Origin and environmental impact of the Central Atlantic Magmatic Province

The Central Atlantic Magmatic Province (CAMP), associated with the breakup of Pangea and straddling the Triassic-Jurassic boundary, has been recognized as one of the largest Phaneorozoic igneous provinces. Its volcanogenic gas outpurs possibly led to global climatic perturbations that in turn have been suggested to have had a trigger role on the end-Triassic biotic crisis. To further test this causal link, several aspects need to be investigated, through a multidisciplinary approach. In particular, eruptive style and rate as well as chemistry of the outpurred volcanics may influence the quantity and modality of the outgassing, thus determining either a severe or weak environmental impact of a Large Igneous Province. Additionally, precise (isotopic and biochronostratigraphic) geochronological investigations are required to unravel the time relationship between CAMP onset and other events documented in the global stratigraphic record, such as the end-Triassic biological turnover. In the first part of this thesis, new sampling and geochemical data are reported and interpreted for the south-eastern North American intrusive (dykes and sills) occurrences of the CAMP. Previous studies had attempted discerning the mantle source of these tholeiitic suites, leaning toward either a mantle-plume or a lithospheric mantle origin. Our combined new major and trace element and Sr-Nd-Pb-Os isotopic analyses on more than 70 rock samples and detailed electron microprobe mineral data provide further insights into the petrogenesis of eastern North American (ENA) CAMP dykes and sills. Ranging in composition from Olivine/Hyperstene- to Quartz-normative, the low-Ti (TiO2 0.36-1.35 wt%) sampled tholeiites show large variations in major elements (e.g., MgO 17-5 wt%; CaO 12-7 wt%) that are interpreted to derive from closed-system fractional crystallization, starting from (at least) two different parental magma-types: high- and low-Fe olivine-normative basalts. ENA diabases show uniform, rather depleted trace element contents, decoupled from Sr-Nd-Pb isotopic systematics that in turn are generally enriched and show a large spread of values (87Sr/86Sr200Ma 0.70438-0.70880; 143Nd/144Nd200Ma 0.5120-0.5125; 206Pb/204Pb200Ma 17.41-18.61; 207Pb/204Pb200Ma 15.54-15.63; 208Pb/204Pb200Ma 37.32-38.38). In particular, 206Pb/204Pb ratios reach very low values, that are not observed on low-Ti basalts from the rest of CAMP, and extending towards signatures typical of the Enriched Mantle-I pole. On the contrary, 187Os/188Os200Ma isotopes are homogenously low, showing mantle signatures, and not correlated with other isotopic compositions. Consistently, numerical modeling of assimilation processes constrains the role of crustal contamination to be no larger than 3-10%. Thus, the heterogeneous and enriched signatures are interpreted to reside in the mantle-source, which in turn is suggested to consist of sub-continental lithosphere enriched with an EMI component by ancient subductions. This EMI-flavored component is suggested to be conveyed by sediments-bearing recycled oceanic crust, incorporated as pyroxenitic veins within the lithospheric mantle. In the second part, the results of applying the high resolution of marine biostratigraphy to constrain the detailed timing of the CAMP onset are presented. Analyses of biogenic apatite from 19 stratigraphically well-constrained conodont samples from the Tethyan realm indicate two significant shifts of the oceanic 87Sr/86Sr composition during the latest Triassic: a rapid drop of 87Sr/86Sr during the lower Rhaetian, followed by an increase during the upper Rhaetian. These shifts are positively correlated with synchronous variations of oceanic 187Os/188Os and they may be attributed to a rapid emplacement and erosion of the CAMP, followed by a prompt increase of continental weathering. These interpretations back-position the first onset of the CAMP around the Norian-Rhaetian boundary, hence implying a short duration for the Rhaetian stage (<2 Ma). Volcanogenic triggering of end-Triassic climatic perturbations is thus plausible, with bearings on the biotic crisis starting from the Norian-Rhaetian and culminating at the Triassic-Jurassic boundary. The hypothesis of a step-wise character previously suggested for this mass extinction is also reinforced by these new data.

La Central Atlantic Magmatic Province (CAMP), legata al breakup del supercontinente Pangea, e messa in posto a cavallo del limite Triassico-Giurassico, è stata riconosciuta come una delle più grandi province magmatiche del Fanerozoic. L’emissione di gas vulcanici da parte della CAMP ha potenzialmente avuto un impatto considerevole sul clima globale, tale da essere stata una possibile causa dell’estinzione di massa di fine Triassico. Per testare l’effettiva consistenza di questo rapporto di causa-effetto, è necessario indagare la CAMP sotto diversi aspetti, attraverso un approccio di tipo multidisciplinare. In particolare, lo stile e la frequenza eruttiva, così come il chimismo delle intrusioni e delle vulcaniti messe in posto possono influenzare la quantità e la modalità del degassamento, determinando quindi un impatto ambientale forte o blando da parte di una provincia magmatica. Inoltre, si rendono necessarie precise analisi geocronologiche (isotopiche e biocronostratigrafiche) per dipanare le relazioni temporali di dettaglio tra magmatismo CAMP e altri eventi riscontrati nel record stratigrafico, come il turnover biologico osservato alla fine del Triassico. Nella prima parte di questa tesi vengono presentati e interpretati nuovi dati ottenuti da un recente campionamento di dicchi e sill appartenenti alla CAMP e affioranti nell’area sud-orientale del Nord America. Studi precedenti hanno affrontato il problema di determinare la sorgente di mantello di questi corpi intrusivi tholeiitici, propendendo alternativamente per un’origine determinata dall’arrivo di un mantle-plume, o per una provenienza di questi magmi dal mantello litosferico. I nuovi dati ottenuti (elementi maggiori e in traccia e analisi isotopiche di Sr-Nd-Pb-Os su oltre 70 campioni di roccia totale e analisi dettagliate dei fenocristalli da microsonda elettronica) forniscono una migliore comprensione della petrogenesi di questa parte della CAMP. I campioni mostrano un ampio range composizionale, variando da Olivin/Hyperstene-normativi a Quarzo-normativi. Generalmente basse in Ti (TiO2 0.36-1.35 wt%), le doleriti campionate mostrano abbondanti variazioni in elementi maggiori (es. MgO 17-5 wt%; CaO 12-7 wt%), che sono state interpretate derivare da processi di cristallizzazione frazionata a partire da magmi parentali di (almeno) due diverse composizioni: basalti Olivin-normativi alti e bassi in Fe. Contrariamente agli elementi in traccia, che mostrano composizioni uniformi e tendenzialmente impoverite, i rapporti isotopici (Sr-Nd-Pb) presentano valori molto eterogenei e signature arricchite (87Sr/86Sr200Ma 0.70438-0.70880; 143Nd/144Nd200Ma 0.5120-0.5125; 206Pb/204Pb200Ma 17.41-18.61; 207Pb/204Pb200Ma 15.54-15.63; 208Pb/204Pb200Ma 37.32-38.38). In particolare, i rapporti 206Pb/204Pb raggiungono valori molto bassi, mai riscontrati prima in rocce CAMP basse in Ti., estendendosi verso il campo composizionale dell’Enriched Mantle I (EMI). Viceversa, i valori di 187Os/188Os200Ma risultano omogenei, con firme isotopiche basse, tipiche del mantello, e non correlati con altri isotopi. In accordo con tali dati, la modellizzazione numerica dei processi di assimilazione limita la contaminazione crostale tra il 3 e il 10 %. Quindi, l’elevata variabilità e la firma isotopica arricchita sono caratteristiche ereditate dalla sorgente, interpretata come un mantello litosferico sub-continentale, arricchito di una componente EMI da un’antica subduzione. La componente con firma isotopica tipica dell’EMI si suppone fornita da crosta oceanica riciclata (e relativi sedimenti oceanici), incorporati come vene pirossenitiche all’interno del mantello litosferico. Nella seconda parte vengono presentati i risultati dell’applicazione della biostratigrafia marina e della sua alta risoluzione temporale a una definizione di dettaglio della messa in posto della CAMP. L’analisi di 19 campioni di conodonti (apatite) da sezioni del reame tetideo stratigraficamente ben calibrate ha portato al riconoscimento di due shift nella composizione isotopica dell’acqua oceanica. Una rapida caduta del rapporto 87Sr/86Sr durante il Retico inferiore è seguita da un aumento nel Retico superiore. Queste variazioni isotopiche sono positivamente correlate con perturbazioni nel rapporto 187Os/188Os in acqua oceanica, e possono essere imputate a una rapida messa in posto ed alterazione della CAMP, seguite da un veloce aumento del tasso di erosione continentale. Questa interpretazione implica un riposizionamento della prima messa in posto della CAMP intorno al limite Norico/Retico, cui consegue necessariamente un limite massimo per la durata del Retico (<2 Ma). Un rapporto di causa/effetto tra vulcanismo CAMP e perturbazioni climatiche è quindi plausibile. A sua volta, il mutamento del clima può aver potenzialmente innescato la crisi biologica globale culminata al limite Triassico/Giurassico. Questa nuova interpretazione appoggia inoltre il carattere graduale dell’estinzione di fine Triassico, descritta da autori precedenti come un’escalation progressiva di estinzioni iniziata al limite Norico/Retico e culminata al Triassico/Giurassico.