Contrasting sources of Late Paleozoic rhyolite magma in the Polish Lowlands:evidence from U–Pb ages and Hf and O isotope composition in zircon

International audienceThe Polish Lowlands, located southwest of the Teisseyre–Tornquist Zone, within Trans-European Suture Zone, were affected by bimodal, but dominantly rhyolitic, magmatism during the Late Paleozoic. Thanks to the inherited zircon they contain, these rhyolitic rocks provide a direct source of information about the pre-Permian rocks underlying the Polish Lowland. This paper presents zircon U–Pb geochronology and Hf and O isotopic results from five drill core samples representing four rhyolites and one granite. Based on the ratio of inherited vs. autocrystic zircon, the rhyolites can be divided into two groups: northern rhyolites, where autocrystic zircon is more abundant and southern rhyolites, where inherited zircon dominates. We suggest that the magma sources and the processes responsible for generating high silica magmas differ between the northern and southern rhyolites. Isotopically distinct sources were available during formation of northern rhyolites, as the Hf and O isotopes in magmatic zircon differ between the two analysed localities of northern rhyolites. A mixing between magmas formed from Baltica-derived mudstone–siltstone sediments and Avalonian basement or mantle can explain the diversity between the zircon compositions from the northern localities Daszewo and Wysoka Kamieńska. Conversely, the southern rhyolites from our two localities contain zircon with similar compositions, and these units can be further correlated with results from the North East German Basin, suggesting uniform source rocks over this larger region. Based on the ages of inherited zircon and the isotopic composition of magmatic ones, we suggest that the dominant source of the southern rhyolites is Variscan foreland sediments mixed with Baltica/Avalonia-derived sediments

Zircon abundance, size and paragenesis in SiO2-rich volcanic rocks: Implications for geochronologic studies

Textural relationships between different mineral phases in rock such as grain size, shape, associated minerals, inclusions, overgrowths may provide information on crystallization conditions. Such relations between zircon and associated mineral phases can affect interpretation of zircon chemical composition and age. The information on the rock texture is best observed in thin sections. However, observations on thin sections are often neglected due to low number of zircon grains in a thin section, and usually only separates from larger rock volume are being analysed. By doing so, the information on occurrence of zircon within the rock is lost and different zircon generations cannot be traced back to a particular textural position in the rock. In this study we analysed thin sections from silicic volcanic rocks in order to characterize the textural position of zircon in the rock and its diversity. Zircon grains in lava flows and domes samples analysed in this study are rare and usually small. They often occur within the rim of phenocrysts e.g quartz, plagioclase, feldspar, biotite, which indicates that zircon crystallized during the last stage of magma evolution, probably not long before eruption. Therefore, dating of this zircon provides the age of this last stage, but its chemistry may be affected by crystallization in melt pocket concentrated along mineral boundaries. On the other hand, such zircon is absent from ignimbrite samples, which contain abundant and large grains in the glassy matrix. The difference between the zircon appearance in lavas and ignimbrites might be explained by many factors e.g. the difference in analysed localities, crystallization in volatile-rich magma chamber, zonation within magma chamber prior to eruption, sorting and concentration during pyroclastic deposition. Relacje teksturalne i strukturalne wielkość, wykształcenie ziarna, współwystępowanie z innymi minerałami, inkluzje i przerosty między różnymi fazami mineralnymi w skale mogą dostarczyć informacji na temat zróżnicowanych warunków krystalizacji. Takie relacje między cyrkonem a fazami towarzyszącymi mogą mieć kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o interpretację wieku cyrkonów datowanymi metodą U-Pb. Aby uzyskać informacje na temat teksturalnych relacji między cyrkonem a pozostałymi minerałami głównymi skały Qtz, Bt, Pl, zalecane są dokładne analizy płytek cienkich próbek skalnych. Bardzo często ten rodzaj badań jest pomijany i bezpośrednio przechodzi się do procesu separacji ziaren. W ten sposób utracone są informacje na temat występowania cyrkonu w skale, co jednoznacznie pozwala wydzielić i rozróżnić poszczególne etapy jego krystalizacji. W artykule przedstawiono wyniki analiz ponad 500 płytek cienkich skał wulkanicznych. Analizy te zostały wykonane w celu opisania występowania cyrkonu oraz potencjalnego zróżnicowania cyrkonu ze względu na sposób jego krystalizacji. Ziarna cyrkonu zidentyfikowane w lawie i kopule lawowej są zazwyczaj małe i wbudowane w brzegi minerałów. Świadczy to o ich krystalizacji podczas ostatniego etapu ewolucji magmy, najprawdopodobniej zaraz przed jej erupcją. Dzięki takim ziarnom uzyskujemy wiek tego etapu, niemniej jednak ich zapis chemiczny najprawdopodobniej odzwierciedla warunki krystalizacji w brzegowej strefie różnych minerałów. W ignimbrytach nie spotyka się małych ziaren zamkniętych w innych minerałach, natomiast występują liczne duże ziarna w szklistym tle skalnym. Taka różnica między występowaniem cyrkonu w lawach i iginmbrytach może być wynikiem analiz konkretnych lokalizacji. Jednak mogą mieć na to wpływ zarówno charakterystyczne warunki krystalizacji magmy np. w komorach silnie nasyconych gazami, jak i jej stratyfikacja w obrębie komory. Stąd też ziarna mogą być selektywnie gromadzone w osadach wulkanicznych odzwierciedlających części komory magmowej bogate bądź ubogie w kryształy.Textural relationships between different mineral phases in rock such as grain size, shape, associated minerals, inclusions, overgrowths may provide information on crystallization conditions. Such relations between zircon and associated mineral phases can affect interpretation of zircon chemical composition and age. The information on the rock texture is best observed in thin sections. However, observations on thin sections are often neglected due to low number of zircon grains in a thin section, and usually only separates from larger rock volume are being analysed. By doing so, the information on occurrence of zircon within the rock is lost and different zircon generations cannot be traced back to a particular textural position in the rock. In this study we analysed thin sections from silicic volcanic rocks in order to characterize the textural position of zircon in the rock and its diversity. Zircon grains in lava flows and domes samples analysed in this study are rare and usually small. They often occur within the rim of phenocrysts e.g quartz, plagioclase, feldspar, biotite, which indicates that zircon crystallized during the last stage of magma evolution, probably not long before eruption. Therefore, dating of this zircon provides the age of this last stage, but its chemistry may be affected by crystallization in melt pocket concentrated along mineral boundaries. On the other hand, such zircon is absent from ignimbrite samples, which contain abundant and large grains in the glassy matrix. The difference between the zircon appearance in lavas and ignimbrites might be explained by many factors e.g. the difference in analysed localities, crystallization in volatile-rich magma chamber, zonation within magma chamber prior to eruption, sorting and concentration during pyroclastic deposition. Relacje teksturalne i strukturalne wielkość, wykształcenie ziarna, współwystępowanie z innymi minerałami, inkluzje i przerosty między różnymi fazami mineralnymi w skale mogą dostarczyć informacji na temat zróżnicowanych warunków krystalizacji. Takie relacje między cyrkonem a fazami towarzyszącymi mogą mieć kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o interpretację wieku cyrkonów datowanymi metodą U-Pb. Aby uzyskać informacje na temat teksturalnych relacji między cyrkonem a pozostałymi minerałami głównymi skały Qtz, Bt, Pl, zalecane są dokładne analizy płytek cienkich próbek skalnych. Bardzo często ten rodzaj badań jest pomijany i bezpośrednio przechodzi się do procesu separacji ziaren. W ten sposób utracone są informacje na temat występowania cyrkonu w skale, co jednoznacznie pozwala wydzielić i rozróżnić poszczególne etapy jego krystalizacji. W artykule przedstawiono wyniki analiz ponad 500 płytek cienkich skał wulkanicznych. Analizy te zostały wykonane w celu opisania występowania cyrkonu oraz potencjalnego zróżnicowania cyrkonu ze względu na sposób jego krystalizacji. Ziarna cyrkonu zidentyfikowane w lawie i kopule lawowej są zazwyczaj małe i wbudowane w brzegi minerałów. Świadczy to o ich krystalizacji podczas ostatniego etapu ewolucji magmy, najprawdopodobniej zaraz przed jej erupcją. Dzięki takim ziarnom uzyskujemy wiek tego etapu, niemniej jednak ich zapis chemiczny najprawdopodobniej odzwierciedla warunki krystalizacji w brzegowej strefie różnych minerałów. W ignimbrytach nie spotyka się małych ziaren zamkniętych w innych minerałach, natomiast występują liczne duże ziarna w szklistym tle skalnym. Taka różnica między występowaniem cyrkonu w lawach i iginmbrytach może być wynikiem analiz konkretnych lokalizacji. Jednak mogą mieć na to wpływ zarówno charakterystyczne warunki krystalizacji magmy np. w komorach silnie nasyconych gazami, jak i jej stratyfikacja w obrębie komory. Stąd też ziarna mogą być selektywnie gromadzone w osadach wulkanicznych odzwierciedlających części komory magmowej bogate bądź ubogie w kryształy