Petrographic and isotopic studies of the altered acid volcanics of the Tolfa-Cerite area, Italy: the genesis of the clays

Abstract

Alunite-kaolinite deposits occur in argillized zones in acid volcanic rocks at Tolfa. Over seventy samples were examined by one or more of the following methods: thin section, DTA, X-ray, IR, TG, SEM, chemical, and hydrogen and oxygen isotope analysis. Kaolinite and dickite, of high structural order, are the dominant clays with micamontmorillonite and halloysite subordinate. In many samples kaolinite and dickite coexist; their relative amounts are variable but the dickite content tends to increase with depth. SEM studies show that dickite crystals—up to 30 µm—are bigger than kaolinite.

The D/H and ¹⁸O/¹⁶O ratios of six clays, a whole rock, two biotites from fresh host rock, two chalcedony veins and three local meteoric waters indicate that the clays formed in a meteoric-hydrothermal environment of acid hot spring type at about 80°C. The fresh volcanic host rocks are strongly enriched in ¹⁸O relative to ‘normal’ igneous rocks due to derivation from or exchange with ¹⁸O-rich sedimentary rocks at depth prior to hydrothermal and solfataric activity. In the absence of present-day geothermal activity the life of this hot spring system was less than 4 m.y.

Résumé

Des gisements d'alunite-kaolinite se présentent en zones argilisées dans des roches volcaniques acides à Tolfa. Plus de soixante-dix échantillons ont été analysés à l'aide d'une ou de plusieurs des méthodes suivantes: coupe mince, DTA, Rayons-X, IR, TG, SEM, chimique, et analyse d'isotopes d'hydrogène et d'oxygène. La kaolinite et la dickite d'ordre hautement structurel sont les argiles dominantes avec le mica-montmorillonite et l'halloysite adventifs. Dans de nombreux échantillons, on constate la coexistence de kaolinite et de dickite; leurs quantités relatives sont variables, mais la teneur en dickite tend à augmenter avec la profondeur. Les études de SEM démontrent que la dimension des cristaux de dickite dépasse celle des cristaux de kaolinite jusqu'à. 30 µm.

Les rapports D/H et ¹⁸O/¹⁶O de six argiles, une roche entière et deux biotites de roche hôte nouvelle, deux veines de chalcédoine et trois eaux météoriques locales indiquent que les argiles se sont formées dans un environnement météorique-hydrothermal de type source d'acide chaud à environ 80°C. Les roches hôtes volcaniques nouvelles sont fortement enrichies dans des roches ignées ¹⁸O relatives à ‘normales’ en raison de la dérivation de, ou d'un échange avec des roches sédimentaires riches ¹⁸O en profondeur préalablement à l'activité hydrothermale et solfatarienne. En l'absence d'activité géothermale actuelle, la vie de ce système de sources chaudes était de moins de 4 millions d'années.

Kurzreferat

Ablagerungen von Alunit-Kaolinit kommen in kaolinisierten Zonen der sauren Vulkangesteine in Tolfa vor. Über 70 Proben wurden nach mindestens einem der folgenden Verfahren untersucht: Dünnschliff, DTA, Radiographie, IR, TG und SEM; auch chemische und Wasserstoff- sowie Sauerstoffisotopenanalyse wurde angewandt. In Glimmer-Montmorillonit sind Kaolinit und Dickit, deren struktureller Ordnungsgrad hoch ist, die vorherrschenden Tone, während Halloysit eine untergeordnete Rolle spielt. In vielen Proben trifft man sowohl Kaolinit als auch Dickit gleichzeitig an. Ihre relativen Mengen sind veränderlich, doch nimmt der Diekitgehalt in der Regel mit der Tiefe zu. SEM-Untersuchungen haben erwiesen, dass Dickitkristalle bis zu 30 µm grösser sind als Kaolinitkristalle.

Die D/H und ¹⁸O/¹⁶O Verhältnisse von sechs Tonen, einem ganzen Felsen und zwei Biotiten aus frischem Wirtgestein, zwei Chalcedongängen und drei örtlichen Meteorgewässern weisen darauf hin, dass die Tone in einer meteorisch-hydrothermischen Umgebung in der Art saurer Thermalquellen bei einer Temperatur von rund 80°C entstehen.

Die frischen vulkanischen Wirtgesteine sind im Vergleich zu ‘normalen’ Eruptivgesteinen stark mit ¹⁸O angereichert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sie vor hydrothermischer und solfatarer Aktivität in der Tiefe aus ¹⁸O-reichen Sedimentgesteinen entstammen oder durch diese ersetzt wurden. In Abwesenheit geothermischer Aktivität betrug die Lebensdauer dieses Heissquellensystems weniger als 4 Millionen Jahre.

Resumen

En Tolfa se encuentran depósitos de alunita-caolinita en zonas argilizadas de rocas volcánicas ácidas. Más de setenta muestras se han examinado por uno a más de los siguientes métodos: Análisis de sección delgada, DTA, rayos X, IR, TG, SEM, quimicos y con isótopos de hidrógeno y oxigeno. La caolinita y la dickita, de orden estructural alto, son las arcillas dominantes, estándoles subordinadas la mica-montmorillonita y la halosita. En muchas muestras coexisten la caolinita y la dickita; sus cantidades relativas son variables, pero el contenido de dickita tiende a aumentar en función de la profundidad. Los estudios SEM muestran que los cristales de dickita de hasta 30µm son más grandes que los de caolinita.

Las relaciones D/H y ¹⁸O/¹⁶O de seis arcillas, una roca entera, dos biotitas de la roca hospendante no expuesta, dos venas de calcedonia y tres aguas meteóricas locales indican que las arcillas se formaron en un ambiente meteórico-hidrotérmico del tipo de fuente caliente ácida a alrededor de 80°C Las rocas volcánicas hospedantes no expuestas a la intemperie están fuertemente enriquecidas en ¹⁸O con relación alas rocas volcánicas ‘normales’ debido a la derivación de o el intercambrio con rocas sedimentarias ricas en ¹⁸O a profundidad, con anterioridad a la actividad hidrotérmica y solfatárica. En ausencia de la actual actividad geotérmica la vida de este sistema de fuente caliente era de menos de 4 millones de años.