Geochemical and Sr, Nd, Pb isotope investigation of the New Caledonia ophiolite

Abstract

The New Caledonia ophiolite hosts one of the largest obducted mantle section in the world, hence providing a unique insight for the study of upper mantle processes. These mantle rocks belong to an “atypical” ophiolitic sequence, which is dominated by refractory harzburgites but it also includes minor spinel and plagioclase lherzolites. Upper crust is notably absent in the ophiolite, with the exception of some mafic-ultramafic cumulates cropping out in the southern part of the island. Although the New Caledonia ophiolite has been under investigation for decades, its ultra-depleted nature has made its characterization an analytical challenge, so that few trace element data are available, while isotopic data are completely missing. In this thesis a comprehensive geochemical study (major, trace element and Sr-Nd-Pb isotopes) of the peridotites and the associated intrusive mafic rocks from the New Caledonia ophiolite has been carried out. The peridotites are low-strain tectonites showing porphyroclastic textures. Spinel lherzolites are undepleted lithotypes, as attested by the presence of 7-8 vol% of Na2O and Al2O3-rich clinopyroxene (up to 0.5 wt% Na2O; 6.5 wt% Al2O3), Fo content of olivine (88.5-90.0 mol%) and low Cr# of spinel (13-17). Conversely, harzburgites display a refractory nature, proven by the remarkable absence of primary clinopyroxene, very high Fo content in olivine (90.9-92.9 mol%), high Mg# in orthopyroxene (89.8-94.2) and Cr# in spinel (39-71). REE contents show abyssal-type patterns for spinel lherzolites, while harzburgites display U-shaped patterns, typical of fore-arc settings. Spinel lherzolites REE compositions are consistent with relatively low degree (8-9%) of fractional melting of a DMM source, starting in the garnet stability field. Conversely, REE models for harzburgites indicate high melting degrees (20-25%) of a DMM mantle source under spinel faies conditions, consistent with hydrous melting in forearc setting. Plagioclase lherzolites exhibit melt impregnation microtextures, Cr- and TiO2-enriched spinels and REE, Ti, Y, Zr progressive increase with respect to spinel lherzolites. Impregnation models indicate that plagioclase lherzolites may derive from spinel lherzolites by entrapment of highly depleted MORB melts in the shallow oceanic lithosphere. Mafic intrusives are olivine gabbronorites with a very refractory composition, as attested by high Fo content of olivine (87.3-88.9 mol.%), very high Mg# of clinopyroxene (87.7-92.2) and extreme anorthitic content of plagioclase (An = 90-96 mol%). The high Mg#, low TiO2 concentrations in pyroxenes and the anorthitic composition of plagioclase point out an origin from ultra-depleted primitive magmas in a convergent setting. Geochemical trace element models show that the parental melts of gabbronorites are primitive magmas with striking depleted compositions, bearing only in part similarities with the primitive boninitic melts of Bonin Islands. The first Sr, Nd and Pb isotope data obtained for the New Caledonia ophiolite highlight the presence of DM mantle source variably modified by different processes. Nd-Sr-Pb isotopic ratios for the lherzolites (+6.98≤epsilon Ndi≤+10.97) indicate a DM source that suffered low-temperature hydrothermal reactions. Harzburgites are characterized by a wide variation of Sr, Nd and Pb isotopic values, extending from DM-type to EM2 compositions (-0.82≤ epsilon Ndi≤+17.55), suggesting that harzburgite source was strongly affected by subduction-related processes. Conversely, combined trace element and Sr-Nd-Pb isotopic data for gabbronorites indicate a derivation from a source with composition similar to Indian-type mantle, but affected by fluid input in subduction environment. These geochemical features point out an evolution in a pre-Eocenic marginal basin setting, possibly in the proximity of a transform fault, for the lherzolites. Conversely, the harzburgites acquired their main geochemical and isotopic fingerprint in subduction zone setting.

Il complesso ofiolitico della Nuova Caledonia ospita una delle più vaste sezioni di mantello oceanico obdotte sulla Terra, fornendo quindi un’occasione unica per lo studio dei processi che avvengono nel mantello superiore. Queste rocce di mantello appartengono ad una sequenza ofiolitica “atipica”, la quale é dominata da harzburgiti refrattarie e, in minor misura, da lherzoliti a spinello e plagioclasio. Le rocce appartenenti alla crosta superiore, invece, sono completamente assenti, ad eccezione di qualche sporadico cumulato mafico e ultramafico affiorante nella parte meridionale dell’isola. Sebbene questa sequenza ofiolitica sia stata oggetto di studio per diversi decenni, tuttavia una sua accurata caratterizzazione geochimica é sempre risultata inaccessibile a causa natura ultra-impoverita delle sue rocce. Pertanto, ad oggi, nella letteratura scientifica sono presenti solo pochi dati geochimici relativi agli elementi in traccia, mentre i dati isotopici sono completamente assenti. In questo lavoro di tesi é stato condotto uno studio comprensivo (elementi maggiori, elementi in traccia e isotopi di Sr, Nd, Pb) sulle peridotiti e sulle rocce mafiche intrusive associate appartenenti alla falda ofiolitica della nuova Caledonia. Le peridotiti sono tettoniti “low strain” caratterizzate da tessiture porfiroclastiche. Le lherzoliti a spinello hanno natura poco impoverita, come attestato dalla presenza di clinopirosseno (7-8 vol.%) ricco in Na2O e Al2O3 (Na2O sino al 0.5 wt.% e Al2O3 sino a 6.5 wt.%), dal contenuto in fosterite dell’olivina (88.5-90.0 mol.%) e dal basso Cr# dello spinello (13-17). Al contrario, le harzburgiti mostrano una natura refrattaria, comprovata dall’assenza del clinopirosseno primario in queste litologie, dal’altissimo contenuto di fosterite nell’olivina (90.9-92.9 mol.%), dall’alto Mg# nell’ortopirosseno (89.8-94.2) e Cr# nello spinello (39-71). Le concentrazioni degli elementi delle Terre Rare (REE) mostrano andamenti tipici di peridotiti abissali per le lherzoliti, mentre le harzburgiti sono contraddistinte da andamenti a “forma di U”, tipicamente osservati nelle peridotiti di ambiente di avanarco. Le composizioni delle REE delle lherzoliti a spinello rispecchiano un basso grado di fusione frazionata (8-9%) di una sorgente depleta di tipo MORB, con inizio della fusione nel campo di stabilità del granato. Diversamente, i modelli delle REE per le harzburgiti indicano altissimi gradi di fusione (20-25%) di un mantello impoverito di tipo MORB in condizioni di stabilità dello spinello, tipico di una fusione idrata in ambiente di avanarco.Le lherzoliti a plagioclasio mostrano microtessiture di impregnazione, spinelli arricchiti in in Cr2O3 e TiO2 e un progressivo arricchimento in REE, Ti, Y e Zr rispetto alle lherzoliti a spinello. I modelli di impregnazione indicano che le lherzoliti a plagioclasio si sono originate a spese delle lherzoliti a spinello precedentemente impoverite attraverso processi di intrappolamento di fusi MORB altamente impoveriti nella litosferica oceanica. Le rocce intrusive mafiche sono gabbronoriti a olivina con una composizione altamente refrattaria, come attestato dall’alto contenuto in fosterite dell’olivina (87.3-88.9 mol.%), dall’altissimo Mg# del clinopirosseno (87.7-92.2) e dalla composizione estremamente anortitica del plagioclasio (An = 90-96 mol%). L’alto Mg#, il basso tenore in TiO2 dei pirosseni e la composizione anortitica del plagioclasio evidenziano un’origine da fusi primitivi ultra impoveriti in contesto geodinamico convergente. I modelli delle REE e degli elementi in traccia mostrano che i fusi da cui si sono originate le gabbronoriti erano magmi primitivi con composizioni altamente impoverita, solo parzialmente simili ai magmi primitivi rinvenuti nelle Isole Bonin. I primi dati isotopici di Sr, Nd e Pb ottenuti per l’ofiolite della Nuova Caledonia evidenziano la presenza di una sorgente mantellica impoverita di tipo MORB, variamente modificata da differenti tipi di processi. I rapporti isotopici di Sr, Nd e Pb per le lherzoliti (+6.98≤epsilon Ndi≤+10.97) indicano la presenza di una sorgente tipo mantello MORB depleto che è stata sottoposta a idrotermalismo di bassa temperature. Le harzburgiti sono invece caratterizzate da un’ampia variazione dei valori isotopici di Sr, Nd e Pb, che si estendono da composizioni tipiche del mantello impoverito (DM) a composizioni tipo EM2 (“enriched mantle 2”) arricchite (-0.82≤ espsilon Ndi≤+17.55). Questi ampi intervalli di composizione isotopica indicano che la sorgente delle harzburgiti è stata fortemente coinvolta nei processi subduttivi. Contrariamente, l’insieme dei dati degli elementi in traccia e degli isotopi di Sr-Nd-Pb suggerisce per le gabbronoriti una derivazione da una sorgente con composizioni simili ad un mantello di tipo Indiano, ma affetto da contaminazione da parte di fluidi in ambiente subduttivo. Queste caratteristiche geochimiche indicano per le lherzoliti una possibile evoluzione in ambiente in bacino marginale pre-Eocenico, possibilmente in prossimità di una faglia trasforme. Al contrario le harzburgiti avrebbero acquisito le loro caratteristiche geochimiche e isotopiche in ambiente geodinamico di subduzione.

L’ophiolite de Nouvelle Calédonie présente une des plus grandes sections de manteau océanique obductées au monde, offrant une perspective unique pour l’étude des processus du manteau supérieur. Les roches du manteau appartiennent à une séquence ophiolitique “atypique”, dominée par des harzburgites réfractaires avec quelques lherzolites à spinelle et à plagioclase. À l'exception de quelques cumulats mafiques-ultramafiques, la partie crustale de l'ophiolite est totalement absente. Cette ophiolite a été étudiée depuis plusieurs décennies, toutefois sa nature ultra-appauvrie a rendu très difficile une caractérisation géochimique détaillée. La littérature scientifique ne regroupe que quelques données sur les éléments en trace et les données isotopiques sont totalement inexistantes. Dans ce travail de thèse, une étude géochimique exhaustive (éléments majeurs, en trace et isotopes Sr-Nd-Pb) des péridotites et des roches mafiques associées à l’ophiolite a été réalisée. Les péridotites sont des tectonites avec des textures porphyroclastiques. Les lherzolites à spinelle ont 7-8 vol% de clinopyroxène riche en Na2O et Al2O3 (jusqu’à Na2O 0.5 wt%; 6.5 wt% Al2O3), teneur en Fo de l’olivine de 88.5 à 90.0 mol%, bas valeurs du Cr# du spinelle (13-17), attestant la nature fertiles de ces roches. A l’inverse les harzburgites costituent des roches très réfractaires : ils ne contiennent pas de clinopyroxène primaire et les teneurs en Fo de l’olivine (90.9-92.9 mol%), le Mg# de l’orthopyroxène et le Cr# du spinelle (39-71) sont élevés. Les spectres de concentrations en REE présentent des caractéristiques typiques de formation dans un environnement abyssal pour les lherzolites à spinelle, alors que les harzburgites ont des spectres en U typiques d’environnement d’avant-arc. Les compositions en REE des lherzolites à spinelle sont compatibles avec un bas degré de fusion fractionnée (8-9%) d'une source DMM, commençant dans le domaine de stabilité du grenat. Au contraire les concentrations en REE des harzburgites indiquent un haut degré de fusion d’une source DMM, en accord avec une fusion hydratée en environnement d’avant-arc. Les lherzolites à plagioclase présentent des microtextures d’imprégnation, des spinelles riches en Cr2O3 et TiO2 et un enrichissement progressif en REE, Ti, Y, Zr. Les models des elements en trace indiquent que les lherzolites à plagioclase résultent des lherzolites à spinelle par séquestration des liquides MORB très appauvris au sein de la lithosphere oceanique. Les roches intrusives sont des gabbronorites à olivine avec des compositions très appauvries (87.3≤Fo ol≤88.9 mol.%, 87.7≤Mg# Cpx≤92.2, An Pl=90-96 mol%). Le haut Mg#, le bas teneur de TiO2 des pyroxènes, la composition en anorthite du plagioclase et le models des éléments en trace montrent que les magmas parents des gabbronorites sont des magmas primitifs, très appauvries, formés dans un environnement de subduction. Les premières données isotopiques Sr-Nd-Pb mettent en évidence l’existence d’une source du type manteau DM modifiée par différents processus. Les isotopes du Sr-Nd-Pb obtenus pour les lherzolites indiquent une source DM (+6.98≤ epsilon Ndi≤+10.97) affecté par de l’hydrothermalisme de basse température. Les harzburgites sont caracterisées par une grande variation des valeurs isotopiques du Sr, Nd et Pb, avec des rapports s’étendant depuis de compositions de type DM jusqu’à des valeurs typiques du réservoir EM2 (-0.82≤ epsilon Ndi≤+17.55), indiquent que la source a été fortement affectée par des processus associés à la subduction. Inversement, pour le roches mafiques l’ensemble trace-isotopes du Sr-Nd-Pb suggérent une source mantellique homogène de composition similaire au manteau Indienne, affecté par circulation de fluids dans l’environment de subduction. En conclusion, les caractéristiques geochimiques des lherzolites indiquent une évolution en environnement de bassin marginal, à proximité d'une faille transformante, alors que les harzburgites auraient acquis leurs principales empreintes géochimiques et isotopiques en environnement de subduction.