The Petrogenesis of the ophiolitic mélange of Central Cuba: origin and evolution of oceanic litosphere from abyssal to subduction and suprasubduction zone settings

Abstract

This PhD is about the serpentinitic matrix, mafic crust and exotic ultramafic blocks of the Villa Clara serpentinitic mélange (VCSM) in central Cuba in an attempt to evaluate the evolution of oceanic lithosphere. Each of these units bears witness of mantle source composition, origin of oceanic crust and its relation to the mantle, ocean floor metamorphism, metasomatism and fluid flux in the subduction zone. The study of the serpentinitic matrix allowed the identification of two peridotite protoliths. Group A, with fertile compositions (high Al2O3 and low Cr# in pyroxene and spinel and enriched in heavy rare earth elements) and group B, displaying refractory compositions (low Al2O3 and higher Cr# in pyroxene and spinel compositions and depleted in middle and heavy rare earth elements). Group A can be related to typical abyssal/fracture zone peridotite, whereas group B is typical of forearc peridotite. Melting modelling shows that, group A resulted from low melting degrees (c. 4-8%) of a depleted mantle source, whereas group B reached up to c. 14-22% melting upon a two-stage melting of a depleted mantle followed by melting of a protolith similar to group A.

The studied mafic crust includes rocks of sub-volcanic (diabase and microgabbro) and plutonic origin (cumulate gabbro and olivine gabbro). The sub-volcanic unit attests for two types of mafic magma: group 1 displays forearc basalts signature (FAB; low Ti/V ratio) and group 2 island arc tholeiite composition (IAT; medium Ti/V ratio), both with positive Th and negative Nb anomalies in comparison to N-MORB compositions. These compositions as well as the isotopic signature of the plutonic unit (low 143Nd/144Nd and low 87Sr/86Sr) point to a subduction-related imprint. Geochemical evidence supports a genetic relationship between the protoliths of the serpentinitic matrix rocks and the sub-volcanic mafic crust. An indirect evidence is the light rare earth element enrichment of group B peridotites, which is commonly interpreted as a result of re-equilibration with percolating basaltic melts like those represented by the sub-volcanic mafic crust. Also, melting modelling of primitive melts of the mafic crust (group 1-FAB related) results in c. 8-10 % melting of an abyssal mantle source like group A peridotites that produced a residue like group B peridotites.

On the other hand, ocean floor metamorphism affected the mafic crust, which displays greenschist to amphibolite facies assemblages that attest for low pressure/low to medium temperature at shallow depths. This process had an impact on the concentration of mobile elements. A different metasomatic/enrichment process is recorded by trace element geochemistry and stable and radiogenic isotopes (B, Nd, Sr and Pb) in the serpentinitic matrix. The isotopic relations point to a slab fluid formed after devolatilitzation of the subducting plate as the source of metasomatic agent. The slab fluid is composed of diverse proportions of altered oceanic crust fluid (AOCF), global subducting sediment fluid (GLOSSF) and terrigenous fluid (TERF). The combination of these three isotopic reservoirs with an already serpentinized mantle related to ocean floor hydration reproduces the isotopic signature of the serpentinitic matrix of the VCSM. This result is in agreement with evidence provided by the high-pressure exotic ultramafic block of the VCSM, which showssimilar isotopic composition indicating interaction with a similar fluid in a context of subduction.

The petrological and geochemical characteristics of the exotic ultramafic block allow distinguishing two types of serpentinite: i) antigorite-serpentinite and ii) dolomite-bearing antigorite serpentinite. Both represented a subducted peridotite that derives from a peridotite protolith locally CaO-enriched as a result of infiltration of a H2O-CO2 fluid mixture. Fluid infiltration in the subduction channel triggered serpentinization /carbonation and formation of tremolite veins and associated blackwalls developed in host antigorite-serpentinite. Mineralogical and chemical zoning in the blackwall (Atg + Chl + Tr towards the host serpentinite and Chl + Tr towards the vein) attest for metasomatic changes in fluid composition during fluid-rock interaction. The differences in chemical composition between blackwall and antigorite-serpentinite show that the infiltrating fluid was enriched in Ca, Al, LILE and LREE. Pseudosection modelling in the vein structure indicates that their formation took place at c. 4S0QC and c. 10 kbar.

All these findings allow constraining the geodynamic evolution of the Villa Clara serpentinitic mélange in the context of the Caribbean realm. The serpentinitic matrix attests for two contrasting geodynamic settings. Group A peridotites formed at an abyssal/fracture zone setting in the Proto-Caribbean oceanic basin, whereas group B peridotites, exotic ultramafic block and mafic crust are pointing to a forearc setting. Both scenarios are reconciled in a geodynamic model of Upper Jurassic-Lower Cretaceous oceanic lithosphere formation upon break-up of Pangea followed by subduction initiation, likely at a fracture zone setting, during the early Cretaceous, and further development of a serpentinized forearc mantle and associated subduction channel during Lower-Upper Cretaceous time until final emplacement of the ensemble (serpentinitic mélange) during the latest Cretaceous-Eocene.

Aquesta tesi doctoral tracta sobre la matriu serpentinítica, escorça màfica i els blocs exòtics ultraàafics de la mélange serpentinítica de Villa Clara situada a Cuba Central. El propòsit és avaluar l'evolució de la litosfera oceànica. Cadascuna d'aquestes unitats proporciona informació sobre la composició original del mantell, l'orígen de la escorça oceànica i la seva relació amb el mantell, el metamorfisme de fons oceànic, el metasomatisme i el flux de fluids en la zona de subducció. L'estudi de la matriu serpentinítica ha permès l'identificació de dos protòlits de peridotita. El grup A, amb composicions fèrtils (alt Al2O3 i baix Cr# en piroxens i espinela, així com un enriquiment dels elements de les terres rares pesades) i el grup B, que mostra composicions refractàries (baix Al2O3 i alt Cr# en piroxens i espinela, així com un empobriment en els elements de les terres rares mitjanes i pesades). El grup A es pot relacionar amb peridotites abissals / zona de fractura, mentre que el grup B té composicions típiques d'avantarc. Els models de fusió mostren que el grup A és el resultat de la fusió a graus de fusió baixos (c. 4-8%), mentre que el grup B pot arribar fins a c. 14-22% de fusió després d'una fusió en dos passos, la primera a partir d'un mantell empobrit i la segona per una fusió d'un protòlit similar a les roques del grup A.

L'escorça màfica aquí estudiada inclou roques d'origen subvolcànic (diabasa i microgabre) i plutònic (acumulats de gabre i gabre olivínic). La unitat subvolcànica mostra que hi ha dos tipus de magma màfic; grup 1 mostra una signatura típica de basalts d'avantarc (FAB; baix ratio Ti/V) i el grup 2 amb una composició de toleiites d'arc d'illes (IAT; ratio intermedia Ti/V), ambdòs amb anomalia positiva de Th i negativa de Nb en comparació a composicions N-MORB. Aquestes composicions a més de la composició isotòpica de la unitat plutonica (baix 143Nd/144Nd i 87Sr/86Sr) indica la presència d'un component subductiu. Hi ha evidències geoquímiques que recolzen una relació genètica entre els protòlits de la matriu serpentinítica i la unitat subvolcanica de l'escorça màfica. Una evidencia indirecta és l'enriquiment de terres rares lleugeres en les peridotites del grup B. Aquest enriquiment s'interpreta com a resultat de la reequilibració de fosos basàltics que percolen en el mantell, aquests podrien estar representats per la unitat subvolcànica de l'escorça màfica. També els models de fusió dels fosos primitius de la escorça màfica (grup 1- FAB) prediuen el c. 8-10 % de fusió d'un mantell abissal, com el de les peridotites tipus A que produeix un residu equivalent al de les peridotites tipus B.

D'altra banda, el metamorfisme de fons oceànic afecta a l'escorça màfica, que mostra associacions minerals típiques de fàcies d'esquistos verds i amfibolites. Aixà permet establir una pressió baixa i una temperatura baixa a intermèdia típica de condicions someres. Aquest procés té un impacte directe en la concentració dels elements mòbils. Diferents processos metasomàtics/enriquiment es veuen registrats en la geoquímica dels elements traça i els isòtops estables i radiogènics (B, Nd, Sr i Pb) de la matriu serpentinítica. Les relacions isotòpiques apunten a la presència de fluids provinents de la desvolatilització de la placa subduent on es forma l'agent metasomatizador. Aquests fluids estan compostos per diferents proporcions de fluids provinents de l'escorça oceànica alterada, sediments subduïts i sediments terrígens. La combinació d'aquests tres reservoris isotòpics amb un mantell ja hidratat en el fons oceànic reprodueix la signatura isotòpica de la matriu serpentinítica de la mélange serpentinítica de Villa Clara. Aquest resultat està en consonància amb l'evidencia proveïda pels blocs exòtics ultramàfics d'alta pressió de la mélange serpentinítica de Villa Clara, ja que aquests mostren composicions isotòpiques similars indicant la interacció amb un fluid similar en un context de subducció. Les característiques petrològiques i geoquímiques dels blocs exòtics ultramàfics permeten distingir dos tipus de serpentinites: i) antigoritita i ii) antigoritita amb dolomita. Ambdues representen peridotites subduïdes que deriven d'un protòlit localment enriquit en CaO com a resultat de l'infiltració d'una mescla de fluids amb H2O-CO2. L'infiltració de fluids en el canal de subducció és el detonant per la serpentinització/carbonatació i formació de dominis de reemplaçament i venes de tremolita en la antigoritita. El zonat mineralògic i químic observat en els dominis de reemplaçament (domini de Atg + Chl + Tr en direcció a la antigoritita i el domini Chl + Tr en direcció a la vena) confirmen els canvis metasomàtics de la composició del fluid durant l'interacció fluid-roca. Les diferències de composició química entre els dominis i la antigoritita mostren que el fluid que s'infiltra estava enriquit en Ca, Al, elements litòfils de gran radi ionic i terres rares lleugeres. La modelització de la pseudosecció realitzada en el domini Atg + Chl + Tr indica que la seva formació va tenir lloc a c. 4S0QC i c. 10kbar.

Tots aquests resultats permeten constrènyer l'evolució geodinàmica de la mélange serpentinítica en el context de la regió del Carib. La matriu serpentinítica demostra la presència de dos ambients geodinàmics diferents. Les peridotites del grup A format en un ambient abissal/zona de fractura en la conca oceànica del Proto-Carib, mentre que les peridotites del grup B, els blocs exòtics ultramàfics i l'escorça màfica apunten cap a un ambient d'avant arc. Els dos escenaris coexisteixen en un model geodinàmic del Juràssic Superior- Cretaci Inferior amb la formació de litosfera oceànica després del trencament de Pangea i el posterior inici de la subducció, en un ambient de zona de fractura. L'inici de la subducció en el Cretaci inferior i posterior desenvolupament de la serpentinització de la zona d'avantarc i el canal de subducció durant el Cretaci Inferior- Superior fins al final emplaçament del conjunt (mélange serpentinitic) durant Cretaci Superior-Eocè.