Petrology of metapelites from Val Strona di Omegna (Ivrea–Verbano Zone, NW Italy)

The Ivrea–Verbano Zone (IVZ) in the Southern Alps of northwestern Italy represents one of the most extensively studied and best-exposed sections of the middle to lower continental crust in the world. Its unique geological architecture offers direct access to high-grade metamorphic rocks that record a complex tectono-thermal evolution. For this reason, the IVZ continues to serve as a fundamental natural laboratory for investigating deep crustal processes. Within this framework, the Val Strona di Omegna area was selected as the focus of this study to revisit long-standing interpretations on the metamorphic and geochemical evolution. The aim of this thesis was to investigate the metamorphic evolution of metapelitic rocks across a metamorphic field gradient from amphibolite to granulite facies conditions, by integrating field and petrographic observations, phase equilibria modelling, and mineral and whole-rock geochemical data. Field observations and optical microscopy were complemented by analytical techniques including Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) for mineral phase identification, as well as Raman spectroscopy, which was employed to investigate tiny mineral and fluid inclusions within garnet porphyroblasts. These methods enabled the characterization of both monomineralic and polymineralic inclusions and the detection of fluid species such as CH₄, N₂, and CO₂ in multiphase inclusions. Notably, previously unreported occurrences and coexistence of staurolite (St) and kyanite (Ky) were identified in amphibolite facies samples, preserved as inclusions within garnet. These relic phases represent a sub-solidus equilibrium assemblage, and their stability was further evaluated through P-T pseudosection modelling using Perple_X software. Phase equilibria diagrams constructed for these samples allowed the identification of a distinct P–T field, ranging from 630–640 °C and 6.3–8.0 kbar, in which St and Ky coexist. These results provide evidence for a preserved Barrovian prograde metamorphic imprint within a region more commonly associated with high-temperature, melt-related evolution. In particular, by using the coexistence of kyanite and staurolite within garnet and the peak metamorphic assemblage as constraints, it was possible to reconstruct a segment of the metamorphic P–T path. This path reveals a clockwise trajectory characterized by decompression during heating, with temperatures increasing from approximately 610 to 670 °C and pressures decreasing from ~8.5 to ~6.4 kbar. Such a trajectory is indicative of a crust section formed in a Variscan accretionary wedge setting. To evaluate the geochemical implications of partial melting, whole-rock major element compositions were examined alongside a series of Singular Value Decomposition (SVD) analyses. These were constructed to test the melt-loss hypothesis using both leucosome compositions from this study and melt inclusions. The results did not support the previously proposed models that interpreted granulite facies rocks as melt-depleted residuum derived from amphibolite facies protoliths. In both systems (amphibolite–transition and amphibolite–granulite), significant mismatches between measured and modelled compositions, particularly in Na₂O, K₂O, CaO, and TiO₂, indicated that mass balance could not be achieved. These discrepancies suggest a more complex petrogenetic scenario, potentially involving compositional heterogeneities inherited from distinct sedimentary protoliths and/or tectonic juxtaposition of metamorphic units. The observed mismatch between measured and modelled compositions implies that a simple melt-depletion relationship between amphibolite and granulite facies rocks may be insufficient to explain their geochemical divergence.

La Zona Ivrea–Verbano (IVZ), situata nel dominio delle Alpi Meridionali dell’Italia nord-occidentale, rappresenta una delle sezioni di crosta continentale profonda meglio esposte e più studiate al mondo. La sua attuale orientazione, permette di percorrere un gradiente metamorfico di terreno preservato, con rocce metamorfiche di alto grado che hanno registrato una complessa evoluzione tettonica. Per queste ragioni, la IVZ continua a costituire un fondamentale laboratorio naturale per l’indagine dei processi che avvengono nella crosta inferiore. In questo contesto, l’area della Val Strona di Omegna è stata selezionata come oggetto di questo studio per rivedere alcune interpretazioni dell’evoluzione metamorfica e geochimica proposte durante gli anni, e per vincolare meglio l’evoluzione metamorfica prograda pre-picco, un aspetto che ha ricevuto finora un’attenzione relativamente limitata nella letteratura relativa all’area di studio di questo lavoro. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare l’evoluzione metamorfica delle metapeliti della IVZ attraverso le relative zone di facies anfibolitica, di transizione e granulitica, integrando osservazioni di terreno e petrografiche, modellizzazione degli equilibri di fase e analisi geochimiche su minerali e rocce. Le osservazioni sul campo e la microscopia ottica sono state affiancate da tecniche analitiche avanzate, tra cui la Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) e la Spettroscopia a Dispersione di Energia (EDS) per l’identificazione delle fasi mineralogiche, la spettroscopia Raman, impiegata per analizzare inclusioni fluide e di minerali presenti all’interno del granato. Tramite queste analisi sono state caratterizzate inclusioni sia monomineraliche che polimineraliche, assieme alla presenza di fasi fluide come CH₄, N₂ e CO₂ all’interno di inclusioni multifase. In particolare, è stata identificata per la prima volta l’associazione staurolite e cianite in campioni appartenenti alla facies anfibolitica, preservata come inclusioni all’interno dei granati. Queste fasi relitte sono state interpretate come un’associazione mineralogica all’equilibrio in condizioni antecedenti il picco metamorfico, la cui stabilità è stata successivamente verificata tramite la modellizzazione degli equilibri di fase condotta con il software Perple_X. I diagrammi di fase costruiti per questi campioni hanno rivelato un campo P–T ben definito in cui staurolite e cianite coesistono. Questi risultati indicano la preservazione della fase prograda di metamorfismo barroviano all’interno di un’area comunemente associata a un’evoluzione ad alta temperatura e a processi di fusione parziale. Utilizzando come vincoli la coesistenza di staurolite e cianite all’interno del granato e la paragenesi di picco, è stato possibile ricostruire un segmento del percorso P–T, che mostra una traiettoria P-T in senso orario, caratterizzata da decompressione durante il riscaldamento, con un aumento di temperatura da circa 610 a 670 °C e una diminuzione di pressione da circa 8.5 a 6.4 kbar. Tale traiettoria suggerisce la formazione di questa sezione di crosta in un contesto di cuneo d’accrezione di età varisica. Per valutare le implicazioni geochimiche legate alla fusione parziale, sono state analizzate le composizioni degli elementi maggiori per i diversi campioni e successivamente sono state svolte analisi di decomposizione a valori singoli. Queste ultime sono state svolte per testare l’ipotesi che la perdita di fuso sia responsabile delle variazioni geochimiche osservate e per questo scopo sono state utilizzate sia le composizioni dei leucosomi ottenute in questo studio sia quelle delle inclusioni di fuso silicatico documentate in lettratura all’interno di porfiroblasti di granato.