Melt-rock interactions in the oceanic lithosphere: microstructural and petro-geochemical constraints from ophiolites
Creators: name: BASCH, VALENTIN
Publisher: name: Universit� degli studi di Genova
Year: 2018

description: I processi di interazione fuso-roccia rappresentano processi chiave nella formazione ed evoluzione chimica della crosta oceanica, come mostrato da diverse evidenze: (1) lo studio delle zonature chimiche e delle inclusioni fluide in fenocristalli in lave (Lissenberg et al., 2013; Laubier et al., 2014; Coumans et al., 2016), (2) ?trends? composizionali peculiari, osservati in basalti di dorsale
medio-oceaniche (MORBs), non consistenti con processi di pura cristallizzazione frazionata (Collier &amp; Kelemen, 2010; Van den Bleeken et al., 2010, 2011; Paquet et al., 2016), (3) troctoliti arricchite in olivina descritte nei livelli pi� profondi della crosta oceanica, le quali vengono ritenute rappresentare il prodotto ?ibrido? di reazione tra duniti, originariamente localizzate nel limite mantello-ctosta, e magmi MORB percolanti che dissolvono olivina e cristallizzano plagioclasio e clinopirosseno (Suhr et al., 2008; Drouin et al., 2010; Renna &amp; Tribuzio, 2011; Higgie &amp; Tommasi, 2012; Sanfilippo et al., 2014; Rampone et al., 2016). Gli studi sopra citati descrivono la formazione di rocce gabbriche ricche in olivina come risultato di processi multipli di interazioni fuso-roccia a spese di scaglie di peridotiti di mantello incorporate alla base della crosta oceanica (Drouin et al., 2010, Sanfilippo &amp; Tribuzio, 2012). Lo studio condotto in questa tesi ha come obiettivo quello di determinare le variazioni strutturali e geochimiche causate dai processi di interazione fusoperidotite
in ambienti di transizione mantello-crosta oceanica, processi che causano la formazione di rocce ibride (duniti a plagioclasio, troctoliti, olivin gabbri). Questi processi sono descritti negli ambienti oceanici attuali (Mid-Atlantic Ridge, Southwest Indian Ridge, East Pacific Rise) dove per� sono spesso carenti le relazioni strutturali tra i diversi litotipi, dai protoliti di mantello alle rocce gabbriche ?ibride?, non permettendo quindi l?osservazione diretta dell?evoluzione microstrutturale e geochimica che accompagna i processi di interazione fuso-roccia. Questo lavoro di tesi e? stato sviluppato mediante lo studio di peridotiti ed associate rocce gabbriche in tre sequenze ofiolitiche che preservano le relazioni strutturali primarie tra i diversi litotipi, ed in cui studi precedenti hanno documentato processi di interazione fuso/peridotite a diversi livelli litosferici : i) l?unita? peridotitica Erro-Tobbio (Alpi Liguri; Rampone &amp; Borghini, 2008; Rampone et al.,
2016), ii) le peridotiti di Mt.Maggiore (Corsica Alpina, Francia; Rampone et al., 2008), e iii) la zona di transizione in Oman che presenta un layering alternato di livelli dunitici e livelli di olivin gabbri variabilmente evoluti (Koga et al., 2001; Higgie &amp; Tommasi, 2012). Lo studio � stato sviluppato seguendo un approccio multidisciplinare che combina studi di terreno, strutturali (Electron Backscatter Diffraction, EBSD) e di composizione chimica degli elementi maggiori ed in tracce dei minerali (Electron Probe Micro-Analyzer e Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) con l?obiettivo di definire l?origine ibrida o magmatica ?sensu strictu? delle
rocce gabbriche, e la correlazione tra cambiamenti strutturali e geochimici durante il processo di interazione tra rocce di mantello e fuso, in settings geologici vincolati da chiare evidenze di terreno. Nell?Unit� Erro-Tobbio (Alpi Liguri, Italia), le peridotiti di mantello impregnate sono primariamente associate a corpi mafici composti di troctoliti e wehrliti a plagioclasio, entrambi tagliati da dicchi di gabbro tardivi. I corpi troctolitici mostrano un?importante complessit� composizionale interna: il corpo principale di troctolite (Troctolite A) � tagliato da una seconda generazione di corpi troctolitici con dimensioni metriche e forma pseudo-tabulare (Troctolite B)
(Borghini et al., 2007; Rampone &amp; Borghini, 2008; Rampone et al., 2016). La Troctolite A incassante � caratterizzata da due differenti occorrenze tessiturali di olivina, comprese tra olivine corrose e defornate di taglia millimetrica a centimetrica ed olivine tondeggianti, non deformate e di taglia fine; entrambe le olivine sono incluse in cristalli di plagioclasio e clinopirosseno con forma da interstiziale a poicilitica. La troctolite A mostra inoltre aggregati dunitici di dimensioni da centimetriche a decimetriche, circondati da zone arricchite in plagioclasio. Tali caratteristiche microstrutturali indicano la formazione della troctolite incassante A per impregnazione di una
dunite da parte di un fuso sottosaturo in olivina (l?olivina viene corrosa dal plagioclasio interstiziale). L?evoluzione tessiturale durante l?evento di impregnazione � accompagnata da un evidente cambio dell?orientazione preferenziale degli assi cristallografici dell?olivina (CPO), che varia dal caratteristico pattern assiale [100] degli aggregati dunitici a plagioclasio interstiziale (simile al CPO analizzato nelle peridotiti associate) ad un CPO ad orientazione ?random? nei campioni arricchiti in plagioclasio dove singoli cristalli di olivina sono inclusi in plagioclasio pecilitico. Quest?ultimo indica la perdita di coesione tra i cristalli di olivina, costituenti la matrice solida, durante l?evento di impregnazione ad elevati rapporti fuso/roccia (Rosenberg &amp; Handy, 2005; Drouin et al., 2010). Le composizioni chimiche dei minerali costituenti la troctolite A mostrano trend evolutivi tipicamente di cristallizzazione ?reattiva?, caratterizzati da variabili
contenuti in anortite nei plagioclasi a costante contenuto in forsterite nelle olivine della matrice: questo indica che la composizione del fuso viene modificata e tamponata dall?assimilazione di olivina durante il processo d?impregnazione (Borghini et al., 2007; Rampone et al., 2016). I corpi pseudo-tabulari di troctolite B corrispondono ad intrusioni fragile-duttili nella troctolite A preesistente. Il CPO dell?olivina nella troctolite B indica che la sua origine � magmatica e la sua formazione � legata ad un flusso magmatico (orientazione preferenziale della forma dei cristalli; Benn &amp; Allard, 1989; Jousselin et al., 2012). Le troctoliti B sono caratterizzate da estremevariazioni tessiturali, con olivine da dendritiche di dimensioni decimetriche a euedrali di dimensioni inferiori, entrambe incluse in plagioclasio poichilitico. Questa variazione tessiturale � il risultato dell?assimilazione di olivina durante la formazione della troctolite A (percolazione diffusa) ed intrusione della troctolite B, che causa un aumento del grado di raffreddamento del fuso percolante (aumento della temperatura di liquidus del fuso fino a 65�C durante l?assimilazione d?olivina; Faure et al., 2003, 2007; O?Driscoll et al., 2007). Le composizioni dei minerali costituenti la troctolite B sono simili a quelle dei minerali nella troctolite A e indicano che i processi di interazione fusoroccia, che sono responsabili per la dissoluzione di olivina, erano continuamente attivi durante la percolazione focalizzata di fusi. I minerali nelle intrusioni gabbriche che tagliano le peridotiti di mantello ed i corpi troctolitici, mostrano variazioni composizionali consistenti con processi di cristallizzazione frazionataa partire da fusi modificati durante la percolazione reattiva che ha
determinato la formazione della troctolite A e troctolite B. I corpi troctolitici dell?Erro-Tobbio registrano quindi una storia evolutiva polifasica legata all?evoluzione termica di questo settore di mantello durante la progressiva esumazione (Borghini et al., 2007; Rampone &amp; Borghini, 2008), dalla percolazione reattiva diffusa e formazione della troctolite incassante A, in aambiente
duttile,alla percolazione reattiva focalizzata in ambiente fragile-duttile e formazione della troctolite B, fino alla tardiva intrusione e cristallizzazione frazionata del fuso modificato e formazione dei dicchi gabbrici in ambiente fragile pi� superficiale. Le peridotiti di Monte Maggiore (Corsica Alpina, Francia) registrano una chiara storia evolutiva di progressiva esumazione litosferica, accompagnata da processi di interazione fusoroccia, da lherzoliti e minori duniti a spinello a litotipi che presentano variabili contenuti in plagioclasio (peridotiti a plagioclasio, troctoliti ricche in olivina e troctoliti) (Rampone et al., 1997, 2008; Muntener &amp; Piccardo, 2003; Piccardo &amp; Guarnieri, 2010).In facies a spinello, la percolazione reattiva di un fuso povero in LREE ha causato la dissoluzione di pirosseni di mantello e la crescita di cristalli d?olivina, fino alla formazione di harzburgiti reattive, e minori corpi di duniti di sostituzione a spinello. Come risultato, aggregati dunitici di dimensioni metriche, caratterizzati da irregolari cristalli di olivina di grandi dimensioni, sono inclusi in harzburgiti a spinello reagite e ricche in olivina (Rampone et al., 1997, 2008; Muntener &amp; Piccardo, 2003; Piccardo &amp; Guarnieri,
2010). L?evoluzione progressiva da lherzoliti a spinello, a harzburgiti fino alla formazione di duniti di sostituzione, � marcata da un cambio del CPO dell?olivina, da un pattern assiale [100] nelle lherzoliti, consistente con deformazione per dislocation creep ad alta temperatura e generalmente descritto in peridotiti di mantello (Tommasi et al., 2000), al pattern assiale [010] del CPO dell?olivina nelle duniti, che tipicamente � interpretato come il risultato di deformazione in presenza di un fuso (Holtzman et al., 2003; Le Roux et al., 2008). La composizione iniziale del fuso di percolazione � consistente con singoli incrementi di fuso prodotti dal 6% di fusione parziale di un mantello depleto (Rampone et al., 1997, 2008). La percolazione reattiva conduce al progressivo arricchimento del fuso in concentrazioni assolute di HREE, mentre preserva la concentrazione povera in LREE (Verni�res et al., 1997; Rampone et al., 2008): queste sono consistenti con le composizioni delle olivine analizzate nelle duniti a spinello che sono arricchite in HREE. In facies a plagioclasio, i fusi modificati durante il processo di percolazione (impoveriti in LREE, arricchiti in HREE) impregnano le peridotiti e duniti a spinello, portando alla dissoluzione di olivina e cristallizzazione di plagioclasio e ortopirosseno (+- clinopirosseno) nelle peridotiti
(Rampone et al., 1997, 2008; Piccardo &amp; Guarnieri, 2010). Lo stadio di impregnazione � anche osservato nelle duniti a spinello, dove la reazione fuso-roccia porta alla formazione ibrida di troctoliti ricche in olivina e troctoliti successiva alla dissoluzione di olivina e cristallizzazione di plagioclasio interstiziale. La reazione di dissoluzione-precipitazione, che forma le troctoliti ibride, sviluppa variazioni tessiturali progressive correlate con il contenuto modale in olivina (diminuisce durante la reazione). Come dedotto da studi precedenti su troctoliti ibride ricche in olivina formatesi in ambiente oceanico (Suhr et al., 2008; Drouin et al., 2010), le olivine con abito irregolare e di grosse dimensioni costituenti il protolita dunitico sono corrose progressivamente e fragmentate dal fuso reattivo che cristallizza plagioclasio, per finalmente formare le tessiture caratterizzate da numerose olivine tondeggianti incluse in plagioclasio poichilitico. Durante il progressivo processo di impregnazione, si osserva l?aumento di ?grain number?, il quale � correlato con la diminuzione di
?grain area?, ?aspect ratio? e ?shape factor? dei cristalli di olivina. L?evoluzione tessiturale legata all?impregnazione non � accompagnata da chiare variazioni del CPO dell?olivina, quindi indicando che il processo di impregnazione � caratterizzato da bassi rapporti fuso/roccia instantanei. Le composizioni in REE di olivina, plagioclasio e clinopirosseno analizzati nelle troctoliti concordano con un processo di impregnazione associato ad una progressiva chiusura della porosit� del sistema (a progressiva diminuzione della massa del fuso), la quale conduce alla cristallizzazione di fuso e, conseguentemente, all?arricchimento in REE nelle fasi cristalline durante gli ultimi incrementi di cristallizzazione (Verni�res et al., 1997, Rampone et al., 2008). La cristallizzazione di piccole frazioni di fuso intrappolato sono consistenti con i bassi rapporti fuso/roccia instantanei suggeriti dal fatto che il CPO dell?olivina conserva caratteristiche precedenti la reazione durante il processo di impregnazione. La zona di transizione Moho in Oman � costituita di un layering alternato di duniti (sensu lato; &gt;70 vol% olivina modale) e livelli di olivin gabbri variabilmente evoluti (da 10 vol% a 70
vol% di olivina; Boudier &amp; Nicolas, 1995; Higgie &amp; Tommasi, 2012). In un recente studio petrologico e strutturale, Higgie &amp; Tommasi (2012) hanno dimostrato che i livelli di olivin gabbro sono di origine reattiva di sostituzione, formatesi durante un processo deformativo guidato dalla percolazione reattiva focalizzata in pre-esistenti duniti, durante il quale le olivine della matrice vengono corrose e clinopirosseno e plagioclasio cristallizzano interstiziali. La progressiva evoluzione delle composizioni modali (diminuzione della composizione modale dell?olivina) � accompagnata da un cambio della simmetria del CPO dell?olivina: da un pattern assiale [100] nelle
duniti ad un CPO dell?olivina con pattern assiale [010] negli olivin gabbro, gli ultimi osservati in un range di composizione modale dell?olivina tra il 60% e 40 vol%. Higgie &amp; Tommasi (2012) hanno interpretato quest?evoluzione del CPO dell?olivina come evidenza di un?intensa deformazione progressiva concentrata in zone ad elevato rapporto fuso/roccia nei livelli ad olivin gabbro. L?occorrenza di tali variazioni strutturali in scala centimetrica, che sono state osservate nel layering di dunite-olivin gabbro, indica una correlazione positiva tra deformazione e focalizzazione del fuso nei livelli pi� duttili ad olivin gabbro, come descritto in esperiment precedenti che riproducono deformazione per simple shear in presenza di fuso (Zimmerman et al., 1999, Holtzman et al., 2003b). Forti discrepanze si osservano tra le composizioni chimiche dei livelli dunitici e quelle dei livelli ad olivin gabbro: i ?trends? di evoluzione composizionale delle duniti sono indicativi di un processo di impregnazione da fusi in un sistema chiuso, con la composizione del fuso controllata
dalla roccia ospite e modificata dall?interazione fuso-roccia e dissoluzione di olivina; i livelli ad olivin gabbro mostrano composizioni dominate da quelle del fuso di percolazione, consistenti con un processo di percolazione reattiva in sistema aperto come descritto precedentemente da Higgie &amp; Tommasi (2012). Abbiamo osservato una buona correlazione tra le microstrutture, che marcano una
transizione da pattern assiale [100] nei campioni ricchi in olivina a pattern assiale [010] negli olivin gabbri pi� evoluti, e le composizioni geochimiche dei minerali che indicano una transizione da sistema chiuso (dominato dalla composizione della roccia) a sistema aperto (dominato dalla composizione del fuso). Le composizioni in REE ed elementi in tracce, che sono consistenti con le composizioni di fusi tipo MORB, sono simili ai clinopirosseni analizzati nei gabbri della sezione di crosta oceanica inferiore in Oman: questo suggerisce che i fusi che migrano nells zona di transizione Moho sono successivamente estratti ed alimentano la crosta oceanica (Kelemen et al.,
1997; Korenaga &amp; Kelemen, 1997; Koga et al., 2001). Gli olivin gabbri mostrano una sequenza di cristallizzazione [olivina linopirosseno-plagioclasio] (Browning, 1984), e l?elevato contenuto in anortite nel plagioclasio (An = 87-92 mol%) � associato ad una composizione relativamente evoluta di olivina (Fo = 83-84 mol%) e clinopirosseno (Mg = 86-88 mol%). Studi precedenti (Kelemen et
al., 1997; Korenaga &amp; Kelemen, 1997; Koga et al., 2001) hanno invocato la cristallizzazione di fusi idrati per interpretare il peculiare ordine di cristallizzazione e le composizioni chimiche dei minerali, che non sono consistenti con un fuso anidro tipo MORB a 2 kbar di pressione (Koga et al., 2001). In contrasto, considerando l?assenza di fasi idrate nelle rocce investigate, le elevate temperature di equilibrio calcolate tra plagioclasio e clinopirosseno (geotermometro REE elaborato da Sun et al., 2017), e la discordanza tra i contenuti in anortite nel plagioclasio ed in forsterite nell?olivina (entrambi correlati positivamente con il contenuto in acqua nel fuso), riteniamo che la composizione dei minerali che cristallizzano nelle rocce gabbriche non sia primariamente controllata dal contenuto in acqua nel magma parentale, quanto piuttosto dalla sua peculiare composizione chimica, ricca in CaO (elevati CaO/Na2O e CaO/Al2O3), possibilmente acquisita per fusione parziale di una sorgente mista di mantello peridotite-pirossenite (Borghini et al., 2017)