Mantle heterogeneities in rifting-related and supra-subduction settings: examples from External Ligurian and New Caledonia ophiolites

Abstract

La Tesi si occupa di sequenze di mantello appartenenti alle ofioliti delle Liguridi Esterne e della Nuova Caledonia e mira a soddisfare due principali domande: (i) cosa sperimenta il mantello sottocontinentale durante la fase di rifting che precede l'apertura di un bacino oceanico? (ii) quali tipi di fusi percolano nel mantello di avanarco durante l'inizio della subduzione? La prima domanda è stata applicata ai corpi di mantello delle Liguridi Esterne affioranti nell'Appennino settentrionale (Italia). In questo lavoro sono state considerate due distinte sequenze di mantello, nominate Monte Sant'Agostino e Monte Gavi. Esse rappresentano il mantello litosferico sottocontinentale esposto lungo la transizione oceano-continente della Tetide Occidentale (OCT). Il primo (Monte Sant'Agostino) è caratterizzato da lherzoliti milonitiche-ultramilonitiche in facies a plagioclasio, che hanno registrato una deformazione, in assenza di fusi, connessa a delle zone di taglio litosferiche attive durante il rifting mesozoico. Al contrario, la sequenza di mantello di Monte Gavi non presenta alcuna evidenza di deformazione, ma ha sperimentato processi di reazione fuso-roccia in facies a plagioclasio. E' stato anche fatto un confronto tra le sequenze di mantello delle Liguridi Esterne ed altre esposte lungo l'OCT della Tetide Occidentale (per esempio, Lanzo, Malenco, Platta, Totalp). L'approccio di studio ha principalmente previsto (i) osservazioni petrografiche e sul terreno, (ii) analisi di elementi maggiori e in tracce in minerali e rocce totali e (iii) analisi isotopiche Sr, Nd e Hf su rocce totali e separati di clinopirosseni. Il secondo quesito di ricerca è stato applicato al mantello litosferico oceanico della Peridotite Nappe affiorante sull'isola della Nuova Caledonia (Sud-Ovest dell’Oceano Pacifico). L'ofiolite della Nuova Caledonia ospita una delle più grandi sequenze di mantello di avanarco al mondo. La sequenza è dominata da harzburgiti ultra-impoverite, localmente sormontate da cumulati mafici-ultramafici. La Tesi di Dottorato si è focalizzata sulle rocce di mantello esposte nella penisola di Bogota, situata nella parte centro-orientale dell'isola. Le harzburgiti qui affioranti registrano una deformazione di alta temperatura lungo una faglia paleo-trasforme e sono intruse da diversi tipi di pirosseniti, cioè ortopirosseniti e websteriti ad anfibolo. Una completa caratterizzazione petrologica e geochimica delle pirosseniti ha permesso di concludere che le ortopirosseniti si sono originate da liquidi ad affinità boninitica, mentre le websteriti testimoniano la presenza di fusi idrati ricchi in silice. I dicchi di Bogota studiati sono stati dedotti essere uno dei primi prodotti della percolazione di liquidi all'inizio della subduzione. Alla luce di questi risultati, vengono anche fornite nuove ipotesi sul significato della zona di taglio a scala regionale della penisola di Bogota. L'approccio di studio ha contemplato principalmente (i) osservazioni petrografiche e sul terreno, (ii) analisi su maggiori e tracce in rocce totali e fasi minerali e (iii) datazioni dell'anfibolo con il metodo 40Ar/39Ar.

This study deals with mantle sections from the External Ligurian and New Caledonia ophiolites and aims to address two main research questions: (i) what does the subcontinental mantle experience during the rifting phase preceding the opening of an ocean basin? (ii) which types of melt percolate the fore-arc mantle during the subduction inception? The first question was applied to the External Ligurian mantle bodies exposed in the Northern Apennines (Italy). Two distinct mantle sequences, named Monte Sant’Agostino and Monte Gavi, were considered in this work. They represent lithospheric mantle exposed along the Western Tethys ocean-continent transition (OCT). The former (Monte Sant’Agostino) is characterized by plagioclase facies mylonitic to ultramylonitic lherzolites, which are interpreted to record melt-absent deformation related to large-scale lithospheric shear zones active during the Mesozoic rifting. Conversely, the Monte Gavi mantle sequence bear no evidence of deformation, but experienced melt-rock reaction processes under plagioclase-facies conditions. A comparison between the External Ligurian and other mantle sequences exhumed along the Western Tethys OCT (e.g., Lanzo, Malenco, Platta, Totalp) was also discussed. The study approach primarily included (i) field and petrographic observations, (ii) major and trace elements composition of minerals and whole rocks and (iii) Sr, Nd and Hf isotopes obtained for whole rocks and separated clinopyroxenes. The second research question was applied to the oceanic lithospheric mantle of the Peridotite Nappe exposed in the New Caledonia island (SW Pacific Ocean). The New Caledonia ophiolite hosts one of the largest forearc mantle section worldwide. The sequence is dominated by ultra-depleted harzburgites, locally overlain by mafic-ultramafic cumulates. The PhD thesis focused on the mantle rocks exposed in the Bogota Peninsula, located in the central eastern part of the island. Here, the harzburgites record HT deformation along a paleotransform fault and are intruded by different types of pyroxenites, namely orthopyroxenites and amphibole websterites. A comprehensive petrological and geochemical characterisation of the pyroxenites allow to conclude that the orthopyroxenites were originated from boninite-like liquids, whereas the websterites were related to hydrous silica-rich melts. The Bogota pyroxenitic dikes were inferred to be one of the first products of liquid percolation at subduction inception. In the light of these findings, new hypothesis on the significance of the regional-scale shear zone of the Bogota Peninsula are provided as well. The study approach primarily included (i) field and petrographic observations, (ii) major and trace elements data on whole rocks and mineral phases and (iii) 40Ar/39Ar amphibole dating.