Occurrence of maar-diatreme volcanoes

GeoLines 

15 (2003)

78

GeoLines 

15 (2003)

79

The  Cretaceous  to  Tertiary  Kimberlite  Pipes  in  the  NW 

Territories, Canada, formed to a large extent in an area where 

the  crystalline  basement  rocks  were  overlain  by  Cretaceous 

to Lower Tertiary mudstones, sediments from the Western In-

terior Seaway and its lacustrine successor (Graham et al. 1998, 

Nassichuk and Dyck 1998), the youngest mudstones of which 

were probably still in an unconsolidated water-saturated state 

during  volcanic  activity.  Likewise  the  Pliocene  nephelinitic 

Hopi Buttes in Arizona formed in an area where the sediments 

of Mio-Pleistocene Bidahochi Formation, partly deposited syn-

eruptively,  consisted  of  unconsolidated  water-saturated  mud-

rocks (White 1991, 2000) and were underlain by Triassic sand-

stones and crystalline basement. Again the activity at the many 

vents  started  phreatomagmatically,  producing  maar-diatreme 

volcanoes, and then terminated when magma intruded the dia-

tremes and rose into the maar craters (White 1991, 2000).

In  these  volcanic  fields  in  the  Northwest  Territories  and 

in Arizona the unconsolidated water-saturated muds overlying 

the jointed hard rocks may have become liquefied during syn-

volcanic earthquakes and explosive volcanism releasing water 

to interact with the rising magma.

Soft  rocks  interbedded  with  hard  rocks. Another  com-

bined hard-rock – soft-rock environment is formed when joint-

ed lava flows or sills of synsedimentary volcanic activity are 

interbedded  with  unconsolidated  water-saturated  sediments. 

Examples of this environment are the Carboniferous-Permian 

Saar-Nahe Basin in southwest Germany and the Carboniferous 

Midland  Valley  in  Great  Britain. As  it  has  been  pointed  out 

above,  the  unconsolidated  sediments  penetrated  by  the  maar-

diatreme volcanoes appear in the form of individual minerals 

and  individual  pebbles. The  interbedded  hard  rocks,  i.e.,  the 

volcanics of the interbedded lava flows and sills, occur in the 

pyroclastic rocks of the maar-diatreme tephra as volcanic rock 

clasts, i.e. accidental lapilli and blocks.

When the diatreme fill and proximal or distal maar tephra 

of old volcanic fields contain only the individual minerals and 

pebbles from the neighbouring sediments, it may be argued that 

the  explosive  activity  caused  complete  disintegration  of  the 

possibly indurated sediments into their mineral and rock clast 

components.  Judging  from  the  situation  in  clear-cut  synerup-

tive hard-rock environments, where rock clasts are always in-

corporated in the pyroclastic deposits, and from impact craters 

in hard-rock environments where rock clasts also always occur 

in the ejecta rim, no explosion reduces hard rocks to their indi-

vidual constituents.

Environments  with  normal  and  highly  permeable 

aquifers

Normal aquifers. With respect to their hydraulic productivity, 

both the hard-rock and soft-rock environments are frequently 

more or less normal aquifers: here, normal groundwater condi-

tions are considered to exist when a well test would result in 

fast or slow formation of a cone of depression of the ground-

water  table.  Under  such  normal  groundwater  conditions,  a 

maar-diatreme volcano can form because only under these con-

ditions does downward penetration of root zones seem possible 

(Lorenz 1985, 1986, 1998).

Highly  permeable  aquifers.  In  contrast,  both  types  of 

aquifers can be very highly permeable, e.g., in coastal environ-

ments where intensively jointed basalt lava flows, coral reefs, 

or former karstic limestones may be penetrated by the seawater, 

such  as  on  Oahu  where  near-coastal  rise  of  magma  through 

such highly permeable hard rocks gave rise to the tuff-rings and 

tuff-cones of the Honolulu series. Two tuff rings of Hverfjell 

and Ludent occur in a similar but non-marine environment of 

intensively  jointed  basaltic  lava  flows  close  to  Lake  Myvatn 

(Lorenz 1986). Highly permeable gravel deposits occur along 

many  rivers.  Examples  of  such  highly  permeable  water-satu-

rated gravel beds are the tuff rings of the Menan Buttes at the 

Snake  River,  Idaho  (Hamilton  and  Myer  1963,  Lorenz  et  al. 

1970, Lorenz 1985, 1986), and many tuff rings along the riv-

ers in central Iceland. The rise of magma into such water-rich 

soft-rock environment also leads to the formation of tuff-rings 

which ideally contain only a few percent of clasts of country 

rock.  The  highly  permeable  and  water-rich  environments  do 

not allow a pronounced downward penetration of the root zone. 

These phreatomagmatic volcanoes therefore lack a pronounced 

diatreme formation by repeated collapse into a downward pen-

etrating root zone with a pronounced subsidence crater. A maar 

crater does not form in this kind of environment but instead 

a tephra  ring  or  a  tephra  cone  develop,  surrounding  a  wide 

or small crater above general ground overlying possibly only 

a small  diatreme,  i.e.,  the  so-called  tuff  rings  and  tuff  cones. 

Even  more  external  water  is  available  in  lacustrine  and  shal-

low marine environments. A typical example is Surtsey Island 

which  formed  off  the  coast  of  southern  Iceland  in  the  North 

Atlantic  where  the  sea  floor  was  lying  at  a  depth  of  130 m 

(Thorarinsson et al. 1964). These water-rich environments lead 

to  formation  of  more  wet  or  moist  deposits  than  in  ordinary 

maar-diatreme environments, i.e., more vesiculated tuffs  and 

accretionary lapilli are formed (Lorenz 1974).

Diagenesis  of  diatreme  fill  in  hard-rock  and  soft-

rock environments

After the eruptions of a maar-diatreme volcano have ended, the 

permeable clastic diatreme fill becomes water-saturated and, as 

indicated above, the crater will also fill with water up to the 

level  of  the  local  or  regional  groundwater.  Then,  diagenesis 

starts being enabled by the large surface area of the clastic dia-

treme fill of many clasts of country rock, of unstable glass and 

high-temperature mineral association of the juvenile clasts.

Diagenesis of diatreme fill in hard-rock environment. In 

hard-rock environments, the diatreme, up to 2–2.5 km deep and 

of  respective  diameter,  represents  a  huge  volume,  emplaced 

within weeks to years in the consolidated hard rocks but itself 

consisting of this highly unstable mixture, will undergo an ex-

tended diagenetic process chain including hydration, compac-

tion and water escape. Thus for an extended period of time the 

diatreme  fill  will  go  through  these  diagenetic  processes  and, 

because of its conical shape, the fill will subside differentially. 

Marginal intra-diatreme rocks such as tephra beds will obtain 

steep  inward  dips,  and  internal  differential  faulting  will  also 

---