RICERCA ITALIANA     

Genesi, evoluzione, dinamica eruttiva e processi deposizionali dei magmi peralcalini a Pantelleria.

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

L'isola di Pantelleria, la località tipo delle pantelleriti, è caratterizzata dall'associazione bimodale di basalti debolmente alcalini, e trachiti e rioliti peralcaline. Le eruzioni di magmi peralcalini coprono un ampio spettro di intensità e stili eruttivi. Di conseguenza, Pantelleria offre un'ottima opportunità per studiare la genesi e la differenziazione dei magmi pantelleritici, i processi operanti in camera magmatica, le dinamiche eruttive, i meccanismi di trasporto e i processi sin- e post-deposizionali, e le relazioni tra essi intercorrenti, tutti temi ancora fortemente dibattuti nella letteratura internazionale. Questo dipende anche dalla limitata conoscenza che attualmente si ha delle proprietà reologiche e termodinamiche dei magmi peralcalini, poco diffusi rispetto a quelli di altra composizione. Per contribuire alla soluzione dei problemi aperti a Pantelleria e, più in generale, per tutti i vulcani pantelleritici, il progetto prevede uno studio vulcanologico di dettaglio di tre vulcani rappresentativi dei diversi tipi presenti a Pantelleria: coni di pomici, vulcani a scudo ed edifici parzialmente collassati. Per definire la genesi dei magmi peralcalini saranno anche studiati i magmi basaltici di Pantelleria. Sarà eseguito un dettagliato studio vulcanologico di campagna a cui seguirà una raccolta di campioni su cui saranno eseguite analisi sedimenologiche, geochimiche (maggiori, tracce, volatili), isotopiche (a diversa scala: roccia totale, minerali, singoli minerali, e bordo-nucleo di minerali selezionati). Saranno anche determinati o stimati paramentri termodinamici e reologici, quali: viscosità anidra e idrata ad alte e basse P e T, capacità termica, temperatura di transizione vetrosa, coefficiente di espansione termica, conducibilità elettrica, energia di attivazione e fragilità dei fusi pantelleritici e nuove metodologie e tecnologie saranno impiegate per l'esecuzione di alcune delle analisi previste. I risultati attesi permetteranno di tracciare la storia dei magmi pantelleritici dalla sorgente, attraverso la camera magmatica e l'eruzione, fino alla deposizione dei prodotti eruttati. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Lucia CIVETTA Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto ha come obiettivo principale la definizione della storia dei magmi peralcalini a Pantelleria, dalla sorgente, attraverso la camera magmatica e l'eruzione, alla deposizione. Il raggiungimento di questo obiettivo contribuirà a definire i processi magmatologici e vulcanologici che coinvolgono i magmi peralcalini, poco conosciuti e fortemente dibattuti in letteratura. Obiettivi particolari sono la definizione: a) delle caratteristiche della sorgente dei magmi peralcalini; b) della genesi e differenziazione dei magmi peralcalini; c) dei possibili effetti della contaminazione crostale su magmi di origine mantellica; d) della struttura e dei processi operanti in camere magmatiche superficiali; e) del contenuto del magma in elementi volatili prima dell'eruzione; f) della P e T di cristallizzazione; g) delle proprietà reologiche e termodinamiche dei magmi peralcalini; h) delle dinamiche eruttive, e dei meccanismi di trasporto e deposizione dei prodotti di eruzioni che costituiscono tipici edifici vulcanici, e delle relazioni tra tutte le caratteristiche chimico-fisiche investigate e le dinamiche eruttive e i processi deposizionali.
Inoltre l'isola è uno degli 8 vulcani attivi italiani con una diffusa attività fumarolica. L'ultima eruzione è avvenuta nel 1891, poche miglia a nord della costa settentrionale, nel Canale di Sicilia. La popolazione permanente è di circa 10.000 persone e aumenta nella stagione estiva. La persistente attività del sistema vulcanico e la popolazione esposta ai pericoli, in caso di ripresa dell'attività, rende il rischio vulcanico dell'isola significativo. In questo quadro è indispensabile definire i tipi di pericoli che ci si può attendere, investigando le dinamiche eruttive e le cartteristiche dei magmi che hanno alimentato le eruzioni. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La genesi dei magmi peralcalini e le relazioni tra le proprietà chimiche e fisiche dei magmi peralcalini, i processi in camera magmatica, la dinamica eruttiva, e i meccanismi di trasporto e deposizione, sono argomenti scientifici ancora dibattuti. In particolare le proprietà reologiche e termodinamiche dei magmi peralcalini sono poco note e la controversia sulla loro genesi, che vede in contrapposizione un modello che invoca cristallizzazione frazionata di un magma basaltico e un altro che assume fusione parziale di un gabbro cumulitico o di basalti "underplated", è sempre viva.
L'isola di Pantelleria, la località tipo delle pantelleriti, è caratterizzata dall'associazione bimodale di basalti leggermente alcalini, e di trachiti e rioliti peralcaline, e da eruzioni di magmi peralcalini con un ampio spettro di magnitudo e stili eruttivi. Di conseguenza Pantelleria offre un'ottima opportunità per studiare la genesi e differenziazione dei magmi peralcalini, la loro reologia, la dinamica eruttiva, i meccanismi di trasporto e deposizione, e le relazioni tra le proprietà chimico-fisiche dei magmi,la dinamica eruttica e i processi deposizionali.
L'isola, la parte emersa di un edificio vulcanico che si erge per circa 1.000 m dal fondo del mare, è localizzata nel Rift del Canale di Sicilia (Finetti, 1984). Essa è formata in prevalenza da rocce vulcaniche che includono lave e depositi piroclastici, di composizione variabile da pantelleriti, a trachiti pantelleritiche e trachiti comenditiche, a basalti debolmente alcalini (Civetta et al., 1998). Le rocce evolute hanno età compresa tra 324 e 4 ka (Civetta et al., 1984; 1988; Mahood e Hildreth 1986), mentre quelle basaltiche hanno età di circa 118, 83, 29 e meno di 10 ka (Civetta et al., 1984).
Le caratteristiche strutturali e vulcanologiche di Pantelleria, così come quelle mineralogiche e geochimiche delle rocce vulcaniche, sono state oggetto di un gran numero di ricerche scientifiche fin dal XIX secolo (Carmichael, 1962; Rittmann, 1967; Korringa e Noble, 1972; Villari, 1974; Wolff e Wright, 1981; Mahood e Hildreth, 1986; Civetta et al., 1988; 1998; Orsi et al., 1991a, b; Stevenson e Wilson, 1997).
L'assetto strutturale dell'isola è caratterizzato da lineamenti prodotti sia dalla tettonica regionale che dalla vulcano-tettonica. Un sistema di faglie dirette ad andamento NE-SW divide l'isola in due settori. Il settore nord-occidentale comprende la maggior parte delle rocce basaltiche esposte, mentre quello sud-orientale include rocce siliciche peralcaline. Il settore nord-occidentale è stato interessato solo da fratture crostali ad andamento NW-SE, attraverso le quali i magmi basaltici hanno raggiunto la superficie. Nel settore sud-orientale l'emissione di magmi differenziati e la presenza di caldere suggeriscono che camere magmatiche si sono impostate nella crosta, probabilmente all'intersezione dei lineamenti tettonici principali. Gli elementi vulcano-tettonici dell'isola comprendono collassi calderici e risorgenza della caldera più recente. La risorgenza della caldera più recente ha prodotto sollevamento e tiltaggio del blocco di Montagna Grande, attraverso un meccanismo di taglio semplice (Orsi et al., 1991a).
La storia vulcanica dell'isola è caratterizzata da grosse eruzioni esplosive, alternate a periodi dominati da eruzioni di minore magnitudo. La storia più recente è stata suddivisa in sei cicli silicici, a volte intercalati a eruzioni basaltiche. Il Tufo Verde (Orsi e Sheridan, 1984), rappresentativo del primo ciclo silicico, è il prodotto di un'eruzione complessa ed include depositi ignimbritici, da caduta e da surge. La sua composizione chimica varia, dalla base verso l'alto, da pantellerite a trachite comenditica. Tutti gli altri cicli silicici, datati rispettivamente a circa 35-29, 22, 20-15, 14-12 e 10-4 ka (Civetta et al., 1988), hanno formato rocce di composizione variabile da pantelleriti a trachiti pantelleritiche. Per molti cicli è stato dimostrato che i magmi più differenziati sono stati eruttati per primi. Ciò è stato interpretato come il risultato di eruzioni che, durante ogni ciclo eruttivo, drenavano livelli progressivamente più profondi di una camera magmatica zonata.
La genesi dei magmi pantelleritici è stata investigata da alcuni autori (Lowenstern e Mahood, 1991; Civetta et al., 1988, 1998). Lowenstern e Mahood (1991) hanno suggerito che i magmi peralcalini derivano da fusione parziale di un gabbro alcalino formatosi in precedenza alla base della camera magmatica, per accumulo di fasi separate da magmi basaltici e hawaiitici. Invece, Civetta et al. (1998) hanno proposto che i magmi peralcalini di Pantelleria derivassero per cristallizzazione frazionata a partire da un magma parentale basaltico-alcalino. Argomenti a favore dell'ipotesi di fusione parziale di un gabbro alcalino sono stati anche recentemente riportati da Avanzinelli et al. (2004), sulla base di dati strutturali dei clinopirosseni. Esiste anche un dibattito sulla concentrazione pre-eruttiva di H2O, parametro fondamentale per la reologia dei magmi peralcalini (Lowerstern e Mahood, 1991; Kovalenko et al., 1993).
Riguardo la regione sorgente dei magmi basaltici, Civetta et al. (1998) e Mahood e Baker (1986), suggeriscono una genesi da una sorgente di mantello eterogenea, isotopicamente simile alle sorgenti di Linosa, Etna, Iblei e Ustica. Al contrario, una genesi per fusione del mantello litosferico subcontinentale, è stata suggerita da Esperanza e Crisci (1995).
Ne consegue che molti problemi aperti permangono riguardo sia la genesi dei magmi peralcalini e le caratteristiche e la storia della sorgente, che i processi operanti nelle camere magmatiche di Pantelleria.
Anche poco note sono sia le dinamiche eruttive che le relazioni tra queste e le proprietà chimiche e fisiche dei magmi peralcalini, così come i maccanismi di trasporto e deposizione, che a Pantelleria, come in tanti altri vulcani pantelleritici, sono estremamente complessi e vari. Questo dipende anche dalla limitata conoscenza che attualmente si ha delle proprietà reologiche e termodinamiche dei magmi peralcalini.
Le eruzioni alimentate da magmi peralcalini sono, infatti, il risultato di una complessa combinazione di processi chimico-fisici risultanti da variazioni di pressione, temperatura, densità, distribuzione delle bolle, contenuto in volatili e in cristalli durante il ristagno del magma e la sua ascesa. Gli eventi di elevata magnitudo generano depositi ad ampia distribuzione areale e a vario grado di saldatura, mentre eruzioni di media e piccola magnitudo generano edifici vulcanici piccoli e complessi (Schmincke, 1974; Sparks e Wright, 1979; Wright, 1980; Wolff e Wright, 1981; Orsi e Sheridan, 1984; Mahood e Hildreth, 1986; Civetta et al., 1988; Orsi et al., 1989; 1991b; Houghton et al., 1992; Stevenson e Wilson, 1997).
A Pantelleria i vulcani peralcalini possono essere suddivisi in tre gruppi fondamentali: coni di pomici, vulcani a scudo ed edifici parzialmente collassati. I coni di pomici sono piccoli edifici composti da livelli da caduta di pomici e bombe, intercalati da livelli saldati. Orsi et al. (1989, 1991b) hanno descritto i depositi dell'eruzione di Serra della Fastuca, la più grossa eruzione che ha generato un cono di pomici, e hanno calcolato i parametri fisici dell'eruzione. La stratigrafia, le caratteristiche sedimentologiche e tessiturali dei depositi dei vulcani a scudo suggeriscono che le eruzioni che li hanno generati, sono iniziate con fasi esplosive, che hanno prodotto depositi da caduta, sono continuate con generazione di depositi a vario grado di saldatura, e sono finite con l'emissione di lave massive (Orsi et al., 1989; 1991b; Stevenson e Wilson, 1997). Stevenson e Wilson (1997), attraverso indagini di campagna e approcci sperimentali e teorici, hanno studiato in dettaglio sia la vulcanologia fisica che la dinamica eruttiva del piccolo edificio riolitico di Cala Tramontana. Gli edifici parzialmente collassati, i cui migliori esempi sono M. Gelkamar, M. Gelfiser, Fossa del Russo, M. Gibile e Cuddia Randazzo-Khaggiar, non sono stati studiati in dettaglio.
Per contribuire alla soluzione dei problemi aperti a Pantelleria e, più in generale relativamente ai magmi peralcalini, è indispensabile affettuare studi vulcanologici di dettaglio e misure di parametri chimici e fisici, anche utilizzando nuove metodologie e tecnologie. Alcune di queste, alla base del progetto proposto, vengono di seguito brevemente illustrate.
La geochimica isotopica si è fortemente sviluppata negli ultimi anni, principalmente per l'uso di una nuova generazione di spettrometri di massa multicollettore e per l'impiego di strumenti di microcampionamento meccanico. Importanti domande riguardanti la sorgente, la genesi e la differenziazione (cristallizzazione frazionata, mescolamento di magmi, contaminazione crostale) dei magmi di Pantelleria, possono essere risolte con l'esame del record isotopico contenuto nelle rocce e nei minerali di Pantelleria, mediante l'uso di queste nuove metodologie.
Le inclusioni silicatiche (MI) forniscono importanti informazioni sull'evoluzione del magma, e dei volatili in esso contenuti (e.g. Johnson et al., 1994; Lowerstern, 1995). In particolare la composizione e la concentrazione dei componenti volatili nelle MI in diversi cristalli, permetteranno di ricostruire l'evoluzione pre-eruttiva dei volatili nel magma e la storia della risalita di quest'ultimo. Attualmente questi dati per i magmi peralcalini sono scarsi e di controversa interpretazione (e.g. Lowerstern e Mahood, 1991; Webster et al., 1993; Kovalenko et al., 1993; Lowerstern, 1994).
A causa del loro alto contenuto in modificatori di struttura, i magmi peralcalini sono caratterizzati dalle più basse viscosità tra i magmi della suite fortemente alcalina. La viscosità di tali magmi è inoltre ulteriormente ridotta dalla presenza di elevate quantità di componenti volatili. La metodologia utilizzata per le misure reologiche a basse temperature, e quindi alte viscosità, in condizioni anidre ed idrate, è la viscometria per micropenetrazione. L'essoluzione dell'acqua per questi valori di viscosità è trascurabile e le misure possono essere effettuate a pressione atmosferica. Tuttavia, a temperature maggiori e quindi a basse viscosità, il problema dell'essoluzione dell'acqua diventa importante e i campioni devono essere portati ad alta pressione in modo tale da preservare i volatili all'interno del campione. Quindi, in condizioni idrate e a temperature alte, diventa necessario l'impiego di un'altra metodologia, la viscometria per "falling sphere". Per contenere l'acqua all'interno del campione, questi esperimenti sono effettuati ad alta P e quindi si rende necessario investigare anche l'effetto della pressione sulla viscosità del magma. In tal modo è possibile correlare i dati di alta con i dati di bassa temperatura. La terza metodologia che viene impiegata per lo studio della viscosità dei campioni anidri è la viscometria a cilindri concentrici che investiga le proprietà reologiche di tali materiali in condizioni anidri e temperature nell'intervallo 1000-1600°C. Dalla combinazione dei risultati ottenuti tramite le tre metodologie ora illustrate si ottiene un'equazione generale di viscosità in funzione della temperatura, della composizione dei diversi prodotti analizzati e del tenore in volatili, che verrà poi applicata allo studio dei processi eruttivi dell'isola.
Di ausilio alla caratterizzazione dei processi sin e post-deposizionali e dei vari processi controllati dal flusso viscoso sono le tecniche calorimetriche. La combinazione delle tecniche calorimetriche e di misura della viscosità, permettono la definizione della finestra temporale (oltre che le condizioni di temperatura) in cui avvengono i processi di flusso viscoso, saldatura (e.g. Giordano et al., 2004; Russell et al., 2004) e raffreddamento (relaxation geospeedometry) (Wilding et al, 1995, 1996, 2000; Gottsmann et al. ) dei depositi.
La definizione delle proprietà principali di un sistema termodinamico richiede inoltre anche la caratterizzazione di importanti grandezze, quali i coefficienti di espansione termica. Tali grandezze sono determinate, a pressione atmosferica, tramite l'impiego di metodi dilatometrici. Lo studio della relaxation geospeedometry consente contemporaneamente di studiare i processi di welding e la storia termica dei flussi lavici e dei flussi piroclastici.Inoltre, si esiste anche la possibilità di ottenere modelli termici di raffreddamento laterale e longitudinale dei flussi piroclastici e delle colate laviche (Gottsmann e Dingwell, 2001b). Tramite calorimetria a scansione differenziale e dilatometria si possono definire altri importanti parametri termodinamici del magma, come la temperatura di transizione vetrosa (Tg), il calore specifico (Cp) e il coefficiente di espansione termica del magma. Inoltre, la combinazione della viscosità e dei dati calorimetrici permettono di calcolare, in accordo alla teoria dell'entropia configurazionale, l'entropia del sistema termodinamico alla transizione vetrosa e da lì derivare l'entropia del sistema liquido. La determinazione di Tg è altrettanto necessaria, in quanto Tg rappresenta la più bassa temperatura a cui possono avvenire i processi di saldatura (welding del deposito) e quindi una sua caratterizzazione permette di definire la finestra di temperatura e (e la finestra temporale) a cui avvengono tali processi.
Le proprietà elettriche delle rocce inoltre variano fortemente con la pressione e la temperatura e così i dati di laboratorio possono essere utilizzati per interpretare correttamente i dati di campagna (già esistenti o di prossima acquisizione) di resistività apparente. La conduttività elettrica è fortemente dipendente dalla temperatura e può essere utilizzata per individuare in studi di campagna piccoli volumi di magma quali un dicco o la presenza di rocce parzialmente fuse. <<<