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The origin of dolomitic carbonatites: field and experimental constraints

1997; Elsevier BV; Volume: 25; Issue: 1 Linguagem: Francês

10.1016/s0899-5362(97)00059-6

1879-1956

R.E. Harmer, J. Gittins,

High-pressure geophysics and materials

Carbonatites are most commonly either calcitic or dolomitic/ankeritic with very few types in between - what is generally referred to as the bimodal distribution. There is a widely held view that dolomitic carbonatites are less abundant than calcitic carbonatites and that these arise as sub-solidus alteration products of primary calcitic carbonatites. It is demonstrated here that dolomitic types are far more common than is sometimes appreciated and that they are particularly abundant in old Precambrian cratonic regions such as the Zimbabwean and Kaapvaal Cratons and the Archaean parts of the Canadian Shield. The field, petrographic and chemical features favour these dolomitic carbonatites being magmatic rather than arising from sub-solidus replacement of calcitic carbonatites. Experimental studies show that partial melting of carbonated mantle peridotite produces a carbonate liquid with high Mg# and MgO content and an alkali content of up to 6%. On ascent through the mantle from its original generation site this primitive carbonatite will be destroyed by reaction with lherzolite and harzburgite if it remains in equilibrium with the surrounding mantle. If, however, the melt is shielded from the surrounding mantle by a lining of metasomatic wehrlite on the conduits or if it rises too rapidly for equilibrium to be maintained, it is able to escape the mantle and rise into the crust. Reaction between primitive magnesian carbonate melt and wall-rock wehrlite shifts the composition of the melt to more Ca-rich ("calcitic") compositions. It is argued that such liquids are capable of generating the complete range of carbonatite compositions recognised at the surface. Dolomite melts incongruently at low pressures and so will only crystallise from a magnesian carbonate magma at temperatures below the dolomite dissociation reaction. These conditions are dictated by the P-T trajectory of the ascending melt as well as the nature and concentration of minor "fluxing" constituents in the melt such as fluorine and alkalis. As a result calcite is the liquidus phase over a wide range of P-T-X conditions. Several authors have suggested that many calcite-rich carbonatites formed as cumulate-enriched crystal mushes. Such calcite mushes could be readily generated from magnesian, essentially "dolomitic", parental magmas. It is argued that no reasonable petrogenetic mechanism exists whereby magnesian carbonatite magmas could be generated from calcitic parental melts: it is argued that the reverse is true. Les carbonatites sont le plus communément soit calcitiques, soit dolomitiques/ankéritiques avec de rares types intermédiaires - ce qui se traduit généralement par une répartition bimodale. On pense habituellement que les carbonatites dolomitiques sont moins abondantes que les calcitiques et qu'elles proviennent de l'altération sub-solidus de carbonatites calcitiques primaires. Nous démontrons que les types dolomitiques sont bien plus communes que ce que l'on dit quelquefois et qu'elles sont particulièrement abondantes dans les vieilles régions cratoniques précambriennes comme les cratons du Zimbabwe et de Kaapvaal et les parties archéennes du Bouclier Canadien. Les caractères géologiques, pétrographiques et chimiques suggèrent que les carbonatites dolomitiques sont magmatiques plutôt qu'issues de remplacement sub-solidus de carbonatites calcitiques. Les études expérimentales montrent que la fusion partielle d'une péridotite mantellique carbonatée produit un liquide carboaté présentent de fortes valeurs de Mg# et de MgO et des teneurs en alcalins jusqu'à 6%. En montant à travers le manteau depuis son site de génération originelle, cette carbonatite primitive disparaît par réaction avec la lherzolite ou la harzburgite si elle reste en équilibre avec le manteau environnant. Cependant, si le liquide est protégé du manteau environnant par une couche de wehrlite métasomatique le long des conduits ou s'il monte trop rapidement pour que l'équilibre soit maintenu, il peut alors fuir le manteau et atteindre la croûte. Les réactions entre le liquide carbonaté magnésien primitif et la wehrlite encaissante conduisent la composition du liquide carbonaté vers des compositions plus calciques ("calcitiques"). Nous affirmons que de tels liquides sont capables de produire l'étendue complète des compositions de carbonatites reconnues en surface. Les liquides dolomitiques fondent de façon incongruente à basses pressions et ainsi ne cristallisent à partir de magma carbonaté magnésien qu'à des températures en dessous de celle de la réaction de dissociation de la dolomite. Ces conditions sont dictées par la trajectoire P-T du liquide ascendant ainsi que par la nature et la teneur des constituants mineurs "fondants" dans le liquide comme le fluor et les alcalins. De ce fait, la calcite est la phase liquidus dans un grand intervalle de conditions P-T-X. Plusieurs auteurs ont suggéré que beaucoup de carbonatites riches en calcite se forment à artir de mousses cristallines cumulatives. De telles mousses de calcite pourraient se former facilement à partir de magmas parents magnésiens, essentiellement "dolomitiques". Il a été affirmé qu'il n'existe pas de mécanisme pétrogénétique raisonnable pour dériver des magmas carbonatitiques magnésiens à partir de magmas parents calcitiques: nous affirmons que l'inverse est vrai.