Perchè le anfiboliti sono deboli? Uno studio dei thrust duttili del Moine, Scozia

The Tongue district, located at the northwestern margin of the Scottish Highlands, is the result of a complex, polyphase geological history linked to the Caledonian orogeny. The focus of this research is a large basaltic intrusion, the Ben Hope sill, which was deformed under amphibolite-facies conditions within the Moine Thrust Zone (> 600 °C). Despite the amphibole-rich mafic assemblage, these rocks appear weaker than the quartz-rich country rock. This is evidenced by the intense mylonitic texture of the sill, which indicates preferential strain localization, and by delicate original structures (e.g., fluvial ripples) preserved within the metasediments. This results in an evident rheological paradox: amphiboles are among the stiffest constituents of the middle crust, meaning that ductile deformation should have preferentially concentrated within the quartzose matrix. Through a detailed petrographic analysis, this work reveals the mechanisms of progressive strain localization within the amphibolites. Specifically, we used Electron Backscatter Diffraction (EBSD) on a scanning electron microscope (SEM) to quantify the mylonite textures in terms of crystallographic preferred orientation (CPO). With the evolution from proto- to ultra-mylonite (increasing strain), a marked reorganization of the foliation is observed, associated with the progressive disappearance of sialic minerals: quartz and feldspar. The increasing intensity of the CPO, commonly attributed to processes such as dislocation creep, contrasts with the scarcity of active slip systems in amphibole under the estimated conditions. With this study, we demonstrate that the observed preferred orientations are not the product of crystal plasticity, but rather the effect of a rigid rotation of amphibole crystals within a rheologically weak matrix, which deforms primarily via pressure solution. The weak nature of the amphibolites relative to the quartz-feldspathic country rock is therefore explained by the development of high grain-scale stresses, induced by the rigid behavior of the amphiboles, which facilitate the ductile flow of the matrix. These mechanisms demonstrate the importance of small-scale rheological contrasts, thereby resolving the paradox of strain localization within amphibolite bodies.

Il distretto di Tongue, situato al margine nord-occidentale delle Highlands scozzesi, è il risultato di una complessa storia geologica polifasica legata all’orogenesi Caledoniana. Protagonista di questa ricerca è una grande intrusione basaltica, il sill Ben Hope, deformato in facies anfibolitica all’interno della Moine Thrust Zone (> 600 °C). Nonostante l’assemblaggio mafico ricco in anfiboli, queste rocce risultano più deboli dell’incassante ricca in quarzo. Questo è evidenziato dall’intensa tessitura milonitica del sill, indice di localizzazione preferenziale della deformazione, e delicate strutture originali (e.g., ripple fluviali) preservate nei metasedimenti. Questo risulta in un evidente paradosso reologico: gli anfiboli sono tra i costituenti più rigidi della crosta media, mentre la deformazione duttile avrebbe dovuto concentrarsi preferenzialmente nella matrice quarzosa. Questo lavoro rivela attraverso una dettagliata analisi petrografica i meccanismi della progressiva localizzazione della deformazione nelle anfiboliti. In particolare, abbiamo utilizzato la Diffrazione da Retrodiffusione Elettronica (EBSD) su un microscopio elettronico a scansione (SEM) per quantificare le tessiture delle miloniti in termini di orientazione cristallografica preferenziale (CPO). Con l’evoluzione da proto- a ultra-milonite (crescente deformazione) si osserva una marcata riorganizzazione della foliazione associata alla progressiva scomparsa dei minerali sialici: quarzo e feldspato. L’incremento dell’intensità della CPO, comunemente attribuita a processi quali dislocation creep, si scontra con la scarsità di sistemi di scorrimento (slip) attivi nell’anfibolo alle condizioni stimate. Con questo studio dimostriamo che le orientazioni preferenziali osservate non sono il prodotto di plasticità cristallina, bensì l’effetto di una rotazione rigida dei cristalli di anfibolo all’interno di una matrice reologicamente debole, che deforma principalmente grazie a presso-soluzione. La natura debole delle anfiboliti rispetto all’incassante quarzo-feldspatico è quindi spiegata dallo sviluppo di pressioni elevate alla scala del grano, indotte dal comportamento rigido degli anfiboli, che facilitano il fluire duttile della matrice. Questi meccanismi dimostrano l’importanza dei contrasti reologici alla piccola scala, risolvendo il paradosso della localizzazione della deformazione in corpi anfibolitici.