Oxygen isotope geochemistry of plutonic rocks from Puerto Rico

Abstract

Puerto Rico is a complex island arc terrane with plutonic intrusive activity from 85 million years (Ma) to 38 Ma (Cavosie et al., 2008). Schellekens (1991) divided the island into three igneous provinces named the southwest, central and northeast igneous provinces based on stratigraphy, lithology, petrology and geochemistry. Plutonic intrusions are heterogeneously distributed among the three igneous provinces; exposed areas vary from ~1 to 500 km2 (stock to batholith scale). The origin of these rocks has been studied by several authors but is still speculative since the parental magmas for the plutons are not known. Petrographic analyses, whole rock (WR) major, minor and trace elements, and oxygen isotope ratios (δ18O) of zircon (Zrc), quartz (Qtz) and titanite (Tnt) were used to constrain the origin of the granitoids. The data were combined with U/Pb zircon dating to place time constraints on island arc evolution. (δ18O) in igneous rocks record magmatic compositions if primary, and are used in this study to evaluate alteration or incorporation of sediments into Puerto Rico magmas, as proposed by Schellekens (1993). These processes will increase δ18O to values higher or lower than the mantle (δ18O= 5.3±0.6‰; 2sd). Analyses for δ18O were performed with laser fluorination by Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) at the University of Wisconsin, Madison. Thin sections were used to evaluate whether or not δ18O values are primary (magmatic) or represent alteration. Plutonic rocks in Puerto Rico show a remarkable limited range in WR major and minor elements, suggesting a common origin. The distribution of plutonic intrusions among the three igneous provinces, δ18O(Zrc) values, and age of crystallization shows a continuous and complex magmatic history during the evolution of the Cretaceous island arc. Plutons with the same age of crystallization and in close proximity to each other record isotopically bimodal ratios over the entire magmatic evolution of the arc beginning in the Santonian [Coamo Arriba stock (85.6±1.3 Ma, δ18O(Zrc)= 5.34‰) and Morovis stock (85.3±1.8 Ma, δ18O(Zrc)= 6.69‰)] continuing into the Campanian/Maastrichtian [San Lorenzo granodiorite (75.1±2.1 Ma, δ18O(Zrc)= 5.63‰), San Lorenzo diorite (74.1±1.4 Ma, δ18O(Zrc)= 5.51‰), Utuado pluton (70.8±1.2 Ma, δ18O(Zrc)= 5.71‰), Caguas pluton (66.8±1.2 Ma, δ18O(Zrc)= 6.32‰) and Vieques pluton (67.1±1.6 Ma, δ18O(Zrc)= 5.77‰)] and during the Eocene [Cuyon stock (47.6 ±0.8 Ma, δ18O(Zrc)= 5.33‰) and Barranquitas stock (47.7±1.6 Ma, δ18O(Zrc)= 6.75‰) ]. Bimodal oxygen isotope ratios during the island arc evolution (85-38 Ma) indicates the incorporation of crustal material into the magmas The results of this study suggest that any regional tectonic changes that resulted in changes in magmatic processes in the island arc occurred prior to ~85 Ma, the age of emplacement of the oldest plutons in Puerto Rico. Smith et al. (1998) suggest that the emplacement of the batholiths, stocks and volcanism in Puerto Rico was related to subduction and magma generation in the northeastern Caribbean due to tectonic changes. This conclusion contrasts with the findings of this work, where the generation of bimodal plutons from ~85 to 48 Ma is consistent along the evolution of the arc. The generation of batholiths in Puerto Rico is therefore not interpreted to represent markers of changes in regional tectonism. Any changes in magmatism as a consequence of regional tectonism are here constrained to have occurred prior to 85 Ma.

Puerto Rico es un arco de islas complejo con actividad ígnea intrusiva de 85 a 38 millones de años (Ma) (Cavosie et al., 2008). Schellekens (1991) dividió la isla de Puerto Rico en tres provincias ígneas llamadas provincias ígneas del noreste, central y suroeste basado en la estratigrafía, litología, petrología y geoquímica. Las intrusiones plutónicas están heterogéneamente distribuidas entre las tres provincias ígneas, con áreas de exposición que varían de ~1 a 500 km2 (escala de “stock” a batolito). El origen de estas rocas ha sido estudiado por varios autores pero aun permanece especulativo debido a que el magma parental de estas rocas aun no se conoce. Análisis petrográfico, elementos mayores, menores y traza e isótopos de oxígeno (δ18O) para minerales como zircón (Zrc), cuarzo (Qtz) y titanita (Tnt) se utilizaron para conocer el origen de estas rocas graníticas. Estos datos se combinaron con edades de zircón con técnicas U/Pb se utilizaron para establecer un esquema de tiempo en la evolución de este arco de islas. Isótopos de oxígeno en rocas ígneas preservan composiciones magmáticas (si son primarias) y se utilizaron en este estudio para evaluar la alteración o incorporación de sedimentos en los magmas de Puerto Rico, según propuesto por Schellekens (1993). Estos procesos de alteración o incorporación de sedimentos en el magma aumentaría o disminuirían los valores de isótopos de oxigeno del valor del manto (δ18O= 5.3±0.6‰; 2sd). Análisis para isótopos de oxígeno fueron realizados con el proceso de fluoronización con láser en la Universidad de Wisconsin, Madison. Cortes finos de rocas fueron utilizados para evaluar si los valores de isótopos de oxígenos eran primarios (magmáticos) o representan alteración. Rocas plutónicas en Puerto Rico tienen un rango limitado en los análisis de elementos mayores y menores, sugiriendo un origen común. La distribución de las rocas plutónicas entre las tres provincias ígneas, los valores de isótopos de oxígeno en zircón y las edades de cristalización de las rocas muestran una historia magmática continua y compleja durante la evolución de este arco de islas del Cretáceo. Plutones con la misma edad de cristalización y cercanos uno del otro, reflejan esta señal isotópica bimodal a lo largo de la completa evolución magmática del arco de islas comenzando en el Santoniano [plutón Coamo Arriba (85.6±1.3 Ma, δ18O(Zrc)= 5.34 ±0.10‰) y el plutón Morovis (85.3±1.8 Ma, δ18O(Zrc)= 6.69±0.04‰)] continuando en Campaniano/Maastrichtiano [granodiorita de San Lorenzo (75.1±2.1 Ma, δ18O(Zrc)= 5.63‰), diorite de San Lorenzo (74.1±1.4 Ma, δ18O(Zrc)= 5.51‰), plutón de Utuado (70.8±1.2 Ma, δ18O(Zrc)= 5.71‰), plutón de Caguas (66.8±1.2 Ma, δ18O(Zrc)= 6.32‰) y plutón de Vieques (67.1±1.6 Ma, δ18O(Zrc)= 5.77‰)] y finalizando durante el Eoceno [plutón Cuyón (47.6 ±0.8 Ma, δ18O(Zrc)= 5.33 ±0.04‰) y plutón Barranquitas (47.7±1.6 Ma, δ18O(Zrc)= 6.75 ±0.04‰)]. Señales bimodales para isótopos de oxígeno durante la evolución del arco de islas (85 a 38 Ma) indican la incorporación de material de la corteza en algunos magmas. Los resultados de este estudio sugieren que cualquier cambio regional tectónico que resultara en cambios en los procesos magmáticos en el arco de islas, ocurrieron antes de ~85 Ma, la edad del emplazamiento de las rocas plutónicas mas viejas en Puerto Rico. Smith et al., (1998) sugirió que el emplazamiento de los batolitos, “stocks” y volcanismo en Puerto Rico estaba relacionado a la generación de magma y subducción en el noreste del Caribe debido a cambios tectónicos. Esta conclusión contrasta con los descubrimientos en este trabajo, donde la generación de plutones bimodales desde ~85 hasta ~48 Ma es consistente a lo largo de la evolución del arco de islas. La generación de batolitos en Puerto Rico no representa un marcador de cambios tectónicos regionales. Cambios en magmatismo como consecuencia de cambios en tectonismo regional son interpretados en este estudio a haber ocurrido antes de 85 Ma.