Geochemistry constraints of Mesozoic–Cenozoic calc-alkaline magmatism in the South Shetland arc, Antarctica

Geochemical data from basalts, basaltic andesites, and andesites of the Mesozoic–Cenozoic (143–44 Ma) from Livingston, Greenwich, Robert, King George, and Ardley Islands of the South Shetland archipelago, Antarctica, are presented. The rocks have variable SiO₂ of approximately 46–61 wt%, Al₂O₃ of 15–26 wt%, and total alkali (K₂O+Na₂O) of 2–6 wt%. Most samples have low Mg#, Cr, and Ni, which indicates that they have undergone significant fractional crystallization from mantle-derived melts. The presence of olivine cumulatic in the samples from Livingston and Robert Islands explains some high MgO, Ni, and Cr values, whereas low Rb, Zr, and Nb values could be related to undifferentiated magmas. N-MORB-normalized trace element patterns show that South Shetland Islands volcanic rocks have a geochemical pattern similar to that found for other island arcs, with enrichment in LILE relative to HFSE and in LREE relative to HREE. The geochemistry pattern and presence of calcic plagioclase, orthopyroxene, Mg-olivine, and titanomagnetite phenocrysts suggest a source related to the subduction process. The geochemical data also suggest magma evolution from the tholeiitic to the calc-alkaline series; some samples show a transitional pattern. Samples from the South Shetland archipelago show moderate LREE/HREE ratios relative to N-MORB and OIB, depletion in Nb relative to Yb, and high Th/Yb ratios. These patterns probably reflect magma derived from a lithospheric mantle source previously modified by fluids and sediments from a subduction zone.

Resumo

Dados geoquímicos de basaltos, andesitos basálticos e andesitos mesozóicos–cenozóicos (143–44 Ma) das ilhas Livingston, Greenwich, Robert, King George e Ardley do Arquipélago Shetland do Sul, Antártica são discutidas neste artigo. As rochas tem conteúdos de SiO₂ variando de 46 a 61%, Al₂O₃ de 15 a 26% e álcalis (K₂O+Na₂O) de 2 a 6%. A maior parte das amostras tem conteúdos baixos de Mg#, Cr e Ni, indicando que sofreram significante cristalização fracionada de fusões derivadas do manto. A presença de fases cumuláticas nas amostras das ilhas Livingston e Robert explicaria os elevados valores de MgO, Ni, Cr, enquanto que baixos valores de Rb, Zr e Nb observados nas amostras destas ilhas poderiam estar relacionados a magmas não diferenciados. Os padrões de elementos-traço normalizados pelo N-MORB mostram que as rochas vulcânicas das Ilhas Shetland do Sul têm padrão geoquímico similar àqueles encontrados em outros arcos de ilhas com enriquecimento em LILE em relação aos HFSE e em ETRL em relação aos ETRP. O padrão geoquímico e a ocorrência de fenocristais de plagioclásio cálcico, ortopiroxênio, olivina magnesiana e titanomagnetita sugerem origem relacionada a processos de subducção. Dados geoquímicos obtidos para as amostras do arquipélago Shetland do Sul sugerem um magma evoluindo de toleítico para cálcico-alcalino, observando-se em algumas amostras um padrão transicional. As amostras do arquipélago Shetland do Sul mostram em relação ao N-MORB e OIB, moderadas razões ETRL/ETRP, empobrecimento em Nb relativo a Yb e elevada razão Th/Yb Estes padrões refletem, provavelmente, magma derivado de uma fonte mantélica litosférica, que foi modificada por fluídos e sedimentos da zona de subducção.