processi di mantello nelle peridotiti ofiolitiche di monte maggiore

Giovanni B.
PICCARDO
PROCESSI DI MANTELLO
NELLE PERIDOTITI OFIOLITICHE
DI MONTE MAGGIORE (CORSICA)
I DIVERSI TIPI DI ROCCE FEMICHEULTRAFEMICHE AFFIORANTI NEL
MASSICCIO DI MONTE MAGGIORE
- LHERZOLITI A SPINELLO, protogranulari e porfiroclastiche,
con frequenti bande di pirosseniti a spinello;
- HARZBURGITI A SPINELLO, a struttura granulare a grana
grossa, prive di bande pirossenitiche, che sostituiscono le
precedenti peridotiti;
- PERIDOTITI ARRICCHITE IN PLAGIOCLASIO, con
plagioclasio diffuso fino ad oltre il 25% in volume della roccia;
- BANDE E CANALI DI DUNITI A SPINELLO, di dimensioni
metriche che tagliano tutte le litologie precedentemente descritte;
- DICCHETTI GABBRO-NORITICI E CUMULATI FEMICIULTRAFEMICI, associati alle duniti a spinello;
- FILONI GABBRICI E TASCE GABBRICHE DI CUMULO
I PROCESSI MAGMATICI REGISTRATI
DALLE PERIDOTITI DI MONTE MAGGIORE
Le differenti litologie presenti a Monte Maggiore e le loro relazioni
di terreno permettono di studiare i processi di mantello in esse
registrati e la loro successione nel tempo.
In questo massiccio sono registrati i seguenti stadi evolutivi:
1) L’ACCREZIONE ALLA LITOSFERA DI PROTOLITI
ASTENOSFERICI
2) LA PERCOLAZIONE DIFFUSA E REATTIVA DI FUSI
3) LA IMPREGNAZIONE DI FUSI
4) LA PERCOLAZIONE CANALIZZATA DI FUSI
5) LA PRECOCE INTRUSIONE DI DICCHETTI GABBRICI E
DI CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI
6) L’INTRUSIONE DI DICCHI GABBRICI E DI PICCOLI
CORPI DI ROCCE GABBRICHE ad affinita’ MORB
QUESTO SEMINARIO INTENDE:
1) PRESENTARE LE CARATTERISTICHE DI
TERRENO, PETROGRAFICO-STRUTTURALI E
COMPOSIZIONALI DELLE DIFFERENTI
LITOLOGIE PRESENTI A MONTE MAGGIORE;
2) PRESENTARE I RAPPORTI DI TERRENO FRA LE
VARIE LITOLOGIE, E QUINDI RICOSTRUIRE LA
SUCCESSIONE DEGLI EVENTI REGISTRATI
DALLE DIVERSE LITOLOGIE;
3) RICOSTRUIRE LA STORIA EVOLUTIVA
TETTONICO-METAMORFICA E MAGMATICA
REGISTRATA NELLE PERIDOTITI DEL
MASSICCIO DI MONTE MAGGIORE.
ALCUNE EVIDENZE DI TERRENO
Peridotite a plagioclasio fortemente impregnata
Peridotite a plagioclasio fortemente impregnata e foliata,
tagliata da un filoncello gabbrico posteriore
Contatto netto fra una peridotite a spinello reattiva
granulare e una banda di dunite a spinello
Banda decimetrica di dunite a spinello di sostituzione
in peridotite impregnata a plagioclasio
Contatto fra banda di dunite a spinello di sostituzione
e peridotite a plagioclasio fortemente impregnata
PLG
OL
Dunite a spinello di sostituzione: notare i cristalli cm-size
di ol, e i film di plagioclasio che circondano le olivine, e
chiudono gli spazi intergranulari di percolazione del fuso
Il fuso intergranulare cristallizza anche cpx,
cioe’ si forma un film gabbrico
Il film gabbrico aumenta di dimensioni e
diventa una vena o un piccolo filoncello
Vena-filoncello gabbrico nella dunite di sostituzione
Filoncello gabbrico lungo il contatto fra dunite e peridotite
impregnata a plagioclasio
Cumulati femici-ultrafemici stratificati: sono evidenti
bande di cumulati a olivina e pirosseni (ultrafemiche) e
livelli ricchi di plagioclasio.
Strato magmatico a composizione variabile:
a destra e’ ultrafemico, al centro gabbrico
e a sinistra a plagioclasio prevalente
Cumulato magmatico a composizione gabbrica: notare che
i pirosseni sono idiomorfi e il plagioclasio e’ interstiziale
LE LHERZOLITI LITOSFERICHE
A SPINELLO
LE LHERZOLITI LITOSFERICHE A
SPINELLO
I caratteri distintivi:
1) Composizione lherzolitica a spinello
2) Struttura porfiroclastica
3) Presenza di bande di pirosseniti a spinello: indicano
l’intrusione, a profondita’ di facies a spinello, di fusi basaltici
Al microscopio:
1) Presenza di concrescimenti (clusters) di opx+sp: derivano da
completa ricristallizzazione in facies a spinello di un precedente
granato;
2) Presenza di sottili essoluzioni vermicolari di sp al bordo dei
porfiroclasti di opx: indicano l’essoluzione di componenti MgTschermakitiche, sotto forme di spinello, da un precedente opx
piu’ alluminifero, stabile a temperature piu’ elevate.
LE LHERZOLITI LITOSFERICHE A
SPINELLO
Queste lherzoliti rappresentano il protolite del mantello
litosferico, preesistente ai processi di interazione fusoperidotite che interessarono in seguito la peridotite.
Le caratteristiche petrografiche e micro-strutturali
indicano:
1) La risalita della peridotite da livelli profondi, in facies
a granato, e la ricristallizzazione in facies a spinello
(trasformazione granato -> opx+sp), in condizioni di T
decrescente (essoluzione di sp da opx alluminifero)
QUESTE LHERZOLITI DERIVANO DAL
MANTELLO ASTENOSFERICO A GRANATO
ACCRETO ALLA LITOSFERA E
RICRISTALLIZZATO IN FACIES A SPINELLO
LE HARZBURGITI GRANULARI
A SPINELLO
LE HARZBURGITI GRANULARI A
SPINELLO
I caratteri distintivi:
1) Composizione harzburgitica a spinello e cpx, molto variabile in
percentuale (da 1 a 10%)
2) Struttura granulare a grana grossa
3) Assenza di bande di pirosseniti a spinello.
Al microscopio:
1) Presenza di microstrutture di reazione fuso-peridotite: bordi di
olivina indeformata neoformata attorno ai porfiroclasti essoluti
e deformati di opx e cpx
2) Presenza di strutture relitte del protolite: i) concrescimenti
(clusters) di opx+sp, ii) essoluzioni di sp nei porfiroclasti di opx.
LE HARZBURGITI GRANULARI
(REATTIVE) SPINELLO
Le strutture di dissoluzione dei pirosseni di mantello e di
formazione di nuova olivina indicano processi di
interazione con la peridotite da parte di un fuso
percolante per meccanismi di flusso poroso e reattivo.
La presenza di relitti microstrutturali del protolite indica
che il processo di percolazione di fuso avvenne su una
preesistente peridotite litosferica.
Il tipo di reazioni mineralogiche di dissoluzionecristallizzazione indica che il fuso percolante era
sovrassaturo in olivina e sottosaturo in pirosseni (e silice).
QUESTE PERIDOTITI REATTIVE SONO STATE
FORMATE DALLA PERCOLAZIONE REATTIVA DI
UN FUSO SOTTOSATURO IN PIROSSENI E SILICE
LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI
IN TRACCE (REE) DEI MINERALI
DELLE HARZBURGITI REATTIVE A
SPINELLO
100
PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO
cpx
Plg-peridotiti
Sample/Chondrite
10
Plg-peridotiti
Sp-peridotiti
1
opx
Sp-peridotiti
0,1
plag
0,01
La Ce Pr
Nd
Sm Eu Gd Tb
Dy Ho
Y
Er Tm Yb Lu
I clinopirosseni e i plagioclasi delle peridotiti a spinello hanno REE patterns
molto frazionati in LREE. I cpx e gli opx delle peridotiti a plagioclasio hanno
contenuti in REE piu’ elevati dei pirosseni delle peridotiti a spinello.
100
Plg-peridotiti
Sample/Chondrite
cpx
10
Sp-peridotiti
1
Plg-peridotiti
Sp-peridotiti
0,1
opx
0,01
PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO
0,001
Nb Ta La Ce Sr Pr Nd Zr
Hf Sm Eu Gd Tb Ti Dy Ho
Y
Er Tm Yb Lu Sc V
Cr
LA COMPOSIZIONE IN REE DEI
FUSI ALL’EQUILIBRIO CON I
CLINOPIROSSENI DELLE
HARZBURGITI REATTIVE A
SPINELLO
Peridotiti reattive a spinello
100
Cpx sorgente
Sample/Chondrite
10
1
CoN Johnson
C2%
C4%
C6%
C8%
C10%
0,1
C1%
C3%
C5%
C7%
C9%
Sp-peridotite
0,01
Modello di fusione frazionata
sorgente a spinello
model Johnson 1990
Kd Johnson 1998
0,001
La
Ce
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
I clinopirosseni delle peridotiti a spinello hanno REE patterns corrispondenti a
quelli di cpx di peridotiti residuali di circa 5% di fusione frazionata di una
sorgente di mantello astenosferico DMM in facies a spinello.
Se queste peridotiti a spinello rappresentassero il protolito di mantello
astenosferico, esso sarebbe costituito da una peridotite residuale di un processo
di fusione frazionata del 5%.
Peridotiti reattive a spinello
100
sample/chondrite
Liquido all’equilibrio con cpx
10
1
Modello di fusione frazionata
Sorgente a spinello
0,1
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,1
0,12
0,15
CC1
model Ionov 2003
Kd Hart&Dunn 2003
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Il liquido all’equilibrio con i cpx delle peridotiti a spinello corrisponde a un
liquido prodotto come singolo incremento di fusione da circa il 6% di fusione
frazionata di una sorgente di mantello astenosferico DMM in facies a spinello.
Siccome queste peridotiti a spinello sono state formate da un processo di
interazione, i cpx della peridotite sono all’equilibrio con il fuso percolante.
LE PERIDOTITI A SPINELLO
DISCUSSIONE
Le peridotiti a spinello mostrano da zona a zona quantita’ in cpx
estremamente variabile (da 1 a 10%): questo indicherebbe che la
peridotite a subito gradi di fusione parziale molto variabili da zona
a zona. Per i diversi campioni, il grado di fusione (= impoverimento
di cpx) varierebbe da pochi % fino a circa il 20% di fusione.
Al contrario, i cpx dei diversi campioni hanno tutti REE patterns
molto simili, e fortemente frazionati (impoveriti) in LREE. Inoltre:
1) I cpx di tutti i campioni di roccia hanno composizioni in REE
corrispondenti a quelle dei cpx di una peridotite residuale di un
processo di fusione frazionata di circa 5% di una sorgente di
mantello astenosferico DM in facies a spinello ;
2) Tutti i cpx sono quindi all’equilibrio con un fuso prodotto per
bassi gradi (5%) di fusione di una sorgente di mantello
astenosferico di tipo DMM (Depleted MORB Mantle), il tipico
mantello sorgente dei basalti oceanici MORB.
LE PERIDOTITI A SPINELLO SONO
PERIDOTITI REATTIVE
La modellizzazione geochimica sui cpx mostra quindi che la
composizione dei cpx di tutti i campioni indicherebbe che le rocce
hanno subito tutte gradi di fusione molto costanti e relativamente
bassi (circa il 5% di fusione frazionata).
Il disaccoppiamento fra le deduzioni dalla composizione modale
(cpx%) e quelle dalla composizione REE dei cpx e’ contro l’ipotesi
che queste rocce siano prodotti di processi di fusione parziale.
La presenza di strutture di reazione fuso/pirosseni indica invece
che tutti i campioni rappresentano il prodotto della reazione fra un
fuso percolante a composizione costante (5% di fusione) e le
peridotiti preesistenti.
Il fuso percolante aveva, quindi, la composizione di un incremento
impoverito (dati i bassi contenuti in elementi in tracce
incompatibili) di fusione frazionata di circa 5% di una sorgente
DMM in condizioni di facies a spinello.
LE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO
LE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO
I caratteri distintivi:
1) Composizione ricca in plagioclasio, in concentrazioni variabili
fino ad oltre il 25%.
2) Struttura granulare, a volte foliata con il plagioclasio
concentrato in banderelle allungate lungo la foliazione.
Al microscopio:
1) Presenza di plaghe di opx che sostituiscono l’olivina di mantello;
2) Presenza di cristalli di plagioclasio indeformati che tagliano
l’olivina deformata di mantello;
3) Presenza di strutture di reazione fuso-peridotite: bordi (corone)
di opx+plg che sostituiscono parzialmente i porfiroclasti
deformati di cpx di mantello;
4) Presenza di piccole plaghe interstiziali, a volte in forma di
aggregati microsimplectitici, di opx+plg, e di piccole tasche
micro-gabbro-noritiche (a opx+plg).
LE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO
Queste peridotiti sono rocce ibride, composte da una
peridotite a spinello in cui ha cristallizzato un fuso
basaltico, sotto forma di materiale gabbrico.
Il fuso basaltico ha inizialmente percolato la roccia
peridotitica, interagendo con olivina e cpx, e poi ha
iniziato a cristallizzare materiale micro-gabbrico.
Le reazioni mineralogiche (reazione del fuso percolante
con l’olivina e con il cpx di mantello) indicano che il fuso
era saturo in opx (silice), ma non in cpx.
QUESTE PERIDOTITI ARRICCHITE IN
PLAGIOCLASIO E MATERIALE MICROGABBRICO DERIVANO DALL’IMPREGNAZIONE DI
PERIDOTITI A SPINELLO DA PARTE DI UN FUSO
SATURO IN SILICE
LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI
IN TRACCE DEI MINERALI DELLE
PERIDOTITI IMPREGNATE A
PLAGIOCLASIO
100
PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO
10
Sample/Chondrite
cpx
Plg-peridotiti
Plg-peridotiti
Sp-peridotiti
1
opx
Sp-peridotiti
0,1
plag
0,01
La Ce Pr
Nd
Sm Eu Gd Tb
Dy Ho
Y
Er Tm Yb Lu
I clinopirosseni e i plagioclasi delle peridotiti a spinello hanno REE patterns
molto frazionati in LREE. I cpx e gli opx delle peridotiti a plagioclasio hanno
contenuti in REE piu’ elevati dei pirosseni delle peridotiti a spinello.
LA COMPOSIZIONE IN REE DEI
FUSI ALL’EQUILIBRIO CON I
CLINOPIROSSENI DELLE
PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO
Peridotite a plagioclasio
100
Cpx d i pe rido tite a p lag io c las io
Sample/Chondrite
10
1
CoN Johnson
C1%
C2%
C3%
C4%
C5%
C6%
C7%
C8%
C9%
C10%
Plg-peridotite
0,1
0,01
Mod e llo d i fu sio n e frazio n ata
so rge n te a sp in e llo
model Johnson 1990
Kd Johnson 1998
0,001
La
Ce
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Il cpx delle peridotiti a plagioclasio ha un REE pattern che, se plottato sulla
modellizzazione del processo di fusione frazionata, da informazioni ambigue.
Le HREE indicano composizione simili alle REE del cpx sorgente (0% di
fusione), mentre il frazionamento delle LREE indicherebbe un cpx residuale da
un processo di fusione frazionata di circa 4% di una sorgente di mantello DM.
Pe rido t it e a plagio clas io
100
sample/chondrite
Liquido all’equilibrio con cpx
10
model Ionov 2003
Kd Hart&Dunn 2003
0
0,02
0,04
0,06
0,1
0,15
1
Modello di fusione frazionata
Sorgente a spinello
0,01
0,03
0,05
0,07
0,12
CC2
0,1
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Se si modellizza il liquido all’equilibrio con i cpx delle plg-peridotiti, utilizzando
Kd per sistemi sottosaturi in silice, si ottengono informazioni ambigue.
Per le HREE, il liquido sembra all’equilibrio con il cpx sorgente (0% di fusione),
mentre per le LREE il liquido sembra simile a quello prodotto per 5% di fusione
frazionata di una sorgente di mantello astenosferico DM.
Pe rido t it e a plagio clas io
100
sample/chondrite
Liquido all'e q uilib rio c on c px
10
model Ionov 2003
Kd Vannucci 1998
0
0,02
0,04
0,06
0,1
0,15
1
Modello di fusione frazionata
Sorgente a spinello
0,01
0,03
0,05
0,07
0,12
CC2
0,1
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Se si modellizza il liquido all’equilibrio con i cpx delle plg-peridotiti utilizzando
Kd per sistemi saturi in silice (dal momento che i fusi che impregnano queste
peridotiti sono saturi in silice) si ottengono REE patterns dei fusi che grossomodo
corrispondono a incrementi di fusione prodotti da circa il 6-7% di fusione
frazionata di un mantello sorgente astenosferico DMM in facies a spinello.
LE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO
DISCUSSIONE
La modellizzazione geochimica, usando i coefficienti KD
Cpx/Liquido delle REE che sono utilizzati per sistemi basaltici
saturi in silice, indica che la composizione in REE dei fusi
all’equilibrio con i pirosseni delle peridotiti a plagioclasio e’ molto
simile ai fusi modellizzati per 6-7% di fusione frazionata di una
sorgente di mantello astenosferico DMM in facies a spinello.
Si puo’ dedurre che le peridotiti a plagioclasio di Monte Maggiore
registrano la percolazione e la cristallizzazione interstiziale di fusi
ad affinita’ MORB prodotti per 6-7% di fusione frazionata del
mantello astenosferico DM in facies a spinello.
Il fatto che questi fusi erano saturi in silice e opx indica che essi
raggiunsero la saturazione in opx e silice mediante processi di
percolazione reattiva (dissoluzione dei pirosseni, cristallizzazione di
olivina) durante la risalita per flusso poroso nella colonna di
mantello litosferico sottostante la zona di impregnazione.
LO STATO TERMICO DURANTE I
PROCESSI DI INTERAZIONE
Le indagini termometriche indicano che la percolazione reattiva e
l’impregnazione avvennero a condizioni termiche elevate (T
superiori a 1200-1250°C).
Cio’ implica che il mantello litosferico relativamente freddo (T =
1000-1100°C) fu riscaldato dall’astenosfera in risalita e dai fusi
percolanti, fino a condizioni astenosferiche.
L’ INTERAZIONE LITOSFERA/ ASTENOSFERA produsse l’
EROSIONE TERMICA o TERMO-MECCANICA della litosfera.
L’impregnazione avvenne a condizioni termiche leggermente
inferiori alle T di liquidus dei fusi, che iniziarono a cristallizzare.
Essa avvenne quindi a livelli piu’ superficiali, dove l’effetto di
perdita di calore per conduzione iniziava ad essere importante.
Il fatto che l’impregnazione si sviluppo’ su litologie che avevano
gia’ subito, a condizioni piu’ profonde, il processo di percolazione
reattiva, indica che le peridotiti stavano risalendo.
LE DUNITI A SPINELLO
I caratteri distintivi:
1) Composizione esclusivamente composta da olivina e spinello;
2) Struttura granulare, a grana grossa, con l’olivina che puo’
raggiungere dimensioni centimetriche (vedi foto).
I FILONCELLI GABBRO-NORITICI
Si formano come vene nelle duniti e poi intrudono con contatti
sfumati le peridotiti a plagioclasio incassanti (vedi foto).
I CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI
Formano tasche decametriche all’interno di ogni tipo di peridotite
precedentemente descritta, cioe’ queste piccole intrusioni sono
successive anche all’impregnazione, e coeve con i canali dunitici.
Sono ricchi in opx, con pirosseni idiomorfi (vedi foto) e ordine di
cristallizzazione: ol -> cpx -> opx -> plg.
LE DUNITI A SPINELLO DI
SOSTITUZIONE
Esse spesso mostrano sottili films millimetrici di
plagioclasio lungo i bordi dei grandi cristalli di olivina,
che a volte aumentano di spessore e in cui cristallizzano
anche i pirosseni. Questi films diventano piccole vene, e i
pirosseni diventano idiomorfi: si formano sottili filoncelli
gabbrici che intrudono le peridotiti incassanti.
QUESTE BANDE DUNITICHE SI SONO FORMATE
PER LA PERCOLAZIONE FOCALIZZATA DI FUSI
SOTTOSATURI IN PIROSSENI CHE HANNO
DISCIOLTO COMPLETAMENTE I PIROSSENI.
QUESTI CANALI DUNITICI SONO STATI USATI DA
FUSI PER MIGRARE: I FUSI HANNO POI INIZIATO
A CRISTALLIZZARE FORMANDO I FILONCELLI
LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI
IN TRACCE DEI MINERALI DEI
FILONCELLI GABBRICI E DEI
CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI
100
FILONCELLI GABBRICI
cpx
Sample/Chondrite
10
1
0,1
plg
0,01
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Y
Er
Tm
Yb
Lu
I clinopirosseni e i plagioclasi dei filoncelli gabbrici hanno REE
patterns piatti nelle HREE (a 10xC1) e molto frazionati nelle
LREE, analogamente a quelli dei cumulati femici-ultrafemici.
100
CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI
cpx
Sample/Chondrite
10
opx
1
0,1
plg
0,01
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Y
Er
Tm Yb
Lu
I clinopirosseni dei cumulati femici-ultrafemici hanno REE patterns
piatti nelle M-HREE (a 10xC1) e molto frazionati nelle LREE, e i
plagioclasi hanno REE patterns molto frazionati nelle LREE.
100
Clinopirosseno in equilibrio con un
fuso aggregato MORB
Sample/Chondrite
10
1
0,1
Clino piros s e ni de i filonc e lli e
de i c umulati fe mic i-ultrafe mic i
0,01
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd Tb
Dy
Ho
Y
Er
Tm Yb
Lu
I cpx di filoncelli gabbrici e cumulati femici-ultrafemici hanno REE patterns
molto piu’ frazionati nelle LREE di quelli all’equilibrio con fusi aggregati
MORB.
I fusi genitori di queste rocce magmatiche erano impoveriti negli elementi in
tracce piu’ incompatibili, cioe’ erano singoli incrementi impoveriti di fusione
frazionata (vedi oltre).
100
Plagio c las i de i filo nc e lli e
de i c umulati fe mic i-ultrafe mic i
Sample/Chondrite
10
Plagioclasio in equilibrio
con un fuso aggregato MORB
1
0,1
0,01
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Y
Er
Tm Yb
Lu
I plagioclasi dei filoncelli gabbrici e dei cumulati femici-ultrafemici hanno
concentrazioni in REE piu’ basse, e con frazionamenti negativi delle LREE,
rispetto ai patterns di plagioclasi in equilibrio con fusi aggregati MORB.
Il fuso genitore di queste rocce era significativamente piu’ impoverito, depleto, in
elementi in tracce incompatibili rispetto ad un fuso aggregato MORB, cioe’ era
un incremento impoverito di fusione frazionata (vedi oltre).
LA COMPOSIZIONE IN REE DEI
FUSI ALL’EQUILIBRIO CON I
CLINOPIROSSENI DEI FILONCELLI
GABBRICI E DEI CUMULATI
FEMICI-ULTRAFEMICI
Cumulati e filo nc e lli g abbric i
100
Cpx so rg e nte
Sample/Chondrite
10
1
Cpx ro c c e
0,1
0,01
Mo de llo di fus io ne frazio nata
s o rg e nte a s pine llo
0,001
La
Ce
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
CoN Johnson
C1%
C2%
C3%
C4%
C5%
C6%
C7%
C8%
C9%
C10%
CR5/2
CR33
CR34
model Johnson 1990
Kd Johnson 1998
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
I cpx dei filoncelli gabbrici e dei cumulati femici-ultrafemici hanno REE patterns
che corrispondono a quelli di pirosseni di residui refrattari dopo circa 4-5% di
fusione frazionata di una sorgente di mantello astenosferico DMM in facies a
spinello.
Queste rocce sono magmatiche, e quindi questo confronto ha poco significato: si
deve modellizzare rispetto a fusi primari prodotti per fusione frazionata.
Cumulati e filoncelli gabbrici
100
sample/chondrite
Liquidi all'e quilibrio c o n i c px
10
0
0,02
0,04
0,06
0,1
0,15
CR34
1
Mo de llo di fus io ne frazio nata
s o rg e nte a s pine llo
0,01
0,03
0,05
0,07
0,12
CR33
CR5/2
model Ionov 2003
Kd Hart&Dunn 2003
0,1
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
I REE patterns dei liquidi calcolati all’equilibrio con i cpx dei cumulati e dei
filoncelli gabbrici corrispondono a liquidi prodotti per circa il 5-6% di fusione
frazionata di una sorgente di mantello astenosferico DMM in facies a spinello.
100
Liquidi all'equilibrio
Sample/Chondrite
MORB
10
cpx
1
Filonc e lli e
c umulati fe mic i-ultrafe mic i
0,1
La
Ce
Nd
Sm Eu
Dy
Er
Yb
I liquidi all’equilibrio con i cpx dei filoncelli gabbrici e dei cumulati femiciultrafemici hanno contenuti significativamente piu’ bassi in REE e un ben piu’
marcato frazionamento delle LREE rispetto a fusi aggegati MORB.
Questo e’ in perfetto accordo con il fatto che i liquidi primari di queste rocce
intrusive erano singoli incrementi impoveriti (5-6% di fusione) di fusione
frazionata di un mantello sorgente astenosferico DMM in facies a spinello.
FILONCELLI E CUMULATI
DISCUSSIONE
Le vene e i filoncelli si formano per cristallizzazione dei fusi che
percolano nelle duniti e vengono espulsi in vene intrusive.
Le tasche di cumulati, analogamente, rappresentano la
concentrazione di questi fusi e la loro cristallizzazione intrusiva.
I minerali magmatici dei filoncelli gabbrici e dei cumulati femiciultrafemici hanno concentrazioni impoverite negli elementi in
tracce piu’ incompatibili (LREE, Ti, Sr, Zr) e mostrano una
composizione piu’ impoverita, rispetto alla composizione dei
minerali in equilibrio con un basalto MORB e ai minerali dei
gabbri MORB oceanici ed ofiolitici. La modellizzazione geochimica
indica che la composizione in REE dei fusi all’equilibrio con la
composizione dei clinopirosseni magmatici di queste rocce mostra
patterns delle REE frazionati per le LREE, significativamente
differenti da un normale fuso aggregato MORB.
I FUSI PRIMARI DI FILONCELLI E
CUMULATI
La formazione dei fusi primari capostipiti di questi cumulati e’
stato un processo di fusione frazionata e i fusi rappresentano singoli
incrementi impoveriti di fusione, formati per gradi di fusione di
circa 5-6% di un mantello astenosferico DMM in facies a spinello.
La composizione in elementi in tracce (REE) dei minerali dei
cumulati femici-ultrafemici e dei filoncelli gabbrici indica che:
1) essi si originarono per cristallizzazione da fusi che erano stati
formati come singoli incrementi impoveriti di fusione frazionata di
un mantello astenosferico;
2) questi fusi non subirono aggregazione con altri incrementi di
fusione piu’ arricchiti in elementi incompatibili, per formare fusi
aggregati MORB;
3) Questi fusi sopravvissero isolati e non subirono processi di
interazione con la peridotite, risalendo lungo i canali di dunite.
IL PROCESSO DI INTERAZIONE
ASTENOSFERA/LITOSFERA
PER PERCOLAZIONE DI FUSI
- LA PRODUZIONE DI SINGOLI INCREMENTI IMPOVERITI
DI FUSIONE FRAZIONATA NELL’ ASTENOSFERA
- LA RISALITA DEI FUSI NEL MANTELLO LITOSFERICO
* L’IMPOVERIMENTO DEI LIVELLI PROFONDI
- Interazione fuso/peridotite (dissoluzione dei pirosseni di
mantello e cristallizzazione di olivina)
- Saturazione in opx e silice del fuso percolante
* LA RIFERTILIZZAZIONE DEI LIVELLI SUPERFICIALI
- L’arricchimento in materiale basaltico per cristallizzazione
interstiziale (aggregati microgranulari gabbro-noritici)
- L’arricchimento in elementi in tracce delle fasi di mantello
INTERAZIONE ASTENOSFERA/LITOSFERA
EROSIONE TERMOCHIMICA DEL MANTELLO
LITOSFERICO
LA PERCOLAZIONE REATTIVA E L’IMPREGNAZIONE
4 Lherzoliti a spinello
pre-impregnazione
T = 1000-1100°C
4
3
3 Mantello litosferico
impregnato-rifertilizzato
dai fusi impoveriti
T >= 1250°C
ZONA DI
IMPREGNAZIONE
2
2 Mantello litosferico
percolato per flusso
poroso reattivo dai fusi
impoveriti
ZONA DI
PERCOLAZIONE
REATTIVA
1 Fusione frazionata con
ASTENOSFERA
1
formazione di singoli
incrementi impoveriti
di fusione
INTERAZIONE ASTENOSFERA/LITOSFERA
LA PERCOLAZIONE FOCALIZZATA E L’INTRUSIONE
6 Cristallizzazione interstiziale
di plg-cpx-opx nelle duniti
Formazione di vene, dicchetti e
tasche di cumulati gabbro-noritici
.Cristallizzazione di fusi impoveriti
6
ZONA IMPREGNATA
E RIFERTILIZZATA
3
5 Formazione dei canali di dunite
5
2
Flusso focalizzato dei fusi
nei canali di dunite
Migrazione di fusi impoveriti
2 Mantello litosferico impoverito
ZONA IMPOVERITA
per dissoluzione dei pirosseni
1
ASTENOSFERA
1 Formazione di singoli incrementi
Impoveriti di fusione frazionata
L’INTRUSIONE SUPERFICIALE
LA FORMAZIONE DEI DICCHI GABBRICI E
DI PICCOLE MASSE INTRUSIVE
IN CONDIZIONI FRAGILI
Filone gabbrico con contatti rettilinei e bordi raffreddati
Filone gabbrico con contatti rettilinei e bordi raffreddati
Tasca di cumulo di olivina, con plagioclasio
interstiziale
Tasca di cumulo di olivina con plagioclasio
interstiziale
Megacristalli di clinopirosseno
in gabbro pegmatoide
I DICCHI E LE INTRUSIONI GABBRICHE
Tutte le litologie precedenti (peridotiti litosferiche, peridotiti
reattive, peridotiti a plagioclasio e canali di dunite) sono tagliate, con
contatti rettilinei, da filoni di Mg- e Fe-gabbri, a grana da grossolana
a pegmatoide, che possono raggiungere lo spessore di oltre un metro
e da intrusioni di masse decametriche di Mg- e Fe-gabbri a grana
grossolana fino a pegmatoide.
I contatti netti, e la diminuzione di grana dei gabbri presso il
contatto con l’incassante (margini raffreddati o chilled margins)
indicano che l’intrusione avvenne quando le peridotiti avevano
raggiunto livelli relativamente freddi e superficiali, e avevano un
comportamento rigido e fragile.
La presenza di Mg- e Fe-gabbri indica che i fusi capostipiti erano
evoluti per cristallizzazione secondo un trend tipo Fenner, e le
diverse rocce erano cristallizzate da fusi variamente evoluti.
LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI
IN TRACCE DEI MINERALI DEI
FILONI GABBRICI E DELLE
TASCHE DI CUMULO DI OLIVINA
Sample/Chondrite
100
Clinopirosseni
10
Clinopirosseno all'equilibrio
con un fuso aggregato MORB
1
I FILONI GABBRICI
0,1
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Y
Er
Tm
Yb
Lu
I cpx dei filoni gabbrici mostrano un grosso intervallo di concentrazione delle
REE, e frazionamenti abbastanza costanti delle LREE. L’aumento nei contenuti
delle REE indica che i cpx cristallizzarono da fusi progressivamente piu’ ricchi in
REE (e elementi incompatibili), cioe’ da fusi progressivamente piu’ differenziati.
I cpx a concentrazioni piu’ basse, cioe’ all’equilibrio con i fusi piu’ primitivi,
forse con i fusi primari, sono molto simili a cpx di fusi MORB, confermando il
carattere di fusi aggregati MORB per i fusi primari dei filoni gabbrici.
100
Sample/Chondrite
I FILONI GABBRICI
10
Plagioclasio all'equilibrio
con un fuso aggregato MORB
1
Plagioclasi
0,1
La Ce Pr
Nd
Sm Eu Gd Tb
Dy Ho
Y
Er Tm Yb Lu
I patterns REE dei plagioclasi dei filoni gabbrici mostrano concentrazioni piu’
elevate delle LREE e un frazionamento positivo delle LREE, rispetto al pattern
del plg all’equilibrio con un fuso aggregato MORB.
Questo puo’ voler dire che i fusi fusi primari capostipiti dei filoni gabbrici erano
leggermente piu’ ricchi in elementi molto incompatibili (es. le LREE).
FILONI E INTRUSIONI GABBRICHE
DISCUSSIONE
I clinopirosseni di queste rocce magmatiche hanno REE patterns
relativamente piatti dalle HREE alle MREE, con un significativo
frazionamento delle LREE. I contenuti in REE aumentano
andando dai cpx dei gabbri piu’ primitivi (M-HREE a circa 10xC1)
a quelli dei gabbri piu’ differenziati (M-HREE a circa 50xC1).
I clinopirosseni dei piu’ primitivi gabbri ad olivina hanno REE
patterns molto simili a quelli dei cpx all’equilibrio con fusi primari
MORB e di cpx degli olivin gabbri piu’ primitivi di ofioliti MORB
del sistema Alpino-Appenninico e di sequenze oceaniche MORB.
I plagioclasi hanno patterns delle REE che mostrano un
progressivo arricchimento andando dalle HREE verso le LREE e
una forte anomalia positiva in EuN: questi patterns (cioe’ il
frazionamento positivo delle LREE) sono simili a quelli di
plagioclasi in equilibrio con fusi primitivi MORB.
I FUSI PRIMARI DEI FILONI E
DELLE INTRUSIONI GABBRICHE
La modellizzazione geochimica della composizione in REE dei fusi
all’equilibrio con i gabbri olivinici piu’ primitivi indica che i fusi
primitivi dei filoni gabbrici di Monte Maggiore hanno patterns
delle REE piuttosto piatti, a valori di circa 30xC1, con un leggero
frazionamento negativo delle LREE. Questi patterns sono molto
simili a quelli di un normale fuso primitivo aggregato MORB e dei
fusi all’equilibrio con i clinopirosseni degli olivin gabbri piu’
primitivi delle sequenze ofiolitiche dell’Appennino e della Dorsale
Medio-Atlantica.
IN CONCLUSIONE, I FUSI PRIMARI DI QUESTI
DICCHI GABBRICI AVEVANO LA COMPOSIZIONE
DEI FUSI AGGREGATI MORB PRIMARI DI
SEQUENZE OCEANICHE E OFIOLITICHE.
LA SEQUENZA DEI PROCESSI DI
MANTELLO
-ACCREZIONE ALLA LITOSFERA DI MANTELLO
ASTENOSFERICO;
- RICRISTALLIZZAZIONE AL GRADIENTE REGIONALE
(facies a spinello, T = 1000-1100°C);
- FUSIONE DECOMPRESSIONALE DELL’ASTENOSFERA;
- PERCOLAZIONE REATTIVA (dissoluzione pirosseni,
formazione olivina, T > 1250°C) DEI FUSI ASTENOSFERICI
NEL MANTELLO LITOSFERICO PER FLUSSO POROSO;
- IMPREGNAZIONE DI FUSO (sostituzione di opx su ol, reazioni
opx+pl su cpx, aggregati granulari opx+pl, T = 1200°C);
- PERCOLAZIONE FOCALIZZATA IN CANALI DI DUNITE
(dissoluzione completa dei pirosseni);
- FORMAZIONE DI DICCHETTI GABBRO-NORITICI;
- FORMAZIONE DI TASCHE DI CUMULATI FEMICIULTRAFEMICI
ETA’ DEI PROCESSI DI
INTERAZIONE E DI INTRUSIONE
Dati isotopici disponibili indicano che a Monte Maggiore:
1) le peridotiti a spinello, interpretate come residui refrattari della
fusione oceanica (Rampone et al., 2005), o come peridotiti reattive
(Piccardo et al. 2004a) presentano eta’ modello Sm-Nd per questi
processi di 165+/-14 Ma;
2)l’impregnazione dei fusi MORB avvenne a 155+/-6 Ma (Rampone
e Piccardo, 2003);
3)L’intrusione dei dicchi gabbrici MORB avvenne a 162+/-10 Ma
(Rampone et al., 2005).
Questi dati, tenendo conto dell’errore di determinazione, indicano
che i processi di percolazione, di impregnazione e di intrusione dei
fusi ad affinita’ MORB furono vicini nel tempo e che i diversi
eventi magmatici furono tutti correlati allo stadio Giurassico
Medio di fusione parziale dell’astenosfera, in connessione con
l’estensione della litosfera e la risalita adiabatica dell’astenosfera.
L’EVOLUZIONE GEODINAMICA DEL
MANTELLO LITOSFERICO
In tempi pre-Giurassici, precedenti la comparsa di fuso nel sistema,
la sezione di mantello rappresentata dalle peridotiti di Monte
Maggiore apparteneva al mantello litosferico del sistema EuropaAdria, a cui si era accreta in tempi piu’ antichi, con completa
ricristallizzazione a spinello, intrusioni di pirosseniti a spinello ecc.
Durante la residenza nel mantello litosferico queste peridotiti erano
a T = 1000-1100°C, equilibrate al gradiente regionale.
Successivamente, la litosfera subi’ processi estensionali che
provocarono:
1) l’assottigliamento della litosfera, con progressiva esumazione del
mantello litosferico verso livelli piu’ superficiali;
2) la risalita adiabatica del mantello astenosferico, che subi’
processi di fusione frazionata per decompressione, con produzione
di fusi ad affinita’ MORB.
L’EVOLUZIONE “MAGMATICA” (MELTRELATED) DEL MANTELLO LITOSFERICO
I fusi prodotti risalirono nel mantello litosferico provocando:
1) la percolazione pervasiva, l’impregnazione e la percolazione
focalizzata di fusi astenosferici (singoli incrementi di fusione ad
affinita’ MORB) in condizioni “calde” (T > 1200-1250°c);
2) l’ intrusione in condizioni piu’ fredde (rigide e fragili) di fusi
aggregati MORB, che producono le litologie gabbriche classicamente
riconosciute come materiale della “crosta oceanica”.
i due eventi, ben distinti nel tempo, rappresentano due stadi
nell’evoluzione estensionale con esumazione verso la superficie del
mantello durante l’apertura del bacino:
1) uno stadio di “percolazione” e di “cattura” nel mantello
litosferico dei fusi singoli incrementi di fusione ad affinita’ MORB;
2) uno stadio “intrusivo-effusivo” di fusi aggregati MORB, che
subiscono differenziazione per cristallizzazione, con formazione delle
litologie Mg- e Fe-gabbriche, tipiche della crosta oceanica MORB.
CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
IL “FREDDO” MANTELLO LITOSFERICO (T = 1000-1100°C)
RAPPRESENTATO DALLE PERIDOTITI DI MONTE MAGGIORE
REGISTRA DUE DISTINTI CICLI DI PROCESSI “MAGMATICI”:
1) LA PERCOLAZIONE PERVASIVA, L’IMPREGNAZIONE E LA
PERCOLAZIONE FOCALIZZATA DI FUSI ASTENOSFERICI (SINGOLI
INCREMENTI DI FUSIONE AD AFFINITA’ MORB) IN CONDIZIONI
“CALDE” (T > 1200-1250°C);
2) L’ INTRUSIONE IN CONDIZIONI PIU’ FREDDE (RIGIDE E FRAGILI)
DI FUSI AGGREGATI MORB, CHE PRODUCONO LE LITOLOGIE
CLASSICAMENTE RICONOSCIUTE COME “CROSTA OCEANICA”
I DUE EVENTI, BEN DISTINTI NEL TEMPO, RAPPRESENTANO DUE
STADI NELL’EVOLUZIONE ESTENSIONALE CON ESUMAZIONE VERSO
LA SUPERFICIE DEL MANTELLO DURANTE L’APERTURA DEL
BACINO:
1) UNO STADIO DI “PERCOLAZIONE” E DI “CATTURA” NEL
MANTELLO LITOSFERICO DEI FUSI ASTENOSFERICI;
2) UNO STADIO “INTRUSIVO-EFFUSIVO” DI FORMAZIONE DI
CROSTA OCEANICA