La rara paragenesi a cloritoide + biotite + granato nelle metapeliti della Lesser Himalayan Sequence (Himalaya Nepalese): petrografia, minero-chimica, reazioni metamorfiche e modellizzazione termodinamica

Forward thermodynamic modelling approach is among the most powerful methods currently applied for unravelling the evolution of metamorphic rocks. Metapelite is the most frequently used lithotype for petrological studies in metamorphic terranes, because it easily reacts in function of pressure and temperature variations developing low variance mineral assemblages (i.e. a large number of mineral phases) providing constraints on the metamorphic evolution. However, certain uncommon mineral assemblages observed in metapelites have still proved difficult to be constrained, also due to the relatively rare occurrence. Among them, the chloritoid + biotite + garnet mineral assemblage has been recognized in only few localities and geological frameworks. This Thesis aims to investigate the influence of both intensive (P, T) and extensive (X) variables on the stability of this mineral assemblage. The studied samples are chloritoid + garnet + staurolite ± chlorite two-micas schists from the Upper Lesser Himalayan Sequence in eastern Nepal Himalaya. A detailed petrographic and microstructural investigation, combined with mineral chemical analysis, highlighted the equilibrium relations between chloritoid, biotite and garnet, as well as between chlorite and staurolite. Two representative samples have been selected for a thermodynamic modelling exploration. Three combinations of internally consistent datasets and solution model packages have been tested using PerpleX_6.9.0 through AFM chemographies. They allowed us to identify the most suitable combination for studying the chloritoid + biotite + garnet assemblage. Intensive (P, T) and extensive (X) variables have been investigated through P–T and P/T–X isochemical phase diagrams (pseudosections), the latter calculated along a thermobaric gradient consistent with the metamorphic evolution of the Upper-LHS known in literature. P–T pseudosections calculated in the MnNKCFMASHTO system fail in modelling the observed equilibrium relations between chloritoid and biotite, predicting biotite appearance at higher temperatures than the chloritoid stability field. P/T–X(Fe2O3) and P/T–H2O pseudosections have been calculated to unravel the influence of the Fe oxidation state and H2O content on the stability of chloritoid + biotite + garnet. P/T–X(Fe2O3) pseudosections allow us to exclude a major influence of the Fe oxidation state, pointing out the increased difficulty in predicting the stability of the observed assemblage in relation to a more oxidized state. Vice versa, P/T–H2O pseudosections highlight how under-saturated H2O conditions seem to enhance the biotite stability toward lower temperatures. In particular, slightly under-saturated H2O conditions predict the coexistence of chloritoid, biotite and garnet with chemical compositions close to the analyzed ones.

La modellizzazione termodinamica è uno degli strumenti più importanti oggi utilizzati per indagare l’evoluzione di rocce metamorfiche. Le metapeliti sono tra i litotipi più utilizzati per lo studio petrologico dei basamenti metamorfici in quanto reagiscono facilmente alle variazioni di pressione e temperatura sviluppando paragenesi a bassa varianza (cioè con un elevato numero di fasi mineralogiche), utili per vincolare in dettaglio l’evoluzione metamorfica. Tuttavia, alcune associazioni mineralogiche tipiche delle metapeliti risultano ancora enigmatiche ed in parte controverse, anche a causa della loro relativamente rara ricorrenza. Tra queste, la paragenesi a cloritoide + biotite + granato è stata riconosciuta in poche località e in limitati contesti geologici. Questo lavoro di Tesi ha l’obiettivo di investigare l’influenza di variabili intensive (P, T) ed estensive (X) sulla stabilità di questa paragenesi. I campioni studiati sono micascisti a due miche ± clorite con porfiroblasti di cloritoide, granato e staurolite, provenienti dalla Upper Lesser Himalayan Sequence (Nepal orientale). Uno studio petrografico e microstrutturale di dettaglio, accompagnato da analisi chimiche delle fasi principali e da mappe composizionali dell’intera sezione sottile, ha evidenziato rapporti di equilibrio tra cloritoide, biotite e granato e tra staurolite e clorite. In particolare, due campioni rappresentativi sono stati utilizzati per lo studio di modellizzazione termodinamica. Sono stati testati attraverso il software Perple_X 6.9.0 tre combinazioni di database termodinamici e modelli di soluzione solida attraverso chemografie AFM. Queste hanno permesso l’individuazione di una combinazione come la più adatta allo studio della paragenesi cloritoide + biotite + granato. I parametri intensivi (P, T) ed estensivi (X) sono stati indagati attraverso diagrammi di fase isochimici (pseudosezioni) P–T e P/T–X, queste ultime calcolate lungo un gradiente termo-barico compatibile con l’evoluzione metamorfica nota in letteratura per la Upper-LHS. Le pseudosezioni P–T calcolate nel sistema MnNKCFMASHTO non riescono a modellizzare la stabilità di cloritoide e biotite, ma predicono la comparsa della biotite a temperature maggiori rispetto al campo di stabilità del cloritoide. Le pseudosezioni P/T–X(Fe2O3) e pseudosezioni P/T–H2O sono state calcolate per indagare l’influenza dello stato di ossidazione del sistema e del contenuto in H2O sulla stabilità della paragenesi cloritoide + biotite + granato. Le pseudosezioni P/T–X(Fe2O3) permettono di escludere lo stato di ossidazione del sistema come parametro composizionale rilevante e mostrano, anzi, come condizioni maggiormente ossidanti inibiscano la coesistenza di cloritoide e biotite. Al contrario, le pseudosezioni P/T–H2O mettono in luce come condizioni di sottosaturazione in H2O espandono il campo di stabilità della biotite a temperature minori. In particolare, condizioni di leggera sottosaturazione in H2O riescono a predire la coesistenza di cloritoide, biotite e granato con composizioni prossime a quelle misurate.