Alkaline volcanism associated with early stage of rifting (East African Rift: North Tanzania, Manyara Basin)
Volcanisme alcalin à l'initiation de la rupture continentale Rift Est Africain, Nord Tanzanie, bassin de Manyara
Résumé
East African Rift (EAR) exposes different stages of extension, from early stage rifting in
cratonic lithosphere (Tanzania) to oceanic accretion in Afar (Ethiopia). In north Tanzania, both
magmatic and tectonic processes are involved in lithospheric break-up. This study focuses on
Manyara basin in the southernmost rift system of the east branch of EAR. The recent
hyperalkaline volcanism (< 1.5 Ma) is associated here with seismic swarm in the lower crust
(20 – 40 km) and represents the earliest stage of rifting.
Melilite nephelinites (Labait and Kwaraha) are primary lavas mainly composed of olivine
and clinopyroxene (cpx). Geochemical modelling from trace elements suggests that these primary
magmas result from a low degree of partial melting < 1 % from a CO2-garnet-phlogopite-bearing
peridotite. These magmas have an asthenospheric mantle source and partial melting occurred at
depth > 120 km. The minerals crystallized at 1250°C and 1000 MPa (30 km) from magma with a
low H2O content (0.1 and 0.5 wt% H2O). The calciocarbonatite and evolved nephelinites derived
from melilite nephelinites by fractional crystallization and immiscibility processes. Hanang
nephelinites are silica- and alkaline-rich lavas (44.2 – 46.7 wt % SiO2, 9.5 –12.1 wt %
Na2O+K2O, respectively) composed by cpx, Ti-garnet, nepheline, apatite and titanite. Complex
zonation of cpx (e.g. abrupt change of Mg#, Nb/Ta, and H2O) and trace element patterns of
nephelinites record magmatic differentiation involving open system with carbonate-rich silicate
immiscibility and melilitite melt replenishment. The low H2O content of cpx (3 –
25 ppm wt. H2O) indicates that at least 0.3 wt % H2O was present at depth during carbonate-rich
nephelinite crystallization at 340 – 640 MPa and 1050 – 1100 °C. Hosted-nepheline melt
inclusions record the late magmatic evolution of nephelinites during magma storage and ascent.
Melt inclusions are composed of silicate trachytic glass, carbonate phase and shrinkage bubble
resulting from immiscibility during ascent. Trachytic glass contains high content in CO2
(0.43 wt %, SIMS analyses), sulfur (0.21 – 0.92 wt % S), chlorine (0.28 –0.84 wt % Cl) and H2O
low content (< 0.1 wt %, Raman analyses). Immiscibility process leading to the formation of
carbonate occurs in a closed system during rapid magma ascent at ~500 MPa. The carbonate
phase is a Ca-Na-K-S-rich and anhydrous carbonate (33 wt % CaO, 20 wt % Na2O, 3 wt % K2O,
and 3 wt % S). The pre-immiscible liquid has a phonolitic composition with 6 ± 1.5 wt % CO2 at
700 MPa. Study of iron (Fe3+/Fe2+) and sulfur (S6+/S2-) speciation in melt inclusions, minerals
(XANES spectroscopy) and whole rocks (Mössbauer spectroscopy) indicates that nephelinite
from Manyara Basin evolved at oxidized conditions (~ ΔFMQ +1.5). Alkaline volcanism
associated with early stage of rifting is characterized by CO2-rich and H2O-poor magmas from at
least 120 km below the rift escarpment resulting from low degree of partial melting. Association
of geochemical, geophysical and tectonic results allows to highlight interplays between
magmatism, inherited tectonic structures and seismicity in northern Tanzania. In Manyara basin,
the presence of CO2-rich magmas and small amount of volcanic rocks may indicate that the
storage and percolation of these magmas at depth is a potential trigger for deep seismic swarms.
Le rift Est africain (REA) est une frontière de plaque en extension qui présente plusieurs
stades d’extension, de l’initiation du rift dans la lithosphère cratonique (Tanzanie) jusqu’à
l’accrétion océanique en Afar. Au nord de la Tanzanie, le magmatisme et des processus
tectoniques sont impliquées dans la rupture continentale. Cette étude est centrée sur le bassin de
Manyara dans la partie méridionale de branche Est du REA. Le volcanisme hyperalcalin récent
(< 1,5 Ma) associé à un essaim sismique dans la croûte inférieure (20 – 40 km), caractérise la
zone de l’initiation de la rupture continentale.
Les néphélinites à mélilite (Labait et Kwaraha) sont des laves primaires composées
d’olivines et de clinopyroxènes (cpx). La modélisation géochimique des éléments en trace
suggère que ces magmas primaires résultent d'un degré de fusion partielle ≤ 1 % à partir d'une
péridotite à grenat et phlogopite. Ces magmas proviennent d’une profondeur > 120 km. Les
minéraux ont cristallisés à 1250°C et 1000 MPa à partir d’un magma pauvre en eau (0,1 et
0,5 pds % H2O). La calciocarbonatite et les néphélinites différenciées sont issues des néphélinites
à mélilite par cristallisation fractionnée et processus d’immiscibilité. Les néphélinites du Hanang
sont riches en éléments alcalins (9,5 – 12,1 pds % Na2O+K2O) et en silice (44,2 – 46,7 pds%
SiO2) et sont composés de cpx, grenat, néphéline, titanite et apatite. La zonation complexe dans
les cpx (par exemple, changement brusque de Mg#, Nb/Ta, et H2O) implique une différenciation
magmatique en système ouvert avec immiscibilité de liquide carbonaté et silicaté ainsi qu’un
remplissage de la chambre magmatique avec des liquides primaires. La faible teneur en eau des
cpx (3 – 25 ppm H2O) indique la présence d’un magma pauvre en eau (0,3 pds % H2O) lors de la
cristallisation des cpx à des conditions crustales (340 – 640 MPa et 1050 – 1100 °C). L’étude des
inclusions vitreuses dans les néphélines de Hanang permet de contraindre l'évolution magmatique
tardive des néphélinites et le comportement des éléments volatils (CO2, H2O, S, F, Cl) lors du
stockage et de la remontée du magma. Les inclusions vitreuses sont composées d’un verre
trachytique, d’une phase carbonatée et d’une bulle de rétraction. Le verre trachytique contient du
CO2 (0,43 pds % CO2, analyses SIMS), du soufre (0,21 à 0,92 pds% S), du chlore (0,28 –
0,84 pds % Cl) et très peu d’H2O (< 0,1 pds % H2O, analyses Raman). Le processus
d’immiscibilité conduisant à la formation du carbonate se produit dans un système fermé pendant
l'ascension rapide du magma à ~500 MPa. La phase carbonatée est un carbonate anhydre et riche
en Ca-Na-K-S (33 pds % CaO, 20 pds % Na2O, 3 pds % K2O, et 3 pds % S). Le liquide préimmiscible
a une composition phonolitique avec 6 ± 1,5 pds % CO2 à une pression de 700 MPa.
Une étude préliminaire des inclusions par spectroscopie XANES et des roches par spectroscopie
Mössbauer a permis de déterminer que les laves de Manyara se sont formées à conditions
oxydantes (~ ΔFMQ +1,5). Le volcanisme alcalin à l’initiation de la rupture continentale est
caractérisé par des magmas riches en CO2 et pauvres en H2O issus d’une source profonde 120 km
à partir de faible taux de fusion.
L’association des données géochimiques, géophysiques et tectoniques a permis de mettre
en évidence des interactions entre le magmatisme, les structures héritées et la sismicité au nord de
la Tanzanie. Dans le bassin de Manyara, la présence de magmas alcalins riches en CO2 associée à
de faibles volumes de lave en surface suggèreraient que le piégeage et la percolation de ces
magmas en profondeur serait un déclencheur potentiel d’un essaim sismique profond.
Mots clefs : rift, néphélinite, carbonatite, éléments volatils, inclusions vitreuses, fusion