A review of carbonatitic magmatism in the Paraná-Angola-Namibia (PAN) system

Mesozoic to Cenozoic allkaline-carbonatitic complexes from southern Brazil, Angola and Nambia occur along main tectonic lineaments. In general, the alkaline-carbonatite complexes show intrusive/subintrusive, subcircular or oval shaped structures and are indicative of high upwelling energy. Processes of liquid immiscibility from trachytic-phonolitic liquids, starting from parental alkaline mafic magmas are believed to have generated carbonatitic liquids, as suggested by field relationships and geochemical characteristics. Ca-, Mg- and Fe-carbonatites are widespread even in the same complex. The occurrences comprise three main chronogroups, i.e. 1) Early Cretaceous (Eastern Paraguay; Brazil, Ponta Grossa Arch and Anitápolis; Angola and Namibia); 2) Late Cretaceous (Brazil, Ponta Grossa Arch, Lages and Alto Paranaíba; Namibia); 3) Paleogene, Brazil and Namibia. Two principal types of associated alkaline rocks are represented, i.e. plagioleucitites l.s. (Eastern Paraguay; Brazil: Ponta Grossa Arch; Angola and Namibia) and kamafugites l.s. (Brazil: Alto Paranaíba and Lages; Namibia). Significant variations in O-C isotope compositions are found in primary carbonates, the variations being mainly due to isotope exchange between carbonates and H2O-CO2-rich hydrothermal fluids, whereas magmatic processes, i.e. fractional crystallization or liquid immiscibility, probably affect the ? 18O and ??13C values by not more than 2??. The isotope exchange model implies that the most significant isotopic variations took place in a hydrothermal environment, e.g. in the range 400-80°C, involving fluids with CO2/H2O ratio ranging from 0.8 to 1. Sr-Nd-Pb isotope systematics highlight heterogeneous mixtures between HIMU and EMI mantle components, similar to the associated alkaline rocks and the flood tholeiites of the Paraná-Angola-Etendeka (Namibia) system. This is also consistent with Re-Os systematics on selected mafic samples from the Alto Paranaíba alkaline-carbonatite province.The data relative to the noble gases suggest that the source(s) are similar to other mantle derived magmas (e.g. HIMU and MORB) and that the carbon of carbonatites is unlikely to be subduction-related carbon, and support a C-O fractionation model starting from mantle-derived sources. In spite of the strong variation shown by C-O isotopes, Sr-Nd-Pb-Os isotopic systematics could be related to an isotopically enriched source where the chemical heterogeneities reflect a depleted mantle "metasomatized" by small-volume melts and fluids rich in incompatible elements. These fluids are expected to have promoted crystallization in the mantle of K-rich phases that gave rise to a veined network variously enriched in LILE and LREE (cf. Foley, 1992b). The newly formed veins (enriched component) and peridotite matrix (depleted component) underwent a different isotopic evolution with time as reflected by the carbonatitic rocks. These conclusions may be extended to the whole Paraná-Angola-Etendeka system, where isotopically distinct parent magmas were generated following two main enrichment events of the subcontinental lithospheric mantle at 2.0-1.4 and 1.0-0.5 Ga, respectively, as also supported by Re-Os systematics. The mantle sources preserved the isotopic heterogeneities over a long time, suggesting a non-convective lithospheric mantle beneath different cratons or intercratonic regions. Overall the data indicate that the alkaline-carbonatitic magmatism originated from a significant, but small scale heterogeneous subcontinental mantle. In this scenario, the Tristan da Cunha, Walvis Ridge-Rio Grande Rise and Vitória-Trindade hotspot tracks might reflect the accomodation of stresses in the lithosphere during rifting, rather than continuous magmatic activity induced by mantle plumes beneath the moving lithosphere.

Complessi alcalino-carbonatitici sono diffusi lungo lineamenti tettonici presenti nel Brasile meridionale, in Angola e in Namibia. In generale, tali complessi, intrusivi/subintrusivi, evidenziano strutture subcircolari od ovali e sono indicativi di una elevata energia di "risalita". Le carbonatiti sono ritenute originate da processi di immiscibilità, a partire da liquidi trachitico-fonolitici, come evidenziato dalle relazioni di campagna e dalle risultanze geochimiche. I complessi alcalino carbonatitici comprendono almeno tre cronogruppi principali, dove Ca-, Mg- e Fe-carbonatiti sono diffuse persino nell'ambito dello stesso complesso: 1) Cretacico Inferiore (Paraguay Orientale; Brasile, Arco di Ponta Grossa e Anitápolis; Angola e Namibia); 2) Cretacico Superiore (Brasile, Arco di Ponta Grossa, Lages e Alto Paranaíba; Namibia); 3) Paleogene (Brasile e Namibia). I litotipi alcalini associati sono rappresentati essenzialmente da plagioleucititi l.s. (Paraguay Orientale; Brasile: Arco di Ponta Grossa; Angola e Namibia) e kamafugiti l.s. (Brasile: Alto Paranaíba e Lages; Namibia). In termini di composizione isotopiche O-C, sono state notate significative variazioni per quanto riguarda i carbonati "primari", dovute principalmente a scambi isotopici tra i carbonati e fluidi idrotermali ricchi in H2O-CO2, mentre i processi magmatici (cristallizzazione frazionata e immiscibilità tra liquidi) probabilmente non comportano variazioni per più del 2? in termini di ? 18O and ??13C. Nei modelli, le più consistenti variazioni isotopiche appaiono consistenti con un ambiente idrotermale, a temperature tra 400 e 80°C, e fluidi con rapporto CO2/H2O tra 0.8 e 1. La sistematica isotopica Sr-Nd-Pb evidenzia nelle carbonatiti mixing eterogenei tra componenti di mantello tipo HIMU e EMI, simili a quelli delle rocce alcaline associate e persino a quelli delle tholeiiti stratoidi del sistema Paraná-Angola-Namibia. Da notare la consistenza della suddetta sistematica isotopica anche con il sistema Re-Os, come da determinazioni effettuate su campioni femici selezionati, soprattutto provenienti dalla provincia alcalina-carbonatitica dell'Alto Paranaíba. I dati relativi ai gas nobili suggeriscono sorgenti simili ad altri derivati mantellici (HIMU e MORB), che il carbonio delle carbonatiti non può porsi in relazione a processi subduttivi e supportano modelli di frazionamento C-O a partire da sorgenti derivanti dal mantello. Nonostante le grandi variazioni isotopiche in termini di O-C, la sistematica isotopica relativa a Sr-Nd-Pb-Os appare consistente con sorgenti isotopicamente arricchite, dove le eterogeneità geochimiche riflettono un mantello impoverito, "metasomatizzato" da piccoli volumi di liquidi e da fluidi ricchi in elementi incompatibili. Tali fluidi dovettero promuovere, in porzioni di mantello, fasi ricche in potassio, dando luogo a una rete di venature variamente arricchite in LILE e REE. Tali vene (componente arricchito) e la matrice peridotitica (componente impoverito) subirono una differente evoluzione isotopica nel tempo, di cui le carbonatiti riflettono l'impronta. Queste considerazioni si possono considerare generali per l'intero sistema Paraná-Angola-Namibia, dove distinti magmi genitori furono generati a partire da due eventi principali di arricchimento, a 2,0-1,4 e 1,0-0,5 Ga, rispettivamente, suggerendo un mantello litosferico non-convettivo sotto i differenti cratoni o regioni intercratoniche, in cui le le eterogeneità isotopiche vengono conservate per lunghi intervalli temporali. Nel complesso i dati indicano che il magmatismo alcalino-carbonatitico ha avuto origine dal mantello subcontinentale significativamente eterogeneo a piccola scala. In questo quadro, le cosiddette tracce hotspot di Tristan da Cunha, Walvis Ridge-Rio Grande Rise e Vitória-Trindade possono riflettere l'adattamento di tensioni litosferiche durante il rifting, piuttosto che attività magmatica continua indotta da mantle plumes sotto la litosfera mobile.