• breccia dykes
• breccia masses
• idrofratturazione
• isola d'Elba
• Porfido di Portoferraio
• porfido layered
• pulsi di magma

Riassunto:
Questa tesi affronta il problema dell'origine e del ruolo dei fluidi nei processi al contatto tra intrusioni magmatiche e rocce incassanti nella crosta superficiale dell’Isola d’Elba. Il caso di studio è costituito dalle porzioni marginali del laccolite del Porfido di Portoferraio. Questo ha composizione monzogranitica-sienogranitica e tessitura porfirica con fenocristalli di sanidino, quarzo, plagioclasio e biotite in una pasta di fondo afanitica formata dalle stesse fasi. In diversi affioramenti delle zone di contatto, il Porfido presenta una marcata anisotropia costituita da livelli continui di colore scuro con andamento sub-parallelo al contatto con le rocce incassanti (ofioliti delle Unità Liguri). Inoltre, all’interno del Porfido e/o delle rocce incassanti sono spesso presenti brecce a matrice pelitica scura contenenti clasti sub-angolari di Porfido e di rocce incassanti (torbiditi della Formazione di Marina di Campo). Questi corpi brecciati si possono suddividere generalmente in due tipi: breccia masses, corpi irregolari matrice-sostenuti (matrix-supported) e breccia dykes, corpi tabulari con minore quantità di matrice.
Lo studio di queste strutture può contribuire alla comprensione dei processi legati alla messa in posto di intrusioni felsiche in livelli superficiali della crosta. A questo scopo è stato effettuato uno studio bibliografico sulle tematiche relative, in particolare: (i) componenti fondamentali delle brecce e la loro classificazione, descrivendo accuratamente quelle ipoabissali che sono la tipologia di interesse per la tesi, (ii) messa in posto dei corpi ignei in livelli superficiali della crosta e il loro assemblaggio per pulsi di magma e, infine, (iii) processi di idrofratturazione e idrobrecciatura delle rocce incassanti intorno ad un intrusione, con particolare attenzione all’origine dei fluidi e ai meccanismi di fratturazione delle rocce. Il lavoro di terreno è stato svolto sotto la supervisione dei tutori e con la collaborazione del Prof. David S. Westerman (Norwich University, VT, USA). Sul terreno sono state analizzate in dettaglio le strutture macro- e mesoscopiche delle zone di contatto del Porfido, delle brecce matrix-supported e dei breccia-dykes, e sono stati raccolti campioni significativi per le analisi microstrutturali, petrografiche, mineralogiche e geochimiche. Sono stati raccolti 45 campioni di a) Porfido di Portoferraio con e senza layering da diverse località (tra Capo d’Enfola e punta Sansone, spiaggia La Sorgente, Viticcio e Marciana Marina), b) brecce matrix-supported e c) breccia dykes, (tra Capo d’Enfola e Punta Sansone, Acquaviva, Viticcio e Marciana Marina); da alcune brecce sono stati prelevati anche singoli clasti di Porfido e di rocce pelitiche, arenitiche e carbonatiche.
Su questi campioni sono state eseguite analisi petrografiche, a varia scala, e analisi geochimiche per definire le variazioni composizionali del layering nel Porfido, nonché i tipi di litologia e minerali che compongono i clasti e la matrice delle brecce. I campioni, essendo poco coerenti a causa della importante alterazione del Porfido e alla scarsa coesività della matrice delle brecce, sono stati inglobati in resina al poliestere al fine di poterli lavorare senza alterarne le relazioni strutturali interne. I campioni sono stati tagliati con troncatrice diamantata: da un blocco è stata ricavata una sezione sottile mentre l’altro, dopo essere stato accuratamente lucidato con la mola, è stato scansionato per ottenere un’immagine digitale ad alta risoluzione che permettesse di legare le osservazioni fatte alla scala dell’affioramento con quelle a scala microscopica. Le sezioni sottili sono state studiate e fotografate, al fine di avere immagini digitali anche della struttura microscopica delle rocce. Successivamente i campioni più significativi di ciascuna tipologia di roccia (porfido layered, breccia matrix-supported e breccia dykes) sono stati indagati dal punto di vista minerochimico e micro strutturale al microscopio elettronico a scansione (SEM) del Dipartimento di Scienze della Terra. Per meglio identificare le fasi presenti nelle zone “layered” del Porfido e nella matrice delle brecce, sono stati eseguiti dei micro-campionamenti di polveri raccolte con un microtrapano a punta diamantata evitando accuratamente di attaccare i fenocristalli del Porfido e i clasti delle brecce; queste polveri sono state analizzate con un diffrattometro di Bragg-Brentano del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa. Infine, all’Istituto di Geoscienze e Georisorse (IGG) del CNR di Pisa, tramite spettrometria di massa, è stato determinato il rapporto isotopico dell’idrogeno (δ D/H) di campioni rappresentativi al fine di investigare la natura dei fluidi coinvolti nel processi di fratturazione e formazione del layering. Come end-members per confrontare i valori dei campioni sono stati usati dei campioni costituiti da una pelite di punta Sansone e da una serpentinite dell’Isola d’Elba.
Le analisi composizionali effettuate al SEM hanno messo in evidenza che i livelli di layering scuro del Porfido contengono valori di Fe e Mg molto superiori rispetto al contenuto di questi elementi nel Porfido isotropo. Inoltre, sempre all’interno di questi livelli, sono stati individuati vari aggregati di minerali argillosi (illite, vermiculite e montmorillonite) e cloritici, la cui identificazione non è sempre stata possibile in quanto risultano costituiti da strati misti. La presenza di queste fasi è stata confermata dalle analisi diffrattometriche. In un campione di Porfido è presente anche uno xenocristallo scheletrico di spinello che è stato inglobato da una roccia ultrmafica. Sempre dalle analisi al SEM è stato possibile verificare la probabile presenza di vetro interstiziale in almeno un paio di campioni di Porfido, presenza supportata anche dall’indagine diffrattometrica. Per quanto riguarda i campioni di breccia, le analisi al SEM e la diffrattometria individuano la presenza di clasti di rocce ofiolitiche non rilevabili al microscopio ottico. Inoltre è stato riscontrato che la matrice tra i clasti è costituita principalmente da clorite e albite. In un campione di breccia sono presenti anche alcuni cristalli scheletrici di rutilo. Le analisi del rapporto isotopico dell’idrogeno hanno messo in evidenza due gruppi principali, quello delle breccia masses che ha valori simili a quelli della pelite e quello delle breccia dykes che ha valori del rapporto isotopico maggiori, più simili a quelle della acque juvenili.
In conclusione, si può affermare, che il layering del Porfido di Portoferraio vicino al contatto con l’incassante è presente a tutte le scale studiate (da mesoscopica a microscopica) ed è originato dalla comminuzione delle rocce incassanti intorno all’intrusione dovuta ai successivi pulsi di magma che hanno preso in carico, durante la fase di espansione laterale della messa in posto, frammenti di rocce al contatto, trascinandoli, macinandoli e inglobandoli fino a formare il layering del Porfido presso il contatto. Le brecce, invece, si sono formate a causa dell’essoluzione dei fluidi dal magma in risalita, che ha provocato la fatturazione delle rocce incassanti in seguito all’energia rilasciata dal boiling dei fluidi contenuti nel magma. Questo è stato un processo reiterato e, in funzione dell’intensità dell’essoluzione, ha generato le brecce masses o i breccia dykes.

Abstract:
This work is devote to collect data to discuss source and role of fluids in the processes occurring at the conctact between magmatic intrusions and host rocks in the shallow upper crust, using examples from Elba Island. The case study is represented by marginal sections of the Portoferraio porphyry laccolith, a subvolcanic igneous body with rhyolitic/granitic composition carrying sanidine phenocrysts in an aphanitic groundmass, that was emplaced at ca. 8 Ma in four mains layers at an average depth of 2.9 km. In the studied outcrops, the porphyry is layered and it is associated with several breccias made up by dark pelitic matrix and sub-angular clasts of porphyry, pelite and ophiolitic rocks engulfed into the porphyry or the country rocks. Two mains types of breccias are found: breccias masses, that are matrix-supported irregular bodies and breccias dykes, tabular bodies containing dominant clast along with minor matrix.
A detailed literature scan was done about the main themes of this work that consisted of (i) breccias’ essential components and classification, describing accurately Hypabyssal breccias, (ii) the emplacement of igneous bodies in the shallow upper crust and their assembly of magma pulses and, (iii) the hydraulic brecciation processes in the host rocks surrounding igneous intrusions, emphasizing the origin of the fluids and the mechanisms of rock fracturation. The field’s work has been carried out in collaboration with the thesis tutor as well as professor David S. Westerman (Norwich University, VT, USA). On the collected samples, petrographic and geochemical analysis have been carried out at the Department of Earth Sciences and IGG-CNR of Pisa. Mineral and textural characterization were based on optical microscope, scanning electron microscope (SEM-EDS) and powder X-ray diffraction. The isotopic ratio of hydrogen of the breccia’ samples has been determined at IGG-CNR (Pisa) by means of mass spectrometry.
Layering of the porphyry observed at the outcrop scale is also present at the microscopic scale and the compositional analysis performed by SEM-EDS showed that it contains anomalously high values of Fe and Mg compared to the values of these elements in porphyry isotropic. Moreover, within these levels, various aggregates of clay minerals (illite, vermiculite and montmorillonite) and chlorite have been identified. The occurrence of these phases was confirmed by XRD analysis. As for the breccia samples, the SEM-EDS and XRD analyses are allowed to detect the occurrence of clasts of ophiolitic rocks, not resolvable under the optical microscope. Additionally, it was found that the matrix between the clasts consists mainly of chlorite and albite.
The hypothesis is thus put forward that the layering of porphyry close to the contact with the wall rock is formed by comminution of the host rocks around the intrusion due to successive pulses of magma that, during the emplacement stage of lateral expansion, was dragging and grinding fragments up to form the layering of porphyry. The breccias were formed due to the first/second boiling of fluids from rising magma, which resulted in the hydrofracturing the host rocks. This was an iterative process and, depending on the exsolution energy, generated breccia dykes or masses.