Die zweite Phase der Plagioklasnukleation führte zu einer Verarmung der Schmelze an Kalzium in der Kristallisationszone. Die Zusammensetzung der Schmelze bewegte sich so aus dem Pigeonitfeld, in das, aus dem Orthopyroxen kristallisierte (siehe die Liquidus Grenzen im System CaMgSi2O₆-Mg₂SiO₄-SO₂ von Kushiro, 1972). Dieses konstitutionelle Supercooling (Chalmers, 1964;Tiller, 1991) führte zur Kristallisation von Orthopyroxen, und der reversen Kristallisationsabfolge En-reicher Orthopyroxen-Pigeonit-En-reicher Orthopyroxen, noch vor der Reaktion des zuletzt gebildeten Orthopyroxenes mit der Schmelze, das zur Entstehung von Klinopyroxen und zur anschließenden Inversion von Pigeonit führte. Eine mögliche Kristallisationsabfolge wird auf der Basis desspekulativen Fo-Di-An-SiO₂ (Forsterit-Diopsid-Anorthit-Quartz) Systems von Morse (1980) diskutiert.