Heterogeneidade geoquímica e isotópica (Sr-Nd-Pb e gases nobres) do manto superior patagônico: depleção e metassomatismo em um ambiente de Back-Arc continental

Abstract

A região de back-arc continental da Patagônia oferece a oportunidade de estudar a composição do manto terrestre, pois amostras de xenólitos mantélicos trazidas à superfície por lavas basálticas. Ambas fornecem valiosas informações sobre a fonte, bem como dos processos metassomáticos que promovem heterogeneidades geoquímicas e isotópicas no manto subcontinental. Com o objetivo de compreender a gênese e a contribuição de agentes metassomáticos em amostras de xenólitos mantélicos e de basaltos alcalinos, o presente estudo reporta novos dados geoquímicos, idades K-Ar, isótopos de Sr-Nd-Pb e isótopos de gases nobres. Com base nas composições mineralógicas, geoquímicas e isotópicas (Sr-Nd-Pb), o primeiro manuscrito desta tese propõe dois novos grupos de basaltos datados do Cenozoico com assinatura intraplaca, Grupo I e Grupo II. A área de estudo está amplamente distribuída através do back-arc continental da Patagônia. Os basaltos do Grupo I são resultantes de baixos graus de fusão parcial (<3%) a partir de uma fonte astenosférica com flogopita estável na zona de estabilidade de granada-peridotitos (113-134 km) com razões isotópicas de Sr-Nd-Pb representativas de OIB depletado. Essas características sugerem que o vulcanismo intraplaca tem relação com anomalias composicionais (“wetspots”), o que poderia estar relacionado a uma anomalia térmica abaixo da Patagônia (TP = 1400-1563°C). Por outro lado, sugerimos que a fusão parcial (5-10%) de veios piroxeníticos próximos ao limite litosferaastenosfera (89-94 km) foram capazes de produzir as características geoquímicas e isotópicas de manto enriquecido (EMI) observadas nos basaltos do Grupo II sem a influência de anomalia térmica (TP = 1305-1364°C). Em geral, a quantidade de componentes derivados da placa diminui em direção à leste, refletindo variação geoquímica a partir da distância do arco vulcânico. O segundo manuscrito apresenta novos dados geoquímicos e isotópicos (Sr-Nd-Pb) de amostras de espinélio-lherzolitos e de seus basaltos hospedeiros. A área de estudo é representada por um fluxo de lava próximo à cidade de Coyhaique, back-arc chileno. Essa ocorrência é uma das mais próximas da margem convergente, estando a ~320 km da fossa do Chile. A idade K-Ar obtida para as amostras do basalto hospedeiro são de 54 Ma. Com base nos dados geoquímicos e isotópicos, esse basalto alcalino apresenta assinatura do tipo OIB (OIB-like), foi gerado a partir de baixos graus de fusão parcial (até 6%) dentro do campo de estabilidade da granada e, provavelmente, é o resultado da ressurgência astenosférica através da abertura de uma janela astenosférica como consequência da subducção da dorsal de Farallón-Aluk. Os espinélio-lherzolitos mostram características marcantes de metassomatismo relacionado à zona de subducção, tais como pronunciadas anomalias negativas de Nb-Ta-Ti. No entanto, com base nos dados geoquímicos e isotópicos, essas rochas requerem um SCLM heterogêneo, resultante da mistura entre um componente depletado (DMM ou PREMA) e até 15% de componentes derivados da placa oceânica de Aluk. O agente metassomatizante é representado por diferentes proporções de líquidos resultantes da fusão de sedimentos da fossa do Chile (até 60%) e de uma crosta oceânica modificada (mais de 40%). Por fim, o terceiro manuscrito é baseado em composições inéditas de gases nobres e em novas razões isotópicas de Sr-Nd-Pb de xenólitos mantélicos do Campo Vulcânico de Pali-Aike e de Gobernador Gregores. Os dados isotópicos de gases nobres indicam que o SCLM patagônico reflete a mistura entre o ar e dois membros finais mantélicos. Os peridotitos de Pali-Aike representam o SCLM desgaseificado e intrínseco com assinatura fortemente radiogênica/nucleogênica, como mostrado pelas elevadas razões de 4He/3He, 21Ne/22Ne, e 40Ar/36Ar comparadas à fonte de MORB. Em relação aos componentes mantélicos, os peridotitos de Gobernador Gregores representam uma mistura entre o SCLM (Pali-Aike) e o MORB. O metassomatismo de um componente do tipo MORB pode ser observado através das composições isotópicas de He e Ne, podendo ser tectonicamente explicado pela ressurgência do manto astenosférico em resposta à abertura de uma janela astenosférica abaixo da Patagônia como consequência da subducção da dorsal do Chile. Adicionalmente, essas rochas mostram composições depletadas de Sr-Nd-Pb e uma idade de 13,64 ± 0,83 Ma foi obtida através de uma isócrona de Rb-Sr baseada na composição isotópica da rocha-total, clinopiroxênio e flogopita. Esses dados representam a idade de formação da flogopita, que é um mineral essencial para determinar a idade do metassomatismo e sua potencial associação com eventos geotectônicos. Sendo assim, é possível relacionar a formação desse mineral com a colisão da dorsal do Chile contra a fossa do Chile e a subsequente abertura da janela astenosférica.

Patagonian continental back-arc offers the opportunity to study the mantle composition because of mantle xenoliths brought to the surface by basaltic lavas. Both provide valuable information about the mantle source, as well as metasomatic processes that promote geochemical and isotopic heterogeneities in the subcontinental mantle. In order to understand the mantle source and contribution of metasomatic agents in samples of mantle xenoliths and alkaline basalts, this study reports new geochemical data, K-Ar ages, Sr-Nd-Pb isotopes and noble gas isotopes. Based on mineralogical, geochemical and Sr-Nd-Pb isotope compositions, the first manuscript of this thesis suggests two new groups of Cenozoic Patagonian basalts with intraplate signatures, Group I and Group II. The studied area is widely distributed through Patagonian continental back-arc. Group I basalts results from small degrees of partial melting (<3%) of a phlogopite-bearing garnet peridotite mantle source at asthenospheric depths (113-134 km) with Sr-Nd-Pb isotopic ratios that represent a depleted OIB-like component. These features suggest a relation between intraplate volcanism and compositional anomalies (“wetspot”), which could be related to a thermal anomaly beneath Patagonia (TP = 1400-1563°C). On the other hand, partial melting (5-10%) of pyroxenite veins close to the lithosphere-asthenosphere boundary (89-94 km) were capable to produce the geochemical and isotopic features of enriched mantle component (EMI) of Group II basalts without thermal anomaly (TP = 1305- 1364°C). In general, the amount of slab components decreases eastward, reflecting across-arc geochemical variation. The second manuscript presents new geochemical and Sr-Nd-Pb isotopic data for spinel-lherzolites and its host basalt. The studied area is represented by a lava flow near Coyhaique, Chilean back-arc. This occurrence is one of the closest to the convergent margin, being ~320 km from the Chile trench. New K-Ar ages for host basalt yielded 54 Ma. Based on geochemical and isotopic data, this OIB-like alkaline basalt was generated by small degrees of partial melting (up to 6%) within the garnet stability field, probably resulting from asthenospheric upwelling through slab window within the subducting Farallón-Aluk spreading ridge. Spinel-lherzolites show marked features of subduction zone metasomatism, such as pronounced negative Nb-Ta-Ti anomalies. However, based on the geochemical and isotopic data, these rocks require a heterogeneous SCLM resulting from mixing between depleted component (DMM or PREMA) and up to 15% of slab-derived components associated to subduction of Aluk oceanic plate. The enriched component added to the SCLM was metasomatized by different extents of melts from subducted Chile trench sediments (up to 60%) and modified oceanic crusts (more than 40%). Finally, the third manuscript is based on inedited noble gas compositions and on new Sr-Nd-Pb isotopic ratios of mantle xenoliths from Pali-Aike Volcanic Field and Gobernador Gregores. Noble gas data indicate that Patagonian SCLM reflects a mixing between air and two mantle endmembers. Pali-Aike peridotites represent degassed and intrinsic SCLM with strongly radiogenic/nucleogenic signature by higher 4He/3He, 21Ne/22Ne, and 40Ar/36Ar ratios than MORB source. In terms of mantle components, GG peridotites represent a mixing between SCLM (Pali-Aike) and MORB. The metasomatism with MORB-like signature can be tectonically explained by asthenospheric mantle upwelling in response to the opening of a slab window beneath Patagonia because of Chile Ridge subduction. Additionally, these rocks show depleted Sr-Nd-Pb isotopic data and an age of 13.64 ± 0.83 Ma was obtained by Rb-Sr isochron including whole-rock, clinopyroxene and phlogopite. This data represents the formation age of phlogopite, which is a key mineral to determine the time of metasomatic imprint and its potential association with geotectonic events. Thus, it is possible to associate the formation of this mineral to collision of Chile Ridge against Chile trench, and the subsequent opening of slab window.