Introduction and geological setting

The Bamenda Mountains belong to the main part of the Cameroon Volcanic Line and are located between the Bambouto Mountains to the southwest and the Oku massif to the northeast (Fig. 1). Important volumes of felsic lavas have been recognized [4]. New geochronological K–Ar data will be used to discuss the age of this volcanism in the more general context of the Volcanic Line. Petrological and geochemical data are used to study the origin of the felsic magmas and the role played by the crustal rocks in their genesis and evolution.

Petrography and mineralogy

The felsic lavas of the Bamenda Mountains are mainly represented by trachytes, with less abundant benmoreites and alkaline to peralkaline rhyolites ([7]; Fig. 2).

Geochronology

Geochemistry and discussion

Major element data from the felsic rocks are compatible with an evolution of the magmas by a fractional crystallization process. A decrease in TiO₂, Al₂O₃ and P₂O₅ content is well correlated with the increase in the SiO₂ content (Fig. 3). The trace element data confirm this observation and show that the youngest samples (from 12 to 13 Ma old) are very similar to the older rocks (Fig. 4).

Isotopic data can be used to evaluate the involvement of crustal material during magma evolution. Unfortunately, very high Rb/Sr ratios from samples with no precise age determination preclude the use of Sr isotopic ratios. However, initial Nd isotopic results are well correlated with the SiO₂ content (Fig. 5) of the studied rocks and confirm that crustal contamination occurred during the differentiation of the magmas.

Conclusion

Les monts Bamenda, situés entre Santa et Sabga (Fig. 1), constituent l’un des massifs volcaniques les plus importants de la partie continentale de la ligne du Cameroun. Ils restent cependant peu connus, malgré leur position intermédiaire entre les monts Bambouto, au sud-ouest, et le massif d’Oku, au nord-est [8]. Les premiers travaux de reconnaissance [4] indiquent la présence d’importants volumes de laves basiques et felsiques, ainsi que l’existence de deux épisodes d’ignimbrites rhyolitiques séparés par des laves trachytiques. Le tout repose sur un socle granitique panafricain. De nouvelles données géochronologiques vont être utilisées pour replacer ces épisodes volcaniques dans le contexte du volcanisme de la ligne du Cameroun, tandis que les données pétrologiques et géochimiques seront discutées afin de déterminer l’origine des magmas acides et le rôle joué par la croûte continentale durant leur formation et leur évolution.

Le diagramme Na₂O + K₂O vs. SiO₂ ([7] ; Fig. 2) montre que les laves étudiées sont, pour l’essentiel, des trachytes (SiO₂ = 60,10–68,73 % et Na₂O + K₂O = 8,66–11,78 %), avec quelques benmoréites moins riches en silice (SiO₂ = 56,52–59,45 % et Na₂O + K₂O = 9,32–9,89 %) et quelques rhyolites, dont certaines très riches en silice (SiO₂ = 70,35–77,20 % et Na₂O + K₂O = 7,27–10,56 %).

Les benmoréites sont presque aphyriques (rares microphénocristaux de sanidine et d’opaques). La mésostase contient des microlites de sanidine, du clinopyroxène vert clair, des opaques et, parfois, du zircon.

Les trachytes sont, soit aphyriques (pourcentage de phénocristaux ≤5 %), soit porphyriques (pourcentage de phénocristaux >5 %). Les phénocristaux sont surtout de la sanidine, mais on note également du clinopyroxène vert et des minéraux opaques et, dans certains échantillons, de l’olivine. La mésostase est essentiellement constituée de feldspath alcalin et de clinopyroxène vert clair. L’amphibole, en petites plages à cœur brunâtre et à bordure vert bleuté à bleu, et l’ænigmatite, sous forme de grains pléochroïques opaques à lie-de-vin, caractérisent les variétés hyperalcalines. La mésostase contient aussi des opaques et, parfois, du zircon.

Comme les trachytes, les rhyolites comportent des variétés aphyriques et porphyriques. Les phénocristaux sont représentés par des feldspaths alcalins et du quartz. On note des microphénocristaux d’opaques. La mésostase montre un fond quartzo-feldspathique contenant de l’amphibole bleue, du clinopyroxène vert et de l’ænigmatite dans les variétés hyperalcalines.

Les principales phases minérales des laves felsiques des monts Bamenda ont été analysées à la microsonde électronique Camebax à l’université Nancy-1.

La composition des clinopyroxènes des benmoréites évolue de l’hédenbergite (Wo₄₆En₁₃Fs₄₁) à la ferrohédenbergite (Wo₃₇En₃Fs₆₀). Les clinopyroxènes des trachytes alcalins sont proches du diopside (Wo_42–45En_25–26Fs_30–33), tandis que ceux des trachytes hyperalcalins varient du diopside (Wo₄₃En₂₅Fs₃₂) à l’ægyrine (Wo₃₇En₆Fs₅₇). Les clinopyroxènes des laves felsiques étudiées montrent ainsi une grande gamme de composition, des pyroxènes riches en diopside aux pyroxènes riches en ægyrine. L’augite ægyrinique et l’ægyrine ont des teneurs en Na, Fe³⁺ et Ti qui augmentent avec la diminution de Ca et de Mg. Ces clinopyroxènes ont des teneurs en Si élevées (1,92–1,99 a.f.u.) et sont ainsi semblables à ceux des trachytes à néphéline et à quartz normatifs des monts Bambouto (1,94–1,96 et 1,93–1,99 a.f.u., respectivement) [15].

La richtérite et l’arfvedsonite sont les amphiboles caractéristiques des laves felsiques hyperalcalines étudiées. Dans la richtérite, les teneurs en MgO (0,4–5,7 %), TiO₂ (2,7–5,7 %) et CaO (1,1–4,7 %) sont plus élevées que dans l’arfvedsonite (0,03–1,1 % ; 0,1–2 % et 1–2,9 % respectivement). En revanche, les teneurs en FeO (31–34 %) et la somme des alcalins (8–9,7 %) sont plus élevées dans l’arfvedsonite que dans la richtérite (7,5–9,3 % et 27,4–30,9 % respectivement). L’évolution de la richtérite à l’arfvedsonite implique surtout des substitutions sous des conditions réductrices, selon l’équation Al^IVCa ↔ Si(Na,K). Une telle évolution a déjà été décrite dans les laves felsiques hyperalcalines du plateau Kapsiki [11,12].

Les ænigmatites ont de faibles teneurs en MnO et des teneurs élevées en TiO₂ (1,1–1,9 % et 6,6–8,6 % respectivement). Leurs teneurs en CaO (0,07–0,4 %) et en Al₂O₃ (0,05–0,4 %) sont plus faibles que celles des ænigmatites des laves felsiques hyperalcalines de la vallée de la Bénoué (0,1–0,5 % et 0,5–1,7 %, respectivement [13]). Ces faibles teneurs en Ca et Al indiquent une faible température [6] lors de la cristallisation.

L’olivine des trachytes alcalins des monts Bamenda est riche en MnO (3,4–3,5 %) et en FeO (Fo_26–29).

La titanomagnétite (MnO = 0,7–2 % et TiO₂ = 18,6–27,7 %) est plus pauvre en Cr₂O₃ (≤0,08 %) que celles des laves felsiques du plateau Kapsiki (16 % de Cr₂O₃ [13]). L’enrichissement relatif en Ti des oxydes Fe–Ti étudiés reflète l’abondance relative de TiO₂ de la roche hôte.

Les feldspaths des benmoréites évoluent de l’anorthose (An₁₄Ab₆₉Or₁₇) à la sanidine (An₂Ab₅₅Or₄₃). Les phénocristaux et les microlites des feldspaths des trachytes alcalins et hyperalcalins sont, soit des albites (Ab₁₀₀), soit des orthoses (Or > 90 %), avec quelques compositions intermédiaires (Ab₇₀Or₃₀).

Des données géochronologiques K–Ar ont été acquises sur roches totales ou, pour deux échantillons, sur sanidine pour différents trachytes de la région de Bamenda, et sont présentées dans le Tableau 1. Les analyses ont été effectuées au laboratoire du CRPG de Nancy [17] ou à l’université de Queensland, en Australie. Les âges obtenus montrent une répartition en deux épisodes distincts, un épisode centré sur 21 Ma, avec des âges variant de 18,7 à 22,2 Ma, et un épisode plus jeune, avec un âge à 12,7 et un autre à 13,2 Ma. Les âges proches de 20 Ma sont en bon accord avec les données obtenues sur les roches des provinces magmatiques voisines des monts Oku et Bambouto [8,9]. Les deux âges significativement plus jeunes ont été obtenus sur des sanidines de deux trachytes. Les phénocristaux de ces roches apparaissent très frais en lame mince, et sont exempts d’inclusions. Il paraît donc difficile d’attribuer ces âges jeunes à une perte d’argon dans ces minéraux. De plus, les âges obtenus correspondent à un épisode magmatique reconnu dans les monts Bambouto, avec des âges proches de 15 Ma [8]. On peut donc considérer que ces âges représentent un épisode tardif de l’activité magmatique dans cette région. L’âge de 27,4 Ma est plus difficile à interpréter et, en l’absence d’autres données similaires dans la région, il est sans doute prématuré de conclure à un autre épisode volcanique plus précoce. Cet âge plus ancien pourrait correspondre à un excès d’argon, et donc à un âge sans signification géologique. Cette donnée devra donc être confirmée par l’obtention d’autres âges similaires dans cette province volcanique.

Ces données, ainsi que leur répartition bimodale dans le temps, sont en accord avec l’absence d’un modèle simple de progression dans le temps de l’activité volcanique le long de la ligne du Cameroun, comme cela a déjà été souligné dans d’autres études [9,10].

Les analyses d’éléments majeurs et d’éléments traces sur roches totales ont été obtenues par ICP–AES et ICP–MS au laboratoire du CRPG de Nancy. Les analyses isotopiques de Sr et Nd ont été obtenues par thermo-ionisation au laboratoire « Magmas et volcans » de Clermont-Ferrand.

Les données en éléments majeurs des roches felsiques des monts Bamenda sont compatibles avec une évolution des magmas par cristallisation fractionnée. L’augmentation de la teneur en SiO₂ est fortement corrélée avec une diminution des concentrations en TiO₂, CaO et P₂O₅, tandis que K₂O augmente dans les échantillons intermédiaires (Fig. 3), avant de diminuer dans les échantillons les plus riches en SiO₂, traduisant ainsi le fractionnement du feldspath potassique en fin d’évolution. Il est important de noter que les échantillons les plus jeunes (groupe entre 12 et 13 Ma) ne se distinguent pas de la majorité des échantillons plus anciens. Cette observation est confirmée par les données en éléments traces qui montrent (Fig. 4), pour les éléments incompatibles tels que Th, Rb, Zr ou Hf, une seule droite d’évolution. Cela confirme, d’une part, que les échantillons sont bien liés entre eux par un processus de cristallisation fractionnée et d’autre part, que les magmas de départ de ces deux groupes de roches d’âges différents sont très proches chimiquement. Cela semble indiquer que les processus de genèse des magmas dans cette région sont restés similaires au cours du temps.

Les données isotopiques peuvent être utilisées pour évaluer l’importance des phénomènes de contamination des magmas par les roches de la croûte continentale lors des processus de cristallisation fractionnée. Cependant, les rapports isotopiques mesurés doivent être corrigés de la désintégration radioactive depuis la mise en place des magmas à la surface. Les rapports Rb/Sr des échantillons analysés sont très variables et peuvent atteindre des valeurs très élevées, supérieures à 80. La correction de désintégration avec de tels rapports est donc très importante et nécessite une connaissance précise de l’âge des échantillons. L’âge de nombre de roches n’étant pas connu avec la précision requise, les compositions isotopiques en Sr ne peuvent pas être utilisées de manière fiable dans cette étude. Les rapports Sm/Nd étant beaucoup moins variables, et la période de désintégration du ¹⁴⁷Sm beaucoup plus longue que celle du ⁸⁷Rb, la correction de désintégration pour les rapports isotopiques du Nd est moins importante et peut être effectuée pour un groupe de roches âgées de 13 Ma et un autre dans lequel l’âge considéré est de 21 Ma, s’il n’a pas été déterminé par la méthode K–Ar. Pour les raisons discutées précédemment, seules les données isotopiques du Nd seront prises en considération dans la suite de la discussion.

Le rapport initial ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd des roches étudiées varie entre 0,51245 et 0,51277. Ce rapport est fortement corrélé avec la teneur en SiO₂ des échantillons (Fig. 5). Cette corrélation est aussi observée, pour des valeurs de ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd et de SiO₂ similaires, dans les roches acides de la région de Bambouto, au sud-ouest des monts Bamenda [8], ainsi que dans les roches de la vallée de la Bénoué, plus au nord [13]. Cette caractéristique semble bien indiquer l’intervention significative d’un composant crustal dans la genèse des roches acides de l’ensemble de cette région.

Deux hypothèses ont été proposées pour expliquer l’origine des laves felsiques, surtout celles qui évoluent vers les liquides hyperalcalins. L’une suggère la cristallisation fractionnée à partir de magmas basaltiques transitionnels, avec éventuellement la superposition de phénomènes de contamination crustale [3,5,14]. L’autre suggère que les laves felsiques hyperalcalines et les basaltes associés représentent deux liquides génétiquement indépendants, les basaltes provenant du manteau et les liquides felsiques étant engendrés dans la croûte par fusion, soit de la croûte ancienne, soit des basaltes récents sous-jacents [1,2].

Plusieurs arguments peuvent être avancés dans le cas des laves acides des monts Bamenda pour plaider en faveur de la première hypothèse, c’est-à-dire une genèse des roches acides par cristallisation fractionnée à partir de magmas basiques. Dans le diagramme Zr vs. Rb (Fig. 4), les échantillons des monts Bamenda se reportent sur la même ligne que les échantillons basiques et acides des monts Bambouto [8], donc dérivent des mêmes magmas basiques de départ. Seuls les échantillons les plus riches en Zr (notamment les rhyolites) échappent à cette tendance et voient leur composition se rapprocher de celle des granites de la région. Même si cette composition n’est pas forcément représentative de celle du contaminant, cette observation conforte l’hypothèse de la contamination crustale de ces magmas. Cette composition crustale [8] est riche en Rb (225 ppm) pour une teneur intermédiaire en Zr (623 ppm). La corrélation négative observée entre le rapport ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd et le rapport Th/Nb (non montré) est en accord avec l’assimilation d’un composant pauvre en Nb, typique des compositions de la croûte continentale. À l’opposé, la corrélation positive (non montrée) entre le rapport ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd et le rapport Eu/Eu*, marqueur de la cristallisation fractionnée, et notamment du fractionnement de plagioclase, montre que la cristallisation fractionnée a joué un rôle très important dans l’évolution de ces magmas. La combinaison de ces observations est donc en bon accord avec l’hypothèse de la genèse de ces magmas acides par cristallisation fractionnée et assimilation de roches crustales (processus d’AFC). Ce processus ne peut pas être modélisé, car la composition chimique et isotopique du contaminant crustal n’est pas connue avec précision et les compositions moyennes de la croûte continentale supérieure ou inférieure [16] sont trop pauvres en éléments incompatibles pour représenter un contaminant potentiel (Fig. 4).

Les laves felsiques des monts Bamenda sont constituées de benmoréites et de trachytes et rhyolites alcalins à hyperalcalins. Ces roches ont été mises en place lors de deux épisodes volcaniques distincts, l’un centré autour de 21 Ma, l’autre autour de 13 Ma. Ces âges sont tout à fait cohérents avec les âges des roches volcaniques des provinces voisines. Les compositions en éléments majeurs et traces des différentes roches montrent une évolution, depuis les termes les moins différenciés jusqu’aux roches les plus différenciées, par un processus de cristallisation fractionnée faisant intervenir la cristallisation de minéraux ferromagnésiens, d’apatite, de plagioclase et de feldspath en fin d’évolution. La corrélation entre certains indices de différenciation par cristallisation fractionnée (SiO₂, Eu/Eu*) et le rapport isotopique du néodyme des roches étudiées implique la contamination de ces magmas par les roches de la croûte continentale pendant leur différenciation. Dans l’ensemble, ces données sont en accord avec l’absence d’une évolution dans le temps de la localisation du volcanisme le long de la ligne du Cameroun, et montrent un mécanisme identique de genèse des roches acides au cours du temps et pour les différentes provinces volcaniques adjacentes (Bamenda, Oku et Bambouto).