Mineralogy, geochemistry and petrogenesis of a new jade deposit, Sierra del Convento Mélange, E. Cuba
- Autores: Juan Cárdenas Párraga
- Directores de la Tesis: Antonio García Casco (dir. tes.), George E. Harlow (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- ISBN: 9788413062235
- Número de páginas: 245
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ricardo Arenas Martín (presid.), José Francisco Molina Palma (secret.), Antonio Sánchez Navas (voc.), Idael Francisco Blanco Quintero (voc.), Sonia Sánchez Martínez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias de la Tierra por la Universidad de Granada
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
La mélange de la Sierra del Convento (Cuba Oriental) representa un fragmento bien conservado del canal de subducción oceánica del Cretácico en el ambiente Caribeño, desarrollado por la subducción de la cuenca oceánica protocaribeña bajo la placa del Caribe. La mélange está formada por una matriz serpentinítica, la cual contiene una variedad de bloques tectónicos metamorfizados a alta presión y de baja a alta temperatura, incluyendo esquistos azules, gneises pelíticos, rocas anatécticas trondhjemíticas y tonalíticas, anfibolitas de epidota y granate sin plagioclasa y serpentinitas. Esta mélange tiene características únicas por mostrar evidencias de fusión parcial de la lámina subducente gracias a la subducción de una placa oceánica muy joven. Recientemente, bloques in situ de jadeitita han sido descubiertos en la mélange de la Sierra del Convento rodeados por rocas serpentiníticas cizalladas. La combinación de subducción caliente y la aparición de jadeitita ofrece un escenario excepcional para descifrar la interacción de fluidos en el canal de subducción, y su límite con la cuña de manto. Esta tesis doctoral está focalizada en el estudio de la petrogénesis de jadeititas y rocas asociadas por interacción de fluido-roca en un contexto subductivo. Además, las rocas serpentiníticas asociadas a las jadeititas han sido incluidas en este estudio para descifrar el contexto de formación de las jadeititas.
Los bloques de serpentinita preservan signaturas de un protolito peridotítico fértil, lo que sugiere bajos grados de fusión del mismo. La alta concentración de elementos inmóviles como Zr, Th, Nb y los contenidos de REE (desde ~0.1 a ~2 CI-condrito) apuntan a procesos de interacción de fluido-roca tempranos antes de que la serpentinización tuviera lugar. Las composiciones de elementos traza y mayores sugieren un escenario de falla transformante en una zona de fractura oceánica. Un segundo, y más importante, estadio de serpentinización está relacionado con enriquecimientos en U, Pb, Cs, Ba y Sr debido a la infiltración de fluidos derivados desde la lámina subducente. La presencia local de antofilita y los reemplazamientos de lizardita por antigorita indican una evolución metamórfica desde el enfriamiento de peridotitas/serpentinitas en un contexto oceánico a un calentamiento y compresión en un ambiente subductivo. Las serpentinitas fueron formadas en un ambiente oceánico de falla transformante que fue el foco del inicio de la subducción de la cuenca protocaribeña bajo la placa del Caribe durante el Cretácico temprano. El inicio de la subducción en una zona de fractura permite la preservación de serpentinitas abisales de falla transformante en la placa superior, mientras que el limitado arrastre hacia abajo durante la subducción madura colocó las rocas en el canal de subducción, donde se mezclaron tectónicamente con bloques acrecionados, siguiendo por una migración ascendentemente del conjunto hasta su exhumación.
Petrográficamente, las jadeititas tienen una gran variación produciendo varios tipos de rocas, desde rocas casi monominerálicas hasta una amplia gama de rocas con características intermedias. Hay un continuo desde las variedades de jadeititas puras e impuras ricas en onfacita, epidota, mica, albita, clorita, y otros minerales. La variedad jadeitita pura está esencialmente hecha de jadeita y onfacita (excepto rocas con >90% modal de onfacita, nombrada como onfacitita). También aparecen variedades verde oscuro ricas en Cr tanto de jadeitita como onfacitita. El término jadeitita rica en epidota es usado para una variedad de rocas de jadeita y onfacita que contienen contenidos significativos de epidota-(clino)zoisita (más albita y clorita), y una variedad del último grupo que contiene contenidos significantes de mica blanca (ambas, paragonita y fengita) se describe como jadeitita rica en mica. Otro grupo los conforman rocas de albita y epidota, el cual puede contener relictos de jadeita y/o onfacita y tener contenidos de bajos a moderados de clorita y, ocasionalmente, algo de cuarzo. Sin embargo, las muestras desde este grupo que tienen un contenido significativo de clorita y cuarzo han sido agrupadas, respectivamente, en rocas de albita, epidota y clorita y en rocas de albita, epidota y cuarzo. Debido a la abundancia modal de los distintos minerales, rocas de albita y epidota, rocas de albita, epidota y clorita y rocas de albita, epidota y cuarzo no pueden ser denominadas como albititas. Además, los hastiales melanocráticos (denominados blackwalls) han sido agrupados en cloritita y cloritita rica en titanita, apatito y zircón. Finalmente, son también distinguidas el grupo de actinolititas.
Las jadeititas se caracterizan por raras inclusiones de cuarzo y exoluciones/reemplazamientos de onfacita en los cristales de jadeita, así como reemplazamiento y relleno de espacios vacíos de onfacita. Presentan jadeita granoblástica masiva, onfacita y epidota-(clino)zoisita y, en cierta medida, cristalización intergranular de minerales accesorios. Minerales en menor proporción incluyen mineales del grupo de la epidota, biotita-flogopita, albita, fengita, paragonita, pumpellyita, anfíboles sodo-cálcicos y sódicos, titanita, rutilo, zircón, y apatito. La zonación oscilatoria en cristales de jadeita y las edades del zircón sugieren cristalización hidrotermal en venas formadas en la peridotita serpentinizada, probablemente en la interfaz de la lámina subducente y el manto. La laguna composicional entre jadeíta y onfacita coexistentes indica una temperatura de formación para la jadeitita mayor que 500 ºC. Las edades de 206Pb/238U en zircón de 107 a 113 Ma atestiguan una formación durante los estadios tempranos de subducción en la región. Estas edades de formación y las composiciones isotópicas de elementos mayores y trazas de roca total de jadeititas y rocas asociadas sugieren una relación genética entre los fluidos formadores de jadeitita y los fluidos involucrados en la fusión parcial de anfibolitas y la cristalización de fundidos anatéticos tonalitico-trondhjemiticos ligeramente más antiguos.
Fluidos con Si, Al, Na, Mg and Ca de composición variable depositaron jadeititas en venas durante aberturas episódicas de las fracturas en profundidad en el ambiente de subducción, registrando una fuerte influencia de interacciones fluido-roca ultramáfica. La interacción con fluidos liberados por rocas de origen sedimentario no es importante para la formación de jadeitita. Se definen dos tipos de patrones geoquímicos para las diferentes variedades de jadeitita. Por un lado, la jadeitita pura tiene patrones normalizados al N-MORB empobrecidos en REE y HFSE, con composiciones ricas en Cr en algunos casos. Por otro lado, las jadeititas ricas en epidota presentan composiciones relativamente enriquecidas en Ba respecto al N-MORB, y patrones de REE con similar composición al N-MORB.
Las características mineralógicas y geoquímicas indican que la interacción jadeitita-fluido tuvo variable contribución sedimentaria en los fluidos involucrados liberados desde la lámina subducente. Fluidos sedimentarios ricos en Ba son caracterizados por: (1) especies minerales que contienen K como biotita flogopita y fengita, así como y paragonita y minerales del grupo de la epidota (epidota-(clino)zoisita y alanita), (2) patrones de elementos traza normalizados al N-MORB que muestran composiciones enriquecidas principalmente en LILE. En contraste, la interacción con fluidos sedimentarios pobres en Ba es definida por: (1) contenido bajo de mica y epidota y menores concentraciones en LILE, sugiriendo una contribución limitada de sedimentos, (2) adición de REE y HFSE durante la cristalización de jadeita y onfacita, y cristalización intergranular de minerales accesorios tales como epidota-(clino)zoisita, alanita, rutilo, y titanita a condiciones relativamente alta de T.
Teniendo en cuenta las características geoquímicas y petrológicas de las rocas estudiadas, se propone un modelo de formación que involucra hidrofracturación de serpentinitas cizallada en la interfaz de la lámina subducente y la cuña de manto. La apertura de fracturas es acompañada por la cristalización de jadeitita en venas, la cual dispara la formación de blackwall cloritíticos y bordes onfacíticos, con composiciones ricas en Cr en algunos casos. La deformación asociada al ambiente subductivo generó fracturas tardías y microfracturas a la escala de los granos minerales, incrementado la permeabilidad dentro de la vena de jadeitita. De esta forma, el flujo de fluidos pervasivos externos fue concentrado en el blackwall clorítico, el cual interactúa metasomáticamente con las venas de jadeitita produciendo rocas de albita epidota (y clorita) y jadeitita rica en mica. El desarrollo temporal de estos procesos genera bloques de rocas de albita epidota (y clorita), aunque una cristalización directa desde un fluido en venas no puede ser descartada para la formación de algunas de las muestras de rocas con albita epidota (y cuarzo).
Desde un punto de vista arqueológico, el gran número de artefactos de jade (la mayoría, hachas petaloides) encontradas en Cuba Oriental apunta a la explotación (probablemente de los depósitos de las playas cercanas a la Sierra del Convento) por los habitantes Tainos precolombinos de Cuba y las Antillas Mayores. Este nuevo yacimiento de jadeitita en Cuba Oriental abre importantes perspectivas para estudios arqueológicos de artefactos de jade precolombinos en la región del Caribe y su dispersión cultural y comercial.
- English
The Sierra del Convento mélange (Eastern Cuba) represents a well preserved fragment of the Cretaceous oceanic subduction channel in the Caribbean realm, developed by the subduction of the Protocaribbean basin below the Caribbean Plate. The mélange is formed by a serpentinite matrix, which contains a variety of tectonic blocks metamorphosed to high pressure and low to high temperature, including blueschists, pelitic gneisses, anatectic tonalitic–trondhjemitic rocks, epidote-garnet plagioclase-lacking amphibolites and sepertinites. This mélange has unique characteristics by showing evidence of partial melting of the slab developed by subduction of very young oceanic plate. Recently, in situ jadeitite blocks have been discovered in the Sierra del Convento mélange surrounded by sheared serpentinitic rocks. The combination of hot subduction and occurrence of jadeitite generates an exceptional scenario to decipher the interaction at intermediate to high-temperature of fluids in the subduction channel and its boundary with the mantle wedge. This PhD thesis is focused on the study of jadeitite and related rocks with emphasis in their petrogenesis by fluid-rock interaction in a subductive context. In addition, the serpentinitic rocks associated with jadeitites have been included in the study in order to decipher the context of formation of jadeitites.
Serpentinite rocks preserve fertile protolith signatures that suggest low melting degrees of the peridotie protoliths. High concentration of immobile elements as Zr, Th, Nb, and the REE contents (from ~0.1 to ~2 CI-chondrite) point to early melt-rock interaction processes before serpentinization took place. Major- and trace-element compositions suggest an oceanic fracture-zone-transform-fault setting. A second, more important, serpentinization stage is related to enrichment in U, Pb, Cs, Ba, and Sr due to the infiltration of slab-derived fluids. The local presence of anthophyllite and the replacements of lizardite by antigorite indicate a metamorphic evolution from cooling of peridotite/serpentinite at the oceanic context to mild heating and compression in a subduction setting. It is proposed that the serpentinites formed at an oceanic transform-fault setting that was the locus of subduction initiation of the Protocaribbean basin below the Caribbean plate during early Cretaceous times. Onset of subduction at the fracture zone allowed the preservation of abyssal transform-fault serpentinites at the upper plate, whereas limited downward drag during mature subduction placed the rocks in the subduction channel, where they tectonically mixed with the upward-migrating accreted block of the subducted Proto-Caribbean oceanic crust.
Petrographically, jadeitites have a huge variation producing various types of rocks, from end-members (quasi-monomineralic rocks) to a wide intermediate variation. There is a continuum from pure to impure jadeitite varieties rich in omphacite, epidote, white and dark micas, albite, chlorite and other minerals. Pure jadeitite varietie is essentially made of jadeite and omphacite (except rocks with >90 mode% of omphacite, which are named as omphacitite). Deep-green varieties rich in Cr of both jadeitite and omphacitite also occur. The term epidote-rich jadeitite is used for a variety of jadeite-omphacite rock that contains significant amount of epidote-(clino)zoisite (plus albite and chlorite), and mica-rich jadeitite is used for a variety of the latter group that contains significant amount of white mica (both, paragonite and phengite). Another group is made of albite-epidote rocks, which may contain relicts of jadeite and/or omphacite and bear low to moderate contents of chlorite and, occasionally, small amount of quartz. However, samples from this group that bear significant amount of chlorite and quartz have been grouped, respectively, in albite-epidote-chlorite and albite-epidote-quartz rocks. Due to mineral abundance, albite-epidote, albite-epidote-chlorite and albite-epidote-quartz rocks cannot be termed albitite. In addition, blackwalls have been grouped in chloritite and titanite-apatite-zircon-rich chloritite. Finally, actinolitite is also distinguished.
The jadeitites are characterized by very rare quartz inclusions and omphacite exsolutions/replacements in jadeite crystals, as well as clear replacements by, and void-infillings of, omphacite. Jadeitites present granoblastic massive jadeite, omphacite and epidote-(clino)zoisite with minor intergranular crystallization of accessory minerals. Minor minerals that may appear in the assemblages include epidote group minerals, biotite-phlogopite, albite, phengite, paragonite, pumpellyite, chlorite, sodic-calcic and sodic amphiboles, titanite, rutile, zircon and apatite. Oscillatory zoning in jadeite crystals and zircon ages suggest hydrothermal crystallization in veins formed in serpentinized peridotite, probably at the slab-mantle interface. The compositional gap between coexisting jadeite and omphacite indicates a temperature of jadeite formation higher than 500 ºC. Zircon 206Pb/238U ages of 107 to 113 Ma attest formation during the earliest stages of subduction in the region. These formation ages and the isotopic, major and trace element whole-rock compositions of jadeitite and associated rocks suggest a genetic link between the jadeite-forming fluids and the fluids involved in the slightly earlier partial melting of amphibolites and associated crystallization of anatectic tonalite-trondhjemite melts.
Si-Al-Na-Mg-Ca-bearing fluids of variable composition deposited jadeitite in veins during episodic opening of the fractures at depth in the subduction environment, denoting a strong influence of fluid-ultramafic rock interaction. These geochemical composition of the studied samples indicate limited interaction/involvement of sediment-derived fluids. Two types of geochemical patterns for the different varieties of jadeitite are defined. On the one hand, pure jadeitites have depleted REE and HFSE patterns normalized to N-MORB, with Cr-rich compositions in some cases. On the other hand, epidote-rich jadeitites present relatively enriched Ba compositions respect to N-MORB, and REE patterns with similar compositions to N-MORB.
The interaction of jadeitite with fluid is divided according to the relative contribution of sediment-derived fluids evolved from the subducted slab. Ba-rich sedimentary fluids are denoted by: (1) K-bearing mineral species such as phlogopite-biotite and phengite, as well as paragonite, epidote group minerals (epidote-(clino)zoisite and allanite), (2) trace element patterns normalized to N-MORB showing enriched compositions mainly in LILE. In contrast, the interaction with Ba-poor sedimentary fluids is identified by: (1) low mica and epidote content and lower LILE concentrations and (2) higher REE and HFSE during crystallization of jadeite and omphacite and the intergranular crystallization of accessory minerals such as epidote-(clino)zoisite, allanite, rutile, and titanite at relatively high-T conditions.
A formation model, taking into account the geochemical and petrological characteristics of all types of studied rocks, is proposed that involves hydrofracturing of sheared serpentinite at the slab-mantle interface. The opening of fractures is accompanied by the crystallization of jadeitite veins, which leads the formation of the chlorititic blackwall and omphacititic edges, with Cr-rich compositions in some cases. Subduction driven deformation generates late fractures and microfractures at the mineral-grain scale, increasing the permeability into the jadeitite veins. Therefore, the flow of external pervasive fluids was concentrated in the chlorititic blackwall, which interact metasomatically with jadeitite veins producing albite-epidote (-chlorite) rocks and mica-rich jadeitite. A temporary development of these processes generate isolated blocks of albite-epidote (-chlorite) rocks, although a direct crystallization from a fluid in veins can not be ruled out for the formation of some of the samples of albite-epidote (-quartz) rocks.
From an archaeological point of view, former exploitation (probably of the beach deposits nearby the Sierra del Convento) by the pre-Columbian Taino inhabitants of Cuba is documented by a large number of jade artifacts (mostly, petaloid axes) found in eastern Cuba. This new occurrence of jadeitite in Cuba opens important perspectives for archaeological studies of pre-Columbian jade artifacts in the Caribbean region and their cultural and commercial trade.
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