in the Setogawa Group，Shizuoka，CentralJapan

静岡大学地球科学研究報告 20（1994年3月）167頁〜173頁

Geosci．Repts．Shizuoka Univリ20（Mar．，1994），167−173

StableisotopIC Studies on the orlgJn Of magnesite deposits in the Setogawa Group，Shizuoka，CentralJapan

HidekiWADAl，Fumio OHASHI2，and Kantaro FUJIOKA3

Abstract Massive magnesite depositsin the Setogawa Groupin Shizuoka were formed by an extensive carbonation of serpentinitein an ancient accretionary prlSm．Stableiso−

topICinvestigations ofthe orlgln Of massive magnesite deposits revealed that a homogene−

OuS deep−Seated magmatic carbonmiⅩlng With marinelimestones may bethe main source

Of the carbon．Many calcite and dolomite veins occurin the serpentines，basaltic and Peliticrocksandbaseduponcarbonandoxygenisotopesaresupposedtobeofsimilarori−

glntO Carbonateveins foundinmodernserpentinediaplrS OftheIzu−BoninandMarianais−

land arc．In contrast，maSSive magnesite deposits were formed during the subduction of an active voIcano and／or an active ridge，With circulation of magmatic carbon providing

the carbon source fortheserpentinediaplrS．

Keywords：Carbon and oxygenisotopes，magneSite，SerPentinite，Setogawa Group

JNTRODUCT10N

Magnesite depositsin the Setogawa group，

Shizuoka Prefecture，CentralJapan，arelocated

Within ultramafic bodies occurrlng along the Sasaya望ateCtOnicline（Fig・1）・ Magnesitede−

POSit 1S a term aPPliedin this paper to rocks

formed as a result of alteration of serpentinite or

mafic rocks by CO2−bearlngfluid．Itis composed PrlnCIPally of magnesite，talc and silicaminerals SuCh as quartz and chalcedony．Kimitake−ZaWa and Ohtake magnesite deposits are found aslarge monomineralic deposits in the Setogawa SerPentinite sequences which are bounded on the WeSt by the Mesozoic Mikura Formation ofthe ShimaqtoTerrain（Sugiyama＆Shimokawa1981）・

GeologlCal，rmneraloglCal and petrologlCal studies Of these deposits were reported by Sameshima

（1970ms），Takasawa＆Kuroda（1974）and Ohashi

（1982）．

Carbon and oxygenisotoplC ratios of the magnesite and other carbonates provide an exce1−

1ent tool for determinlng the orlgln Of the car−

bonic speciesinthe oreformlngfluid and estimat−

lng the formation temperature of these carbonate

mineraldeposits．Morteanietal．（1983），Jedrysek

＆ Halas（1990），and Fallick et al．（1991）dis−

167

CuSSed the orlgln Of such magnesite depositsin Various settlngS．However，they did not refer to the magnesite deposits which were formed by re−

Placement of serpentine bodies by hydrothermal fluid such as from the subduction slab at conver−

gentplate boundaries．

Recently a new type of modern serpentine diaplr WaS discoveredin the Mariana andIzu−

Bonin arc system（Fryer1992；Fujioka et al．

1993）・Althoughthe nature of such serpentine

diaplrSremainsunClear，theserpentinitesinthean−

Cient accretionary prlSm Of the Setogawa and Sanbagawa terrains，Japan，Were SuSPeCted to have formedin the same manner as these modern serpentine diaplrS．Sameshima（1970ms）pointed Outthat serpentinites occurin Mineoka at Chiba Prefecture and Miura Peninsulain Kanagawa Prefecture as wellas the Setogawa Group．These SerPentinite complexes of the Oligocene−Miocene

make a circum一Izu serpentinite zone and are

thoughttoreflectafossiltranscurrentplatebound−

ary（Arai，thisvolume）．

The purpose of the present studyis to clarify the orlgln Of the magnesite depositin the

topicanalyses．AIsowediscusstherelationshipbe−

tween modern serpentinite diaplrS and ancient car−

1Institute of Geosciences，Shizuoka University8360ya，Shizuoka，422Japan．

2Department of Earth Sciences，Nagoya University Chikusa，Nagoya，464Japan．

Present address：Asahi Baptist Church，Owari−Asahi City，Nagoya，465Japan．

3Japan Marine Science and Technology Center，Yokosuka，237Japan．

168 H・Wada，F．Ohashi＆K．Fujioka

Fig・1Locality map of the Kimitake−ZaWa magnenSite deposits and other serpentinites occurrlngin the

Setogawa Group，Shizuoka Prefecture，CentralJapan．

Stableisotopic studies ofmagnesite deposits

15 20  25

5■00 訊砥晰

●   C alcite in lim estone d   C alcite in spilitic l）aSalt

▲  C alcite in serpentine−Calcite rock

×  C alcite in rodingite elc・

O   M agtleSite ill nlagneSile dcposiL 口   D ol（1111ite in Im glleSite JelW Sil

△   C alcile in m aglleSiLe deposiLe

30

169

Fig．2 Carbon and oxygenisotopic ratios of magnesite，dolomite，and calcite collectedin and around theKimitake−ZaWa magnesite depositsin the Setogawa Group，Shizuoka Prefecture，CentralJapan．

bonated serpentinite rocksin accretionary prlSmS．

GEOLOGY AND MJNERALOGY OF MAGNESJTE DEPOSITS OF THE SETOGAWA GROUP

The Kimitake−ZaWa magneSite deposit outcrops in theupperpartoftheKimitake−ZaWa river（Fig．

1）．The carbonated serpentinites are always ori−

ented subparallel to the strike of the other mem−

bers of the deposits，Whichinclude tectonic

breccia，black shale and tuffaceous beds that are also extensively carbonated．  Intense

Carbonatizationoftheserocksis especially promi−

nentin an area that has been subjected to wide−

spread faulting，Where entire fracture zone attains

a maximumthickness of more than170m．

Three main types of magnesite deposits can be distinguishedin the carbonated serpentinites：1）

serpentine−magneSite，2）talc−magneSite，and 3）

quartz−magneSite．The serpentine−magneSite occurS mostly as brownish−yellow colored massive bodies

surrounded byfaults．Som占′of the serpentineap−

PearS tO be bleached，andin thin section this

lighter colourationis observed to result from the

presence of magnesite． Especiallyin quartz−

magnesite rock，bright green filmy veins are ob−

served whichis described as Ni−bearlng fuchsite byTakasawa＆Kuroda（1974），Ohashi（1982）re−

ported that serpentinite may be derived from harzburglte retainlng a pOrPhyritic appearance re−

sulting from the selective replacement of the bastitic pseudomorph after orthopyroxenein the mesh serpentine crystals． The talc−magneSite rocks are generally restricted to narrow zones at themarglnS Of quartz−magneSite bodies，formlng a transitional zone between the serpentine− andthe quartz−PlagneSiterocks（Ohashi1982）・Thequartz−

magneslte rOCk varies widelyin appearance・

Carbonate−rich parts resemble fine−grained marble，

withirregular fractures．The quartz−rich rocks are chert−like；they are hard And display smooth conchoidal fracture．

As pointedoutby Ohashi（1982），thesethree

types of magnesite deposits each have their own

distinctive chemical characteristics． For the

serpentine一magneSiterocks，magneSitehasaconsid−

erablyhigherandnarrowerrangeofMg＃of92−

96jMg／（Mg＋Fe）ratioln magneSitei than the other two．In quartz−magneSite rocks，magneSites

170 H．Wada，F．Ohashi＆K．Fujioka

Tablel Sample descriptlOnS and carbon．and oxYgenisotopic values of massive magnesite，dolomite and calcite of the Kimitake−ZaWa ma甲leSite deposits・Abbrevlationsln table are as follows：Chl‥Chlorite；Chrm：Chromite；dol：dolomite；ill：

illite；mag：magneSlte；qtZ：quartZ．

S封n ple N o．C血 nate

SOurCe rOCk m 毎Or

∂13C （P D B ） ∂180 （SM O W ）

m inem logy COnStituents CO汀eCt∝l

708併 鋸 m agnesite Seq 妃n血 ite m ；唱−Se叩． −4 ．∝） 20 ．47 7080403 m agnesite 光Ⅰ光ndnite m ag一也Ic−紀叩 −3．06 19 ．66

708糾 03 m agnesite m onom ine花山c

vein −2 ．29 2 1．09

708糾0 3 m agnesite Seq 即 血 ite m ag−doトtd c一別汀p −3．63 19．4

7091503 m agnesite SeI光n血 血 m ag一也Ic −2．33 20．46

709130 1 m agnesite Se咋稔れ血 ite m agd olq 比 −2．帖 19．68 7012 158血 m agnesite 父e 光n血 ite m ag−dolo−qtZ −1．95 20．83 709 150 1 dolom ite Chrom i山e m ag−dol−qtZ−Chrm      −2．26 2 1．7 3 71328aob dolom ite Se畔 nd n血 m ag−dolq 鱒 −2．72 2 1．11 70 12 15ch Cd Cite Chm m i山e ■ C山一Se p ・Chm −5．47 19 ．3 1 70 12 15ya m agnesite baSic rock ・ m agd oトqtz−Chl −2．84 20 ．58 7（姫13n（痛 dolom ite ba5ic 山仔 m ag−d olq は−Chl 4 ．（河 18．54 7（拓13n（痛 dolom ik m ohom ineralic

ve血l

−3．5 1 18 ．05 7 18 1∝甘 dolom ite b asic 山仔 m ag−do】叫は−Chl −13．03 17 ．93 7 181∝拘 dolom ite basic m 仔 m onom ineral ic

Veh

0．22 16．6 8 7鵬 12 10 dolom ite basic 山仔 m ag−dol−qtZ−Chl −4．37 18．59 7（姫1305 dolom ite basic fu ff m ag −dol−qtZ−Chl −1．13 20．2 70 8鋸 p4 dolom ite Shale m ag−doトqtz一山 −2．94 18．4 2 7180303d 厄0lom ite tshale ！m ag−dol−qtZ−ill ！ ■血 「 16．84

mostly showed alow Mg＃ of85−89．The talc一

magnesite rockisintermediatein Mg＃betwepn

the serpentine−magneSite and quartz−magneSlte rocks．

The tectonic breccia， black shale and

tuffaceous beds are variably carbonated．Most of

thecarbonated shales containtwotypes ofcarbon−

ates，ferroanmagnesiteand dolomite．The carbon−

ated basic tuffis variablein texture and often Showsmanysmallvugsfilledwithcalciteandchlo−

rite．Fine grained dolomite and magnesian calcite

in basic tuff，fillthe smaller cavities and form an encrustationin the vugs．Calcites from rodinglte，

Serpentine or basaltic rocks are also vein type．

EXPERIMENTS

For the stableisotopic analyses，Calcite and dolomite were monominerally separated and re−

acted with conc−Phosphoric acid at25℃in vacuo．

We employed．the correction factor for the oxygen in carbonate mineralsin this reaction by Hoefs

（1987），Which was originally based on that of Sharma＆Clayton（1964）．Magnesite hardly re−

actedwith conc−Phosphoricacidat25℃，therefore，

Weused an elevated temperatureof90℃．We em−

Ployed the temperature fractionation factors of

Nagai ＆ Wada Kusakabe（1977）．

Were rePreSented

PDB and SMOW

SPeCtrOmeterused

（1993）based on Cornides ＆ The 813C and ∂180 values by conventiona16−nOtationin SCales，reSPeCtively．The mass was a Varian Mat CH−7 at the

Department ofEarthSciences，Nagoya Universlty．

lSOTOPIC RESULTS

IsotopIC reSults were shownin Tablel and Fig．1．Five magnesite analyses from the quartz−

rnagnesite rock plotin a small range on the car−

bon and oxygen diagram． Magnesite analyses

from the serpentine−magneSite and talc一magneSite

rocks also plotina similarrange．Three calcites

COllected fromlimestonesin the Setogawa Group havearangeofcarbonandoxygenisotopiccompo−

Sition typical of marinelimestone（Hoefs1987）．

0ther dolomites and calcites analyzed from vari−

ous carbonated rocks around the Kimitake−ZaWa Plotin a wide range，With 813C values from ＋1 t0−22，and∂180values from＋12to十21．

DISCUSSrONS

In the Kimitake−ZaWa magneSite deposits，Car−

bonatemineralogylnSerPentine−，talc−andquartz−

bearlng rOCksis monomineralic． According to

StableisotoplC Studies ofmagnesite deposits 171

Table2 Sample description and carbon早nd oxygenisotopIC Values of calcites which filledin veins andin the fractures around the Ximitake−ZaWa magneSite deposltS，Setogawa Group．

Sam ple N o ．D escn pt10nS ∂13C （P D B ）．∂180 （SM O Ⅵリ 707130 1a am ygdal oidal Cal cite in cam pton ite l   −1 5 ．8 7 1 9 ．8 0 69nd 氾3 am ygdal oidalcal cite in al kal ibasalt −1 5 ．8 4 1 8 ．5 0 7071503 am ygdal oidal Cal cite in al k alibasal t −1 1 ．0 9 1 4 ．9 7 69no58 lcal careous tuff −1 5 ．4 4 1 7 ．7 6 691101tb k d c餌℃OuS m 仔 −1 3 ．2 8 1 5 ．8 7 7 152702 SeCOndary cal cite in altered basal t −0 ．9 1 1 9 ．6 5 707175 10m interstidal calcite in rodingi te −6 ．6 6 1 5 ．2 6 7071807a inters血 alcal cite in rodingite 1 ．3 3 1 9 ．7 7

7錮hk 〔畑1 Op山calcite 1 ．5 6 2 1 ．1 3

7鋸hid O2 fophical cite −0 ．5 6 1 9 ．9 2

715250 1hb interstiti al Cal cite in actinohte−

prehmi te rock −0 ．6 5 1 7 ．0 7

7 15250 1pr Prehnile−Cal cite vein in actinolite−

p陀hnite rock −5 ．3 2 2 6 ．5 9

691114（汐 Calcite in serpe ntin e−Cal cite rock ，

COm pOSed o ffm cture zone −1 1 ．4 9 1 2 ．5 5 708 17鋸 Serpe ntine−Cal cite−trem Olite r∝k −2 0 ．7 6 1 5 ．2 2 708 17鋸V Cal cite vein in serpe ntine−Cal cite一

打em oni拇rock −1 9 ．0 7 1 7 ．2 1

709 10 10 Cal cite−tal C−Chlori te r∝k（SOapStOne？） −1 6 ．2 8 1 2 ．8 2 7012 15150 1 Cal careous shal e 0 ．4 0 2 3 ．8 7

7012151sO2 limestone

0．47−    21．13

Ohashi（1982），Carbonates from the basic tuff and black shale consist of calcite−dolomite−magneSite．

A formation temperature of350−400℃ or more COuld be estimated from the calcite−dolomite SOIvus with theiron correction from Bickle ＆ Powell（1977）andGoldsmith＆Newton（1969）．

Both the〔arbon and oxygenisotopIC Values of

magnesites from the serpentine−，talc−and quartz一

magnesite rocks areidentical．Althoughsomeiso−

topic values of dolomites plotin the range of magnesite，the carbonisotopIC ratios cover a wide

range．As previously noted，dolomite occurs as

Veins cuttlng magneSite and other host rocks，and WaS also formedin alater stage of the Carbonatization processin this area． Because Calcites display such a wide range ofisotopIC Val−

ues，eSpeCially forcarbon，the source of carbon of the calcite must be different from that of magnesite deposits．

In the circum−Izu Massif Serpentine belt，a

large scale of magnesite deposits are found only in the Setogawa group．In the older accretional terrain of Sanbagawa metamorphic belt，Small scale magnesite veins（up to a few metersin

width）were reported byIto（1983）．Miyakawa

（1982）reported alarge scale magnesite deposits in the Hida marglnal belt of Kuzuryu river area．

Such carbonated serpentinites will provide anim−

portantkeyto resolvethe orlgln Of serpentinitein

these tectonic zones．

The orlgln Of the magnesite that occurs with

SerPentinite may be a result of the hydrothermal PrOCeSSin the accretionary prlSm．

ORIGIN OF CARBONJN MAGNESITE DEPOSJTS Recent Ocean Drilling Program results and

Submersible dives to theinner trench arc highre−

gionin front of the Mariana（Fryer1991）and

theIzu−Bonin arcs（Fujioka et al．1993），have re−

Vealed that many serpentine diapirs are found at 20 to 40 km from the trench axis．In the

Mariana forearc high，SOme COld carbonate chim−

neys are found．The carbonateminerals are form a rare hydroxyl hydrate family，the sJOgrenite group，and there was no magnesite and dolomite

（Fryer1992）．Sakaiet al．（1990）reported that the hydration of peridotiteinthe mantle wedge

WaS CauSed by the fluid squeezed from the Subducted slab．The fluid may beinvoIved during the serpentinization and consist mainly of water．

Some carbonmightbeincluded，but the amount Of Carbon subjected to carbonatizationislessthanin the Mariana andIzu−bonin arcs．As polnted out in the previous section，in the circumrIzu massif SerPentinebelt，SuChextensivelycarbonatedserpen−

tinebodiesareverylimited．Itisplausibletoimag−

ine that some vein calcite and dolomite foundin the shale and basalt tectonic brecciain the Kimitake−ZaWaareaisof similarorlglntOthecar−

bonate vein foundin the Mariana arc（Fryer 1992）andIzu−Bonin seamounts（Fujioka et al．

172 H．Wada，F．Ohashi＆K．Fujioka

1993）．

Thelarge scale of carbonatization of the magnesite deposits foundin the Setogawa area

needs an extra sourceof carbon species．AsSeen

from carbon and oxygen stableisotope values，

813C values of magnesite depositsindicate that

highly homogeneous source materials were neces−

Sary tO formthe deposits．The813Cvalues of，4‰

（PDB）corresponds to a magmatic source of car−

bon slightlyhigher thanthat of the typicalmantle

SOurCe Carbon，reprPSented by carbonatites value of−9t0−5％0（PDB）（compiled by Nelson et al．

1988）．Thereis disagreement whether heisotopic Values of mantle carbon areinherently homogene−

OuS Orinclude heterogeneities due to miⅩlng Of

PrlmOdialand recycled carbon throughsubduction

during Earth history（Nelsop et al・1988）・

Subducted slabs are cold oceanlC Plate consisting Of oceanic basalts and overlying sediments．The

heat source for serpentinizationis thought to

COme from heat flowin deep crustaland mantle SOurCeS．Itis plausible toimaglne that the subduction of an active oceanic voIcano or active ridge could supply the heat and carbonate neces−

Sary tO formmassive magnesite−deposits．The ori−

glnOfcarboninthesemagnesitedepositsisconsid−

ered to have been derived mainly from a magmatic source together withmiⅩ1ng With nor−

mal marinelimestonein the reglOn SurrOunding

Halas（1990）andFallick et al．（1991），Carbon and OXygenisotopIC ratiosin smallveinsin ophiolites and serpentinites show a wide spectrum of values especially for carbon．In this context，Carbonate SPeCiesin fluid that effectedthe carbonatization of

the serpentinite coIltained variousISOurCeS Of car−

bon，e．g．，marine carbonate and C02derived from Organic degradation during diagenesis． The amountS Of such carbonates are small．Therefore，

the subductlng Slab may provide some of the car−

bonate speciesin・a dewatering fluid and small amountS Of carbonates will precIPltatein the SerPentinite sequences as veins．

The chronologlCal frameworks of the forma−

tion of the magnesite deposit，andits magmatic

trace elementaryandisotopIC analyses such as Sr．

ACKNOWLEDGEMENTS

The authOrs are veryindebted to thelate Prof．T．Sameshimaforhisguidanceindemonstrat−

lngtheimportanceofserpentinite−magneSiteassem−

blagesin the Setogawa Group．Thanks are due to Prof．S．Arai and Drs．R．M．Ross and S．

DeBariforreviewlngthe manuscript．

REFERENCES

ARAIS．（1994），The circum−Izu massif serpentine

belt．mis uolume，175−185（inJapanese）．

BICKLE M．J．＆PowELL R．（1977），Calcitedolomite

geothermometry foriron−bearlng Carbonates，

Corか絶加われS h〃わerαbgyα乃d Peとrobgy 59，

CoRNIDESLandKUsAKABEM・（1977），Preparati？n of carbon dioxide from magnesite forlSOtOplC

analysIS． Fresenius Zbitschr的 Ana恒isch αemie287，310−311

GoLDSMITHJ．R．＆NEWTON R．C．（1969），P−T−X relationsin the system CaCO3−MgCO3 at high temperaturesand pressures．ATnericanJoumal q／Scie71Ce，267−A，160−190．

FALLICK A．E．，ILICH M．＆ RUssEL M．J．（1991），

A stableisotope study of the magnesite depos−

its associated with the Alpine−type ultrarr）afic rocks of Yugoslavia．Economic Geology，86，

847−861．

FUJIOKA K．，WADA H．，TAYLOR B．，DEBARI S．，

MoRITA S．，KAWATA S．，KoGA Y．，OKANO H．，

HASHIMOTOJ．＆ FUJIKURA K．（1992），Origin Of the serpentine seamounts at theIzu−Bonin trench area and the whale bone animal COmunlty Onthe Torishima seamount．Abstracts qF 9th Shinhai Symposium，34−38，Japanese Marine Science Technology Center．（inJapanese）

FRYER P．（1992），Mud voIcanoes of the Marianas．

ぐハ ハ f r．、 八，・．−′，− ハ′1，， つ  り仁 つり ULレCJtLと／レL r1JJ↓CJ レLL心HI jJ〉 乙HJ￣U∠■・

HoEFSJ．（1987），Sαね ko qpe geocんemisとけ，

Springer Verlag，BerlinI−Ieidelberg New York London Paris Tokyo，141p．

ITO M．（1983），〃よ乃erαbgわαJα花dpeとrogogicαJsと比めノ qF the carbonatization qF seTPentinite．Reports for the Grant−in−Aid for Scientific Research of Ministry of Education，Science and Culture，

Japan．35p．（inJapanese）

JEDRYSEK M．0．＆ HALAS S．（1990），The origin

MIYAKAWA K・（1982），Low−grade．metamorphic

rocks of the Hida marglnal beltln the upper Kuzuryuriver areチ・CentralJapan・JournalqF

J如α花eSe Peとrobg乙Sと凡才￣i几erαbglSとαmd Eco花Om−

ic Geologist77，256−265（inJapanese）．

MoRTEANI G．，ScHLEY F．＆ MOLER P．（1983），

On the formation of magnesite．1n：Schneider H．J．ed．〟よれerα7月とpOSたs q／班e A如α几d q／

the Ak）ine Ebochin EurQPe，106−116，Springer Verlag，Berlin Heidelberg．

NAGAIY．and WADA H．（1992），Development and

applications ofmicro−SCaleisotoplC analyses for metamorphic dolomites．Geoscience Rqports qF

助izuoha t血uesity，19，25−34．（inJapanese）

NELSON D．R．，CHIVAS A．R．CHAPPELL B．W．＆

McCULLOCH M．T．（1988），Geochemicalandiso−

topic systematicsin carbonatites andimplica−

tions for the evolution of ocean−island sources．

GeocんZmわαe亡CosmocあまmcαAcとα，52，1−17

0HASHI F．（1982），Magnesite depositsin the Setogawa group，Shizuoka Prefecture．Journal 助r亡ん励ieJICeS，極の′αU花山erS乙抄，30，109−133．

RosENBAMJ．＆ SHEPPARD S．M．F．（1986），An isotopic study of siderites，dolomites and

Stableisotopic studies ofmagnesite deposits

ankerites at hightemperatures，Geochimica et

Cosmoc最mCαAcα，50，1147−1150．

SAMPSHIMAT・（1970ms），The Mioceneultrabasaites ln the Setogawa zone，CentralJapan．Ph．D．

乃e8ね 此材qyα 加わers抄，71p．

SAKAI R．，KUsAKABE M．，NoTO M．＆IsHII T．

（1990），Origin of waters responsible for serpen−

tinization of theIzu−Ogasawara−Mariana forearc SeamOuntSin view of hydrogen and oxygeniso−

tope ratios．Earth and PlanetaTy Science

エeととers，100，291−303．

SHARMAT．＆CLAYTON R．N．（1965），Measurement

173

Of O18／016 ratios．of total oxygen of Carbonates．GeochimLCa et CosTnOChimLCa Acta，

29，1347−1353．

SUGIYAMA Y．＆SHIMOKAWA K．（1981），A paleo一 geographic study of the Paleogene Setogawa Group，Shizuoka Prefecture，Central Japan．

Jour花αg q／兢e GeoJogkαJ Socieb′ げ 亡ノ叩α花，

87，439−456．

TAKASAWA K．＆KURODA Y．（1974），A quartz−

magnesite rockin the Setogawa zone，Central Japan．Journalq／GeologicalSocietJ・Jqpan，80，

425−427．