Metasomatic and hydration processes in the lower crust: Implications of melt flow on crustal evolution

This thesis goal is to examine the consequences of lower crustal (external) melt flow in mafic granulites of gabbronoritic composition, on the transportation and enrichment of the incompatible metals and rare elements, the geodynamic implications (e.g., post-collisional extension, rifting, etc.) and the general hydration of the lower crust and how these are related to the process of stealth metasomatism. This work is based on detailed petrographical and microstructural observations, field evidence and analyses coupled with minerochemical chemistry of major, minor and trace elements. Field evidence and thin section rock fabric suggest a previous presence of a melt phase. The minerals that are related to the melt flow are elongated amphibole (Ti-pargasite) that also defines the foliation and interstitial thin plagioclase films (An-rich plagioclase) occurring between the grain boundaries of spinel and/or magnetite and clinopyroxene. Minerochemical analyses and thin section petrography show that there are several generations of the recorded mineral paragenesis in the mafic granulites (Pl + Amp + Opx + Cpx). The first generation consists of large crystals exhibiting lobate grain boundaries and are generally coarse grained (grain size range 2–9 mm) whilst the second generation includes minerals that form triple joints and are significantly reduced in grain size (grain size < 0.5 mm). Interstitial amphibole and Ca-rich plagioclase constitute the metasomatic phases presenting i) low dihedral angles that invade other mineral grain boundaries and ii) shape preferred orientation, suggesting that the stealth metasomatism is also considered a syn-tectonic event. The stealth metasomatism occurred in suprasolidus conditions by a pervasive reactive porous flow, when the system was in a mafic crystal mush status. The reactive flow started as porous flow along the mineral grain boundaries forming amphibole while partly replacing the clinopyroxene, then evolving into a pervasive channelled flow along hornblenditic conduits that possibly could be represented by former coarse-grained pyroxenitic bands in the mafic intrusion. The metasomatic melts have a chemical composition similar to the ones intruding other localities in the Ivrea–Verbano Zone (e.g., Finero Complex) and are characterized by an orogenic affinity. The metasomatic melts were most probably mantle–derived characterized by a (hydrous) basaltic composition. The metasomatic melts were hydrous enough to crystallize amphibole at the expense of clinopyroxene and they probably could originate from the partial melting of a previously metasomatized mantle protolith that contained clinopyroxene. The stealth metasomatism has affected both amphibole and clinopyroxene, enriching them in almost every trace element and all rare earth elements suggesting that the mantle protolith had also already been enriched in all these elements. Microstructural analyses coupled with LA-ICP-MS data show that the interstitial amphibole, as well as the porphyroclastic and neoblastic rims present elevated concentrations in incompatible metals such as Cu and in a lesser degree Zn. It is inferred that the widespread stealth metasomatism not only is responsible for the modal metasomatism of mafic rocks (e.g., formation of amphibole) but is also the dominant process for the “cryptic enrichment” for these minerals. The obtained results allow to conclude that the stealth metasomatism led to the vast hydration of the lower crust and the rapid change of its rheological state from rigid to plastic. This change ultimately drove the Triassic extension of the Variscan lower crust in the post-orogenic phase and set the basis for the beginning of the Alpine cycle. Furthermore, it is responsible for the mobilization of metallic elements of significant economic value that can be deposited as ore deposits in the middle and upper layers of the continental crust.

Lo scopo di questa tesi è esaminare le conseguenze del flusso di fusione nella crosta inferiore sui granuliti mafici di composizione gabbronoritica, con particolare attenzione al trasporto e all'arricchimento di metalli incompatibili e elementi rari, alle implicazioni geodinamiche (ad esempio, estensione post-collisione, rifting) e all'idratazione della crosta inferiore, e come questi fenomeni siano correlati al metasomatismo nascosto. Questo lavoro si basa su osservazioni petrografiche e microstrutturali, prove sul campo e analisi chimiche di elementi principali, minori e in traccia. I dati sul campo e le osservazioni delle sezioni sottili rivelano una precedente fase di fusione, con minerali collegati al flusso di fusione, come l'anfibolo allungato (Ti-pargasite) che definisce la foliazione e film sottili di plagioclasio (plagioclasio ricco di An) situati tra i grani di spinello e/o magnetite e clinopirosseno. Le analisi minerali e la petrografia delle sezioni sottili mostrano diverse generazioni di paragenesi minerale nei granuliti mafici (Pl + Amp + Opx + Cpx). La prima generazione è caratterizzata da cristalli di dimensioni grandi e da bordi lobati, con una grana che varia da 2 a 9 mm. La seconda generazione include minerali con giunti tripli e grani di dimensioni inferiori (<0,5 mm). L'anfibolo interstiziale e il plagioclasio ricco di calcio costituiscono le fasi metasomatiche e presentano: i) angoli diastemi ridotti che invadono i confini dei grani minerali circostanti e ii) una forma orientata, suggerendo che il metasomatismo nascosto sia un evento sin-tectonico. Tale metasomatismo si è verificato in condizioni sopra la solidus per mezzo di un flusso poroso pervasivo, quando il sistema era in uno stato di massa cristallina mafica. Il flusso reattivo ha avuto inizio come flusso poroso lungo i confini dei grani, formando anfibolo che ha parzialmente sostituito il clinopirosseno, evolvendo infine in un flusso canalizzato lungo condotti hornblenditici che potrebbero rappresentare ex bande pirossenitiche a grana grossa nell'intrusione mafica. Le fusioni metasomatiche hanno una composizione chimica simile a quelle che intrudono altre località nella Zona Ivrea–Verbano (ad esempio, il massiccio di Finero) e sono caratterizzate da un'affinità orogenica. Le fusioni metasomatiche probabilmente derivavano dal mantello e presentavano una composizione basaltica idrata, idonea per cristallizzare anfibolo a scapito del clinopirosseno. È possibile che abbiano avuto origine dalla fusione parziale di un protolito mantellare precedentemente metasomatizzato che conteneva clinopirosseno. Il metasomatismo nascosto ha influenzato sia l'anfibolo che il clinopirosseno, arricchendoli in quasi tutti gli elementi in traccia e tutte le terre rare, suggerendo che il protolito mantellare fosse già arricchito in tali elementi. Le analisi microstrutturali, unite ai dati LA-ICP-MS, mostrano che l'anfibolo interstiziale e i margini porfiroclastici e neoblastici presentano elevate concentrazioni di metalli incompatibili, come il rame (Cu) e, in misura minore, lo zinco (Zn). Si deduce che il metasomatismo nascosto diffuso non solo è responsabile del metasomatismo modale nelle rocce mafiche (ad esempio, formazione di anfibolo), ma rappresenta anche il processo dominante per l'arricchimento crittografico di questi minerali. I risultati ottenuti permettono di concludere che il metasomatismo nascosto ha portato a un'idratazione vasta della crosta inferiore e a un rapido cambiamento del suo stato reologico da rigido a plastico. Questo cambiamento ha infine favorito l'estensione triassica della crosta inferiore varisca nella fase post-orogenica e ha posto le basi per l'inizio del ciclo alpino. Inoltre, ha facilitato la mobilizzazione di elementi metallici di valore economico, che possono essere depositati come giacimenti minerari negli strati medio e superiore della crosta continentale.