Le microstrutture di decompressione preservate nei minerali di granato in peridotiti orogeniche norvegesi sull'isola di Otrøy hanno rivelato che questi frammenti di mantello sono stati esumati da profondità ≥ 350 km vicino alla Zona di Transizione del Mantello (410 km). Tali peridotiti -a dimensione chilometrica- rappresentano uno dei più profondi corpi rocciosi del mantello rinvenuti sulla superficie terrestre. L'identificazione di questa straordinaria profondità di origine consente lo studio dettagliato della Terra profonda ora sulla superficie terrestre, in termini di relazione spaziale di tipi diversi di rocce (peridotiti a granato, peridotiti a spinello, pirosseniti a granato, websteriti) che variano dal mantello superiore profondo. Fino ad ora tale studio è stato impossibile su xenoliti di mantello.
Le peridotiti contengono granati grossolani con clinopirosseni inter-cristallini di piccole dimensioni, ed intra-cristallini nella forma di aghetti molto sottili. Queste microstrutture sono state studiate in un progetto in collaborazione tra l'Università di Utrecht, il CNR-Istituto di Geoscienze e Georisorse (IGG)-Unità di Pavia e l'Università Libera di Amsterdam, con i seguenti risultati:
1) Le microstrutture descritte sono considerate generalmente derivare da un precursore di granato majorite nel corso della decompressione. La quantificazione delle microstrutture in un campione ha mostrato un contenuto di pirosseno > 20.6 vol%, il che è correlato ad un precursore majorite stabile a profondità di 350 km. Tale ipotesi ha però richiesto un test.
2) La concentrazione ed il partizionamento di elementi di Terre Rare (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Er, Yb) tra clinopirosseno e granato definiscono la loro origine e le temperature iniziali. La possibilità di analizzare gli aghetti di pirosseno ha rappresentato perciò una parte cruciale dell'interpretazione. La misura della concentrazione delle Terre Rare è stata effettuata con successo mediante Spettrometria di Massa a Ioni Secondari (SIMS), impiegando la microsonda ionica (Cameca IMS 4f) installata presso il CNR-IGG-Unità di Pavia. Gli aghetti sottili di cpx hanno dimensioni di pochi μm, con un contenuto di Terre Rare << 1 μg/g. La loro indagine, in termini di risoluzione spaziale e composizionale, è risultata ai limiti delle caratteristiche tecniche dell'apparecchiatura. I dati così ottenuti sono in eccellente accordo con le concentrazioni di Terre Rare nei granati e nei pirosseni interstiziali (dimensione dell'ordine del mm) misurate mediante Spettrometria di Massa ad Ablazione Laser (LA-ICP-MS) presso l'Università di Utrecht.
L'evidenza di un'origine ad elevata temperatura per tutti i cpx è fornita dal partizionamento inter-minerale delle Terre Rare. Il partizionamento all'equilibrio tra granato e cpx dipende dal numero atomico, dalla pressione e dalla temperatura, con una differenza di circa un ordine di grandezza nelle Terre Rare leggere tra alte (~ 1300 °C) e basse temperature (~ 950 °C). I clinopirosseni analizzati in questo lavoro hanno contenuti in cerio (Ce) pari a 8-13 volte quelli del granato ospite. Queste temperature si trovano nell'estremità ad elevata T sia in esperimenti di partizionamento tra minerali che dei valori registrati ad elevata temperatura (≤ 1380 °C) in xenoliti di peridotiti naturali. Di conseguenza il clinopirosseno in entrambe le microstrutture mostra la sua iniziale equilibratura con il granato ad elevate temperature (≥ 1300 °C).
3) Alcuni granati con relitti di entrambe le microstrutture hanno concentrazioni eccezionalmente basse di Terre Rare intermedie (Dy/Yb normalizzati sono < 0.07), e tale effetto è tipico dell'estrazione di grandi quantità di fuso (≥ 30%) nel corso della fusione profonda. La natura estremamente impoverita in Terre Rare leggere di tutti i cpx analizzati (con Ce/Sm normalizzati < 0.08) stabilisce chiaramente che nessun pirosseno è stato in contatto con un fuso o fluido metasomatizzante, né è cristallizzato direttamente da un fuso. Questi processi produrrebbero infatti un impoverimento significativamente minore in Terre Rare leggere. I pirosseni hanno pertanto ereditato da un precursore majorite il carattere impoverito in Terre Rare leggere.
4) Gli isotopi 143Nd nei minerali sono stati misurati mediante Spettrometria di Massa a Ionizzazione Termica (TIMS) presso l'Università Libera di Amsterdam. I risultati aggiungono età di 2.5-2.9 miliardi di anni mostrando che le peridotiti a granato molto impoverite in elementi fusibili si sono formate nell'Era Archeana. La formazione nell'Archeano di peridotiti notevolmente impoverite e contenenti granato è supportata anche da dati di letteratura di età di roccia totale (3.3 miliardi di anni) secondo la sistematica Re-Os per la peridotite a granato di Otrøy.
Le peridotiti di Otrøy, perciò, sembrano essere il primo caso registrato di peridotiti orogeniche prodotte da impoverimento esteso di fuso nel campo di stabilità delle peridotiti a granato durante l'Era Archeana.
Il modello più semplice che include tutti i nostri quattro risultati per l'origine della peridotite: profondità, elevata temperatura, impoverimento da fuso ed età antica, richiede la fusione della peridotite nel corso della decompressione in un ramo di un mantello superiore terrestre convettivo in risalita. La fusione deve essere iniziata a temperature e profondità estremamente elevate (≥ 1800 °C, ≥ 250 km) ed è continuata finché le peridotiti in risalita hanno raggiunto i livelli più bassi dei continenti più antichi (~ 150 km). Non sono mai state riportate rocce di mantello residuali a condizioni così estreme.
L'evoluzione termica della Terra mostra che l'esistenza di tali rocce è stata possibile soltanto quando la Terra era piuttosto giovane (e quindi, incandescente) così che la fusione poté iniziare in profondità. A quel tempo esistevano i primi continenti (il raffreddamento era già iniziato), e la fusione deve essersi fermata, nel corso della decompressione, a profondità nelle quali il granato non poté lasciare il sistema. Se la decompressione fosse continuata, il granato sarebbe stato rimosso dalle peridotiti.
Il trasporto tettonico finale di frammenti di mantello ultra impoveriti da livelli continentali più bassi verso la superficie avvenne più di due miliardi di anni dopo, nel corso della collisione di placche continentali, la quale portò alla formazione della catena di montagne caledoniane (0.4 miliardi di anni fa) lungo la Norvegia.
Di conseguenza, le microstrutture dei minerali nelle peridotiti della Norvegia sono relitti che forniscono una registrazione di 3 miliardi di anni di evoluzione continentale.
I risultati sono pubblicati nella rivista Nature, vol. 440, 13 aprile 2006:
Spengler D., van Roermund H.L.M., Drury M.R, Ottolini L., Mason P.R.D., Davies G.R.: Deep origin and hot melting of an Archaean orogenic peridotite massif in Norway. Nature, vol. 440, 913-917 (13 Aprile 2006), Lettera all'Editore.
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