Study of silica-undersaturated magmas through the Kalsilite- Nepheline-Diopside-Silica system at 4.0 GPa and dry conditions

Abstract

This study experimentally investigates the Kalsilite-Nepheline-Diopside-Silica system at high pressure and temperature, with emphasis on silica-undersaturated volume (leucite-nepheline-diopside -Lct-Nph-Di; and kalsilite-nepheline-diopside -Kls + Nph + Di -planes), at 4.0 GPa (~120 km deep), temperatures up to 1,400ºC and dry conditions, to better understand the influence of K 2 O, Na 2 O, and CaO in alkali-rich silica-undersaturated magma genesis. In the Lct-Nph-Di plane, we determined the stability fields for kalsilite (Kls ss ), nepheline (Nph ss ) and clinopyroxene (Cpx ss ) solid solutions, wollastonite (Wo) and sanidine (Sa); and three piercing points: (i) pseudo-eutectic Kls + Nph + Di + liquid (Lct 62 Nph 29 Di 9 ) at 1,000ºC; (ii) Kls + Sa + (Di + Wo) + liquid (Lct 75 Nph 22 Di 2 ) at 1,200ºC; and (iii) pseudo-eutectic Kls + Di + Wo + liquid (Lct 74 Nph 17 Di 9 ) at 1,000ºC. Kalsilite stability field represents a thermal barrier between ultrapotassic/potassic vs. sodic compositions. In the plane Kls-Nph-Di, we determined the stability fields for Kls ss , Nph ss and Cpx ss and two aluminous phases in smaller proportions: spinel (Spl) and corundum (Crn). This plane has a piercing point in Kls + Nph + Di(± Spl) + liquid (Kls 47 Nph 43 Di 10 ) at 1,100ºC. Our data showed that pressure extends K dissolution in Nph (up to 39 mol%) and Na in Kls (up to 27 mol%), and that these solid solutions, if present, determinate how much enriched in K and Na an alkaline magma will be in an alkaline-enriched metasomatic mantle. Additionally, we noted positive correlation between K 2 O and SiO 2 concentration in experimental melts, negative correlation between CaO and SiO 2 , and no evident correlation between Na 2 O and SiO 2 .Keywords: Experimental petrology; Alkaline rocks; Potassium; Mantle. ResumoEste trabalho trata do estudo experimental do sistema kalsilita-nefelina-diopsídio-sílica em condições mantélicas, com ên-fase em sua parte subsaturada em sílica (planos leucita-nefelina-diopsídio -Lct-Nph-Di; e kalsilita-nefelina-diopsídio -Kls + Nph + Di), a 4 GPa (profundidade de aproximadamente 120 km), até 1.400ºC em condições anidras. O objetivo é melhor compreender como K 2 O, Na 2 O e CaO influenciam a gênese de magmas ricos em álcalis e subsaturados em sílica. Para o plano Lct-Nph-Di, foram determinados campos de estabilidade para as soluções sólidas kalsilita (Kls ss ), nefelina (Nph ss ) e clinopiroxênios (Cpx ss ), além de wollastonita (Wo) e sanidina (Sa). Foram também definidos os pontos invariantes: (i) pseudoeutético Kls+Nph+Di+líquido (Lct 62 Ne 29 Di 9 ) a 1.000ºC; (ii) Kls + Sa + (Di + Wo) + líquido (Lct 75 Nph 22 Di 2 ) a 1.200ºC; (iii) pseudoeutético Kls + Di + Wo + líquido (Lct 74 Nph 17 Di 9 ) a 1.000ºC. O campo da kalsilita, nesse diagrama, representa um alto termal entre os extremos composicionais potássico/ultrapotássico vs. sódico. No plano Kls-Nph-Di, encontramos campos de estabilidade para Kls ss , Nph ss e Cpx ss , além de pequenas quantidades de espinélio (Spl) e coríndon (Crn) e um ponto...