Compozitia izotopica a magmatitelor implicatii petrogenetice

Compozitia izotopica a magmatitelor implicatii petrogenetice

1. Sistematizarea compozitiei izotopice a magmatitelor din Arcul Est Carpatic

Intr-o prima etapa am incercat o sistematizare a tuturor datele izotopice (Sr, Nd, Pb, O, D) existente pentru segmentele principale ale arcului est carpatic, atat cele obtinute de autorii proiectului cat si a celor din literatura de specialitate. O prima observatie este aceea a distributiei inegala a numarului de masuratori izotopice pentru segmentele aflate in studiu.

Pentru Oas exista mai multe determinari ale rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (Seghedi et al., 1995, 2001) si doar cate o singura determinare privind compozitia izotopica a oxigenului (ortopiroxen) si a raportului ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd (roca intreaga) obtinute pe o proba de dacit din extremitatea nordica a muntilor Oas (Seghedi et al., 2001). Pentru Gutai numarul determinarilor pentru izotopii Sr, Nd, Pb este relativ mare (Kovacs, 1998, 2002), dar lipsesc masuratorile pe izotopi stabili. Exceptie fac mineralizatiile de la Cavnic Baia Sprie Suior pentru care exista masuratori ale valorilor O (ganga + mineralizatie) alaturi de determinari ale rapoartelor izotopice ale Pb-ului (mineralizatie) (Marias, 1996a si b). Aceste date au fost excluse din studiul nostru, ele referindu-se la manifestari tarzii ale punerii in loc a magmatitelor. Pentru Tibles exista doar determinari izotopice pentru Sr (Udubasa et al., 1986; Seghedi et al., 1995). O situatie aparte apare in Toroioaga pentru care pana in prezent nu exista publicate date izotopice.

Segmentul Rodna-Bargau este destul de bine studiat sub aspectul compozitiei izotopice (Sr, O, D) a rocilor eruptive (Papp, 1999; Papp, 2001; Papp et al., in press). Lipsesc insa determinarile pentru izotopii Nd-ului si Pb-ului. In acest sector exista de asemenea determinari ale compozitiei izotopice a Sr, O si D pe enclavele magmatice mafice, considerate a fi produsele magmatice cele mai apropiate de sursa magmatica primara. Determinarile de deuteriu pe roci eruptive din Muntii Rodna-Bargau sunt singurele existente pentru arcul est carpatic. Ele ofera informatii pretioase privind natura interactiunilor de tip fluid-roca.

Cele mai complete determinari izotopice sunt pentru segmentul Calimani Gurghiu Harghita (Seghedi et al., 1995; Mason et al., 1996). Exista determinari pentru izotopii Sr, Nd, Pb, O pentru tipurile principale de roci acoperind in mod uniform toate cele cinci sectoare ale CGH (Calimani low-K, Calimani, Gurghiu, Harghita Sud si Harghita Nord). Analiza statistica descriptiva pentru masuratorile izotopice prezentate mai sus poate fi urmarita in tabelul 1.

Tabel 1. Analiza statistica descriptiva a valorilor rapoartelor izotopice ale Sr, Nd, Pb, O si H in rocile eruptive din Muntii Oas, Gutai, Tibles, Rodna, Bargau, Calimani, Gurghiu si Harghita

Izotopii strontiului. Domeniile de variatie ale raportului Sr/⁸⁶Sr sunt asemanatoare in toate cele trei segmente considerate. Valoarea minima (0,7043) si valoarea maxima (0,712) se regasesc in Muntii Oas. Valoare medie este usor mai ridicata in cadrul Muntilor Oas comparativ cu celelalte segmente ale arcului. Tot aici, imprastierea valorilor este cea mai accentuata, sugerand procese mult mai complexe de diferentiere magmatica decat in M-tii Gutai si Tibles. Se remarca similitudinea domeniilor de variatie din Muntii Oas, Gutai, Tibles cu segmentele Rodna Bargau si Calimani Gurghiu Harghita. Se poate insa urmari o descrestere gradata a mediei valorilor raportului Sr/⁸⁶Sr de-a lungul arcului est carpatic, sugerand o diminuare corespunzatoare a gradului de contaminare crustala. Media este de 0,708078 in segmentul Oas Gutai, in zona subvulcanica de 0,70753, iar in segmentul vulcanic Calimani Gurghiu Harghita de 0,706242. Aceasta descrestere de la nord spre sud se suprapune peste migrarea in timp si spatiu a activitatii vulcanice in cadrul arcului.

Per ansamblu, valorile raportului Sr/⁸⁶Sr inregistrate in magmatitele din Carpatii Orientali sunt tipice zonelor de arc. In astfel de zone, magmele sunt adesea evoluate in comparatie cu cele din alte zone tectonice, implicand in evolutia lor procese complexe de cristalizare, amestec de magme si contaminare crustala, facand dificila identificarea caracteristicilor izotopice si geochimice ale sursei mantelice. In schimb, se pot obtine informatii pretioase asupra contaminantilor crustali cu care magmele au interactionat in drumul lor spre suprafata.

Izotopii neodimiului Rapoartele izotopice ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd variaza foarte putin in cadrul rocilor eruptive din Muntii Gutai, in ciuda varietatii petrografice si chimice a rocilor analizate. Deviatia standard este de doar 0,00005. In segmentul CGH variatia valorilor este usor mai accentuata, deviatia standard fiind cu un ordin de marime mai mare (0,00012). Valorile cele mai ridicate au fost masurate in cadrul grupului Calimani low-k. Pentru acest grup valoarea medie este de 0,512841. Aceasta este cea mai ridicata valoare medie comparativ cu celelalte grupuri considerate si corespunde celei mai scazute valori medii a raportului Sr/⁸⁶Sr, sugerand faptul ca magmele care au generate aceste roci sunt cele mai primitive si mai putin contaminate din intregul arc est carpatic. Valorile cele mai scazute se intalnesc in M-tii Gutai. Valoarea medie 0,512432 este foarte asemanatoare cu singura valoare disponibila pentru M-tii Oas (0,512439). Pentru restul grupurilor din segmentul CGH valorile medii ale raportului Nd/¹⁴⁴Nd sunt destul de asemanatoare (~ 0,5125). Valori usor mai ridicate se intalnesc in Gurghiu, valoarea medie fiind de 0,512617.

Comparativ, bazaltele alcaline din estul Bazinului Transilvaniei (Downes et al., 1995) au valori ale rapoartelor ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd asemanatoare cu cele din Calimani low-K, dar mai mici pentru ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr la valori ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd similare. Rocile calc-alcaline din extremitatea sudica (back-arc) au compozitii izotopice pentru Sr si Nd foarte asemanatoare cu a magmelor alcaline din estul Bazinului Transilvaniei (Mason et al., 1996 si Kovacs, 2002).   

Per ansamblu, magmele grupului Gutai sunt mult mai contaminate crustal comparativ cu cele din Calimani Gurghiu Harghita. Se aseamana cu cele mai contaminate magme din grupul Calimani. Compozitia lor izotopica (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd ) le situeaza in apropierea campului de variatie al crustei superioare. Comparativ cu alte arcuri continentale (e. g. arcul Aegean si arcul Aeolian), domeniile de variatie ale rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si Nd/¹⁴⁴Nd sunt asemanatoare (Fig. 2.).

Fig. 2. Variatia rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd in vulcanitele neogene din arcul est Carpatic comparativ cu ale arcuri continentale (valorile dupa Mason et al., 1996 si Kovacs, 2002)

Fundamentul cristalin, respectiv seriile de Rebra si Negrisoara, este caracterizat de valori ale raptului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr semnificativ mai mari, respectiv de valori mai scazute ale raportului ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd.

Izotopii plumbului. In segmentul Calimani Gurghiu Harghita, izotopii Pb-ului prezinta limite de variatie mult mai restranse si doar mici diferente pot fi observate intre cele cinci grupuri considerate. Rapoartele izotopice ale Pb din segmentul CGH sunt foarte asemanatoare cu cele din Carpatii vestici (Salters et al., 1988). Bazaltele alcaline din estul Bazinului Transilvaniei prezinta valori ale rapoartelor ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb similare cu cele mai mici valori intalnite in CGH.

Tendinta de imbogatire in izotopii grei ai Sr si Nd in cadrul fiecarui grup este acompaniata doar de mici variatii in rapoartele izotopice ale Pb. Rocile din grupul Calimani low-K au o compozitie izotopica a Pb care le apropie de bazaltele alcaline de la Rupea si de linia de referinta pentru emisfera nordica (NHRL: Hart, 1984). Grupurile Calimani Gurghiu si Harghita Nord se dispun impreuna prezentand valori ridicate ale rapoartelor izotopice. Grupul Harghita Sud are o pozitie aparte pe graficul de variatie, fiind caracterizat de valori mici ale raportului ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb. Bazaltele si andezitele bazaltice de back-arc (La Gruiu-Fantana si respectiv Rupea) se prezinta ca fiind cele mai primitive roci din zona, fiind caracterizate de cele mai mici valori ale rapoartelor izotopice ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb si ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb.

Crusta superioara corespunzatoare zonei Est Carpatice are caracteristici izotopice tipice pentru roci metasedimentare vechi si graNitoide (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,70936 0,73619; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd = 0,512346 0,511963; Pb = 37 95). Sisturile tind sa aiba valorile cele mai ridicate ale raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Compozitia izotopica a Pb in crusta superioara locala se suprapune complet peste campul de variatie al rocilor vulcanice din segmentul CGH. Valorile ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ale Flisului Transcarpatic sunt relativ mai scazute decat cele ale crustei superioare (0,70780 0,71702), dar rapoartele ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd sunt asemanatoare (0,5012255 0,512126). Rapoartele izotopice ale Pb in depozitele de flis ( Pb = 26 68) sunt asemanatoare cu sedimentele actuale din Bazinul Marii Negre.

Numarul de analize privind compozitia izotopica a plumbului in magmatitele din segmentul Oas Gutai este foarte redus si se refera in principal la roci din complexul andezitic de Cavnic Suior alaturi de o proba de bazalt de Firiza si un andezit piroxenic de Ignis. Valorile rapoartelor izotopice ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb si Pb/²⁰⁴Pb variaza intr-un domeniu restrans. Fata de linia de referinta NHRL (Northern Hemisphere Reference Line) (Hart, 1984) se constata o imbogatire semnificativa in izotopii grei al plumbului (Fig. 5.). Majoritate probelor din Gutai prezinta valori asemanatoare cu grupurile Calimani Gurghiu Harghita Nord. In schimb, bazaltul de Firiza se suprapune peste domeniul de variatie al grupului Harghita Nord (Fig. ). Compozitia izotopica a Pb in rocile vulcanice din Gutai, cat si din segmentul Calimani Gurghiu Harghita, este asemanatoare cu crustei superioare locala, dar si cu sedimentele actuale din Bazinul Marii Negre. Tendinta de imbogatire in izotopi grei fata de sursa mantelica poate fi explicata fie prin asimilarea crustei continentale, fie prin imbogatirea sursei mantelice cu sedimente subduse, ori prin suprapunerea celor doua procese.

Fig. Sistematica izotopilor Pb-ului in vulcanitele neogene din Gutai si in cele din segmentul Calimani Gurghiu Harghita (valorile dupa Mason et al., 1996 si Kovacs, 2002)

Izotopii oxigenului Studiile geochimice au ca principal scop identificarea materialului crustal subdus in sursa lor mantelica, precum si caracterizarea mecanismelor de interactiune cu rocile crustale pe care le intrud. Descifrarea ambelor procese presupune existenta unor metode geochimice capabile sa discrimineze rocile care acum sau care in trecut au facut parte din crusta de cele care intotdeauna au fost rezidente in manta. Materialul crustal are in majoritatea cazurilor rapoarte izotopice ale oxigenului care difera mult de cele caracteristice mantalei, deoarece fractionarile izotopice sunt in primul rand cauzate de alterarile de temperatura scazuta si de interactiunile apa/roca. Din acest motiv, oxigenul, dintre toate sistemele izotopice (H, Li, B, C, N, Cl si S) este cel mai potrivit sa cuantifice rolul rocilor crustale in petrogeneza bazaltelor, fie prin contaminarea sursei cu componenti de subductie, fie prin asimilare de roci din litosfera actuala (Eiler, 2002).

Proportiile de amestec ale componentilor cu caracteristici izotopice distincte care contribuie la chimismul magmelor si al rocilor din manta sunt mai usor definite de oxigen decat de oricare alt sistem izotopic. Pentru oxigen sensibilitatea metodei este de aproximativ 1% greutate component. In acest sens, geochimia izotopilor oxigenului completeaza un mare numar de alti trasori geochimici ce implica elemente incompatibile (adica acele elemente care fractioneaza in topiturile silicatice in timpul topirii si cristalizarii) precum Sr, Nd, Hf, Pb. Relatiile de amestec intre diferiti componenti (sursa mantelica, componenti crustali) sunt cel mai bine definite prin sistemul izotopic oxigen strontiu.

Fractionarea izotopilor oxigenului intre topituri, minerale si faze volatile in timpul proceselor de cristalizare, topire partiala a rocilor peridotitice sau de degazificare sunt suficient de mari pentru a genera variatii observabile. Totusi, in majoritatea cazurilor ele nu depasesc cu mult 0,1 0,3 , comporabil cu precizia analitica a masuratorilor de rutina ( 0,2), putand fi in general neglijate. In anumite situatii, aceste modificari pot fi importante, ca de exemplu deshidratarea topiturilor cu un continut mare de apa din zonele de subductie care pot genera magme cu aprox. 0,2 pana la 0,3 mai saracite in ¹⁸O decat sursa lor mantelica. Cele mai importante variatii in compozitia izotopica a topiturilor magmatice se produc datorita contaminantilor crustali, litosferei subduse si a interactiunii cu fluide.

Sursa rocilor vulcanice din zonele de subductie incorporeaza intr-o masura mai mare sau mai mica, sedimente si fluide de pe placa subdusa (Gill, 1981). De aceea, contrastul dintre O a mantalei superioare pe de o parte si diversi componenti ai crustei oceanice subduse, pe de alta parte, ofera un mijloc de descifrare a mecanismului de incorporare. Cu toate acestea, magmele din zonele de arc sunt adesea evoluate in comparatie cu cele din alte zone de subductie, implicand in evolutia lor procese complexe de cristalizare, amestec de magme si contaminare, facand dificila identificarea caracteristicilor izotopice si geochimice ale sursei mantelice. Studiile efectuate in arcurile continentale (Anzi) sau oceanice (Antile) au relevat variatii mari in O (de la valori comparabile cu majoritatea bazaltelor (57) pana la valori ridicate (14) care se coreleaza cu cresterea gradului de diferentiere magmatica, reflectand procese de asimilare si/sau amestec de topituri crustale. Studii recente si de detaliu privind geochimia izotopilor oxigenului in zonele de arc (Eiler et al., 2000b) au aratat ca sursa mantelica a magmelor are initial valori O in limita de variatie MORB. Prin adaugare de component avand valori O ridicate de pe placa subdusa, are loc o topire partiala a mantalei superioare producandu-se un transfer progresiv de componenti de subductie si o imbogatire usoara in ¹⁸O si ⁸⁷Sr.

In cadrul zonei subvulcanice si a segmentului Calimani Gurghiu Harghita, valorile O au fost determinate cu precadere pe clinopiroxeni, amfiboli si ortopiroxeni care sunt faze minerale abundente si nealterate in majoritatea litologiilor. Intre aceste faze minerale fractionarile izotopice sunt mici, in limita erorilor analitice. Fractionarile izotopice intre aceste faze minerale si topiturile bazaltice la temperaturile de cristalizare sunt de asemenea mici. Din aceste motive, mineralele mafice pot fi considerate minerale index pentru caracterizarea izotopica a magmelor de origine. Determinari izotopice pentru oxigen in magmatitele din Carpatii Orientali exista de asemenea pe biotite, plagioclazi, olivina si granati.

Pentru zona subvulcanica, valorile ^18O cele mai ridicate (6,6 6,7) au fost obtinute in cazul structurilor Cornii si Colibita. Valori de echilibru izotopic intre piroxeni (5.7) si hornblenda (5.6 ), foarte asemanatoare cu cele ale mantalei (e. g. Mattey et al., 1994) s-au obtinut pentru o enclava magmatica din structura Cornii. Valori asemanatoare s-au obtinut pentru structura Iliuta (andezit bazaltic) si pentru doua enclave din structura Magura Arsente. Aceste valori pot fi considerate ca reprezentand valorile primare ale magmei parentale provenite intr-o sursa mantelica.

Celelalte valori obtinute, atat in cazul rocilor gazda cat si in cel al enclavelor sunt mult mai scazute decat cele tipice rocilor magmatice din zonele de margine continentala (e. g. Hoefs, 1997), reflectand interactiunea cu un contaminant caracterizat de valori d O scazute. De notat faptul ca domeniul de variatie al valorilor d O din zonele vulcanice de la sud (M-tii Calimani Gurghiu - Harghita) (Mason et al., 1996)) si de la nord (Carpatii Ucraineni, (Seghedi et al., 2001)) este net diferit (5.1 8.7).

Valorile cele mai apropiate de cele ale mantalei sunt cele obtinute in cazul piroxenilor din enclavele magmatice. Cele mai mici valori sunt cele obtinute in structura Magura Arsente, indicand interactiuni importante cu material crustal puternic saracit in ¹⁸O. Imprastierea cea mai accentuata a valorilor se observa in grupul amfibolilor din enclave. Aceasta s-ar putea datora slabei consolidari pe care o parte din enclavele analizate o prezinta (probele I4px1, I4px2, I4px4, I8/hb2), fapt ce le-a facut mult mai permeabile penetrarii fluidelor din crusta care au produs o saracire mai mult sau mai putin accentuata a amfibolilor. In aceste probe se poate de asemenea observa dezechilibru izotopic intre amfiboli si piroxeni.

Valoarea O obtinuta pentru granatul din structura Plesii (andezit cuartifer cu granat) (3 ) se inscrie in domeniul de variatie al amfibolilor din seria low-K. Granatul este in echilibru izotopic cu amfibolul coexistent (8 ). Fractionarea izotopica a oxigenului, la echilibru, intre granat si hornblenda este mai mica de 0.4 in intervalul de temperatura 850 1000^oC (Zheng, 1993a,b). O valoare mult mai ridicata (7.3) a fost obtinuta pentru granatul metamorfic (alm 61%; and 23 %; sps 4 %; prp 12 %) din micasistul cu granat si staurolit din seria de Rebra. In aceste conditii se poate presupune ca granatul din andezitul de Plesii nu este un xenocristal, ci are o origine magmatica, si, ceea ce este cel mai important, a cristalizat dintr-o magma saracita in d O. De notat faptul ca valoarea masurata in granatul din Plesii este cea mai scazuta valoare raportata in literatura de specialitate pentru granati de diferite origini (Harangi et al., 2001 si literatura pe care o citeaza). Pentru regiunea Carpato-Panonica, valorile O obtinute pentru granatii almandinici din rocile magmatice variaza intre 6,1 si 10,5 (Mason et al., 1996; Harangi et al., 2001).

In cadrul segmentului Calimani Gurghiu Harghita se constata o diferentiere neta in ceea ce priveste domeniul de variatie al valorilor O comparativ cu zona subvulcanica. In zona subvulcanica media valorile O este de 9 (variatie intre 3,7 si 6,7), in timp ce pentru segmentul CGH valoarea medie este mult mai ridicata 6,7 (variatie intre 5,1 si 8,7). Suprapuneri partiale exista in cazul grupului Calimani low-K (dacite; O = 5,1 6) si al rocilor seriei low-K din zona subvulcanica (RB) (andezite bazaltice, dacite; O = 4,3 5,4). De asemenea, rocile din structurile Cornii si Colibita (andezite) apartinand seriei potasice din zona subvulcanica, avand valorile O cele mai ridicate din cadrul acestei zone (~6.7), prezinta asemanari cu grupurile Calimani si Gurghiu. Analogii intre valorile O pot fi puse in evidenta deopotriva pentru produsele cele mai primitive ale CGH si RB, pe de o parte, si bazaltele alcaline din Bazinul Panonic pe de alta parte (fig. 9.). Acestea din urma sunt considerate a fi o dovada a omogenitatii compozitiei izotopice a oxigenului in mantaua superioara in perimetrul Carpato-Panonic (Dobosi et al., 1998).

Comparativ cu rocile crustale se pot constata similaritati ale compozitiei izotopice a oxigenului intre rocile magmatice si diferitele tipuri de crusta inferioara studiata in aria Carpato-Panonica (Kempton et al., 1997) (3,55.5; 711). Rocile crustei superioare (seriile metamorfice Rebra si Negrisoara) in schimb, sunt caracterizate de valori O mult mai ridicate (13,1 17,9) decat in cazul magmatitelor.

Izotopii hidrogenului. Pentru zona subvulcanica pot fi delimitate cu usurinta trei campuri de variatie distincte a valorilor dD ( SMOW), corespunzatoare (1) rocilor si mineralelor metamorfice, (2) rocilor si mineralelor magmatice si (3) apelor libere.

Domeniile de variatie a valorilor concentratiei in deuteriu pentru domeniile considerate sunt urmatoarele:

- rocilor si mineralelor metamorfice din zona cercetata sunt caracterizate de o valoare medie dD = -24,59 11,79, avand un domeniu de variatie D intre -0,28 si-44,7 (Papp, 1999);

rocile magmatice avand o medie a valorilor dD = -72,98 12.83, se separa net de cele metamorfice din punct de vedere al compozitiei izotopice a hidrogenului ( D intre -54,0 si -97,7);

apele libere din zona, atat cele subterane cat si cele de suprafata prezinta valori medii dD foarte asemanatoare ( -71,43 3,22 si respectiv -71,94 3,22), dar diferite de cele al fondului de deuteriu din roci, atat metamorfice cat si magmatice. Ambele tipuri de ape libere din zona apartin ciclului meteoric actual (Papp, 2000).

In cadrul grupului mineralelor si rocilor magmatice poate fi individualizat un subgrup reprezentat de enclavele magmatice cognate (piroxenit, hornblendit mega cristal de hornblenda) din structura Magura Arsente a caror valori dD (-97,65 ; -91,23 ; -90,0) sunt cele mai scazute din ansamblul probelor analizate. Aceste valori sunt usor mai scazute decat valorile considerate tipice pentru MORB (-90 -75) (Hoefs, 1997). In roci bazaltice, valori mai scazute (de pana la -100) au fost semnalate in legatura cu interactiunea cu materiale crustale (asimilare de roci crustale alterate hidrotermal, fractionari izotopice cu ape meteorice). In schimb, imbogatiri in deuteriu pot aparea prin degazeficarea topiturile bazaltice prin pierderea H₂, H₂O sau CH Moleculele de gaz care parasesc sistemul sunt puternic saracite in deuteriu, fenomenul care se produce fiind o distilare tip Rayleigh.

O corelatie pozitiva semnificativa (r=0.69) s-a obtinut intre valorile dD ( SMOW) si continutul in H₂O (%) pentru probele apartinand seriei low-K din zona subvulcanica. Valori dD scazute corespund la continuturi mici de apa in roci bazice, in timp ce rocile mai acide sunt caracterizate de valori dD mai ridicate si de continuturi in apa mai ridicate. O astfel de evolutie implica asimilarea de roci crustale ce contin ape cu concentratii mai mari de deuteriu.

Pentru rocile din seria low-K, s-a obtinut de asemenea o corelatie pozitiva (r=0.76) cu rapoartele ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, sugerand existenta unui amestec de doi componenti (sursa mantelica component crustal). Pentru seria high-K nu a putut fi pusa in evidenta nici o corelatie cu continutul in H₂O sau cu rapoartele ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr.

Per ansamblu, co-variatia dintre valorile dD si δ¹⁸O este imprastiata (fig. 7.). Totusi, doua tendinte principale de evolutie pot fi remarcate: (1) cresterea valorilor dD cu descresterea valorilor δ¹⁸O (majoritatea probelor din seria low-K apartine acestui trend) si (2) cresterea valorilor dD cu cresterea valorilor δ¹⁸O (tendinta descrisa de probele apartinand seriei high-K). Cele doua trenduri au un component comun avand dD=-87.4 si O=5.1. Acesta corespunde andezitului bazaltic de Iliuta (cea mai bazica si mai putin contaminata roca; ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.7058) sugerand faptul ca toate magmele provin din aceiasi sursa mantelica. Magmele din care provin rocile seriei low-K au fost contaminate cu crusta inferioara alterata hidrotermal si au avut o ascensiune rapida spre suprafata, in timp ce magmele din care provin rocile seriei high-K au stationat in crusta superioara in camere magmatice intermediare unde au avut loc procese tip AFC, precum si interactiuni cu ape meteorice de suprafata.

Structura Heniu care descrie un trend aparte. Asa cum se va putea observa din discutiile prezentate in capitolul urmator, o posibila explicatie ar fi existenta unei camere magmatice intermediere si reumplerea acesteia cu magme bazice derivate din sursa matelica.

Fig. 7. - Co-variatia dintre valorilor dD si δ¹⁸O in principale structuri subvulcanice neogene din M-tii Rodna Bargau

Saracirea in ¹⁸O a rocilor magmatice - dovada asimilarii de roci alterate hidrotermal si a interactiunii cu ape meteorice fierbinti

Saracirea in ¹⁸O a rocilor magmatice este interpretata in termenii alterarii hidrotermale. Astfel de procese pot aparea in crusta superioara prin interactiunea cu ape meteorice sau marine. Sistemele hidrotermale de temperatura scazuta (< 400^oC) avand o durata de evolutie scurta (< 10⁶ ani) sunt caracterizate de fractionari izotopice importante intre minerale si apa, aparand dezechilibre izotopice importante intre diferitele minerale ale rocii. Valori δ¹⁸O foarte scazute de pana la -4 au fost raportate in legatura cu astfel de procese si in general ele se coreleaza cu scaderea valorilor δD (e. g. Taylor, 1974). De asemenea se pot pune in evidenta alte efecte mineralogice, ca de exemplu alterarea totala sau partiala a mineralelor mafice primare, concresteri micrografice intre cuart si feldspat, cavitati miarolitice si filonase umplute cu cuart si calcit, etc. Din contra, interactiunea hidrotermala produsa la temperaturi ridicate (400 - 800^oC) este compatibila cu cvasi absenta produselor de alterate hidrotermala, cu prezenta clinopiroxenilor si cu o relativa uniformitate in ceea ce priveste compozitia izotopica a oxigenului in toate litologiile existente (Hoefs, 1997 si literatura citata).

In anumite cazuri, magme caracterizate de valori d O mici, se pot forma prin retopirea unor roci alterate hidrotermal sau prin asimilarea masiva de astfel de roci.

Produsele de alterare hidrotermala sunt slab dezvoltate in rocile luate in studiu. Valorile D masurate sunt valori normale pentru rocile magmatice. Deoarece difuzia hidrogenului in roci este mult mai rapida decat in cazul oxigenului, interactiunea tarzie dintre intruziunile magmatice cu fluide crustale reci ar fi produs o saracire importanta in deuteriu si in consecinta valori D foarte scazute. Toate aceste observatii, precum si existenta unor corelatii intre izotopii oxigenului, hidrogenului si strontiului ne determina sa discutam valorile mici ale raportului ¹⁸O/¹⁶O ca o caracteristica a sursei. Totusi, interactiunea cu ape subterane meteorice fierbinti trebuie luata in considerare ca un proces complementar care de asemenea a putut avea ca efect scaderea valorilor O. Datele furnizate de studiul incluziunilor fluide (Papp et al., 2003) indica, de asemenea, prezenta fluidelor apoase (sistemul NaCl H₂O) slab saline (7 0.59 eq. wt% NaCl). Incluziunile fluide primare tarzii si pseudo-secundare prezente in cristale de cuart din dacitul de Bucnitori si riolitul de Parva omogenizeaza intr-un interval larg de temperatura cuprins intre 540⁰C si 120⁰C, indicand interactiunea continua in tipul racirii dintre intruziuni si ape meteorice fierbinti. Fara indoiala, controlul asupra scarii fenomenelor hidrotermale este data de structura tectonica (sistemul de falii si fisuri existent), de litologia rocilor in care intruziunile s-au pus in loc (mai permeabile sau mai putin permeabile), precum si de adancimea de punere in loc.

Variatia compozitiei izotopice a rocilor magmatice din Rodna-Bargau poate fi modelata plecand de la o magma parentala avand valori O si ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr similare cu a unei surse mantelice (~ 5.6 si respectiv 0,703) prin interactiune cu material crustal saracit in ¹⁸O si imbogatit in ⁸⁷Sr. Pentru micile intruziuni de roci acide (Plesii-Mal, Sturzii si probabil Parva), crusta inferioara poate fi luata in considerare ca si component crustal (vezi prezenta rocilor cu granati). Pentru a explica caracteristicile izotopice ale acestor roci o crusta inferioara caracterizata de valori O scazute (8 3) si de valori medii spre ridicate ale raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.707 0.710) trebuie luata in considerare avand in vedere ascensiunea rapida a acestor magme si deci slaba lor contaminare in crusta medie/superioara. Kempton et al. (1995) au raportat valori O similare pentru crusta inferioara in aria Carpato-Panonica, cu toate ca ele se coreleaza cu valori mult mai scazute ale raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr.

Descresterea valorilor O cu cresterea valorilor raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si a continutului in SiO₂ poate fi interpretata ca o contaminare progresiva a unei magme derivate din manta cu un contaminant saracit in ¹⁸O si imbogatit in ⁸⁷Sr (i. e. roci crustale alterate hidrotermal). Andezitul bazaltic de Iliuta este cea mai putin contaminata roca. Luand in considerare textura sa vulcanica si volumul mic al intruziunii se poate presupune o racire rapida, fara importante interactiuni cu apele meteorice care ar fi putut afecta valorile O initiale. In ciuda compozitiei mai bazice a andezitului de Heniu comparativ cu andezitul cuartifer de Plesii si dacitul de Sturzii, raportul ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr precum si valoarea O sunt mai ridicate. O posibila explicatie ar fi existenta unui proces AEC (Assimilation and Equilibrium Crystallysation) (Huppert and Sparks, 1985). Volumele mari de magmele mafice, mai fierbinti decat cele acide, au capacitatea de a ingloba mai usor material crustal ducand la cresterea valorilor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Pastrarea unei compozitii intermediare in timpul asimilarii si cristalizarii fractionate implica noi veniri de magme mafice in camerele intermediare. Prezenta enclavelor magmatice mafice in cadrul structurii Heniu, precum si faptul ca aceasta structura este incomparabil mai mare decat structurile mai acide sustin existenta unui astfel de proces.

Structurile Cornii si Colibita sunt caracterizate de valori O (6.7 ) si rapoarte ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.709) ridicate, ceea ce implica masive asimilari crustale. Valorile O de echilibru dintre piroxeni si amfiboli, asemanatoare cu cele ale mantalei, indica originea lor dintr-o sursa mantelica necontaminata. Aceste roci prezinta un grad ridicat de cristalizare si au un continut ridicat de K si Sr. Ele formeaza volume mari de roci intruzive. Toate aceste caracteristici pot fi explicate prin stagnarea in mari camere magmatice intermediare unde a putut avea loc un proces de asimilare-cristalizare fractionata. Valorile O mai ridicate si D relativ mai scazute (-53,9) nu sunt compatibile cu asimilarea de roci puternic alterate sau cu interactiunea cu mari mase de ape meteorice. Aceste complexe intrud formatiunea argilo-marnoasa paleogena, care implica o circulatie redusa a apelor subterane. In plus, proba analizata din andezitul de Cornii provine dintr-un foraj din centru intruziunii, dovedind faptul ca interactiunea cu apele meteorice se produce in special in zone marginale ale intruziunii.

Complexul intruziv Maguri prezinta caracteristici ale unui sistem hidrotermal de temperatura mai scazuta cu o durata mai mica. Dezechilibrele izotopice intre piroxeni si amfibolii coexistenti, precum si prezenta unor efecte mineralogice de alterare (unele alterari ale mineralelor mafice primare, cavitati si filonase umplute cu cuart si calcit) dovedesc acest lucru. Luand in considerare faptul ca structura Maguri este cea mai tanara, pusa in loc la sfarsitul activitatii magmatice, aceste caracteristici sunt de asteptat. Continutul scazut in SiO₂ al acestor roci, precum si abundenta enclavelor magmatice mafice (inclusiv al piroxenitelor) avand o compozitie chimica si izotopica heterogena implica existenta si in cazul acestei structuri a unui proces de alimentare repetata cu magme mafice a camerei intermediare.

2. Fenomene de contaminare crustala si de diferentiere magmatica in cadrul petrogenezei magmatitelor neogene din Carpatii Orientali

Segmentul Oas - Gutai   

In general, cristalizarea fractionata in magmele calc-alcaline are ca efect cresterea continutului in SiO₂ si descresterea continutului in MgO prin fractionarea plagioclazilor si piroxenilor. Modele de evolutie tip AFC (asimilare - cristalizare fractionata) evidentiate in cadrul grupurilor Oas, Gutai, Tibles, dovedesc faptul ca procesele de diferentiere magmatica au fost extrem de complexe: contaminari la nivelul sursei, asimilarea mai multor componente de material crustal, reumpleri ale camerelor magmatice, amestec de magme. Per ansamblul zonei aflate in studiu, pot fi individualizate cel putin doua tendinte de evolutie. Un prim trend este descris de Complexul andezitelor bzaltice de Mogosa, Complexul andezitic de Firiza, Complexul andezitic de Cavnic Suior si Complexul andezitic de Ignis Mara. Acestui trend i se adauga o serie de corpuri intruzive din Tibles (Mg. Neagra (gabrodiorit), Arsuri (micrograbodiorit), Izvorul Negru (gabrou cuartifer), Buza Mlastinilor (dacit)), precum si andezitele cu piroxeni si amfiboli din Muntii Oas (V. Custuri, Barlog) si eventual andezitele cu piroxeni de pe V. Tarnei. Al doilea trend cuprinde din Muntii Gutai, Complexul andezitelor cuartifere, Complexul dacitic Danesti Piatra Rosie si cu o pozitie aparte Complexul de Laleaua Alba, complexele intruzive Bran-Tibles, Tomanatec si Paltinis din Tibles, precum si magmatitele din extremitatea nordica a Muntilor Oas (Bereyatsa, D. Ciornii, Calinesti). De remarcat faptul ca complexul andezitelor bazaltice de Mogosa, precum si andezitele cu piroxeni de pe V. Tarnei, pot fi considerate ca stand la baza ambelor trenduri, fiind rocile cele mai primitive si cel mai putin contaminate. De asemenea, trebuie remarcat similitudinea dintre caracteristicile izotopice ( Sr/⁸⁶Sr ~ 0,708; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd ~ 0,51243) ale Complexului dacitic Danesti (Gutai) si dacitele din nordul Muntilor Oas.

Tendinta de crestere a rapoartelor Sr/⁸⁶Sr concomitent cu scaderea rapoartelor ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd este foarte bine pusa in evidenta in cadrul grupului Gutai. Rocile cele mai apropiate de caracteristicile izotopice ale mantalei tip NMORB ( Sr/⁸⁶Sr ~ 0,705; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd ~ 0.5129), deci cel mai putin contaminate crustal, sunt cele din complexul andezitelor cuartifere, urmate de complexul andezitelor de Mogosa. Complexul dacitelor de Danesti, complexul andezitelor de Ignis Mara si complexul andezitelor de Cavnic Suior prezentand rapoarte Sr/⁸⁶Sr ridicate si rapoarte ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd scazute, care se asociaza cu rapoartele izotopice ale Pb-ului mult deasupra liniei de referinta NHRL, dovedesc un grad mare de contaminare crustala.

Magmele parentale din segmentul Oas Gutai Tibles sunt magme fractionate si contaminate intr-o mai mica sau mai mare masura. Similar cu alte arcuri de margine continentala se poate presupune ca un prim proces de contaminare crustala s-a produs la nivelul crustei inferioare. Stagnarea un timp indelungat a magmelor in camere intermediare situate in crusta superioara a facu posibila asimilarea pe scara larga a materialului crustal concomitent cu procesul de cristalizare fractionata. In sectorul Tibles contaminarea crustala a fost mai redusa comparativ segmentul Oas - Gutai, asa cum reiese din variatia rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, precum si din studiul petrografic. Pentru intregul arc est carpatic se poate urmari o corelatie directa intre varsta magmatitelor si gradul de contaminare. Astfel, magmele din segmentul nord-vestic (in special cele din Gutai si parte din Oas) sunt mai vechi si prezinta un grad de contaminare mai ridicat decat cele din zona subvulcanica Rodna Bargau si respectiv segmentul sud-estic (Calimani Gurghiu Harghita).

Segmentul subvulcanic (Rodna Bargau)

Rezultatele studiului geochimic bazat pe elemente chimice majore, minore si pe izotopii oxigenului, strontiului si hidrogenului permit evaluarea principalelor procese care au influentat evolutia magmelor.

Diferentierea prin cristalizare fractionata este sustinuta de existenta unui ansamblu de roci continand toate tipurile petrografice de al bazalte la riolite. Prezenta unei mari varietati mineralogice: plagioclazi, amfiboli, piroxeni, cuart, biotit, granati, oxizi de fier etc. corespunde unei succesiuni rezultate prin cristalizare fractionata. Existenta unor corelatii liniare intre continuturile in principalii oxizi si SiO₂ (indice de diferentiere) pledeaza de asemenea pentru un proces de diferentiere magmatica. Cu toate acestea, lipsa unei corelatii intre variatia continutului in elementele minore si continutul in SiO₂, indica faptul ca diferentierea magmatica s-a produs in conditii specifice pentru fiecare structura magmatica in parte.

In cadrul magmatismului din zonele de subductie mecanismele de contaminare crustala sunt: contaminarea sursei prin intermediul placii subduse si contaminarea crustala a magmelor produsa in camere magmatice intermediare prin procese de asimilare-cristalizare fractionata (AFC). Modelele geotectonice existente referitoare la regiunea Carpato-Panonica (e.g. Radulescu and Sandulescu, 1976; Csontos, 1995) considera ca in tipul subductiei, sursa mantelica a putut fi contaminata prin consumare de crusta oceanica si continentala subtiata, precum si de sedimente (stratele care in prezent formeaza Flisul Carpatic Extern).

Se observa o dispersie accentuata a rapoartelor Ba/La. Atat Ba cat si La sunt puternic incompatibile in procesele de fractionare a topiturilor magmatice, un raport Ba/La ridicat implicand o participare importanta a fluidelor. In rocile magmatice din Muntii Rodna-Bargau rapoartele ridicate Ba/La se coreleaza cu cresterea rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr fata de MORB, sugerand fie existenta un proces de contaminare a sursei cu sedimente sau a unui proces de asimilare crustala de catre magma in ascensiune, fie existenta conjugata a ambelor procese. Roca cea mai putin contaminata, care prezinta valori scazute atat ale raportului Ba/La cat si ale raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, este andezitul bazaltic de Iliuta din seria low-K.

Rapoartele ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ridicate sunt, in general, interpretate in termenii asimilarii crustale. Cum cresterea valorilor rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr se asociaza cu cresterea rapoartelor elementelor litofile comparativ cu mantaua, asimilarea crustala trebuie luata in considerare in petrogeneza magmatitelor din Rodna-Bargau. Asimilarea crustala este de asemenea dovedita de prezenta enclavelor crustale (roci metamorfice si sedimentare) (vezi capitolul precedent).

In general o magma caracterizata de un continut ridicat de Th se considera a fi contaminata cu sedimente subduse. Seria high-K este caracterizata de un raport Th/Nb mai ridicat sugerand o contributie mai importanta a sedimentelor si a crustei superioare in contaminarea magmatica, in timp ce rocile seriei low-K prezinta valori mai scazute ale rapoartelor Th/Nb indicand faptul ca doar mici cantitati de sedimente au fost implicate. In schimb, similitudinea rapoartelor Th/Nb ale acestei serii cu cele din crusta inferioara din regiunea Carpato-Panonica (Kempton et al., 1997) sugereaza implicarea crustei inferioare in geneza magmelor.

Implicarea crustei inferioare in geneza magmelor este dovedita si de prezenta andezitelor cu granati. Granatul este un mineral puternic refractar fata de schimbul izotopic al oxigenului si de aceea poate fi indicativ pentru regiunea sursa. Cum granatul din andezitul de Plesii este in echilibru izotopic cu amfibolul coexistent, valoarea scazuta O, respectiv 3, poate fi considerata ca o caracteristica a regiunii sursa. Petrogeneza rocilor magmatice cu granat implica existenta unor conditii P-T speciale, precum si conditii tectonice care sa faciliteze o ascensiune rapida a magmelor spre suprafata datorita limitelor de stabilitate ale granatului. In general, petrogeneza acestor roci se explica prin topirea partiala a crustei inferioare datorita ridicarii spre suprafata a magmelor provenite din manta, producand mici volume de roci acide avand un continut ridicat de Al₂O₃ (e. g. Day et al., 1992, Harangi et al., 2001). Pentru andezitele cu granat (Plesii-Mal) si dacitul de Sturzii, conditiile P-T (P>8kbars and T>850^oC) au fost favorabile cristalizarii paragenezei amfiboli-plagioclaz-granat (Green, 1982). Presiunea interna a magmei datorita continutului ridicat de fluide apoase, precum si aparitia unui regim de decompresie a putut facilita ascensiunea relativ rapida a magmei si conservarea granatului. Aparitia acestor roci cu granat din Rodna-Bargau in apropierea faliei crustale a Somesului, precum si lipsa enclavelor magmatice mafice care ar fi implicat existenta unor camere magmatice intermediare, sunt argumente in favoarea unei ascensiuni rapide a magmelor. Existenta unei mantale hidratate, care este o alta conditie a genezei rocilor cu granat primar, este in acord cu raportul Ba/La ridicat al acestor roci precum si cu existenta in cadrul seriei de roci mediu-K exclusiv a mineralelor mafice hidratate (amfiboli, biotit). De asemenea, abundenta incluziunilor fluide explodate puse in evidenta in cristalele de cuart din dacitul de Bucnitori-Sturzii arata clar existenta unui regim de decompresie (Papp, 2001; Papp et al., 2003), ceea ce a putut facilita ascensiunea rapida a magmelor si conservarea granatului.

Segmentul Calimani Gurghiu - Harghita

Una dintre cele mai importante probleme petrologice referitoare la magmatitele calc-alcaline neogene din segmentul CGH, ca dealtfel pentru intregul arc est carpatic, o reprezinta cauza variatiilor mari ale compozitiilor izotopice in cadrul diferitelor segmente ale arcului si al diferitelor serii magmatice ( O = 3,7 8,7; ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,70409 0,71019; ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd = 0,512902 0,51239; ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 18,43 19,04). Cu exceptia valorilor O din zona subvulcanica care au fost discutate in detaliu mai sus, compozitia izotopica a magmelor calc-alcaline reflecta tendinta pronuntata de imbogatire in izotopi grei fata de sursa mantelica. Aceasta tendinta poate fi explicata fie prin asimilarea crustei continentale, fie prin imbogatirea sursei mantelice cu sedimente subduse, ori prin suprapunerea celor doua procese.

In cadrul arcului est carpatic, interactiunea cu litosfera continentala a avut probabil un rol major, luand in considerare faptul ca magmele in ascensiune au traversat 30 40 km de crusta, cat se considera a fi grosimea ei in aceasta arie. Pe langa interactiunea crustala, in timpul ascensiunii magmei s-au putut produce procese conjugate de cristalizare, fractionare si amestec de magme. In timpul stagnarii in crusta superioara, este de presupus ca magmele au suferit modificari ale compozitiei izotopice si a continutului in elemente minore. Din acest motiv este dificil de pus in evidenta contributia crustei inferioare, cu atat mai mult cu cat informatiile privind compozitia chimica si izotopica a crustei inferioare in aria carpatica sunt insuficiente.

Corelatiile dintre variatiile de concentratie a izotopilor radioactivi cu indicii de fractionare a magmelor (e. g. SiO₂, MgO) au fost deseori utilizate pentru a pune in evidenta procesele de asimilare produse concomitent cu cristalizarea fractionata (procese de tip AFC). In general, cristalizarea fractionata in magmele calc-alcaline are ca efect cresterea continutului in SiO₂ si descresterea continutului in MgO prin fractionarea plagiclazilor si piroxenilor. Privite in ansamblu, magmele din CGH nu prezinta evidente clare pentru un proces tipic AFC, dovedind faptul ca procesele de contaminare crustala in aceasta zona au fost extrem de complexe. O corelatie pozitiva intre ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si SiO₂ apare doar in cadrul grupului Calimani. In grupurile Calimani low-K, Gurghiu si Harghita Nord nu se pot pune in evidenta corelatii intre compozitia izotopica si indicii de fractionare. In grupul Harghita Nord imprastierea valorilor pe graficul de corelatie este foarte accentuata, rocile dacitice avand cele mai mici valori ale raportului ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. De asemenea, grupul Harghita Nord prezinta cele mai ridicate valori O, dar andezitele sunt mai imbogatite in ¹⁸O decat dacitele.

Diferentele de compozitie intre diferitele grupuri considerate pot fi explicate prin contributia in proportii diferite a mai multor tipuri de contaminanti in diferitele parti ale arcului carpatic. In general, pentru intregul arc est carpatic, se poate constata ca magmele cele mai evoluate sunt si cele mai vechi, sugerand faptul ca ele au stagnat perioade lungi de timp in crusta. Magmele derivate direct din manta au putut ajunge la suprafata doar prin canale si fisuri preexistente. Migrarea rapida in timp de-a lungul arcului a activitatii magmatice, a putut contribui de asemenea la asimilarea de componente crustale diferite de catre diferitele centre magmatice.

Absenta magmelor bazice cu compozitie izotopica asemanatoare cu cea a mantalei poate sugera faptul ca o zona de amestec, asimilare, stocare si omogenizare (MASH, Hildreth & Moorbath, 1988) a operat la nivelul crustei inferioare. Incorporarea de crusta inferioara ar fi putut conduce la imbogatirea izotopica a magmelor, care apoi au fractionat si s-au contaminat la nivelul crustei superioare prin procese tipice AFC. Totusi, asa cum am aratat deja, este dificil de cuantificat contributia crustei inferioare datorita faptului ca exista putine date referitoare la natura crustei inferioare de-a lungul arcului carpatic. Cu toate acestea, se accepta faptul ca diferentele de compozitie izotopica a magmelor parentale din diferitele parti ale arcului sunt un efect al proceselor de tip MASH.

Cel mai probabil, sisturile metamorfice ale crustei superioare sunt rocile care ar fi putut fi asimilate in cadrul proceselor AFC. Acestea sunt un component major al crustei, au punctele de topire scazute si au continuturi ridicate de Sr, Nd si Pb.

Magmele cele mai bazice si cu compozitia izotopica cea mai primitiva pot fi identificate pentru fiecare grup in parte pentru a putea fi cuantificate procesele AFC. Astfel de magme au in general valori O scazute (~5,7), continuturi mici de MgO (<63ppm), Ni (<63ppm) si Cr (<173ppm). Fractionarea olivinei si clinopiroxenilor a afectat chimismul acestor magme inainte de punerea lor in loc. Rocile cele mai bazice din CGH au valori relativ ridicate ale rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0,70525 0,70820) si relativ mici ale raportului ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd (0,512775 0,512413), la valori O tipice pentru clinopiroxenii din manta (5,7; Mattey et al., 1994). Aceste caracteristici, cuplate cu rapoartele K/Nb ridicate si Ce/Pb scazute, reflecta fie modificarea sursei mantelice prin subductie, fie asimilarea de crusta inferioara cu valori O scazute.

Luand in considerare variatiile importante ale compozitiilor izotopice si geochimice ale rocilor din CGH, este de presupus participarea mai multor tipuri de contaminanti in diferitele parti ale arcului. Pentru Calimani, atat rocile metamorfice din subasment cat si sedimentele de flis au putut fi asimilate. Intre 5 si 30% material crustal se presupune ca ar fi putut fi asimilat pentru a se putea explica diferentele de compozitie izotopica. Pentru grupurile Gurghiu si Harghita Nord, compozitia izotopica a Sr si Nd poate fi modelata plecand de la magme parentale usor diferite pentru fiecare din cele doua grupuri cu component crustal in proportii variabile, intre 5 si 25%. Pentru grupul Harghita Sud, cel mai probabil contaminant crustal sunt sedimentele de flis asimilate in proportie de 10 35%.

Identificarea magmelor primare, direct derivate din manta, este la fel de dificila in cadrul CGH, precum in majoritatea arcurilor de margine continentala. Magmele bazaltice in echilibru cu o sursa tipica de manta depletata, au de obicei concentratii ridicate de Ni, MgO>8%, O~5,7 si un raport Ce/Pb ridicat. Magmele parentale din CGH sunt fractionate si contaminate la nivelul crustei inferioare, rezultand o crestere a valorilor O. Nu se poate preciza daca caracteristicile izotopice ale Sr si Nd provin direct din sursa mantelica sau se datoreaza asimilarii la baza crustei. De aceea, aria de interes trebuie extinsa si spre alte rezervoare mantelice locale. Vulcanismul bazaltic alcalin derivat din astenosfera a fost contemporan cu activitatea calc-alcalina in extremitatea sudica a CGH (Downes et al., 1995). Magmele bazice calc-alcaline din grupul Harghita Sud sunt similare izotopic cu bazaltele alcaline de back-arc, putandu-se de aceea presupune ca pentru aceasta arie a arcului mantaua a avut o compozitie asemanatoare cu EAR (European Astenospheric Reservoire). Pentru restul segmentului CGH, cea mai probabila compozitie a sursei mantelice este cea de tip MORB saracit.

In cadrul CGH, cele mai primitive magme din punct de vedere izotopic sunt cele din grupul Calimani low-K. Imbogatirea usoara in ⁸⁷Sr ce corespunde unei saraciri in ¹⁴³Nd se poate datora unei usoare asimilari crustale, desi nu exista o crestere corespunzatoare a valorilor O. Aceste roci au concentratie scazuta in elemente incompatibile comparativ cu restul rocilor din CGH. Astfel de caracteristici se pot datora unui grad ridicat de contaminare crustala. Totusi rapoartele Pb/Nd si Ce/Pb, precum si rapoartele izotopice ale Pb sunt similare cu ale rocilor contaminate, sugerand fie ca magmele sunt contaminate, fie ca mantaua locala are valori ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb ridicate si rapoarte Ce/Pb scazute. Variatia in compozitia izotopica a Pb apare ca fiind independenta de variatia in compozitia izotopica a Sr si Nd. Totusi, cum Pb este un indicator mult mai sensibil al contaminarii decat alti izotopi sau elemente minore, cea mai probabila explicatie este cea a contaminarii acestor magme. Valorile O sunt mai scazute decat cele ale topiturilor derivate din manta. Factorii de fractionare izotopica intre topitura magmatica si clinopiroxeni sau amfiboli nu sunt bine documentati in topiturile magmatice mai evoluate. Totusi, tinand cont ca valorile O in plagioclazi sunt de asemenea scazute in dacitele low-K, este de presupus ca aceste valori scazute reflecta interactiunea magmelor cu un component crustal foarte saracit in O, asa cum este crusta alterata hidrotermal. Continuturile in elemente minore (e. g. continutul scazut in Zr si Cr) indica fractionarea pe scara larga a mineralelor mafice. Fractionarea plagioclazilor a putut de asemenea fi importanta, dupa cum se poate deduce din rapoartele Sr/Nd, similare cu ale altor roci din Calimani. Din diagramele de variatie a elementelor majore, dacitele low-K par a fi legate de andezitele mai bazice din Calimani. Totusi, cum aceste andezite prezinta o imbogatire in izotopi grei fata de dacite si au un continut in Pb, Rb si Th ridicat, este putin probabil ca aceste dacite sa fie direct legate de magmele mai bazice din Calimani. Dar, la fel ca si in cazul caracteristicilor izotopice, dacitele low-K Calimani prezinta caracteristici geochimice similare cu ale rocilor bazice din seria low-K a zonei subvulcanice (bazaltele andezitice de Iliuta), putandu-se presupune ca provin din aceleasi magme parentale (Papp et al., in press). Astfel de magme bazaltice, cu o compozitie izotopica asemanatoare cu a dacitelor din grupul Calimani low-K se pot considera a fi magme primare provenite din manta.

Sedimentele pot fi introduse in sursa mantelica prin intermediul placii subduse. Surse potentiale pentru aria Est Carpatica pot fi sedimentele pelagice ale placii subduse, sedimentele terigene ale blocului Scitian sau produsele de eroziune ale Carpatilor. Oricare dintre aceste tipuri de sedimente ar fi putut fi introduse in manta prin subductie. Sedimentele flisului carpatic si sedimentele actuale din Bazinul Marii Negre (Cooper et al., 1974) sunt probabil similare din punct de vedere chimic si izotopic cu materialul subdus.

Subductia sedimentelor in aria carpatica este sustinuta de variatia compozitiei izotopice a Pb in bazaltele alcaline din estul bazinului Transilvaniei (Downes et al., 1995). Amestecul cu contaminant crustal poate produce variatii importante ale rapoartelor izotopice ale Pb, respectiv scaderea valorilor rapoartelor ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb la o valoare ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb constanta plecand de la o compozitie a magmelor asemanatoare cu EAR. Totusi, datorita prezentei in bazaltele alcaline a xenolitelor din manta, este de presupus o contaminare crustala minimala. Ca atare, o alternativa pentru explicarea datelor izotopice ale Pb-lui poate fi asimilarea de crusta inferioara, asemanatoare in compozitie cu cea din vestul Bazinului Panonic.

Pentru grupul Calimani low-K caracteristicile izotopice ale Sr, Nd, si Pb pot fi explicate plecand de la o sursa mantelica de tip MORB saracit prin adaugarea de sedimente terigene intr-o proportie mai mica de 1%. Cantitatea exacta de sedimente introduse in sursa nu poate fi cuantificata exact in lipsa informatiilor referitoare la mantaua nepoluata.

O sursa mantelica de tip EAR imbogatit ar fi putut, de asemenea, fi precursoarea dacitelor low-K din Calimani prin adaugarea de 5 10% sedimente subduse, deoarece magmele parentale din CGH au un continut ridicat de Sr si Nd. Aceste proportii sunt insa mult prea ridicate in comparatie cu ce se accepta in general a fi contributia sedimentelor in sursa mantelica in zona de subductie. De aceea o sursa de tip MORB saracit este mult mai probabila.

Pentru magmele din grupul Harghita Sud, o sursa mantelica de tip EAR imbogatit este cea mai probabila. Modelarea izotopica a magmelor calc-alcaline din acest grup arata ca e necesar a fi introduse in sursa mantelica doar cateva procente de sedimente. Cel mai probabil, sedimentele subduse sunt de tipul sedimentelor oligocene ale Flisului Carpatic.

Un alt tip de sursa mantelica pentru magmele din grupul Harghita Sud ar putea fi o manta metasomatizata prin intermediul fluidelor de subductie. Un flux ridicat de fluide provenite de pe placa subdusa ar fi putut duce la scaderea valorilor rapoartelor ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si la cresterea asociata a rapoartelor Ba/La si Sr/Nd.

In concluzie, caracteristicile izotopice ale magmelor parentale pot fi explicate prin introducerea in manta a sedimentelor placii subduse. Totusi acest proces nu poate fi dovedit, deoarece efecte similare pot fi produse si prin procese de tip MASH in crusta inferioara sau AFC in crusta superioara. Ca un corolar al celor afirmate pana aici, pot fi facute urmatoarele observatii referitoare la membrii finali implicati in procesele de asimilare:

- o sursa cu un continut ridicat de Nd din care au derivat magmele din grupurile Calimani, Gurghiu si Harghita Nord, avand o compozitie usor imbogatita relativ la o sursa matelica depletata. Grupul Calimani low-K este direct legat de un rezervor izotopic primar. Magmele Harghita Sud sunt legate de o manta imbogatita sau metasomatizata asemanatoare cu a rocilor bazaltice de tip back-arc;

- un component crustal avand rapoarte izotopice ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb ridicate (>18,7) si variabile, rapoarte izotopice ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr medii spre ridicate si valori O mai mari de 8. Acest component crustal poate fi identificat cu crusta locala superioara a carei caracteristici chimice si izotopice variaza in spatiu. Astfel, pentru grupurile Harghita Nord, Gurghiu si Calimani, predominant in acest component crustal sunt sisturile seriei de Rebra. Pentru grupul Harghita Sud, un astfel de component nu a putut fi identificat. Pentru partea nordica a segmentului CGH, procesele AFC au operat pe scara larga o lunga perioada de timp. Continutul in SiO₂ se coreleaza pozitiv cu rapoartele ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr si cu continutul in Nd, confirmand procesele AFC;

- un al doilea component crustal caracterizat de rapoarte ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb scazute (<18,65), imbogatit in ²⁰⁸Pb, avand rapoarte ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd si ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr scazute si valori O medii spre mici (6,5), precum si un continut ridicat de Sr si Pb. Majoritatea magmelor din grupul Harghita Sud tind spre o astfel de compozitie. Rapoartele ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd si ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb descresc pe masura ce continutul in SiO₂ creste, sugerand modificari ale compozitiei in cadrul sursei. Crusta superioara in aceasta zona este acoperita de depozite ale flisului Transcarpatic care ar fi putut fi asimilate fie la nivelul crustei superioare, fie la cel al crustei inferioare. Totusi, depozitele de flis nu au Pb mai ridicate decat magmele, iar valorile O ale flisului sunt >16, caracteristice ce nu pot fi identificate in magme ( O>7). Asimilarea crustei din fundamentul metamorfic al blocului Tisa-Dacia este de asemenea improbabila, neexistand dovezi tectonice privind existenta acestui material la adancime. In concluzie, pentru grupul Harghita Sud componentul crustal nu a putut fi identificat.