Granulite facies metamorphism and partial melting processes in the Ivrea Zone, Northern Italy

The Ivrea Zone in northern Italy has been the focus of numerous petrological, geochemical and structural studies. It is commonly inferred to represent an almost complete section through the mid to lower continental crust, in which metamorphism and partial melting of the abundant metapelites was the result of magmatic underplating by a large volume of mantle-derived magma. This study concerns amphibolite and granulite facies metamorphism in the Ivrea Zone with focus on metapelites and metapsammites/metagreywackes from Val Strona di Omegna and metapelites from Val Sesia and Val Strona di Postua, with the aim to better constrain their metamorphic evolution as well as their pressure and temperature conditions via phase equilibria modelling.rnrnIn Val Strona di Omegna, the metapelites show a structural and mineralogical change from mica-schists with the common assemblage bi-mu-sill-pl-q-ilm ± liq at the lowest grades, through metatexitic migmatites (g-sill-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at intermediate grades, to complex diatexitic migmatites (g-sill-ru-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) at the highest grades. Within this section several mappable isograds occur, including the first appearance of K-feldspar in the metapelites, the first appearance of orthopyroxene in the metabasites and the disappearance of prograde biotite from the metapelites. The inferred onset of partial melting in the metapelites occurs around Massiola. The prograde suprasolidus evolution of the metapelites is consistent with melting via the breakdown of first muscovite then biotite. Maximum modelled melt fractions of 30–40 % are predicted at the highest grade. The regional metamorphic field gradient in Val Strona di Omegna is constrained to range from conditions of 3.5–6.5 kbar at T = 650–730 °C to P > 9 kbar at T > 900 °C. The peak P–T estimates, particularly for granulite facies conditions, are significantly higher (around 100 °C) than those of most previous studies. In Val Sesia and Val Strona di Postua to the south the exposure is more restricted. P–T estimates for the metapelites are 750–850 °C and 5–6.5 kbar in Val Sesia and approximately 800–900 °C and 5.5–7 kbar in Val Strona di Postua. These results show similar temperatures but lower pressure than metapelites in Val Strona di Omegna. Metapelites in Val Sesia in contact with the Mafic Complex exhibit a metatexitic structure, while in Val Strona di Postua diatexitic structures occur. Further, metapelites at the contact with the Mafic Complex contain cordierite (± spinel) that overprint the regional metamorphic assemblages and are interpreted to have formed during contact metamorphism related to intrusion of the Mafic Complex. The lower pressures in the high-grade rocks in Val Sesia and Val Strona di Postua are consistent with some decompression from the regional metamorphic peak prior to the intrusion of the Mafic Complex, suggesting the rocks followed a clockwise P–T path. In contrast, the metapelites in Val Strona di Omegna, especially in the granulite facies, do not contain any cordierite or any evidence for a contact metamorphic overprint. The extrapolated granulite facies mineral isograds are cut by the rocks of the Mafic Complex to the south. Therefore, the Mafic Complex cannot have caused the regional metamorphism and it is unlikely that the Mafic Complex occurs in Val Strona di Omegna.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit amphibolit- und granulitfaziellen Metasedimenten (unterteilt in Metapelite und Metapsammite/Metagrauwacken) des Val Strona di Omegna, des Val Sesia und des Val Strona di Postua (Ivrea Zone), wobei erstgenanntes den Schwerpunkt der Arbeit bildet. Ziel der Arbeit ist es, die Druck- und Temperaturbedingungen der Metamorphose und Gesteinsaufschmelzung anhand von Mineral- bzw. Phasengleichgewichtsmodellierung, im vergleich zu vorherigen Arbeiten, weiter einzugrenzen und Aussagen über den Grad der Teilschmelzenbildung treffen zu können. Des Weiteren soll die Frage geklärt werden, inwiefern der „Mafische Komplex“, speziell im Val Strona di Omegna, tatsächlich als Auslöser für die Metamorphose und die Aufschmelzung der Gesteine in Frage kommen kann. rnrnDie Metapelite im Val Strona di Omegna zeigen, von Südost nach Nordwest, welches dem Übergang von niedrig- zu hochgradigen metamorphen Bedingungen entspricht, eine kontinuierliche Entwicklung von Glimmerschiefern (generell bi-mu-sill-pl-q-ilm ± liq) über metatexitische Migmatite (g-sill-bi-ksp-pl-q-ilm-liq) hin zu komplexen diatexitischen Migmatiten (g-sill-ru-bi-ksp-pl-q-ilm-liq). Innerhalb der Gesteinsabfolge war es möglich Isograden von Mineralstabilitäten auszukartieren, wie zum Beispiel die Isograde, die das Verschwinden von Muskovit, einhergehend mit dem ersten regulären Auftreten von Alkalifeldspat, abbildet. Weitere Isograden, welche die Granulitfazies kennzeichnen, sind die des ersten Auftretens von Orthopyroxen in Metabasiten und die des Verschwindens von Biotit in den Metapeliten. Die ersten Anzeichen der Schmelzbildung, welche einher geht mit dem Zerfall und dem Verschwinden von zunächst Muskovit und später Biotit aus der peak Mineralparagenese, sind im Gelände in der Gegend um Massiola zu beobachten; dadurch werden in den höchstgradigen Metapeliten Schmelzgrade von 30–40 % erreicht, während die Metapsammite/Metagrauwacken Schmelzgrade von weniger als 10 % aufweisen. Die resultieren Druck- und Temperaturwerte im Val Strona di Omegna zeigen einen regionalmetamorphen Trend und eine kontinuierliche Zunahme von 3.5–6.5 kbar mit T = 650–730 °C unter niedriggradigen Bedingungen bis hin zu P > 12 kbar und T > 950 °C unter höchstgradigen Bedingungen. Die Druck- und Temperaturbedingungen, speziell in der Granulitfazies sind somit deutlich höher (ca. 100 °C) als jene der meisten bisherigen Studien. Die Modellierung von Metapsammiten/Metagrauwacken bestätigt den ermittelten regionalmetamorphen Trend. In den beiden südlicher gelegenen Tälern, Val Sesia und Val Strona di Postua, hingegen zeigen die modellierten Druck- und Temperaturwerte keinen regionalmetamorphen Trend; die Werte reichen im Val Sesia von 750–850 °C und 5–6.5 kbar und von 800–900 °C und 5.5–7 kbar im Val Strona di Postua und spiegeln somit ähnliche Temperaturen, aber niedrigere Drücke als im Val Strona di Omegna wider. Die Metapelite im direkten Kontakt zum „Mafischen Komplex“ zeigen im Val Sesia metatexitische, im Val Strona di Postua diatexitische Strukturen und sind bis in einen Umkreis von 2–3 km rund um den Komplex Cordierit-führend, wobei sie im Val Strona di Postua noch zusätzlich geringe Mengen Spinell enthalten. Beides deutet darauf hin, dass die Gesteine im Val Sesia und Val Strona di Postua durch die Intrusion des „Mafischen Komplexes“ kontaktmetamorph überprägt wurden und es nachträglich zu einer Druckentlastung in Folge der Regionalmetamorphose kam, wodurch in diesem Bereich der Ivrea Zone ein clockwise P–T Pfad beschrieben wird. Im Gegensatz dazu enthalten die Gesteine im Val Strona di Omegna keinen Cordierit und auch sonst sind keinerlei Anzeichen für eine nachträgliche Überprägung der regional metamorphen Mineralparagenesen erkennbar. Des Weiteren werden die zuvor erwähnten Isograden von Orthopyroxen und Biotit im Süden des Val Strona di Omegna durch die Einheit des „Mafischen Komplexes“ abgeschnitten. rnrnDie Frage, ob der „Mafische Komplex“ als Auslöser für Metamorphose und Teilschmelzenbildung verantwortlich ist, kann dahingehend beantwortet werden, dass die Intrusion nachträglich zur Regionalmetamorphose und Teilschmelzenbildung erfolgte und lediglich eine kontaktmetamorphe Überprägung der vorhandenen Paragenesen auslöste, aber nicht generell für die Metamorphose in der Ivrea Zone verantwortlich ist. Zudem is es unwahrscheinlich, dass der „Mafische Komplex“ im Val Strona di Omegna lokalisiert ist; diese Einheit ist wahrscheinlich auf den südlichen Teil der Ivrea Zone begrenzt und die im Val Strona di Omegna bei Campello Monti vorliegenden Metabasite können der Kinzigit Formation zugeordnet werden.