Structural Evolution of Periadriatic Plutons and its implications on solid-state deformation of granitoid rocks

Exhumed granitoid plutons are an ideal natural research target for studying the processes of nucleation and evolution of ductile and brittle deformation structures. Granitoid plutons, unaffected by later tectono-metamorphic cycles, preserve pristine deformation structures developed during cooling from magmatic to host rock ambient temperatures, that can be assumed as representatives of structures that at different structural levels of the continental crust. The main focus of this Ph.D. project is the analysis of deformation structures of the Rieserferner pluton – one of the major Periadriatic intrusions. The aim of the study is two-fold: (i) reconstruct the tectonic framework during the different stages of the pluton structural evolution, and (ii) determine the processes controlling localized ductile strain at different scales and the environmental conditions at which they occurred. The structural evolution during pluton cooling consists of 5 main deformation stages, that have been bracketed in time and thermal conditions according to microstructural and textural analysis, literature and field data: (i) steeply dipping joints, leucocratic dykes and quartz-feldspar veins and associated ductile shear zones; (ii) shallowly dipping joints with associated epidote and quartz veins and ductile shear zones; (iii) steeply dipping mafic dykes and calcite-white mica-bearing brittle-ductile faults; (iv) steeply dipping pseudotachylyte-bearing cataclastic faults; and (v) zeolite-bearing faults. Integrating new field, microstructural and geothermo-chronological data with published data we have related the deformation sequence to the Tertiary tectonics of the Eastern Alps. (i) three main ductile deformation stages developed during Oligocene, followed by two brittle deformation stages during Miocene; (ii) paleostress inversion from kinematic analyses suggest a complex stress field variation during the structural evolution mainly due to switch in relative magnitudes of principal stress components; (iii) the described paleostress evolution reflect the sequence of tectonic processes occurred during Oligocene and Miocene at the scale of the Eastern Alps, from slab break-off to indentation and lateral escape tectonics. Microstructural investigations were mainly focused on the analysis of ductile shear zones exploiting epidote- and quartz-rich veins. Softening and localization in quartz veins was mainly controlled by grain size reduction by recrystallization. EBSD mapping and image analyses have shown that different crystallographic orientations of quartz vein crystals controlled the evolution of microstructures and crystallographic preferred orientations (CPO) during vein-parallel simple shear up to high shear strains ( ≈ 10). Recrystallization by Subgrain Rotation (SGR) lead to the development of fine-grained ultramylonitic quartz veins, in which, the observed CPO banding have been inherited from the original crystallographic orientation of the vein crystals. Localization of ductile strain within heterogeneous shear zones exploiting epidote veins was mainly obtained through myrmekite development and following shearing. EBSD investigations suggest that myrmekite induced a switch in the dominant deformation mechanism, from dynamic recrystallization by SGR to diffusion-assisted grain boundary sliding (GBS) during shearing of plagioclase + quartz aggregates. Thermodynamic modelling was aimed to define the temperature-pressure-fluid conditions under which deformation these processes occurred. Pseudosections computed for the chemical systems NaCaKFMASHO and MnNaCaKFMASHO suggest that: (i) the epidote-veining event in the RFP likely occurred at temperatures between 520°C and 490°C at water-saturated conditions; (ii) the main deformation phase likely occurred at 460±40°C and 0.35 ± 0.05 GPa, lasting probably during pluton cooling down to 350°C at slightly under-saturated water-conditions.

I plutoni granitoidi esumati sono un target di ricerca ideale per la caratterizzazione dei processi di nucleazione e sviluppo delle strutture deformative sia duttili che fragili. I plutoni granitoidi sono corpi magmatici che per definizione, sono privi della moltitudine di strutture pervasive derivanti dagli intensi processi tettono-metamorfici che caratterizzano le rocce metamorfiche in generale. Per cui, le strutture deformative sviluppate durante il raffreddamento dei plutoni da condizioni magmatiche alle temperature della roccia incassante, sono preservate nei loro stadi incipienti. Tali strutture possono essere prese come esempio per lo sviluppo di strutture deformative a differenti livelli strutturali della crosta continentale. Il principale soggetto di ricerca trattato in questa tesi di dottorato è l'analisi delle strutture deformative del plutone di Vedrette di Ries – Rieserferner – una delle più importanti intrusioni Periadriatiche. Gli obbiettivi dell'analisi sono molteplici: (i) ricostruzione del contesto tettonico durante lo sviluppo dei diversi stage dell'evoluzione strutturale del plutone, e (ii) definizione dei processi alla base della localizzazione della deformazione duttile a varie scale e definizione delle condizioni alle quali questi processi avvengono. L'evoluzione strutturale durante il raffreddamento e successiva esumazione del plutone delle Vedrette di Ries comprende 5 fasi principali di deformazione: (i) joint, filoni leucocratici e vene a quarzo-feldspato ad alto angolo e zone di taglio associate; (ii) joint a basso angolo e associate vene a quarzo e vene a epidoto e associate zone di taglio duttili; (iii)faglie duttili-fragili ad alto angolo, associate a mineralizzazione a calcite e mica bianca e all'intrusione di filoni mafici; (iv) faglie cataclastiche e pseudotachylyti ad alto angolo; (v) faglie cataclastiche a zeoliti. Tali fasi sono state vincolate in termini di temperature e cronologia assoluta in questo lavoro tramite la comparazione di analisi microstrutturali, dati di letteratura e dati di rilevamento geologico. Tale vincolo ci ha permesso di collegare l’evoluzione descritta con la tettonica del Terziario delle Alpi Orientali. I principali risultati del nostro lavoro possono essere così riassunti: (i) Tre fasi principali di deformazione duttile sono avvenute durante il raffreddamento del plutone nell’Oligocene; in seguito, due fasi fragili si sono sviluppate durante l’esumazione regionale nel Miocene; (ii) l'analisi della cinematica delle strutture e l'inversione del paleostress suggeriscono una variazione complessa del campo di sforzi, principalmente legato alla variazione delle intensità relative delle componenti principali di sforzo; (iii) l'evoluzione del paleostress riflette la sequenza di processi tettonici avvenuti durante l'Oligocene ed il Miocene alla scala delle Alpi Orientali, dai processi legati allo slab break-off, alla tettonica di indentazione e di estrusione laterale. Le indagini microstrutturali sono state principalmente indirizzate all'analisi delle zone di taglio derivanti da vene a quarzo ed epidoto. I processi di softening e localizzazione nelle vene a quarzo sono principalmente controllati da processi di grain-size reduction per ricristallizzazione dinamica. Le analisi dei campioni raccolti tramite electron-backscattered diffraction (EBSD) ed analisi di immagine hanno mostrato che l'orientazione cristallografica dei cristalli di quarzo della vena hanno controllato l'evoluzione microstrutturale e dell'orientazione cristallografica preferenziale (CPO) durante la deformazione di taglio semplice parallela alla vena fino ad elevate deformazione (>10). La ricristallizzazione tramite subgrain rotation (SGR) ha portato allo sviluppo di vene di quarzo ultramilonitiche a grana fine, nelle quali, la struttura a bande della CPO è stata ereditata della orientazione cristallografica originale dei cristalli di vena. La localizzazione della deformazione duttile su zone di taglio eterogenee nucleate sulle vene a epidoto, invece, è stata principalmente ottenuta tramite lo sviluppo di myrmekiti e successiva deformazione. Analisi EBSD suggeriscono che lo sviluppo di myrmekiti ha indotto uno scambio nei processi di deformazione dominanti, dalla ricristallizzazione dinamica per mezzo di dislocation creep, a processi di diffusion-assisted grain boundary sliding durante la deformazione degli aggregati di plagioclasio + quarzo derivanti dalle myrmekiti. La modellizzazione termodinamica ha permesso di definire le condizioni di pressione-temperatura-fluidi alle quali questi processi furono attivi. Le risultanti pseudosezioni calcolate per i sistemi chimici NaCaKFMASHO e MnNaCaKFMASHO suggeriscono che: la formazione delle vene ad epidoto avviene a temperature comprese tra 520°C e 490°C in condizioni di saturazione della fase fluida; (ii) la fase di deformazione principale probabilmente avviene a 460 ± 40 °C e 0.35 ± 0.05 GPa, perdurando durante il raffreddamento del plutone probabilmente fino a 350°C in condizioni di quasi-saturazione della fase fluida.