Igneous Rock Associations 30. Intratelluric Versus Subaerial Nucleation and Growth of Phenocrysts in Basaltic Lava Flows

Abstract

Phenocrysts in porphyritic lava flows are generally considered to have grown under conditions of slow magma cooling within source reservoirs at depth. The matrix (i.e. groundmass) surrounding the phenocrysts is assumed to form under rapid cooling conditions subsequent to eruption of the residual liquids at the surface. Alternatively, it has been demonstrated experimentally that phenocrysts could grow subaerially in basaltic lavas cooled at constant, linear rates. It has been suggested this mechanism could explain the correlation of porphyritic textures with unusually thick canyon-filling flows of Columbia River Basalt. Field and petrographic data supports intratelluric nucleation and growth of plagioclase phenocrysts in three lavas of the Columbia River Basalt Group (CRBG).

The distinction is important because the typical basaltic phenocryst paragenesis (plagioclase, followed by olivine, then augite), if produced under surface conditions, cannot be used to test fractional crystallization models in magma reservoirs of the Columbia River Basalt Group or any other lavas.

Ideally, to test the hypotheses of subaerial vs. intratelluric (subsurface) growth of phenocrysts, both intrusive (i.e. dykes) and extrusive samples crystallized from the same liquid need to be examined to compare sizes and abundances of phenocrysts. If phenocryst growth occurs only subaerially, then a lava flow should contain more phenocrysts than its intrusive counterpart. In the case of nucleation and growth in both a dyke and its flow, the flow still would contain more phenocrysts due to grains formed in the dyke being added to those formed in the flow.

Detailed modal and grain size data were collected for three dyke-flow pairs of CRBG by the author and provide an excellent opportunity to compare intrusive and extrusive textures. These findings along with XRF major and trace element data indicate that the phenocrysts in these lavas must have grown within the magma reservoir and not at the surface. A model is proposed that explains the variation of phenocryst distribution laterally within a lava as an interplay of variations of magma flow and the underlying paleo-topography.

Keywords:

• Columbia River basalts,
• Crystallization,
• Dykes,
• Lavas,
• Phenocrysts

Résumé

On considère généralement que les phénocristaux des coulées de lave porphyrique se sont développés dans des conditions de refroidissement lent du magma dans des réservoirs source en profondeur. La matrice (c'est-à-dire la masse microcristalline) entourant les phénocristaux est supposée se former dans des conditions de refroidissement rapide après l'éruption des liquides résiduels à la surface. Par ailleurs, il a été démontré expérimentalement que les phénocristaux pouvaient se développer de manière subaérienne dans des laves basaltiques refroidies à des vitesses constantes et linéaires. Il a été suggéré que ce mécanisme pourrait expliquer la corrélation entre les textures porphyriques et les coulées exceptionnellement épaisses de basalte du fleuve Columbia qui remplissent les canyons. Les données de terrain et pétrographiques confirment la nucléation intratellurique et la croissance des phénocristaux de plagioclase dans trois laves du groupe des basaltes du fleuve Columbia (CRBG, Columbia River Basalt Group en anglais).

La distinction est importante car la paragenèse typique des phénocristaux basaltiques (plagioclase, suivi d'olivine, puis d'augite), si elle est produite dans des conditions de surface, ne peut pas être utilisée pour tester les modèles de cristallisation fractionnée dans les réservoirs magmatiques du groupe des basaltes du fleuve Columbia ou de toute autre lave.

Idéalement, pour tester les hypothèses de croissance subaérienne ou intratellurique (sous la surface) des phénocristaux, il faut examiner les échantillons intrusifs (c'est-à-dire les dykes) et extrusifs cristallisés à partir du même liquide afin de comparer les tailles et les abondances des phénocristaux. Si la croissance des phénocristaux ne se produit que subaériennement, alors une coulée de lave devrait contenir plus de phénocristaux que son homologue intrusif. Dans le cas d'une nucléation et d'une croissance à la fois dans un dyke et dans sa coulée, la coulée contiendrait toujours plus de phénocristaux car les grains formés dans le dyke s'ajouteraient à ceux formés dans la coulée.

Des données modales et granulométriques détaillées ont été recueillies par l'auteur pour trois paires dyke-coulée du CRBG et offrent une excellente occasion de comparer les textures intrusives et extrusives. Ces résultats, ainsi que les données sur les éléments majeurs et traces obtenues par XRF, indiquent que les phénocristaux de ces laves ont dû se développer à l'intérieur du réservoir magmatique et non à la surface. Un modèle est proposé pour expliquer la variation de la distribution des phénocristaux latéralement à l'intérieur d'une lave comme une interaction entre les variations de l'écoulement du magma et la paléo-topographie sous-jacente.