Giovanni B. PICCARDO PROCESSI DI MANTELLO NELLE PERIDOTITI OFIOLITICHE DI MONTE MAGGIORE (CORSICA)

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1 Giovanni B. PICCARDO PROCESSI DI MANTELLO NELLE PERIDOTITI OFIOLITICHE DI MONTE MAGGIORE (CORSICA)

2 I DIVERSI TIPI DI ROCCE FEMICHE- ULTRAFEMICHE 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 FEMICI- ULTRAFEMICI, associati alle duniti a spinello; - FILONI GABBRICI E TASCE GABBRICHE DI CUMULO

3 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

4 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.

5 ALCUNE EVIDENZE DI TERRENO

6 Peridotite a plagioclasio fortemente impregnata

7 Peridotite a plagioclasio fortemente impregnata e foliata, tagliata da un filoncello gabbrico posteriore

8 Contatto netto fra una peridotite a spinello reattiva granulare e una banda di dunite a spinello

9 Banda decimetrica di dunite a spinello di sostituzione in peridotite impregnata a plagioclasio

10 Contatto fra banda di dunite a spinello di sostituzione e peridotite a plagioclasio fortemente impregnata

11 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

12 Il fuso intergranulare cristallizza anche cpx, cioe si forma un film gabbrico

13 Il film gabbrico aumenta di dimensioni e diventa una vena o un piccolo filoncello

14 Vena-filoncello gabbrico nella dunite di sostituzione

15 Filoncello gabbrico lungo il contatto fra dunite e peridotite impregnata a plagioclasio

16 Cumulati femici-ultrafemici stratificati: sono evidenti bande di cumulati a olivina e pirosseni (ultrafemiche) e livelli ricchi di plagioclasio.

17 Strato magmatico a composizione variabile: a destra e ultrafemico, al centro gabbrico e a sinistra a plagioclasio prevalente

18 Cumulato magmatico a composizione gabbrica: notare che i pirosseni sono idiomorfi e il plagioclasio e interstiziale

19 LE LHERZOLITI LITOSFERICHE A SPINELLO

20 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 Mg- Tschermakitiche, sotto forme di spinello, da un precedente opx piu alluminifero, stabile a temperature piu elevate.

21 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

22 LE HARZBURGITI GRANULARI A SPINELLO

23 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.

24 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

25 LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI IN TRACCE (REE) DEI MINERALI DELLE HARZBURGITI REATTIVE A SPINELLO

26 100 PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO 10 Plg-peridotiti cpx Sample/Chondrite 1 Plg-peridotiti Sp-peridotiti Sp-peridotiti opx 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.

27 100 Sample/Chondrite ,1 0,01 opx Plg-peridotiti cpx Sp-peridotiti Plg-peridotiti Sp-peridotiti 0,001 PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO Nb Ta La Ce Sr Pr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Ti Dy Ho Y Er Tm Yb Lu Sc V Cr

28 LA COMPOSIZIONE IN REE DEI FUSI ALL EQUILIBRIO CON I CLINOPIROSSENI DELLE HARZBURGITI REATTIVE A SPINELLO

29 100 Peridotiti reattive a spinello 10 Cpx sorgente Sample/Chondrite 1 0,1 CoN Johnson C1% C2% C3% C4% C5% C6% C7% C8% C9% C10% Sp-peridotite 0,01 Modello di fusione frazionata sorgente a spinello model Johnson 1990 Kd Johnson ,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%.

30 100 Peridotiti reattive a spinello Liquido all equilibrio con cpx sample/chondrite ,1 Modello di fusione frazionata Sorgente a spinello 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 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy 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.

31 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.

32 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.

33 LE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO

34 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).

35 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 MICRO- GABBRICO DERIVANO DALL IMPREGNAZIONE DI PERIDOTITI A SPINELLO DA PARTE DI UN FUSO SATURO IN SILICE

36 LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI IN TRACCE DEI MINERALI DELLE PERIDOTITI IMPREGNATE A PLAGIOCLASIO

37 100 PERIDOTITI A SPINELLO E A PLAGIOCLASIO 10 Plg-peridotiti cpx Sample/Chondrite 1 Plg-peridotiti Sp-peridotiti Sp-peridotiti opx 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.

38 LA COMPOSIZIONE IN REE DEI FUSI ALL EQUILIBRIO CON I CLINOPIROSSENI DELLE PERIDOTITI A PLAGIOCLASIO

39 100 Peridotite a plagioclasio Cpx di pe ridotite a plagioclasio 10 Sample/Chondrite 1 0,1 0,01 Mode llo di fusione frazionata sorge nte a spine llo CoN Johnson C1% C2% C3% C4% C5% C6% C7% C8% C9% C10% Plg-peridotite model Johnson 1990 Kd Johnson ,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.

40 100 Pe rido tite a plagio clasio Liquido all equilibrio con cpx sample/chondrite ,1 model Ionov 2003 Kd Hart&Dunn 2003 Modello di fusione frazionata Sorgente a spinello 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,1 0,12 0,15 CC2 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.

41 100 Pe rido tite a plagio clasio Liquido all'e quilibrio con cpx sample/chondrite ,1 model Ionov 2003 Kd Vannucci 1998 Modello di fusione frazionata Sorgente a spinello 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,1 0,12 0,15 CC2 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.

42 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.

43 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 C). Cio implica che il mantello litosferico relativamente freddo (T = 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.

44 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.

45 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

46 LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI IN TRACCE DEI MINERALI DEI FILONCELLI GABBRICI E DEI CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI

47 100 FILONCELLI GABBRICI cpx 10 Sample/Chondrite 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.

48 100 CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI cpx 10 Sample/Chondrite 1 opx 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.

49 Clinopirosseno in equilibrio con un fuso aggregato MORB Sample/Chondrite 1 0,1 Clinopirosse ni de i filonce lli e de i cumulati fe mici-ultrafe mici 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).

50 Plagioclasi de i filonce lli e de i cumulati fe mici-ultrafe mici Sample/Chondrite 1 Plagioclasio in equilibrio con un fuso aggregato MORB 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).

51 LA COMPOSIZIONE IN REE DEI FUSI ALL EQUILIBRIO CON I CLINOPIROSSENI DEI FILONCELLI GABBRICI E DEI CUMULATI FEMICI-ULTRAFEMICI

52 100 Cumulati e filo nce lli g abbrici 10 Cpx sorgente Sample/Chondrite 1 0,1 0,01 0,001 Cpx rocce Modello di fusione frazionata sorgente a spinello CoN Johnson C1% C2% C3% C4% C5% C6% C7% C8% C9% C10% CR5/2 CR33 CR34 model Johnson 1990 Kd Johnson 1998 La Ce Nd Sm Eu Gd Tb Dy 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.

53 100 Cumulati e filoncelli gabbrici Liquidi all'e quilibrio con i cpx sample/chondrite ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,1 0,12 0,15 CR33 CR34 CR5/2 0,1 Mode llo di fusione frazionata sorge nte a spine llo model Ionov 2003 Kd Hart&Dunn 2003 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.

54 100 MORB Liquidi all'equilibrio Sample/Chondrite 10 1 cpx 0,1 Filonce lli e cumulati fe mici-ultrafe mici 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.

55 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.

56 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.

57 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

58 INTERAZIONE ASTENOSFERA/LITOSFERA EROSIONE TERMOCHIMICA DEL MANTELLO LITOSFERICO LA PERCOLAZIONE REATTIVA E L IMPREGNAZIONE 4 Lherzoliti a spinello pre-impregnazione T = C ZONA DI IMPREGNAZIONE Mantello litosferico impregnato-rifertilizzato dai fusi impoveriti T >= 1250 C ZONA DI PERCOLAZIONE REATTIVA 2 2 Mantello litosferico percolato per flusso poroso reattivo dai fusi impoveriti ASTENOSFERA 1 1 Fusione frazionata con formazione di singoli incrementi impoveriti di fusione

59 INTERAZIONE ASTENOSFERA/LITOSFERA LA PERCOLAZIONE FOCALIZZATA E L INTRUSIONE ZONA IMPREGNATA E RIFERTILIZZATA Cristallizzazione interstiziale di plg-cpx-opx nelle duniti Formazione di vene, dicchetti e tasche di cumulati gabbro-noritici Cristallizzazione. di fusi impoveriti 5 Formazione dei canali di dunite Flusso focalizzato dei fusi nei canali di dunite Migrazione di fusi impoveriti ZONA IMPOVERITA 2 Mantello litosferico impoverito per dissoluzione dei pirosseni ASTENOSFERA 1 1 Formazione di singoli incrementi Impoveriti di fusione frazionata

60 L INTRUSIONE SUPERFICIALE LA FORMAZIONE DEI DICCHI GABBRICI E DI PICCOLE MASSE INTRUSIVE IN CONDIZIONI FRAGILI

61 Filone gabbrico con contatti rettilinei e bordi raffreddati

62 Filone gabbrico con contatti rettilinei e bordi raffreddati

63 Tasca di cumulo di olivina, con plagioclasio interstiziale

64 Tasca di cumulo di olivina con plagioclasio interstiziale

65 Megacristalli di clinopirosseno in gabbro pegmatoide

66 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.

67 LA COMPOSIZIONE IN ELEMENTI IN TRACCE DEI MINERALI DEI FILONI GABBRICI E DELLE TASCHE DI CUMULO DI OLIVINA

68 100 Clinopirosseni Sample/Chondrite 10 1 Clinopirosseno all'equilibrio con un fuso aggregato MORB 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.

69 100 I FILONI GABBRICI Sample/Chondrite 10 1 Plagioclasio all'equilibrio con un fuso aggregato MORB 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).

70 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 Eu N : questi patterns (cioe il frazionamento positivo delle LREE) sono simili a quelli di plagioclasi in equilibrio con fusi primitivi MORB.

71 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.

72 LA SEQUENZA DEI PROCESSI DI MANTELLO -ACCREZIONE ALLA LITOSFERA DI MANTELLO ASTENOSFERICO; - RICRISTALLIZZAZIONE AL GRADIENTE REGIONALE (facies a spinello, T = 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 FEMICI- ULTRAFEMICI

73 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.

74 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 Europa- Adria, 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 = 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.

75 L EVOLUZIONE MAGMATICA (MELT- RELATED) 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 > 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.

76 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE IL FREDDO MANTELLO LITOSFERICO (T = 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 > 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