Volcanic stratigraphy and evidence of magma mixing in the Quaternary Payún Matrú volcano, Andean backarc in western Argentina

Abstract

The Payún Matrú Volcanic Field is located in the Payenia Basaltic Province of the recent back-arc of western Argentina (35°S-38°S). This province is younger than 5 Ma, and most of its volcanic activity took place since 2 Ma. The Payún Matrú Volcanic Field contains two composite volcanoes, Payún Matrú and Payún Liso, and two basaltic fields in an E-W oriented zone, located east and west of the Payún Matrú volcano. Payún Matrú is the largest volcano of this volcanic field, and consists of a shield-shaped edifice with a circular summit caldera of 8 km in diameter. The composition of both composite volcanoes is alkaline and predominantly trachytic, having also minor intermediate lavas. The basaltic fields consist of basalts and trachybasalts, with clinopyroxene and abundant olivine as phenocrysts and also in the groundmass. Textures indicating mixing and mingling processes, such as dusty plagioclases along with clear ones, biotite replaced by anhydrous minerals and two groundmasses with a fluid-fluid relationship, are common in the early pre-caldera stage of Payún Matrú and some post-caldera lavas. The latest post-caldera lavas are trachytic, with clean sanidine phenocrysts without disequilibrium textures. A remarkable characteristic of the Payún Matrú Volcanic Field is the fact that the Payún Matrú caldera is surrounded by basaltic fields at its base, while no basalts were erupted in the caldera region. We propose that the absence of basaltic lavas in the Payún Matrú volcano is due to the presence of a magmatic chamber below it, and that the mafic magmas rising from deeper levels were unable to erupt without interaction with more evolved melts. Intermediate hybrid magmas produced as a consequence of magma mixing and mingling between basaltic and trachytic magmas, are present in the early and mid-history of Payún Matrú volcano. We present here new information about the Quaternary Payún Matrú Volcanic Field derived from field work, petrography, and major element geochemistry and 87 Sr/ 86 Sr isotopic ratios. For the first time a detailed map of the Payún Matrú Volcanic Field and its volcanic stratigraphy, primarily based on field observations, are presented.

El Campo Volcánico Payún Matrú está localizado en la Provincia Basáltica Payenia, en el retroarco reciente al oeste de Argentina (35°S-38°S). Esta provincia es más joven que 5 Ma, y la mayor parte de su actividad volcánica tuvo lugar desde hace 2 Ma. El Campo Volcánico Payún Matrú contiene dos volcanes compuestos, el Payún Matrú y el Payún Liso, así como dos campos basálticos en una franja E-W, ubicados al este y oeste del Payún Matrú. El Payún Matrú es el volcán más grande de este campo volcánico, y consiste en un edificio en forma de escudo con una caldera circular en su cúspide de 8 km de diámetro. La composición de ambos volcanes compuestos es alcalina y predominantemente traquítica, con menor participación de lavas intermedias. Los campos basálticos consisten en basaltos y traquibasaltos, con clinopiroxeno y abundante olivina como fenocristales, presentes también en la pasta. En la etapa pre-caldera del Payún Matrú y en algunas lavas post-caldera son comunes las texturas que indican procesos de mezcla de magmas, ‘mixing’ y ‘mingling’, como plagioclasas cribadas en panal de abejas junto con otras limpias, biotitas reemplazadas por minerales anhidros y la presencia de dos pastas con una relación fluido-fluido. Las lavas post-caldera tardías son traquíticas, con fenocristales limpios de sanidina y sin texturas de desequilibrio. Una característica destacable del Campo Volcánico Payún Matrú es el hecho de que la caldera está rodeada por campos basálticos en su base, mientras que no se han producido erupciones de basaltos en la zona de la caldera. Proponemos que la ausencia de lavas basálticas en el volcán Payún Matrú se debe a la presencia de una cámara magmática por debajo del mismo, y a que los magmas máficos que ascienden desde niveles más profundos fueron incapaces de extruirse sin interactuar antes con fundidos más evolucionados. Magmas intermedios híbridos, producidos a consecuencia de la mezcla entre magmas basálticos y traquíticos, están presentes en la historia temprana y media del volcán Payún Matrú. Presentamos aquí nueva información sobre el Campo Volcánico Payún Matrú de edad Cuaternaria, basada en trabajos de campo, petrografía, geoquímica de elementos mayoritarios y relaciones isotópicas de 87Sr/86Sr. Por primera vez se presenta un mapa detallado del Campo Volcánico Payún Matrú y su estratigrafía, basado fundamentalmente en observaciones de campo.