Insights into Subduction and Exhumation Mechanisms of Continental Crust: An Example from the Sesia Zone (Western Alps)

Abstract

The Sesia Zone (SEZ) in the Western Alps is a large sliver of continentally derived crustal rocks that was subducted to depth exceeding 50 km. Because of its excellent preservation of high-pressure textures and structures, the SEZ is well-suited for the investigation of subduction- and exhumation-processes. To investigate the processes and mechanisms responsible for the subduction of the SEZ and its subsequent exhumation, we carried out structural mapping across large portions of the SEZ, petrologic investigations of structurally well defined samples as well as thermodynamic modelling and rheological calculations to better constrain the interplay of deformation, metamorphism and the physico-chemical properties of the high-pressure rocks. Constraints on the prograde Alpine metamorphism in the SEZ can be derived from the interpretation of garnet zonation patterns. Chemical growth zonation patterns in garnets from the central SEZ have therefore been investigated. These zonation patterns show a strong correlation between the shape of the garnet zonation and the sample locality. The comparison of observed garnet zonation patterns and those from thermodynamically models shows that the different zonation patterns are strongly influenced by differences in the water content of the subducted rocks as well as by the shape of the prograde P-T trajectory. The water content during burial significantly influences the physical properties of the subducted rocks, such that water-undersaturated rocks become denser than their water-saturated equivalents, facilitating the subduction of continental material, such as the SEZ rocks. The structural investigations revealed five regionally significant deformation phases. Initial exhumation of the Sesia Zone occurred along steeply dipping transpressive shear zones. At greenschist facies conditions sub-horizontally to moderately dipping normal faults develop in the structurally highest parts of the exhumed block, indicating a significant change in the orientation of the principal stress axes and possibly a change in the exhumation scenario from buoyancy-enhanced transpressional exhumation to extensional exhumation along moderately dipping normal faults. Growth zonation patterns in calcic amphibole indicate a change from near-isothermal decompression during transpressional exhumation to cooling during exhumation along the moderately dipping normal fault. Extensional exhumation from mid-crustal depths associated with further cooling indicates an exhumation mechanism that is possibly enhanced by hinge roll- back. Shear strength calculations together with petrological and structural constraints indicate a combination of buoyancy- and tectonically-driven exhumation that enables exhumation to mid-crustal levels along transpressive shear zones followed by further exhumation along moderately dipping normal faults. Ongoing cooling during normal faulting suggests further exhumation to be caused by syn-convergent crustal scale extension. Further, the numerical thermodynamic modelling showed that fractional garnet crystallisation as well as disequilibrium element incorporation in garnet leads to pronounced episodic garnet growth and may even cause growth interruptions. Discontinuous growth, together with pressure- and temperature-dependent changes in garnet chemistry cause zonation patterns that are indicative of different degrees of disequilibrium element incorporation. These typical garnet zonation patterns can be used to detect hindered element transport in metamorphic rocks.

Die West-alpine Sesia Zone (SEZ) ist ein großer Span kontinentaler Kruste, der in Tiefen bis über 50 km subduziert wurde. Da in der SEZ alte Mineraltexturen und deformative Strukturen, in verschiedensten Maßstäben hervorragend erhalten sind, eignet sich die SEZ bestens zur Untersuchung von Subduktions- und Exhumierungsprozessen. Zur Untersuchung der Prozesse, die zur Subduktion und zur anschließenden Heraushebung der SEZ geführt haben, haben wir große Teile strukturell kartiert, haben detaillierte petrologische Untersuchungen an klar strukturell definierten Proben durchgeführt und außerdem thermodynamische und rheologische Modellierungen dieser Gesteine berechnet. Erkenntnisse über die prograde, subduktionsgebundene Metamorphose der Sesia-Gesteine können aus der Interpretation von Granat-Zonierungsmustern gewonnen werden. Wir untersuchten in der zentralen SEZ die chemischen Wachstumszonierungen in Granaten, die während der prograden Metamorphose gewachsen sind. Diese Wachstumszonierungen zeigen eine deutliche Korrelation zwischen Probenort und Form der Zonierung. Vergleiche zwischen natürlichen und modellierten Granat-Zonierungsmustern zeigen, dass die Unterschiede in der Zonierung auf unterschiedliche Wassergehalte des Wirtsgesteins und auf unterschiedliche Formen des P-T Pfades zurückzuführen sind. Der Wassergehalt während der Metamorphose hat signifikante Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Gesteine. Wasseruntersättigte Gesteine werden dichter als ihre wassergesättigten Equivalente, was die Subduktion von kontinentalem Material erleichtert. Die Ergebnisse der strukturellen Untersuchungen zeigen, dass die SEZ durch fünf regional signifikante Deformationsphasen beeinflusst wurde. Die erste Exhumierung der SEZ fand entlang von steil stehenden transpressiven Strukturen statt. Unter grünschiefer-faziellen Bedingungen entwickeln sich dann in den strukturell höchsten Bereichen der SEZ sub-horizontale Abschiebungen, die eine Änderung der Spannungsachsen andeuten und einen Wechsel von auftriebsgesteuerter transpressiver Exhumierung unter Mantelbedingungen hin zu extensionsbetonter Exhumierung entlang von flachen Abschiebungen andeuten. Wachstumszonierungen in Ca-Amphibolen deuten einen Wechsel von isothermaler Dekompression während der transpressiven Exhumierung hin zu einer Abkühlung während der Heraushebung entlang der flachen Abschiebungen an. Exhumierung entlang von flachen Abschiebungen aus der mittleren Kruste, assoziiert mit Abkühlung, lässt darauf schließen, dass die Exhumierung durch hinge-rollback unterstützt wurde. Unsere Festigkeitsberechnungen zusammen mit den petrologischen und struturgeologischen Daten deuten auf eine Kombination aus auftriebs- und tektonikgetriebener Exhumierung hin, die es erlaubt, die Gesteine entlang von transpressiven Scherzonen bis in die mittlere Kruste zu bringen und dann entlang von flachen Abschiebungen weiter herauszuheben. Des Weiteren zeigen unsere thermodynamischen Modellierungen, dass fraktionierte Granat Kristallisation und auch Ungleichgewichtseinbau von Elementen in Granat zu betont episodischem Wachstum führt und Wachstumsunterbrechungen hervorrufen kann. Diese typischen Zonierungsmuster können verwendet werden um behinderten Stofftransport im Gestein zu detektieren.