PETROLOGÍA Y GEOQUÍMICA DE ROCAS

DEL VOLCÁN MISTI

DIRECCIÓN DE GEOLOGÍA AMBIENTAL Y RIESGO GEOLÓGICODIRECCIÓN DE GEOLOGÍA AMBIENTAL Y RIESGO GEOLÓGICODIRECCIÓN DE GEOLOGÍA AMBIENTAL Y RIESGO GEOLÓGICODIRECCIÓN DE GEOLOGÍA AMBIENTAL Y RIESGO GEOLÓGICO

RIVERA M., HERVE M., LE PENNEC J.L., RIVERA M., HERVE M., LE PENNEC J.L., RIVERA M., HERVE M., LE PENNEC J.L., RIVERA M., HERVE M., LE PENNEC J.L., THOURET J., & GERBE M.C.THOURET J., & GERBE M.C.THOURET J., & GERBE M.C.THOURET J., & GERBE M.C.

Contexto Geodinámico

• Subducción de la placa Nazca bajo la placa Sud-americana.

• Una convergencia oblicua a una velocidad de 5-7 cm/a.

• Edad de la placa oceánica: 40-50 Ma.

• Placa subducida casi libre de sedimentos.

Misti

(Bernal et al., 2003)

Geometría de la subducción en Perú

� La placa Nazca subduce con un angulo de ~30°.

� El plano de Benioff se encuentra entre 100 y 150 km bajo el arco volcánico plio-cuaternario.

� El arco volcánico calco-alcalino está situado entre 220 y 300 km al Este de la fosa.

Volcanes activos y potencialmente activos del sur del Perú

• La cadena volcánica está situada en la Cordillera Occidental.

• 12 volcanes son potencialmente activos.

• 7 volcanes han presentado erupciones hace menos de 500 años.

Lago Titicaca

Oceano

Pacífico

0 100 km

Imagen Landsat 1996

TACNA

MOQUEGUA

AREQUIPA Huaynaputina

Yucamane

MistiUbinas

TutupacaTicsani

Sabancaya

Casiri

Coropuna

Conos de Andahuay Orcopampa

Solimana

Sara Sara

Chachani

70ºW74ºW

15ºS

• Reservorios: cuña del manto, corteza inferior

• Procesos petrogenéticos:

�La fusion parcial de la cuña del manto;

�Procesos MASH en base de la corteza continental;

�Procesos intra-corticales (cristallización fraccionada, AFC, mezcla de magmas).

MASH (fusión, asimilación, almacenamiento, homogenisación)

propuesto por Hildreth y Moorbath (1988)

Fluidos derivados de ladeshidratación de la corteza

Fusión parcial delmanto

Astenosfera

Corteza inferior

Corteza media

Arco principalAnte-arco Tras-arco

Corteza superiorCF AFC

Mezcla

MohoMASH

Cuña del manto

PETROGÉNESIS DE MAGMAS EN LA ZONA VOLCÁNICA CENTRAL DE LOS ANDES (ZVC)

• Los procesos petrogenéticos de magmas del volcán Mistison poco conocidos.

• Falta de precisión sobre la evolución magmática yvolcánica a través del tiempo.

• ¿Como influye la composición de los magmas en elcomportamiento eruptivo del Misti?.

Problemática de la génesis de magmas del Misti

� Datos que ayudarán a prever mejor el comportamiento del Misti en el futuro

• Identificar los diferentes procesos petrogenéticos y définirsu participación en la génesis y la evolución de losmagmas del Misti (<883 ka).

• Caracterizar la evolución petrogeoquímica de magmas através del tiempo, en relación con la sucesión de losepisodios volcánicos.

• Conocer el comportamiento magmático y dinámico delMisti, afin de anticipar mejor los riesgos asociados en casode una futura erupción.

Objetivos iniciales

Métodos• Cartografía de depósitos y muestreo de productos

• Análisis químicos (elementos mayores y trazas) : 105 del Misti- Universidad de Bretagne Occidental (Francia)- Universidad de Göttingen (Alemania)- Acme Labs (Canada)

• Análisis quimicos de minerales (microsonda electrónica) :- Laboratorio Magmas y Volcanes

• Análisis isotópicos de roca total (Sr, Nd, O) :- Laboratorio Magmas y Volcanes- Equipo de Transferts Lithosphériques (Saint-Etienne)

• Dataciones 49Ar/39Ar (biotitas y vidrios) :- Laboratorio Sciences du Climat et de l’Environnement (Gif-sur-Yvette)

II. ESTRATIGRAFÍA Y EVOLUCIÓN DEL

VOLCÁN MISTI

VOLCÁN MISTI • Volcán activo con ~12 episodios eruptivos de magnitud leve descritos desde 1550.

• El estratocono posee un volumen aproximado de ~60 km3.

• Una tasa eruptiva de : 0,63 km3/ka (<112 ka ; Thouret et al., 2001).

• La ciudad de Arequipa (~1 millón de habitantes) se extiende a menos de 10 km al suroeste.

EL VOLCÁN MISTI

Misti 1 (~833 – 112 ka)

Misti 2 (112 – 40 ka)

Misti 3 (40 – 11 ka)

Misti 4 (< 11 ka)

Ignimbrita “La Joya”~4,8 Ma

Ignimbrita “El aeropuerto de Arequipa” ~1.65 Ma

5822 m.

Crater de edad histórica

(Modificado de Thouret et al., 2001)

• Según Thouret et al. (2001): 4 etapas de evolución volcánica.

• El Misti sobreyace secuencias ignimbriticas y rocas sedimentarias del Jurásico.

• Última actividad: erupción vulcaniana ocurrió en 1440 – 1470.

120 m

MAPA GEOLÓGICO DEL VOLCÁN MISTI

Depósito de cenizas del siglo XV.

Depósito de flujo de pómez y cenizas

Falla

Limite probable de unacaldera antigua

Depósito de caida de pómez y cenizas

Lahars

Ignimbritas del Cenozoico : “Río Chili” (13,19 Ma); "La Joya” (4,88 Ma);“Aeropuerto de Arequipa" (1,64 Ma).

Depósito de flujos de pómez de hace 2 ka.

Escarpa

H-Ce

Secuencia de flujos piroclásticos (40-11 ka)

M2/cps

FORMACIONESEDIFICIOS

DESCRIPCIÓN

Secuencia de flujos y caídas piroclásticas

Avalancha de escombros

Flujos de lava andesíticas M1/I

Flujos de lava andesítica

Lavas andesíticas La-a

M1/Da

M2/Ia

M3/Ia

M3-bpr

M3-bc

M3-pc

M4-rc

M4-dp

H-La

Falla probable

Crater

Coladas de lava andesíticas

Secuencia volcanoclásticaM1/vo

Caídas de cenizas de menos de 11 ka.

M2/cpb Depósito de flujo de pómez y cenizas, y flujos de bloques y cenizas.

P-Ig/J

40 ka

112 ka

830 ka

~11 ka

Lavas andesíticas (5,8 Ma).M-La2

M3-rp

VO

LC

AN

MIS

TI

MIS

TI

1M

IST

I 2

MIS

TI

3M

IST

I 4

Según Thouret et al. (2001) y este estudio

Depósito de flujo de pómez y cenizas, y flujos de escorias.

~93 ka

5,8 Ma

0 4 km

Mis

ti 3

(31

–12

ka)

Mis

ti 4

(<

11ka

)

Flujo de bloques y cenizas

Flujo de pómez y cenizas

Caída de pómezFlujo de pómez y cenizas

Flujo de escorias y cenizas

Flujo de bloques y cenizas

Flujo de bloques y cenizas

Mis

ti 3

(31

–12

ka)

Misti 4 (<11ka)

Flujo de pómez y cenizas

Caída de pómez

Flujo de escorias y cenizas

Depósito de bloquesmonolitológicos

Mis

ti 2

Caídas de pómez del volcán Chachani

Flujo de pómez y cenizas

Qda. Honda

Qda. Pastores

Depósito de flujo piroclásticode pómez y cenizas de hace

2000 años(Quebrada San Lazaro)

12 depósitos caídas de tefras de menos de 11,000 años(pie del flanco oeste del Misti)

III. EVOLUCIÓN PETROGÉNETICA

DE MAGMAS

Localización de muestras del volcán Misti

0.35.56.06.57.07.5

0.5

1.0

EdenitaMagnesio-hastingsita

(AlVI < Fe3+)

Ferropargasita

CaB = 1,50(Na+K)A= 0,50

Ti < 0,50

0.5

1.0

5.56.06.57.0Si (c.p.u.f.)

Tschermakita

Misti 4Misti 3Misti 2

Si (c.p.u.f.)

Magnesio-hornblenda

CaB = 1,50

(Na+K)A < 0,50CaA < 0,50

En

Pigeonita

Hedenbergita

Augita

Diopsido

Enstatita

Misti 1 y 2Wo Misti 3

Pigeonita

Hedenbergita

Augita

Diopsido

Enstatita

Fs

Misti 4

Pigeonita

Augita

Diopsido

Enstatita

50 50

MagnetitaFeO

Misti 1 y 2

MagnetitaFeO

Misti 4

MagnetitaFeO

Misti 3

Or 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Misti 3Misti 2

Fo Fa

En

Pigeonita

Hedenbergita

Augita

Diopsido

Enstatita

Misti 3Wo

Pigeonita

Augita

Fs

Pigeonita

Augita

50 50

HedenbergitaDiopside Diopsido

Misti 1 y 2 Misti 4

FeO.TiO2

2FeO.TiO2

FeO.Fe2O3 FeO.Fe2O3 FeO.Fe2O3

Bitownita

Labradorita

Andesina

Oligoclasa

Ab

An

Misti 1 y 2

Anortoclasa

Misti 3

Anortoclasa

An

Sanidina

Misti 4

Microlitos

An

Mg# 71-88

Ortopiroxeno

Clinopiroxeno

Feldespato

Mg# 66-86

Ilmenita

Ulvospinella

Fo68-80

Anfíbol

Olivino

Oxido de Fe-Ti

Mg

/(M

g+

Fe2

+)

Mg

/(M

g+

Fe2

+)

Mineralogía de los productos

Profundidad de la cámara magmática del Misti

Temperatura (°C)

Pre

sió

n (

Mp

a)

Cono volcánico

Reservorio superficial

Cálculo empleando el geotermómetro

de Ridolfi et al., 2010

9 km

15.4 km

?412 Mpa

235 Mpa

927 °C 1017 °C

Misti 1 y 2: andesitas y dacitas

Misti 3: andesitas a riolitasMisti 4: andesitas

Rocas moderadamente potásicas

Clasificación de la serie magmática

40 45 50 55 60 65 70 750

2

4

6

8

10

12

14

RiolitaTraquidacita

Traqui-andesitaTraqui-

andésitabasáltica

Traqui-basalto

Tefritabasanita

Fono-tefrita

Tefri-fonolita

Basalto Andesitabasáltica

Andesita

Dacite

Misti 4 (<11 ka)

Misti 3 (38 - 12 ka)

Misti 1 y 2(833 - 40 ka)

(Na2O + K2O) wt%

SiO2 wt%

Modificado de Le Bas et al., (1986)

• Los tenores en elementos mayores disminuyen con la diferenciación.

• Ciertos elementos trazas muestran un comportamiento compatible.

• K2O y Rb muestran un comportamiento incompatible durante la diferenciación.

• Existe un « gap » de composición (67-73% SiO2).

15

16

17

18

19

2.0

4.0

6.0

CaO

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

55 60 65 70 75

1.0

2.0

3.0

4.0MgO

5.0

8.0

20

SiO2 wt%

55 60 65 70

Cr

Rb

Co

Sr

75

200

400

600

800

15

30

45

60

75

90

105

120135

0

1000

1200

1400

20

10

20

30

40

50

60

40

60

80

100

SiO2 wt%

Al2O3

K2O

Misti 4 (<11 ka)

Misti 3 (38 - 12 ka)

Misti 2 (112 - 40 ka)

Geoquímica de los productos

(normalizado con respecto al Manto Primitivo de McDonoung and Sun, 1989)

Rocas presentan elevadas concentraciones en elementosincompatibles LILE (K, Rb, Ba), así como un marcadoempobrecimiento en HFSE (Nb, Zr) y HREE (Yb).

Estas características son propias de magmas de zonas desubducción.

Diagrama multielementos de rocas del Misti

Ro

ca /

Man

to P

rim

itiv

o

~ 40 - 38 ka

~ 11 ka

~ 112 ka

MISTI 2

MISTI 3

MISTI 4

EDIFICIOS

• Ligera variación de concentration en elementos mayores, trazase isotopos entre las etapas éruptivas sucesivas.

• Variación más marcada durante la etapa Misti 3 (entre 34 y 31 ka).

87Sr/86SrSiO2 (wt%) MgO (wt%) Sr/Y δ18O ‰ (VSMOW) Rb (ppm)

Evolución en el tiempo

Datos isotópicos: la contaminación cortical

SiO2 wt%

AFC

CF

δ18

O‰

VS

MO

W

87Sr/86Sr

AFC

87Sr/86Sr

• Contaminante potencial: el gneis de Charcani (Masizo de Arequipa) hace parte de la corteza media – superior.

55 60 65 70 750.7070

0.7074

0.7078

0.7082

0.7086

0.7090 • Los datos isotópicos muestran lineas de fuerte pendiente.

• La cristalización fraccionada no puede ser el mecanismo principal de la evolución de los magmas.

Modelización geoquímica: cuantificación de

procesos petrogenéticos

Asimilación – Cristalización fraccionada (AFC)

� Magma padre (Andesita 58% SiO2)

�Roca hija real (riolita 73% SiO2)�Composición del cumulado:

54%plg, 36%anf, 1%cpx, 7%Mt, 2%Ol.

�Roca contaminante: gneis de Charcani

Parámetros

1

10

100

1000

Roc

a / M

anto

prim

itivo

Rb Ba Th Nb K La Ce Sr Nd Sm Zr Eu Gd Dy Y Er Yb

Cl = F + r * Ca * (1- F )Co r-1 zCo

Cl = Concentración del elemento en el liquido finalCo = Concentración del elemento en el liquido inicial(1-F) = Tasa de cristalizaciónCa = Concentración del elemento en el contaminanter = Masa asimilada/masa cristalizada

-z -z

{ }Modelo

De Paolo, 1981

• Razón masa asimilada / masa cristalizada (r) = ≤0,22

� Tasa de asimilación: ≤ 14%

1

10

100

1000

Rb Ba Th Nb K La Ce Sr Nd Sm Zr Eu Gd Dy Y Er

Roc

a / M

anto

prim

itivo

Yb

Asimilación – Cristalización fraccionada (AFC)

Resultado

Magma padre

Roca hija

r = 0.22r = 0.18 r = 0.16

�Modelos muestran que la AFC explicaría la evolución de la serie del Misti.

Evidencias:

– Textura mingling o de bandeamiento

– Minerales con zonaciones inversas

– Fases minerales en desequilibrio.

Mezcla de magmas

Misti : pómez de la erupción de 2050 años BP.

0 100 µm

Magmas pobres en HREE e Y

• Características casi similaires a las adakitas.

• En el sur del Perú, la corteza oceánica es vieja (40-50 Ma) y por ende fría.

• Estudios en la ZVC apuntan en favor de la asimilación de magmas en base de la corteza, vía un proceso MASH.

Génesis y evolución de magmas

Según Martin (1987) ; Drummond y Defant (1990)

La contaminación cortical

• Una linea magmática proveniente de la fusión parcial del manto.

• La evolución petro-genética de magmas es controlada par la contaminación par la corteza continental.

Génesis y evolución de magmas

87Sr/86Sr

143 N

d/1

44N

d

0.702 0.703 0.704 0.705 0.706 0.707 0.708 0.709 0.710

0.5131

0.5129

0.5127

0.5125

0.5123

0.5121

0.5119

Gneis deCharcani

(0,740; 0,5115)

Según Davidson et al. (1991); Delacour et al. (2007)

• Fusión parcial del manto y producción de magmas

• Asimilación en base de la corteza vía un proceso MASH (empobrecimiento en HREE e Y).

• Evolución de magmas mediante un proceso de AFC, cuyo contaminante es el gneis de Charcani.

• La tasa de asimilación es ≤14% (más importante entre 34 - 31 ka).

• Eventuales procesos de mezcla de magmas.

50 Km2000 100 150 250 300

50

100

150Km

0 Masivo de Arequipa

Modelo de génesis y evolución de magmas

Conclusiones

• El Misti a emitido andesitas y algunas dacitas, cuyacomposición química varia en una gama limitada. Las únicasriolitas han sido emitidos entre 31 y 34 ka (« Misti 3 »).

• La composición de los minerales de cada tipo petrográficono ha evolucionado de manera significativa en el tiempo. Enconsecuencia no existen ciclos magmático totalmenteindependientes.

• Los principales procesos que participan en la génesis y en la evolución de magmas son : - Fusión parcial del manto, - mecanismos intra-crustales (AFC, CF, mezcla de magmas).

Conclusiones

1) Petrogénesis y evolución de magmas

2. Evaluación de la actividad eruptiva (a corto plazo):

• Dado que en el período reciente el Misti hapresentado un comportamiento eruptivo moderado aintenso (erupciones vulcanianas modestas aerupciones plinianas), es necesario siempre preverescenarios con erupciones plinianas voluminosas.

• Las consequencia de tales erupciones seríandesastrozas para la ciudad de Arequipa.

Gracias por su atención!!

Misti 2006