Magmatic evolution of topaz-bearing granite stocks within the Wiborg rapakivi granite batholith

This study brings new insights into the magmatic evolution of natural F-enriched peraluminous granitic systems. The Artjärvi, Sääskjärvi and Kymi granite stocks within the 1.64 Ga Wiborg rapakivi granite batholith have been investigated by petrographic, geochemical, experimental and melt inclusion methods. These stocks represent late-stage leucocratic and weakly peraluminous intrusive phases typical of rapakivi granites worldwide. The Artjärvi and Sääskjärvi stocks are multiphase intrusions in which the most evolved phase is topaz granite. The Kymi stock contains topaz throughout and has a well-developed zoned structure, from the rim to the center: stockscheider pegmatite equigranular topaz granite porphyritic topaz granite. Geochemically the topaz granites are enriched in F, Li, Be, Ga, Rb, Sn and Nb and depleted in Mg, Fe, Ti, Ba, Sr, Zr and Eu. The anomalous geochemistry and mineralogy of the topaz granites are essentially magmatic in origin; postmagmatic reactions have only slightly modified the compositions. The Kymi equigranular topaz granite shows the most evolved character, and the topaz granites at Artjärvi and Sääskjärvi resemble the less evolved porphyritic topaz granite of the Kymi stock. Stockscheiders are found at the roof contacts of the Artjärvi and Kymi stocks. The stockscheider at Artjärvi is composed of biotite-rich schlieren and pegmatite layers parallel to the contact. The schlieren layering is considered to have formed by velocity-gradient sorting mechanism parallel to the flow, which led to the accumulation of mafic minerals along the upper contact of the topaz granite. Cooling and contraction of the topaz granite formed fractures parallel to the roof contact and residual pegmatite magmas were injected along the fractures and formed the pegmatite layers. The zoned structure of the Kymi stock is the result of intrusion of highly evolved residual melt from deeper parts of the magma chamber along the fractured contact between the porphyritic granite crystal mush and country rock. The equigranular topaz granite and marginal pegmatite (stockscheider) crystallized from this evolved melt. Phase relations of the Kymi equigranular topaz granite have been investigated utilizing crystallization experiments at 100 to 500 MPa as a function of water activity and F content. Fluorite and topaz can crystallize as liquidus phases in F-rich peraluminous systems, but the F content of the melt should exceed 2.5 - 3.0 wt % to facilitate crystallization of topaz. In peraluminous F-bearing melts containing more than 1 wt % F, topaz and muscovite are expected to be the first F-bearing phases to crystallize at high pressure, whereas fluorite and topaz should crystallize first at low pressure. Overall, the saturation of fluorite and topaz follows the reaction: CaAl2Si2O8 (plagioclase) + 2[AlF3]melt = CaF2 (fluorite) + 2Al2SiO4F2 (topaz). The obtained partition coefficient for F between biotite and glass D(F)Bt/glass is 1.89 to 0.80 (average 1.29) and can be used as an empirical fluormeter to determine the F content of coexisting melts. In order to study the magmatic evolution of the Kymi stock, crystallized melt inclusions in quartz and topaz grains in the porphyritic and the equigranular topaz granites and the marginal pegmatite were rehomogenized and analyzed. The homogenization conditions for the melt inclusions from the granites were 700 °C, 300 MPa, and 24 h, and for melt inclusions from the pegmatite, 700 °C, 100 MPa, and 24/96 h. The majority of the melt inclusions is chemically similar to the bulk rocks (excluding H2O content), but a few melt inclusions in the equigranular granite show clearly higher F and low K2O contents (on average 11.6 wt % F, 0.65 wt % K2O). The melt inclusion compositions indicate coexistence of two melt fractions, a prevailing peraluminous and a very volatile-rich, possibly peralkaline. Combined petrological, experimental and melt inclusion studies of the Kymi equigranular topaz granite indicate that plagioclase was the liquidus phase at nearly water-saturated (fluid-saturated) conditions and that the F content of the melt was at least 2 wt %. The early crystallization of biotite and the presence of muscovite in crystallization experiments at 200 MPa contrasts with the late-stage crystallization of biotite and the absence of muscovite in the equigranular granite, indicating that crystallization pressure may have been lower than 200 MPa for the granite.

Tutkimuksessa selvitettiin fluoririkkaiden topaasipitoisten graniittien magmaattista evoluutiota petrografian, geokemian, sulasulkeuma ja kokeellisen petrologian tutkimuksien avulla. Tutkimuksen kohteena olivat Kaakkois-Suomen Viipurin rapakivikompleksissa esiintyvät Artjärven, Sääskjärven ja Kymin topaasipitoiset graniittistokit, jotka edustavat rapakivimagman viimeisimpiä ja kehittyneimpiä intruusiofaaseja. Tutkimukset osoittivat, että Artjärven ja Sääskjärven stokit ovat monifaasisia intruusioita, joissa kehittynein faasi on topaasigraniitti. Kymin stokin kaikki faasit ovat topaasipitoisia ja siinä on hyvin kehittynyt vyöhykerakenne: keskiosa on porfyyristä graniittia, sen ympärillä tasarakeista graniittia ja koko stokkia ympäröi reunapegmatiitti (stockscheider). Geokemiallisesti topaasigraniitit ovat rikastuneet F, Li, Be, Ga, Rb, Sn ja Nb alkuaineista sekä köyhtyneet Mg, Fe, Ti, Ba, Sr, Zr ja Eu alkuaineista. Topaasigraniittien geokemialliset ja mineralogiset erikoispiirteet (anomaalisuudet) ovat alkuperältään ensisijaisesti magmaattisia; myöhäismagmaattiset reaktiot ovat vain hieman muuttaneet topaasigraniittien koostumusta. Artjärven ja Kymin stokkien ulkoreunalla esiintyvät reunapegmatiittivyöhykkeet (stockscheider) kuvastavat mm. fluidifaasin erottumista graniittisulasta ja konsentroitumista magmasäiliön yläreunoille. Artjärven stocheider koostuu stokin yläkontaktin kanssa samansuuntaisista biotiitti-rikkaista kerroksista (schlieren) ja pegmatiittikerroksista. Kenttähavainnot, petrografiset ja geokemialliset tutkimukset viittaavat schlieren-kerrosten syntyneen magman virtausnopeuden muutoksen seurauksena ja pegmatiittikerrosten syntyneen jäännösmagmasta, joka tunkeutui topaasigraniitin jäähtyessä ja kutistuessa muodostuneisiin kontaktin suuntaisiin rakoihin. Kymin stokin vyöhykerakenne on syntynyt magmasäiliön syvemmistä osista nousseen jäännösmagman tunkeutuessa osittain sulan porfyyrisen topaasigraniitin ja stokkia ympäröivän rapakivigraniitin rakoilleeseen kontaktiin. Tasarakeinen topaasigraniitti ja reunapegmatiitti kiteytyivät tästä geokemiallisesti kehittyneemmästä magmasta. Kokeellisen petrologian laboratoriotutkimuksiin valittiin lähtömateriaaliksi Kymin tasarakeinen topaasigraniitti, joka on sulatettu ja jähmetetty lasiksi. Homogeeniselle lasille tehtiin kiteyttämiskokeita eri paine ja lämpötila olosuhteissa, sekä erilaisilla H2O-aktiivisuus arvoilla ja fluoripitoisuuksilla, jolloin saatiin selville graniitissa esiintyvien mineraalien (topaasi, fluoriitti, kvartsi, plagioklaasi, kalimaasälpä, kiille) stabiilisuuskentät. Kiteyttämiskokeet osoittivat, että topaasi ja fluoriitti kiteytyvät suoraan magmasta, mutta sulan fluoripitoisuuden on oltava yli 2.5 - 3.0 wt % ennen kuin topaasi kiteytyy. Kokeiden tuloksena määritettiin fluorin keskimääräiseksi jakautumiskertoimeksi biotiitin ja lasin välillä 1.29. Jakautumiskertoimen avulla voidaan laskea biotiitin fluoripitoisuuden perusteella biotiitin kanssa tasapainossa olleen alkuperäisen sulan fluoripitoisuus. Kiteytyneet sulasulkeumat Kymin topaasigraniittien topaasissa ja kvartsissa homogenisoitiin 3 kbar paineessa ja 700 °C lämpötilassa ja pegmatiitin sulasulkeumat 1 kbar paineessa ja 900 °C lämpötilassa. Lasiksi jähmettyneet sulasulkeumat analysoitiin elektronimikroanalysaattorilla. Kemiallisten analyysien perusteella saatiin selville alkuperäisen 1600 miljoonaa vuotta sitten sulana olleiden graniittisten ja pegmatiittisen magmojen koostumukset. Sulasulkeumien koostumukset osoittavat Kymin topaasigraniittien ja pegmatiitin kiteytyneen hyvin vesirikkaista magmoista. Sulasulkeumatutkimukset antoivat viitteitä myös erittäin fluoririkkaasta magmasta ja mahdollisesti kahden sulan olemassaolosta Kymin stokin kiteytyessä. Yhdistetyt petrologiset, kokeelliset ja sulasulkeumatutkimukset Kymin tasarakeisesta topaasigraniitista viittaavat siihen, että graniitin kiteytyminen alkoi plagioklaasin kiteytymisellä lähes vesikylläisissä olosuhteissa magman fluoripitoisuuden ollessa vähintään 2 wt % ja paineen ollessa alle 2 kbar.