335Geologia, Tectônica e Recursos Minerais do BrasilL. A. Bizzi, C. Schobbenhaus, R. M. Vidotti e J. H. Gonçalves (eds.) CPRM, Brasília, 2003.

Capítulo VI

Condicionamento do Magmatismo pós-GondwanaSetting of post-Gondwana Magmatism

Luiz A. Bizzi e Roberta M. Vidotti

CPRM – Serviço Geológico do Brasil

Summary

The tectono-thermal framework of the Paleozoic to Cenozoic geological history of Brazil is intimatelyrelated to the fragmentation of southwestern Gondwana. The geologic record is revisited to provide abase for the sequence of compressional and extensional events since the convergence of Gondwana ca.650 Ma. The late Proterozoic to early Paleozoic extension ca. 500 Ma. was followed by the Paleozoicconvergence ca. 300 Ma., which in turn was followed by the mid to late Mesozoic extension andbreak-up ca. 150 Ma. Long-lived discontinuities have acted as both transtensional and transpressionalfault systems that controlled not only the formation and evolution of sedimentary basins, but alsolinear trends of magmatic intrusions.

The late-Mesozoic fission-related magmatism involved melts derived from both the upper mantle(kimberlites, alkaline complexes, flood basalts and dyke swarms) and the crust (rhyolite ash-flowsand related potassic granites). First-order assessments of the relation between lithospheric stretching,subduction processes, thermal and mechanical subsidence lead to the conclusion that mantle plumeshave played an important role in the initial fission of Gondwana and the opening of the SouthAtlantic. The compositional and isotopic characteristics of basaltic volcanism that occurred shortlybefore the opening of the new ocean basin are explained satisfactorily by asthenospheric plumemodels; but how the lithospheric and asthenospheric materials were remobilized during the meltingprocess remains controversial, as does remain the depth of plume generation.

The isotope and trace element characteristics of alkalics and the Paraná basalts provide furtherevidence that discrete large-scale geochemical domains were not necessarily related to ancient lithosphericchemical heterogeneities or bounded by ancient structural features, but rather to mixing processesthat can be ascribed to specific geodynamic mechanisms. The nature and restricted range of isotopiccompositions of plume-related rocks in central Brazil indicate that most of these magmas eitherinteracted extensively with or were derived from a widespread light rare earth element enrichedmantle source. Systematic variations in rock types and geochemistry on a regional scale are believedto be indicative of vertical geochemical heterogeneities which are translated into lateral heterogeneitiesby different depths and degrees of melting. The isotopic similarity of the sources of such plume-related rocks to those of some ocean island basalts in the South Atlantic (viz. in Walvis Ridge) isascribed to processes by which continental lithosphere became first delaminated, and then contaminateda zone of South Atlantic asthenosphere from which hotspot islands were erupting.

Emphasis is placed on source characteristics of arc- and plume-related magmatism and continentalflood basalt provinces in an attempt to constrain the nature of the magmatism and the extent to

Parte II – Tectônica336

Introdução

Nos capítulos anteriores delineou-se a evolução geológica dasprincipais províncias crono-tectônicas brasileiras e abordou-se sucintamente o processo de acresção do Gondwana noProterozóico. Neste capítulo, discutem-se em maior detalheprocessos geológicos e tectônicos que tiveram lugar noterritório brasileiro durante o processo de fragmentação dosupercontinente, no Fanerozóico. Feições litoestratigráficasabordadas em capítulos anteriores são aqui tentativamentereinterpretadas não como reflexos de aquiescência termallocalizada, mas como resultado de processos geodinâmicos efluxos calóricos de ampla magnitude.

Após uma breve revisão do arcabouço tectônico pós-Gondwana e da migração do proto-rifte Sul-Atlantiano, adiscussão se inicia por processos mantélicos de larga escalaque foram concomitantes à fragmentação do Gondwana.Informações contidas em rochas manto-derivadas permitem oreconhecimento de heterogeneidades geoquímicas de primeiraordem e a inferência de fluxos significativos de material ecalor em escala regional. Tais fluxos são interpretados comoevidência de interação entre litosfera e manto astenosférico,resultado de acresção juvenil e processos de delaminação dalitosfera sub-continental sob a influência de plumas mantélicas.

which subducted materials, juvenile materials and the underlying sub-continental lithospheric mantle were implicated. Independentlyof the nature of the mantle wedge, subduction-derived basalts are distinguished from basalts erupted in other settings by theirselective enrichment in large ion lithophile elements, rare earth elements and Phosphorous. In addition to such trace elements,basalts erupted at active continental margins carry an additional component that contains Nb, Ta and Zr and are assumed to bederived from trace-element enriched metasomatised sub-continental lithosphere.

Most alkaline magmatism was contemporaneous with changes in pole rotation movements which provoked reactivation oflithospheric shear zones and rifting within plates. The overall plate-tectonic approach suggests it is the within plate stress field andfault reactivation that controlled the sites of magmatism in the continental lithosphere. The stress-release is linked to paleo-tectonic geometry of the Brasiliano orogenic fold belts that, in turn, are clearly represented in regional geophysics data sets.Gravity, topography and magnetic data provide a consistent continent-wide basis for comparison of lithospheric structural variations.Bouguer gravity anomalies have been mapped to establish correlations with geotectonic provinces in the Brazilian Platform.Estimates of effective elastic thickness (Te) defined on the basis of gravity and topography are presented, interpreted and correlatedwith the post-Gondwana magmatism in Brazil. Cross sections at latitudes 5oS and 20oS and along the longitude 57.5oW summarizecrustal thickness (from both magnetic data and seismics) and Te estimates, which are presented along with topography, gravitydata and geology.

Estimates of flexural rigidity (D) or the equivalent effective elastic thickness (Te) of the lithosphere have been defined on thebasis of the coherence technique, i.e. the spectral analysis of Bouguer gravity data and topography. Te mapping reflects thethermal structure of the lithosphere beneath the Brazilian Platform. The strong Te identified in central areas of Paraná andParnaíba provinces are interpreted as cratonic fragments hidden underneath the basin fill. The weaker Te areas around suchfragments are interpreted as extensions of the Brasiliano fold belts beneath the sedimentary and volcanic layers. The results of Te

mapping presented herein indicate considerable heating and weakening of the mantle lithosphere in the Cretaceous. Lithosphericthickness variations appear to have controlled the accretion of higher density materials at the onset of plumes at ca. 137 Ma. Suchhigher density materials might be the reason why the Serra Geral volcanism occurred away from the line of break-up of SouthAmerica–Africa. Rift magmatism, kimberlites and related rocks emplaced at the N–NE borders of the Paraná province explored thetransition of a stronger to weaker lithosphere.

Na seqüência, dados geofísicos são utilizados paracaracterização e modelagem da crosta continental brasileira.Anisotropias representadas nos dados geofísicos regionais sãodiscutidas e estimativas da espessura elástica efetiva dalitosfera mecânica são interpretadas para balizar a definiçãode descontinuidades maiores que condicionaram rifteamentoe magmatismo no processo de fissão continental.

A interrogação das bases de dados compiladas emambiente GIS permitiu a construção de mapas geofísicos,geoquímicos e cronoestratigráficos onde heterogeneidades eanisotropias são integradas à cronoestratigrafia regional ecorrelacionadas a eventos de subsidência termal e mecânicada crosta que ocorreram em conseqüência da acresção demateriais juvenis.

Arcabouço da Tectônicapós-Gondwana no Brasil

A amalgamação das placas litosféricas e dos blocos cratônicosda porção Oeste do Gondwana ocorreu durante dois eventosprincipais: (i) há aproximadamente 650 Ma, durante a formaçãodo proto-Gondwana (provavelmente incluindo a América do

VI. Condicionamento do Magmatismo pós-Gondwana 337

Norte); e (ii) há 300 Ma, com a formação do SupercontinentePangea, durante a fusão entre Gondwana, Laurentia, ChinaSul e Eurásia (e.g. Veevers, 1988; 1989, de Wit e Ransome,1992, Hoffman, 1991 e Dalziel, 1992) (Fig. VI.1).

O primeiro evento tem grande representatividade noterritório brasileiro, com placas litosféricas amplas (e.g. crátonsAmazonas e São Francisco) e blocos cratônicos menoresacrescidos a placas e micro-placas continentais, arcosmagmáticos e terrenos alóctones no período entre oMesoproterozóico e o Paleozóico inferior. Já o segundo eventotem representatividade restrita a reflexos distais da acresçãode terrenos alóctones que teve lugar no cinturão proto-Andinoentre o Paleozóico superior e Mesozóico inferior.

A plataforma brasileira tem registro de reversões napolaridade tectônica com eventos distensivos intercalados noPaleozóico, no Mesozóico inferior e quando da dispersão dosupercontinente no Mesozóico superior. No Paleozóico teveinício extensa acumulação sedimentar na forma detransgressões marinhas oriundas da margem oeste (Fig. VI.1).Os sedimentos passaram a continentais no Mesozóico e,novamente, a essencialmente marinhos após a abertura doAtlântico. A primeira transição para um ambiente continental,no Triássico, foi abrupta, conforme testemunha uma ampladescontinuidade regional (Fig. VI.2). Tal descontinuidadeprovavelmente reflete a transição de uma margem passivacom sedimentação tipo rifte para uma margem ativa com

Figura VI.1 – (a) Evolução tectônica do supercontinente Gondwana(modificado de Wit e Ransome, 1992). Blocos cratônicos doGondwana foram colados ao longo de cinturões móveis Pan-Gondwânicos durante o Pré-Cambriano superior (650 ± 100? Ma),quando o Gondwana era delimitado ao longo de suas margens nortee sul por zonas de subducção e acreção. (b) Riftes extensionais demargem passiva se formaram a norte e a sul do Gondwana durante oPaleozóico inferior. (c) A acreção tectônica ao longo da margem suldo Gondwana durante o Paleozóico superior levou à formação deuma extensa bacia de antepaís. (d) A orientação de vários sistemasde falhas é compatível com os falhamentos induzidos por estressedevido à acresção de terrenos ao longo da margem sul do Gondwana

Figure VI.1 – (a) Tectonic evolution of Gondwana (from de Wit andRansome, 1992). Cratonic blocks of Gondwana were welded along latePrecambrian Pan Gondwana mobile belts (650 ±100? Ma), at a timewhen Gondwana was surrounded along its Northern and Southern marginsby subduction and accretion zones. (b) Extensive rift continental shelfmargins developed along the Northern and Southern margins ofGondwana during the early Paleozoic. (c) The late Paleozoic accretiontectonics along the Southern margin led to the formation of extensiveforeland basin. (d)The orientation of the various fault systems iscompatible with stress induced failure due to terrane accretion alongthe Southern margin of Gondwana

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VI. Condicionamento do Magmatismo pós-Gondwana 339

de estresse pela deriva diferencial entre os continentes Sul-Americano e Africano. Movimentos dextrais de translaçãoleste–oeste ao longo de ambas as zonas de falhastransformantes levaram à formação de bacias semi-isoladasem estruturas extensionais que acomodaram a aberturadiferencial entre o Atlântico Central, o Atlântico Sul e o Platôdas Agulhas–Malvinas (Uchupi, 1989; Fouché, 1992).

Entre as zonas fraturas Equatorial e Agulhas–Malvinas apropagação da fase rifte das bacias sedimentares da margemcontinental brasileira teve sua propagação predominantementede sul para norte (Fig. VI.4). Nesta região, as margens mostramestruturas extensionais paralelas à costa e orientadasperpendicularmente às fraturas leste–oeste, com feiçõescontrastantes a norte e a sul da cadeia Rio Grande–Walvis. Aonorte, o estiramento da crosta continental e a formação debacias tipo rifte no Cretáceo Inferior levaram à subsidência

sedimentação tipo foreland ao longo da borda sul do Gondwanadurante a orogenia Herciniana (Fig. VI.1c). Nas áreascontinentais mais distais à compressão tal transição foiacompanhada de soerguimento generalizado e basculamentode blocos que antecedeu ou foi concomitante ao magmatismoMesozóico. A transição para o episódio subseqüente deextensão continental (que levou à abertura do Oceano Atlântico)foi diácrona nas várias partes do território brasileiro e, emvários lugares, superposta a extensos derrames basálticoscontinentais.

A margem Atlântica do território brasileiro consta de trêsambientes tectônicos maiores separados por duas zonas defratura oceânica. A zona de fratura Equatorial (incluindo aszonas de fratura São Paulo, Romanche e Chain, a oeste daRepública dos Camarões) e a zona de fratura Agulhas–Malvinas(Fig. VI.3) atuaram como os principais centros de dissipação

Figura VI.3 – Mapa topográfico e batimétrico com grid quadrado deca. 3 km, gerado a partir de dados derivados de satélite (Smith eSandwell, 1997). A zona de fratura Equatorial e a zona de fraturaAgulhas–Malvinas atuaram como os principais centros de dissipaçãode estresse pela deriva diferencial entre os continentes Sul-Americanoe Africano. Movimentos dextrais de translação leste-oeste ao longode ambas as zonas de falhas transformantes levaram à formação debacias semi-isoladas em estruturas extensionais que acomodaram aabertura diferencial entre o Atlântico Central, o Atlântico Sul e oPlatô das Agulhas–Malvinas

Figure VI.3 – Topographic and bathimetric map with a square grid of ca.3 km generated from satellite data (Smith and Sandwell, 1997). TheEquatorial and Agulhas–Malvinas fault zones were the main centers ofstress dissipation following differential drift of the South American andAfrican continents. Dextral translation movements along suchtransforming fault zones led to the formation of semi-isolated basinsalong extensional features that accommodated differential spreadingrates of the Central and South Atlantic oceans and the Agulhas–Malvinas Plateau

Parte II – Tectônica340

de uma ampla área abaixo do nível do mar, com extensadeposição de evaporitos, mas sem acresção significativa decrosta oceânica até o Aptiano. Já ao sul da cadeia, a produçãode assoalho oceânico começou ainda no Valanginiano.

No estágio pré-rifte, entre 200 e 180 Ma, o desenvol-vimento de cadeias vulcânicas paralelas a estruturas do tipográben, derrames basálticos e seqüências deposicionais foiacompanhado de intensa atividade tectono-termal com osoerguimento de grandes domos crustais (Asmus, 1981;Bristow e Saggerson, 1983; Dingle et al. 1983). No JurássicoMédio, simultaneamente à atividade alcalina e tholeiítica nodomínio da Província Paraná, houve extenso vulcanismocontinental bimodal na Patagônia e na África Setentrional.No Jurássico Superior, ainda antes do início da geração de

assoalho oceânico entre América do Sul e África, a atividadevulcânica reduziu-se na Patagônia e no Karoo e uma amplapeneplanização formou a superfície do Gondwana. Basaltoscontinentais interdigitados com sedimentos clásticos sinriftesugerem que, pelo menos até as latitudes 20o–25o Sul, aatenuação da litosfera ao longo da margem proto-Atlânticacomeçou ao mesmo tempo em que o evento basáltico SerraGeral (Austin e Uchupi, 1982; Fodor et al. 1983; Peate et al.1990).

A deriva que separou América do Sul, África e Antártica éobjeto de considerável controvérsia no que se refere a idades,cinemática da dispersão e definição da transição entre crostacontinental e oceânica. É provável que a separação entre oPlatô das Malvinas e o Banco das Agulhas se tenha iniciado

Figura VI.4 – Correlação crono-tectônica das bacias tipo rifte e demargem continental do Brasil

Figure VI.4 – Chrono-tectonic correlation of continental margin and riftbasins of Brazil

VI. Condicionamento do Magmatismo pós-Gondwana 341

entre 145 e 122 Ma (Martin e Hartnady, 1986; Van der Mervee Fouché, 1992) e que desde então rigidez torcional etranslação diferencial tenham promovido extensão crustal.

Uma vez iniciada a abertura ao longo do Platô das Malvinas,as estruturas de rifteamento se propagaram para o Norte aolongo de uma zona contínua de falhas até a cadeia de RioGrande–Walvis Ridge (Rabinowitz e LaBrecque, 1979; Uchupi,1989). Entre o Valanginiano e o Aptiano a atividade tectônicaao longo do proto-Atlântico foi acompanhada por basaltostholeiíticos continentais seguidos por riolitos e rochasintermediárias. Nas porções internas da Província Paraná asfissuras primordiais estão comumente cobertas por seuspróprios produtos eruptivos. Já nas bordas e em áreas queexperimentaram soerguimento (e.g. Arco de Ponta Grossa),tais estruturas estão marcadas por diques, sils, soleiras eampla suíte de intrusões alcalinas (e.g. Piccirilo et al. 1990).Presume-se que o foco do magmatismo tenha migrado paraNorte a uma velocidade de aproximadamente 30 cm/ano tantoao longo da zona fissural quanto do proto-Atlântico (Austin eUchupi, 1982).

A norte da cadeia de Rio Grande–Walvis Ridge, oestiramento crustal Cretáceo Inferior levou à formação debacias lacustres tipo rifte com extensos depósitos de sal evulcões basálticos menores. Nas bacias de Campos, Tucano,Jatobá e outras no nordeste brasileiro (Mohriak, este volume)e nas bacias da Namíbia, Kwanza, Congo e Gabão no OesteAfricano, a acresção de crosta oceânica só teve início noAptiano superior. A separação continental foi influenciada pormovimentação dextral superimposta a estruturas doembasamento pré-Cambriano, e a ruptura extensional dacadeia, com propagação do rifte para norte, permitiutransgressão marinha quase instantânea até o norte do Gabão.A deposição de seqüências carbonatadas marcou o início dafase pós-rifte de subsidência termal e transgressões marinhas.

Magmatismo Associado à AtivaçãoPlataformal e RifteamentoSul-Atlantiano no Brasil

O magmatismo meso-cenozóico no Brasil define um padrãocomplexo de variação composicional e cronológica e guardaestreita relação de causa e efeito com as inversões tectônicasmencionadas acima.

A distribuição areal e o padrão composicional domagmatismo guardam relação com o traçado de plumas manto-derivadas, com acresção vertical de materiais juvenis, e comepisódios de acresção lateral por subducção ou emconseqüência de delaminação.

Os traçados de plumas mantélicas e heterogeneidadesgeoquímicas correlacionáveis ao seu impacto sob a crosta

continental brasileira são aqui abordados em conjunto comevidências de processos de contaminação por subducção edelaminação de litosfera brasileira quando da reativaçãoplataformal e rifteamento sul-atlantiano no Brasil.

Plumas Mantélicas

As plumas de Trindade e Tristão da Cunha, hoje posicionadassob os arquipélagos homônimos no Atlântico Sul (Fig. VI.3),estiveram sob a plataforma sul-americana no Mesozóico(Morgan, 1983; O’Connor e Ducan, 1990). Os vulcanismos nasduas ilhas têm assinaturas geoquímicas fundamentalmentedistintas que estão também registradas nas rochas geradasao longo das trajetórias das plumas no continente. Um dosfatores discriminantes entre os vulcanismos derivados das duasplumas é a composição isotópica Sr-Pb, que indica que ovulcanismo derivado sob influência da pluma de Tristão daCunha tem assinatura tipo Dupal (Duprè e Allégre, 1983) e équimicamente distinto do vulcanismo não-Dupal gerado sob ainfluência da pluma de Trindade.

A Ilha Tristão da Cunha, no Atlântico Sul, onde resideatualmente o conduto da pluma homônima (Fig. VI.3), écomposta por uma série contínua de basanitos ankaramíticos,tefrifonolitos e fotolitos que se estende até o Alto do RioGrande (89 Ma). A composição isotópica das rochas é tipoDupal, sendo que elementos maiores e traço caracterizamdiferenciação associada à cristalização fracionada de fasesfenocrísticas das rochas (Le Roex et al. 1990).

No continente, o magmatismo tholeiítico do norte daProvíncia Paraná e complexos alcalinos intrudidos há cerca de130 Ma (e.g. Jacupiranga e Anitápolis) são também atribuídosà atividade da pluma de Tristão da Cunha. A composição dessesmagmas e, sobretudo, o padrão fracionado das terras rarassugerem sua geração a partir de um protólito granatífero(e.g. Mantovani et al. 1985). Os termos mais magnesianos,caracterizados também por menores concentrações de Fe2O3,Al2O3 e CaO, têm composições compatíveis com derivação aprofundidades entre 60 e 100 Km (Bizzi, 1994). As variaçõesinter-elementares dos basaltos ao norte da Bacia do Paranápodem ser modeladas por cristalização fracionada de olivinae orto-piroxênio e, a níveis mais rasos, plagioclásio (Bellieniet al. 1984). As composições dos elementos incompatíveis,entretanto, não são consistentes com processos de cristalizaçãofracionada, mesmo que assimilação ou graus variáveis de fusãoparcial estejam envolvidos (Cox, 1983; Mantovani et al. 1985).A possibilidade de contaminação crustal foi investigada porvários autores (e.g. Piccirillo e Melfi, 1988; Peate et al. 1990)e concluiu-se que evidências de contaminação em níveissignificativos estão ausentes.

Ao norte da Província Paraná, rochas tipo Dupal na Provín-cia do Alto Paranaíba foram investigadas por Bizzi et al. (1993