Geochemical and Sr, Nd, Pb isotope investigation of the New Caledonia ophiolite

The New Caledonia ophiolite hosts one of the largest obducted mantle section in the world, hence providing a unique insight for the study of upper mantle processes. These mantle rocks belong to an “atypical” ophiolitic sequence, which is dominated by refractory harzburgites but it also includes minor spinel and plagioclase lherzolites. Upper crust is notably absent in the ophiolite, with the exception of some mafic-ultramafic cumulates cropping out in the southern part of the island. Although the New Caledonia ophiolite has been under investigation for decades, its ultra-depleted nature has made its characterization an analytical challenge, so that few trace element data are available, while isotopic data are completely missing. In this thesis a comprehensive geochemical study (major, trace element and Sr-Nd-Pb isotopes) of the peridotites and the associated intrusive mafic rocks from the New Caledonia ophiolite has been carried out. The peridotites are low-strain tectonites showing porphyroclastic textures. Spinel lherzolites are undepleted lithotypes, as attested by the presence of 7-8 vol% of Na2O and Al2O3-rich clinopyroxene (up to 0.5 wt% Na2O; 6.5 wt% Al2O3), Fo content of olivine (88.5-90.0 mol%) and low Cr# of spinel (13-17). Conversely, harzburgites display a refractory nature, proven by the remarkable absence of primary clinopyroxene, very high Fo content in olivine (90.9-92.9 mol%), high Mg# in orthopyroxene (89.8-94.2) and Cr# in spinel (39-71). REE contents show abyssal-type patterns for spinel lherzolites, while harzburgites display U-shaped patterns, typical of fore-arc settings. Spinel lherzolites REE compositions are consistent with relatively low degree (8-9%) of fractional melting of a DMM source, starting in the garnet stability field. Conversely, REE models for harzburgites indicate high melting degrees (20-25%) of a DMM mantle source under spinel faies conditions, consistent with hydrous melting in forearc setting. Plagioclase lherzolites exhibit melt impregnation microtextures, Cr- and TiO2-enriched spinels and REE, Ti, Y, Zr progressive increase with respect to spinel lherzolites. Impregnation models indicate that plagioclase lherzolites may derive from spinel lherzolites by entrapment of highly depleted MORB melts in the shallow oceanic lithosphere. Mafic intrusives are olivine gabbronorites with a very refractory composition, as attested by high Fo content of olivine (87.3-88.9 mol.%), very high Mg# of clinopyroxene (87.7-92.2) and extreme anorthitic content of plagioclase (An = 90-96 mol%). The high Mg#, low TiO2 concentrations in pyroxenes and the anorthitic composition of plagioclase point out an origin from ultra-depleted primitive magmas in a convergent setting. Geochemical trace element models show that the parental melts of gabbronorites are primitive magmas with striking depleted compositions, bearing only in part similarities with the primitive boninitic melts of Bonin Islands. The first Sr, Nd and Pb isotope data obtained for the New Caledonia ophiolite highlight the presence of DM mantle source variably modified by different processes. Nd-Sr-Pb isotopic ratios for the lherzolites (+6.98≤epsilon Ndi≤+10.97) indicate a DM source that suffered low-temperature hydrothermal reactions. Harzburgites are characterized by a wide variation of Sr, Nd and Pb isotopic values, extending from DM-type to EM2 compositions (-0.82≤ epsilon Ndi≤+17.55), suggesting that harzburgite source was strongly affected by subduction-related processes. Conversely, combined trace element and Sr-Nd-Pb isotopic data for gabbronorites indicate a derivation from a source with composition similar to Indian-type mantle, but affected by fluid input in subduction environment. These geochemical features point out an evolution in a pre-Eocenic marginal basin setting, possibly in the proximity of a transform fault, for the lherzolites. Conversely, the harzburgites acquired their main geochemical and isotopic fingerprint in subduction zone setting.

Studio Integrato Geomorfologico-Geofisico dell'Area Epicentrale del Terremoto del 20 Maggio 2012 (Mw 5.9) in Emilia-Romagna

La Sequenza Sismica Emiliana del 2012 ha colpito la zona compresa tra Mirandola e Ferrara con notevoli manifestazioni cosismiche e post-sismiche secondarie, soprattutto legate al fenomeno della liquefazione delle sabbie e alla formazione di fratturazioni superficiali del terreno. A fronte del fatto che la deformazione principale, osservata tramite tecniche di remote-sensing, ha permesso di individuare la posizione della struttura generatrice, ci si è interrogati sul rapporto tra strutture profonde e manifestazioni secondarie superficiali. In questa tesi è stato svolto un lavoro di integrazione di dati a varia scala, dalla superficie al sottosuolo, fino profondità di alcuni chilometri, per analizzare il legame tra le strutture geologiche che hanno generato il sisma e gli effetti superficiali percepiti dagli osservatori. Questo, non solo in riferimento allo specifico del sisma emiliano del 2012, ma al fine di trarre utili informazioni in una prospettiva storica e geologica sugli effetti di un terremoto “tipico”, in una regione dove le strutture generatrici non affiorano in superficie. Gli elementi analizzati comprendono nuove acquisizioni e rielaborazioni di dati pregressi, e includono cartografie geomorfologiche, telerilevamenti, profili sismici a riflessione superficiale e profonda, stratigrafie e informazioni sulla caratterizzazione dell’area rispetto al rischio sismico. Parte dei dati di nuova acquisizione è il risultato dello sviluppo e la sperimentazione di metodologie innovative di prospezione sismica in corsi e specchi d’acqua continentali, che sono state utilizzate con successo lungo il Cavo Napoleonico, un canale artificiale che taglia ortogonalmente la zona di massima deformazione del sisma del 20 Maggio. Lo sviluppo della nuova metodologia di indagine geofisica, applicata ad un caso concreto, ha permesso di migliorare le tecniche di imaging del sottosuolo, oltre a segnalare nuove evidenze co-sismiche che rimanevano nascoste sotto le acque del canale, e a fornire elementi utili alla stratigrafia del terreno. Il confronto tra dati geofisici e dati geomorfologici ha permesso di cartografare con maggiore dettaglio i corpi e le forme sedimentarie superficiali legati alla divagazione fluviale dall’VIII sec a.C.. I dati geofisici, superficiali e profondi, hanno evidenziato il legame tra le strutture sismogeniche e le manifestazioni superficiali seguite al sisma emiliano. L’integrazione dei dati disponibili, sia nuovi che da letteratura, ha evidenziato il rapporto tra strutture profonde e sedimentazione, e ha permesso di calcolare i tassi geologici di sollevamento della struttura generatrice del sisma del 20 Maggio. I risultati di questo lavoro hanno implicazioni in vari ambiti, tra i quali la valutazione del rischio sismico e la microzonazione sismica, basata su una caratterizzazione geomorfologico-geologico-geofisica dettagliata dei primi 20 metri al di sotto della superficie topografica. Il sisma emiliano del 2012 ha infatti permesso di riconoscere l’importanza del substrato per lo sviluppo di fenomeni co- e post-sismici secondari, in un territorio fortemente eterogeneo come la Pianura Padana.