Xenòlits mantèl·lics lligats al vulcanisme neògeno-quaternari de Catalunya: caracterització, processos i condicions d'equilibri

Abstract

En aquesta tesi doctoral, s'ha plantejat una caracterització del Mantell Subcontinetal Litosfèric (MSCL) del NE de la península Ibèrica a partir de l'estudi de xenòlits mantèl·lics englobats en laves i piroclasts dels volcans La Banya del Boc i Puig d'Adri, (Girona), d'edat Neògeno-Quaternari i formats en context d'intraplaca continental. Inicialment, les úniques dades disponibles eren descriptives (Tournon, 1968), però durant l'elaboració d'aquesta tesi, Bianchini et al. (2007) va publicar noves dades que suggereixen que aquest mantell presenta unes característiques diferents de les d'altres àrees de la placa europea; segons aquest estudi previ, el MSCL de Catalunya estaria format per una suite bimodal de lherzolites i harzburgites, i aquestes últimes tindrien una història complexa d'empobriment múltiple que les equipararia a un mantell cratònic. La caracterització que aquí es farà, partint d'un mostreig diferent, té com a objectius, (1) establir les litologies i discutir les relacions entre elles; (2) discutir els processos petrogenètics que han condicionat l'evolució geoquímica del MSCL en aquesta àrea i comparar-la amb la d'altres àrees equivalents de la placa europea; i (3) determinar les condicions de temperatura, pressió i fugacitat d'oxigen durant la seva evolució subsòlidus. La metodologia utilitzada ha estat l'estudi petrogràfic i geoquímic d'elements majors i traça, en minerals i roca total, i d'isòtops de Sr en cristalls separats de clinopiroxè. <br/>Els xenòlits estudiats indiquen que el MSCL de Catalunya, estaria constituït principalment per lherzolites i harzburgites amb espinel·la i anhidres, i en molta menys proporció, per piroxenites (websterites i websterites olivíniques). Els dos tipus de peridotites apareixen en proporcions similars i existeix una transició gradual entre elles, tal com s'observa en altres zones equivalents de la província centre-occidental europea. Dominen les textures protogranulars, però hi ha també textures porfiroclàstiques, equigranulars i pirometamòrfiques. <br/>La composició química d'elements majors i traça en minerals i roca total confirma la variació gradual entre els dos tipus de peridotites i una composició més diferenciada per a les piroxenites. Les composicions de les peridotites es correspondrien millor amb les d'un mantell circumcratònic que amb un cratònic. La correlació general negativa entre els components basàltics i els elements mitjanament incompatibles (V, Ga, Y i HREE) respecte #Mg i #Cr per una banda, i positiva dels elements traça compatibles (Ni i Co), per l'altra, serien coherents amb un empobriment per fusió parcial, encara que un procés de refertilització també explicaria aquestes variacions. Assumint un procés de fusió parcial, el model més adient seria una fusió fraccionada per descompressió, que hauria pogut començar dins del camp d'estabilitat de les lherzolites amb granat, però tindria lloc principalment dins el domini d'estabilitat de les lherzolites amb espinel·la. La composició de les lherzolites s'explicaria per un grau de fusió inferior al 20%, però arribaria fins a un 25-30% a les harzburgites. Posteriorment, les harzburgites i algunes lherzolites, haurien estat afectades per processos metasomàtics. S'han identificat dos tipus de metasomatisme, un en relació amb un fos silicatat alcalí de tipus basàltic, i l'altre, relacionat amb un fos carbonatític. Ambdós agents metasomàtics podrien estar lligats en l'espai i el temps si s'assumeix un procés de reacció i fraccionació cromatogràfica a partir d'un fos màfic alcalí inicial. Aquest fos podria ser d'edat cretàcica, i les piroxenites serien cumulats d'aquests fosos. Les dades isotòpiques de Sr disponibles, indiquen que existeix un desdoblament entre el comportament dels isòtops i els elements traça durant el metasomatisme. <br/>Durant l'evolució subsolidus d'aquest mantell, harzburgites i piroxenites s'haurien equilibrat a temperatures més altes (1139-1027oC) que les lherzolites (1080-792 oC). També les harzburgites haurien registrat valors de pressió més baixos que la majoria de lherzolites. Finalment, els valors termobaromètrics de fO2 de harzburgites i lherzolites es solapen.

This study is a characterization of the Subcontinental Lithospheric Mantle (SCLM) of NE Iberian Peninsula based on mantle xenoliths enclosed in lava flows and pyroclastic deposits from two Neogen-Quaternary volcanoes, La Banya del Boc and Puig d'Adri, both in Girona, Catalonia, and formed in a continental intraplate setting. The only data available were mainly descriptive (Tournon, 1968), but simultaneously with this study, Bianchini et al. (2007) published new data, which suggest that this mantle has peculiar characteristics with respect to other SCLM in equivalent areas of the European plate; the SCLM in Catalonia would be formed by a bimodal suite of lherzolites and harzburgites, the latter representing extreme refractory residua due to multistage melt extraction as it is typical of a cratonic mantle. Parting from a different sampling, the main objectives of this study are: (1) the petrographic and geochemical characterization of the mantle rocks in the area, along with the discussion on the relationships between them; (2) to discuss the petrogenetic processes that have constrained its geochemical evolution and to compare it with that observed in equivalent areas of the European plate; and (3), to estimate the conditions of temperature, pressure and oxygen fugacity during its subsolidus evolution. The methodology considered includes the using of petrographic and electronic microscopes, major and trace element geochemical analyses on both minerals and bulk rocks, and the Sr isotopic composition of separated clinopyroxene crystals. <br/>The studied xenoliths show that the Catalan SCLM is mainly formed of anhydrous spinel lherzolites and harzburgites, but there are also scarce pyroxenites (websterites and olivine websterites). Both peridotite types appear in similar proportions and there is a gradual variation between them, as it is observed in equivalent areas of the western- central European volcanic province. Protogranular textures are dominant, with less porphyroclastic, equigranular and pyrometamorphic textures. <br/>Major and trace element compositions in both minerals and bulk rocks confirm the gradual variation between both types of peridotites and a more evolved composition for pyroxenites. Most peridotite compositions correspond to a circumcratonic mantle rather than to a cratonic one. Both the negative correlation between numbers, such as #Mg and #Cr, and basaltic components on the one hand, and between these numbers and mildly incompatible trace elements (V, Ga, Y and HREE) on the other hand, along with the increasing compatible trace element (Co and Ni) abundances from lherzolites to harzburgites are consistent with partial melting depletion, although a refertilization process would be also in agreement with these correlations. Assuming a partial melting process, the most adequate model would be a polybaric fractional melting, caused by decompression, which could have started in the garnet lherzolite field, but it would have occurred mainly in the spinel lherzolite field. Lherzolites compositions could be explained by less than 20% degree of melting from a Primitive Mantle, but the most refractory harzburgites would requiere 25-30% degree of melting. Subsequently, metasomatism affected all harzburgites and a few lherzolites. Two metasomatic types have been detected, one related to a basaltic alkali-silicate melt, and the other to carbonatitic melts. Both metasomatic agents could be linked in space and time if reaction-chromatographic fractionation from an initial alkali mafic melt is assumed. That melt could be of Cretaceous age, and the pyroxenites could be formed as cumulates from it. The Sr isotopic compositions of clinopyroxene show a decoupling between the isotope and trace element behavior during metasomatism. <br/>During the subsolidus evolution of this mantle, harzburgites and pyroxenites were equilibrated at higher temperatures (1139-1027oC) than lherzolites (1080-792oC). Harzburgites also registered lower pressures than most lherzolites. Finally, thermobarometric oxygen fugacity shows overlapping between harzburgites and lherzolites.