When the continental crust melts: a combined study of melt inclusions and classical petrology on the Ronda migmatites

Abstract

Melt inclusions hosted in peritectic minerals of migmatites represent a novel and powerful small-scale tool to investigate the anatexis of the continental crust. In this thesis, taking advantage of a new experimental approach developed during this work, a combined study of classical petrology and melt inclusions in migmatites was performed to characterize in detail the composition and the physical properties of anatectic melts, the fluid regimes, and the melting mechanisms and conditions during the anatexis of the metasedimentary crust located below the Ronda peridotite (Betic Cordillera, S Spain). Here, the tectonic emplacement of mantle rocks within the continental crust produced high-temperature metamorphism and partial melting in the underlying metasedimentary rocks. The investigated migmatites are quartzo-feldspathic metatexites located towards the base of the crustal sequence and quartzo-feldspathic mylonitic migmatites found close to the contact with the peridotite. The petrologic study was made by petrographic observations, compositional characterization of minerals and bulk rocks, conventional thermobarometry and pseudosection calculations. The quartzo-feldspathic migmatites are mainly composed of Qtz + Pl + Kfs + Bt + Sil + Grt and probably derived from a greywacke protolith. Muscovite, very rare in the metatexites, is absent in the mylonites. Graphite is present in all migmatites. The former presence of melt is recorded by melt inclusions and melt pseudomorphs at the microscale, and by peraluminous leucogranitic leucosomes at the mesoscale. The changes in phase compositions and modal contents from the metatexites to the mylonites, along with thermobarometric calculations and pseudosection modelling, are consistent with an increase of melting conditions and degree towards the contact with the peridotite. Melt inclusions have been found in peritectic garnets of the investigated quartzo-feldspathic migmatites. A detailed study was carried out to characterize the microstructural features of melt inclusions and their chemical composition by microscope observation, FESEM imaging, piston cylinder experimental remelting, Raman and EMP analyses. The inclusions are primary in origin and were trapped within peritectic garnet during crystal growth. They are very small in size, mostly ≤ 10 µm, and typically show a well-developed negative crystal shape. Three types of inclusions were identified: totally crystallized (nanogranites), partially crystallized and preserved glassy inclusions. Crystallized melt inclusions contain a granitic phase assemblage with quartz, feldspars and micas. In this study, a new approach for the experimental re-homogenization of melt inclusions was developed, performing remelting experiments at 5 kbar pressure using a piston cylinder apparatus. At the minimum re-homogenization temperature of 700 °C, most melt inclusions are completely re-homogenized. Conversely, melt inclusions display decrepitation cracks and CO2 bubbles when remelted at higher experimental temperatures. For the first time, a pseudosection was constructed using the bulk composition of the fully re-homogenized melt inclusions from the metatexites. This approach constrained the melt entrapment at temperature close to the minimum re-homogenization temperature (T ~700 °C). The composition of those melt inclusions re-homogenized at 700 °C is comparable to that of preserved glassy inclusions in the same rock. In general all the studied melt inclusions in the migmatites and mylonites have peraluminous leucogranitic compositions. However, inclusions in the mylonites (mostly glassy) display quite variable Na2O/K2O and have lower primary H2O contents (1.0-2.6 wt%) than melt inclusions in the metatexites (3.1-7.6 wt%). Combining information from the melt inclusions and from the classical petrology allowed a better understanding of the melting processes occurred in the crustal sequence below the Ronda peridotite. The data collected in this study suggest that the crustal melting at Ronda mainly occurred under H2O-undersaturated conditions by the continuous Bt dehydration melting reaction and at temperatures that did not exceed ~800 °C. In the metatexites, towards the base of the crustal sequence, crustal anatexis likely started at the solidus (T ~700 °C) in presence of H2O-rich intergranular fluids. The growing peritectic garnets entrapped melt droplets produced at slightly different temperatures, whose composition was mainly diffusion-controlled. Melt inclusions seem to record the evolution of melt composition during prograde anatexis. Conversely, most of the peraluminous leucogranitic leucosomes are primary melts produced at, or close to, the metamorphic peak. The anatectic melts at Ronda have viscosity values greater than those commonly considered for granitic melts formed at the same P-T conditions, implying much longer timescales for melt extraction and ascent through the metasedimentary crust at Ronda, as well as much greater strength of the migmatites.

The consistency of the collected compositional data along with the careful multidisciplinary approach adopted in this research, indicate that melt inclusions in peritectic minerals from migmatites represent a unique microstructure where anatexis is recorded and can be characterized in situ, in its earliest stage.

Le inclusioni di fuso silicatico in minerali peritettici di migamtiti rappresentano un nuovo strumento a disposizione dei petrologi per studiare il processo di anatessi della crosta continentale. Nel presente lavoro di tesi, grazie ad un nuovo approccio sperimentale sviluppato durante questa ricerca, è stato condotto uno studio combinato di petrologia classica ed inclusioni di fuso silicatico in migmatiti, per caratterizzare in dettaglio la composizione e le proprietà fisiche dei fusi anatettici, i regimi fluidi e le condizioni e i meccanismi di fusione durante l’anatessi della crosta meta sedimentaria, che si trova al di sotto delle peridotiti di Ronda (Cordigliera Betica, Spagna meridionale). In questa zona, l’impilamento tettonico di porzioni di mantello litosferico al di sopra di successioni di crosta continentale ha prodotto un metamorfismo di alta temperatura e innescato processi di fusione parziale nelle sottostanti rocce metasedimentarie. Le migmatiti studiate sono costituite da metatessiti quarzo feldspatiche, che affiorano verso la base delle sequenza crostale e da migmatiti milonitiche quarzo feldspatiche presenti in prossimità del contatto con le peridotiti. Lo studio petrologico è stato condotto attraverso osservazioni petrografiche, caratterizzazione composizionale dei minerali e delle rocce, termobarometria convenzionale e pseudosezioni. Le migmatiti sono principalmente composte da Qtz + Pl + Kfs + Bt + Sil + Grt e probabilmente derivano da grovacche. La muscovite è rara nelle metatessiti e scompare nelle miloniti. La grafite è presente in tutte le rocce. La presenza di fuso anatettico nelle rocce studiate è testimoniata alla microscala da inclusioni di fuso silicatico e dalle pseudomorfosi di minerali su originari film di fuso e alla mesoscala da leucosomi leucogranitici peralluminosi. Le variazioni delle composizioni dei minerali e dei contenuti modali, i risultati dei calcoli termobarometrici e delle pseudosezioni indicano un aumento delle condizioni e del gradi di fusione dalla base della sequenza crostale verso il contatto con le peridotiti. Le inclusioni di fuso silicatico sono state rinvenute nei granati peritettici delle migmatiti. La petrografia, le microstrutture e la composizione chimica delle inclusioni sono state caratterizzate attraverso l’uso del microscopio ottico e del microscopio elettronico a scansione con sorgente ad emissione di campo (FESEM), la rifusione sperimentale con piston cylinder e le analisi alla microsonda elettronica (EMP) e in spettroscopia Raman. Le inclusioni di fuso silicatico hanno un’origine primaria e sono state intrappolate durante la crescita del granato. Esse hanno dimensioni ≤ 10 µm e spesso mostrano un’evidente forma a cristallo negativo. All’interno dello stesso granato, sono state individuate tre tipologie di inclusioni: completamente cristallizzate (nanograniti), parzialmente cristallizzate ed inclusioni vetrose preservate. Le inclusioni cristallizzate contengono una paragenesi mineralogica granitica caratterizzata da quarzo, feldspati e miche. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un nuovo approccio per la riomogeneizzazione sperimentale delle inclusioni di fuso silicatico, effettuando esperimenti di rifusione a 5 kbar di pressione con il piston cylinder. Alla temperatura minima di rifusione di 700 °C, molte delle inclusioni nei granati sono completamente riomogeneizzate. Le inclusioni invece sono decrepitate e contengono bolle di CO2 quando vengono rifuse a più alta temperatura. Per la prima volta è stata costruita una pseudosezione utilizzando la composizione delle inclusioni completamente riomogeneizzate presenti nella metatessite. La pseudosezione indica temperature di intrappolamento del fuso silicatico molto vicine a quella minima di rifusione delle inclusioni (T ~700 °C). La composizione delle inclusioni riomogeneizzate a 700 °C è simile a quella delle inclusioni vetrose preservate nella stessa roccia. In generale, tutte le inclusioni di fuso silicatico nelle metatessiti e nelle miloniti hanno composizioni leucogranitche peralluminose. Tuttavia, molte delle inclusioni vetrose nella milonite mostrano un rapporto Na2O/K2O variabile e hanno contenuti primari di H2O (1.0-2.6 wt%) più bassi delle inclusioni nella metatessite (3.1-7.6 wt%). Una miglior comprensione dei processi di fusione si può avere combinando le informazioni ottenute dalle inclusioni di fuso silicatico e quelle dallo studio petrologico. I dati ottenuti in questo studio indicano che la fusione crostale a Ronda è avvenuta principalmente attraverso le reazione di fusione continua di deidratazione della biotite in condizioni di sottosaturazione di H2O, a temperature più basse di 800 °C. Nelle metatessiti, verso la base della successione crostale, la fusione probabilmente è iniziata al solidus (T ~700 °C) in presenza di una fase intergranulare ricca in H2O. Il granato peritettico che stava crescendo ha intrappolato delle piccole porzioni di fuso anatettico prodotto a temperature leggermente diverse, le cui composizioni erano controllate principalmente dalla diffusione. Le inclusioni sembrano registrare l’evoluzione della composizione del fuso durante la storia prograda. Molti leucosomi leucogranitici peralluminosi, invece, rappresentano dei fusi primari prodotti in condizioni prossime a quelle del picco metamorfico. I fusi anatettici a Ronda hanno una viscosità più alta di quella comunemente considerata per fusi granitici prodotti alle stesse condizioni di pressione e temperatura. Questa caratteristica implica tempi molto più lunghi per l’estrazione di questi fusi anatettici e la loro ascesa attraverso la crosta metasedimentaria.

La consistenza dei dati composizionali ottenuti e l’accurato approccio multidisciplinare adottato in questa ricerca indicano che le inclusioni di fuso silicatico in minerali peritettici da migmatiti rappresentano l’unico strumento con cui studiare e caratterizzare le fasi più precoci dell’anatessi crostale.