RICERCA ITALIANA     

Relazioni tra sorgenti dei magmi di ambiente orogenico ed anorogenico ed implicazioni geodinamiche per l’evoluzione del sistema Africa-Europa

Università degli Studi di Firenze

Abstract

Il progetto di ricerca si propone di effettuare studi petrologici, geochimici ed isotopici su lave e xenoliti ultramafici di origine mantellica, provenienti da province magmatiche Cenozoiche selezionate, associate ad ambienti geodinamici legati a subduzione, collisione continentale, ed intraplacca. Le ricerche proposte saranno finalizzate alla comprensione dell’evoluzione composizionale delle sorgenti mantelliche dei magmi in ambienti geodinamici complessi. Viene proposto, altresì, di studiare l’origine ed il significato di quelle caratteristiche geochimiche ed isotopiche note nella letteratura scientifica come dipendenti dall’ambiente geodinamico, cercando di definire la loro possibile dipendenza da processi di metasomatismo del mantello, dalle condizioni di fusione parziale e dalle caratteristiche ereditate da precedenti eventi subiti dal cuneo di mantello.
I dati acquisiti verranno discussi nel contesto della complessa evoluzione geodinamica delle regioni del Mediterraneo centro-occidentale; evoluzione geodinamica controllata dalla convergenza della placca Africana e di quella Euroasiatica, e dalla conseguente distensione legata a processi di arretramento delle placche in subduzione. Verrà, inoltre, studiata la transizione da magmatismo orogenico ad anorogenico frequentemente ritrovata nelle regioni del Mediterraneo centro-occidentale; i risultati contribuiranno in maniera efficace a chiarire le relazioni esistenti tra processi metasomatici ed evoluzione geodinamica in contesti complessi.
D’altra parte, le aree vulcaniche del Madagascar saranno l’oggetto di uno studio dettagliato per comprendere gli effetti del contributo sub-litosferico in ambienti di intraplacca continentale in un dominio Africano. In questo contesto verrà dato rilievo alle relazioni composizionali ed isotopiche tra le sorgenti mantelliche delle rocce vulcaniche alcaline del Madagascar e quelle a simile affinità seriale dell’area Mediterranea occidentale, al fine di evidenziare la possibile influenza di punti caldi (hot-spots) in entrambi gli ambienti magmatici.
La ricerca sarà completata da studi geologico-strutturali e sul paleomagnetismo per definire in modo accurato l’evoluzione geodinamica dei segmenti studiati e da studi mineralogici e petrologici dettagliati di xenoliti mantellici delle lave alcalino-sodiche della Spagna, Italia e Nord Africa. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Sandro CONTICELLI Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

La presente ricerca si propone di definire le caratteristiche petrologiche, geochimiche ed isotopiche delle sorgenti di mantello appartenenti ai domini Europeo e Nord-Africano nel quadro dell’evoluzione geodinamica del sistema Africa-Europa. In questa ottica verrà svolto uno studio comparato tra lave e loro xenoliti, per poter definire in maniera dettagliata le caratteristiche del mantello litosferico soggiacente le aree di campionamento. A causa della spiccata complessità geodinamica correlata alle province magmatiche Cenozoiche del Mediterraneo Occidentale e Meridionale, e della presenza di modelli petrogenetici e geodinamici contrastanti si cercherà di definire anche le caratteristiche petrologiche, geochimiche ed isotopiche distintive tra ambienti di produzione dei magmi orogenici ed anorogenici. A questo proposito vista l’elevata complessità dell’area Mediterranea Occidentale, e la possibilità che alcune caratteristiche geochimiche ed isotopiche possano essere ereditate da fenomeni di arricchimento/impoverimento delle sorgenti stesse in epoche anteriori all’ultimo evento metasomatico, saranno condotti studi comparati con prodotti magmatici provenienti da aree in domini Africani (Madacascar) ed Eruropei (Egeo, Serbia, Macvedonia) nei quali l’ambiente geodinamico sia definito in maniera chiara, così come la storia evolutiva della litosfera sottostante. Pertanto tra gli scopi di maggior rilievo per l’interesse della moderna ricerca petrologica e geodinamica sarà quello di definire l’eventuale ruolo di una preesistente impronta litosferica, la quale viene successivamente obliterata da fenomeni di metasomatismo sia orogenico che anorogenico, che controllano le caratteristiche petrologiche e geochimiche finali dei magmi. Nel dettaglio il progetto di ricerca qui proposto sarà indirizzato ai seguenti obiettivi:
1) riconoscimento della natura del mantello precedente al metasomatismo sia nei contesti orogenici che anorogenici;
2) definizione della natura e composizione della componente metasomatica presente nelle porzioni di mantello presenti nei domini litosferici Europeo ed Africano/Adriatico;
3) definizione della natura e dell’entità dei trasferimenti di massa intesi come flussi tra differenti reservoir geochimici (es. mantello astenosferico, mantello litosferico, crosta);
4) definizione della possibile rifertilazzione della litosfera sottocontinentale in domini intraplacca Africani in contrapposizione alla produzione di magmi astenosferici nei domini Africano ed Europeo del Mediterraneo Occidentale.

L’acquisizione di dati di elementi maggiori ed in tracce, e degli isotopi dello Sr, Nd, Pb, Hf, O e dei disequilibri della serie dell’Uranio si concentrerà su: i) basalti calcalcalini, shoshoniti e lamproiti del Mediterraneo Occidentale (Toscana, Alpi Occidentale, Spagna Sud-Orientale); ii) basalti calco-alcalini, shoshoniti e leucititi dell’Italia centro-meridionale; iii) prodotti calco-alcalini, tholeiitici ed alcalino-sodici della Sardegna; iv) xenoliti mantellici inclusi in magmi orogenici ed anorogenici del Mediterraneo Occidentale; v) lave mafiche alcaline e fortemente alcaline ad affinità potassica e sodica, con associati xenoliti di derivazione mantellica, del Madagascar. Parallelamente verranno acquisiti, come elemento di confronto, dati su prodotti magmatici basici provenienti da associazioni magmatiche tipicamente orogeniche nell’area europea (Egeo, Serbia e Macedonia).
L’insieme di questi dati dovrebbe costituire una base di partenza per l’interpretazione della provenienza litosferica o sub-litosferica dei magmi in questione, per la caratterizzazione geodinamica e petrologica delle sorgenti, per la definizione dell’evoluzione termo-barometrica dei fusi mantellici, e per la determinazione dell’effetto di processi di arricchimento (contaminazione crostale) e impoverimento (estrazioni successive di fusi) nel cuneo di mantello, e del ruolo potenziale di un plume di mantello profondo in contrapposizione alla risalita passiva di mantello astenosferico in zone di retroarco, o a processi di flusso laterale di materiale astenosferico del mantello dell’avampaese in seguito all’arretramento di una placca in subduzione.

I risultati ottenuti verranno successivamente combinati con dati paleo-magnetici e geologico-strutturali apportando nuovi elementi nello sviluppo dei modelli geodinamici del sistema Africa-Europa. In particolare, i dati paleomagnetici e vulcanotettonici saranno integrati con i dati petrologoci, geochimici ed isotopici con lo scopo di definire: i) le rotazioni paleomagnetiche che si rinvengono nei bacini sedimentari nell’Appennino meridionale e nell’arco di Gibilterra, ii) la successione temporale nell’evoluzione degli archi Calabro e di Gibilterra e le relazioni esistenti e di rilievo per l’evoluzione geodinamica delle regioni del Mediterraneo occidentale e centrale, iii) le relazioni tra formazione degli archi e lo sviluppo del magmatismo Cenozoico-Quaternario, enfatizzando le correlazioni tra quest’ultimo ed i principali lineamenti tettonici e strutturali, iv) la modellistica di riferimento per l’evoluzione geodinamica delle regioni del Mediterraneo centro-occidentale. <<<

Risultati parziali attesi

Al termine di questa fase si prospetta di aver ottenuto i seguenti risultati parziali:

- tutti i laboratori, vecchi e nuovi, saranno funzionanti, e le procedure analitiche saranno operative;
- gli archivi informatici saranno disponibili;
- il campionamento sarà terminato, salvo qualche eventuale raffinamento;
- saranno disponibili i primi dati petrologici, geochimici ed isotopici;
- saranno disponibili i primi dati paleomagnetici;
- saranno preparate eventuali note scientifiche preliminari.Al termine di questa fase, che corrisponde alla termine del progetto, ci aspettiamo di aver adempiuto all'intero lavoro scientifico prospettato. I risultati ottenuti possono essere raggruppati nelle seguenti categorie e così descritti:
a) operatività analitica. Ciascun laboratorio delle diverse Unità di Ricerca disporrà di metodologie analitiche nuove ed aggiornate, oltre a quelle attualmente utilizzate. In particolare: procedure di analisi della serie di U e degli isotopi del Pb (TIMS), associate a procedure analitiche ad alta risoluzione per la determinazione degli elementi in traccia (HR ICP-MS), nei laboratori dell'Unità di Ricerca 1; procedure analitiche per la determinazione in situ del contenuto in elemnti in traccia (LAM ICP-MS), presso i laboratori dell'Unità operativa 5;
b) archivi informatici. Saranno disponibili, su richiesta, diversi archivi informatici contenenti dati geocronologici, geochimici, petrologici, isotopici, paleomagnetici, strutturali e geologici delle aree studiate;
c) dati analitici. Saranno disponibili dati sugli elementi maggiori ed in tracce, sia per le rocce totali che per i minerali di lave e xenoliti, e dati isotopici su rocce totali e minerali separati. Inoltre, saranno disponibili dati di paleomagnetismo.
d) carte tematiche. Saranno disponibili carte strutturali e paleomagnetiche, e mappe geochimiche, in cui viene mostrata la distribuzione degli isotopi e dei rapporti fra elementi in tracce nel mantello litosferico delle aree del Mediterraneo e del Madagascar.
e) pubblicazioni scientifiche. Articoli in cui siano discussi i dati e riportata la modellizzazione geodiamica del sistema Africa-Europa. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I magmi direttamente correlati a processi di subduzione hanno composizioni variabili da tholeiitiche a calco-alcaline, alcalino-potassiche ed alcalino ultrapotassiche. Tra questi, i magmi alcalino potassici ed ultrapotassici sono solitamente associati a processi collisionali e quindi vengono ristretti alla fase finale dei processi subduttivi o, in alternativa, a collassi post-orogenici successivi alla tettonica convergente (Prelevic et al., 2004). Magmi di questo tipo si ritrovano in diverse catene legate all'orogenesi Alpina (e.g., Venturelli et al., 1984a, 1984b; Conticelli et al., 1992; Conticelli, 1998; Duggen et al., 2004), ma sono presenti anche in archi continentali (es.Ande, Messico Occidentale, settore orientale arco della Sunda)(e.g., van Bergen et al., 1992; Carmichael et al. 1996; Righter & Carmichael, 1996; Carlier et al., 1997).
Le differenze presenti nel grado di arricchimento in alcali e quelle nel grado di saturazione in silice sono interpretate come dipendenti da: i) differenti profondità a cui avviene la fusione parziale; ii) differenti gradi di fusione parziale; iii) variabile fertilità del mantello originario (precedente alla subduzione); iv) variabile grado di arricchimento metasomatico indotto da fluidi/fusi derivanti dalla placca in subduzione (e.g., Foley, 1992; Conticelli et al., 2002).
L'impoverimento in Elementi ad Alta Forza di Campo (HFSE), solitamente osservato nella maggior parte dei magmi orogenici, può essere ricondotto alle condizioni a cui avviene la fusione parziale ed alla presenza di fasi refrattarie accessorie, oppure può essere attribuita alla particolare composizione degli agenti metasomatizzanti provenienti dalla placca in subduzione (e.g., Green & Pearson, 1986; Reagan & Gill, 1989; Foley & Wheller 1990; Thirlwall et al., 1994; Tatsumi & Kogiso, 1997; Elliott et al., 1997). In questo tipo di magmi il frazionamento degli elementi incompatibili appare evidente anche per Elementi a Alto Raggio Ionico (LILE), in risposta all'azione della componente fluida/fusa che costituisce l'agente metasomatizzante.
Parallelamente le sistematiche isotopiche di Sr, Nd e Pb costituiscono uno strumento molto efficace nell'identificazione di impronte mantelliche o crostali nel mantello, che potrebbero essere sia acquisite durante la risalita dei magmi in superficie, sia una caratteristica primaria delle sorgenti mantelliche. Tutte le caratteristiche geochimiche descritte sono associate a processi metasomatici attivi all'interno delle sorgenti mantelliche nei diversi contesti geodinamici. Gli agenti metasomatici provenienti dalla placca in subduzione possono presentare composizioni isotopiche differenti (Sr, Nd, Pb,U, Th, Hf) a seconda se presenti in fase fluida o come fusi (e.g., Hawkesworth et al., 1997, Elliott et al. 1997, Turner et al., 2003), od anche in relazione alla loro provenienza (Bourdon & Sims, 2003). In particolare la presenza di disequilibri U/Th in rocce magmatiche recenti (<100 ka) può discriminare il ruolo dei fluidi o della decompressione adiabatica nei processi che innescano la fusione parziale (Chabaux & Allegre, 1994; Elliott, 1997; Condomines & Sigmarsson, 2000; McKenzie, 2000).
In questo contesto alcuni interrogativi rimangono aperti in particolare in relazione ai modi ed alla scala dei processi, quali:
1) il significato fisico e petrologico delle caratteristiche geochimiche riscontrate;
2) il ruolo dei fluidi rispetto ai fusi nel metasomatismo derivante dalla subduzione, anche in relazione al frazionamento tra LILE ed HFSE;
3) il ruolo delle caratteristiche geochimiche ed isotpiche del mantello precedente alla subduzione nel cuneo di mantello attuale;
4) le modalità con le quali viene registrato il metasomatismo (sia criptico che modale) nel mantello superiore, ed il controllo (se tale controllo esiste) sui coefficienti di ripartizione degli elementi in tracce e sul frazionamento isotopico delle nuove fasi metasomatiche che si vengono a stabilizzare;
5) le modalità in con le quali ripetuti processi di impoverimento nel mantello precedente alla subduzione influenzano il magmatismo successivo legato a fenomeni subduttivi e collisionali (e.g., genesi dei magmi lamproitici);
6) il legame tra le caratteristiche anorogeniche - riscontrate talvolta in ambienti subduttivi - e l'impronta geochimica ed isotopica ereditata dal mantello originario, in contrapposizione alla loro acquisizione in seguito a fenomeni di rottura della placca in subduzione.

Studi recenti hanno messo in luce la fondamentale importanza dei processi metasomatici nel mantello litosferico nel controllo della composizione complessiva delle sorgenti mantelliche e dei magmi da queste generati in tutti gli ambienti geodinamici (e.g., Wilson & Downes, 1991; O'Reilly & Griffin, 1996; Beccaluva et al., 1998). Inoltre, diversi studi su xenoliti mantellici hanno dimostrato la grande variabilità e la peculiarità dei processi metasomatici attivi sul mantello litosferico (e.g., Menzies et al., 1987; Siena et al., 1991; Neumann & Wulff-Pedersen, 1997; Beccaluva et. al., 2001). In diverse aree del Mediterraneo il metasomatismo produce un generalizzato arricchimento che si va a sovrimporre su porzioni di mantello precedentemente impoverito (DM) a causa di antiche estrazioni di fusi basaltici.

Il progetto in esame concentrerà la propria attenzione sul magmatismo generatosi nell'area del Mediterraneo centrale durante la collisione Cenozoica tra Africa ed Europa (e.g., Lustrino, 2000). Quest'area risulta particolarmente adatta ad uno studio comparativo tra le diverse sorgenti magmatiche, grazie alla presenza di magmi anorogenici ed orogenici strettamente ravvicinati sia a livello spaziale che temporale. Il magmatismo orogenico è fondamentalmente legato alla subduzione cenozoica al di sotto del margine paleo-europeo meridionale, che produce a partire dal tardo Eocene la messa in posto di magmi da calco-alcalini fino ad ultrapotassici in due domini principali: a) l'area Provenza-Sardegna-Tirreno fino all'arco Eoliano ed alla Regione Magmatica Romana (Beccaluva et al., 1994). b) la Cordigliera Betica (Spagna meridionale)(Benito et al., 1999; Duggen et al, 2004). Il magmatismo anorogenico è invece costituito da importanti complessi vulcanici intraplacca di età cenozoica, situati sia su litosfera Africano-Adriatica (Provincia Vulcanica Veneta e distretto vulcanico Etna-Iblei-Canale di Sicilia-Nord Africa)(Beccaluva et al., 1998; Bonadiman et al., 2001) che su litosfera europea (Sardegna e distretto vulcanico Olot-Calatrava-Tallante in Spagna)(Cebrià et al, 2000).
Particolare attenzione sarà riservata alle caratteristiche petrologiche ed isotopiche dei prodotti lavici più primitivi, che possano rappresentare fusi di diretta derivazione mantellica. Come termine di confronto, esempi di associazioni magmatiche sia orogeniche che anorogeniche, verranno studiati in aree di assetto geodinamico ben definito, sempre collegate ai domini europeo ed africano, quali il magmatismo di Madagascar, Macedonia ed Isole Canarie.
Il magmatismo del Madagascar settentrionale si è messo in posto su di una litosfera comparabile a quella riscontrata al bordo settentrionale della placca africana, che si estende anche fino alle regioni Italiane ed Adriatiche; questo fornisce un'ulteriore valore nell'ottica di ricostruire le caratteristiche delle sorgenti orogeniche ed anorogeniche del magmatismo Italiano. Parallelamente verrà svolto anche un studio petrogenetico sugli xenoliti mantellici presenti nei basalti alcalini e nelle basaniti del Madagascar settentrionale.
Uno studio petrologico ed isotopico verrà effettuato su una popolazione di xenoliti mantellici provenienti dalle stesse associazioni precedentemente descritte sia su litosfera Europea (distretti vulcanici di Sardegna e Spagna) che su litosfera Africano-Adriatica (Provincia Vulcanica Veneta e distretto vulcanico Ibleo e Nord-Africano). È importante sottolineare che studi preliminari suggeriscono una diversa evoluzione composizionale per le porzioni di mantello litosferico Africano ed Europeo (Beccaluva et al., 2001). La litosfera Europea sembra aver subito eventi metasomatici multipli con componenti EM1 (mantello arricchito) assieme ad HIMU (alto 238U/204Pb), che vanno a sovrimporsi su un antico mantello impoverito. La litosfera Nord-Africana presenta invece una predominanza della componente HIMU. Queste due sorgenti mantelliche sono state successivamente interessate da agenti metasomatici crostali recenti. Di particolare interesse risultano gli xenoliti mantellici inclusi nei magmi anorogenici che post-datano associazioni orogeniche (es. Sardegna, Cordigliera Betica, Marocco), al fine di valutare l'eventuale persistenza di una componente legata alla subduzione.
Questi dati petrologici verranno, infine, confrontati con studi paleomagnetici e topografici da integrarsi in un modello geodinamico coerente per l'area Mediterranea.
Riassumendo le finalità del progetto di ricerca sono riconducibili a:
1) riconoscimento della natura del mantello precedentemente al metasomatismo sia in assetti orogenici che anorogenici;
2) definizione delle componenti di derivazione metasomatica che interessano il mantello in esame nei domini litosferici Africano/Adriatico ed Europeo;
3) determinazione della presenza e dell'entità del trasferimento di massa inteso come flusso tra diversi reservoir geochimici (mantello astenosferico, mantello litosferico, crosta).
4) definizione dell'assetto paleomagnetico dell'area in esame e possibili fenomeni di rotazione in risposta all'evoluzione geodinamica.

I risultati ottenuti dall'analisi dei caratteri geochimici e petrologici delle successioni vulcaniche esaminate saranno discussi nel quadro dell'evoluzione geodinamica terziaria del margine Africa-Europa. La regione mediterranea è caratterizzata dalla presenza di blocchi litosferici con diverse dimensioni e caratteri reologici. Questi blocchi si trovano lungo il margine Africa-Europa e derivano dalla complessa storia deformativa legata alla convergenza della placca africana rispetto a quella europea durante il terziario. Questa convergenza è stata assorbita da processi di subduzione e collisione riconoscibili sia nel Mediterraneo orientale che in quello occidentale. La tomografia sismica e la sismicità profonda nell'area indicano che la struttura del mantello superiore nel Mediterraneo è caratterizzata dalla presenza di piani di subduzione ben definiti sotto l'Arco Egeo, l'Arco Calabro e, probabilmente, l'Arco di Gibilterra (Spakman et al., 1993; Piromallo and Morelli, 2003). La presenza al di sopra di queste zone di subduzione di catene montuose arcuate (Arco Calabro e di Gibilterra) e di bacini di retroarco (Mar Tirreno e Mare di Alboran) ha suggerito che l'arretramento flessurale della litosfera in subduzione possa essere il processo geodinamico responsabile di questa complessa evoluzione tettonica (Malinverno & Ryan, 1986; Royden, 1993; Lonergan & White, 1997). Numerosi studi condotti sia nell'area mediterranea che in quella pacifica hanno dimostrato che le rotazioni paleomagnetiche intorno ad assi verticali sono tipiche delle catene orogeniche arcuate e degli adiacenti bacini di retroarco (Jarrard & Sasajima,1980; Lonergan & White 1997). La definizione del valore e dell'età di queste rotazioni può quindi permettere di definire in dettaglio l'evoluzione tettonica degli archi e, di conseguenza, l'evoluzione cinematica della litosfera in subduzione. In particolare, le rotazioni paleomagnetiche di maggiore entità si localizzano in corrispondenza dei margini laterali delle zone in subduzione, e possono pertanto indicare le regioni caratterizzate da flusso laterale del mantello astenosferico all'interno del cuneo convettivo di mantello lungo zone di rottura della litosfera in subduzione.
Il vulcanismo Meso-Cenozoico del Madagascar settentrionale presenta una distribuzione bimodale rispetto alle età del magmatismo (tardo Cretaceo principalmente tholeiitico, tardo Cenozoico fortemente alcalino) e giace sulla litosfera rimaneggiata Pan-Africana (>510-550 Ma)(Melluso et al., 2003). La sorgente del vulcanismo alcalino è vicina geograficamente a punti caldi (hot spot) attualmente attivi quali quello delle Comore; tuttavia l'influenza di suddetti plume è tuttora altamente controversa (e.g., Melluso and Morra 2000), e le sorgenti dei magmi in esame sembrano non aver subito modificazioni successive all'orogenesi Precambriana (Lustrino et al., 2002). Queste stesse sorgenti sarebbero successivamente andate in fusione in contesti di rift intra-continentale, come accade in Sardegna ed in Sicilia meridionale. <<<