RICERCA ITALIANA     

Relazioni di fase e interazioni con fluidi COH in peridotiti a carbonati da contesti di subduzione: dalla natura agli esperimenti

Università degli Studi di Genova

Abstract

Gli studi petrologici delle rocce di alta (HP) e altissima pressione (UHP) derivanti dalle placche subdotte e dal mantello soprastante permettono di investigare la mobilizzazione di composti volatili ed elementi incompatibili ai margini di placca convergenti. Negli ambienti di subduzione, i tempi di residenza di H,C,O e degli elementi incompatibili sono controllati dagli equilibri di fase mineralogici e da reazioni di devolatilizzazione che ne determinano il rilascio in fasi fluide mobili ed il flusso dalle placche subdotte al mantello superiore. Le composizioni in volatili dei fluidi COH di subduzione e le condizioni di fugacità dell’ossigeno sono variabili fondamentali per la precipitazione di carbonati, minerali idrati, grafite/diamante durante la migrazione dei fluidi COH nel mantello. I modelli globali sul ciclo del C formulano bilanci di massa tra il C restituito al mantello dalla subduzione e quello degassato dal mantello che non valutano il rilascio dei fluidi COH dagli slabs e la loro interazione con il mantello. In realtà, queste variabili possono influenzare significativamente il ciclo del C e le stime del C esogenico immesso nel mantello terrestre. Gli elementi incompatibili di origine crostale rilasciati nei fluidi subduttivi COH sono inoltre traccianti utili per delineare l’origine del carbonio nel mantello, se inseriti in un preciso quadro dei processi chimico-fisici e delle variazioni metamorfiche, tessiturali e composizionali indotte nel mantello dai fluidi >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marco Scambelluri Università degli Studi di GENOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli studi sull’evoluzione metamorfica e chimica delle placche in subduzione e del mantello soprastante permettono di ricostruire i cicli globali dei composti volatili e degli elementi incompatibili nella Terra (Fig. 1). I tempi di residenza di idrogeno, carbonio, ossigeno ed elementi incompatibili sono controllati dagli equilibri di fase mineralogici e da vincoli cinetici. A loro volta, i tempi di residenza di questi elementi, ne condizionano i flussi geochimici tra le placche oceaniche subdotte, il mantello superiore e l’atmosfera.


Fig. 1 – Il ciclo biogeochimico della CO2 [1]

I modelli sui cicli globali delle sostanze volatili e degli elementi incompatibili [2] (Fig.2 e 3) calcolano i flussi chimici basandosi sull’assunzione che i loro tempi di residenza siano costanti. Ad esempio, viene assunto che il tempo di residenza del carbonio nel mantello superi l’età della Terra [2]. Questa ipotesi è giustificata solo se i flussi di CO2 dal mantello all’atmosfera sono dominati dal C primordiale e se il C restituito al mantello dalla subduzione rimane fissato in minerali refrattari e relativamente inerti, quali diamante e/o grafite. Per contro, i carbonati, sebbene refrattari, sono fortemente reattivi se trasportati fuori dal proprio campo di stabilità, originando fluidi e/o fusi carbonici mobili. Pertanto, nei casi in cui il trasferimento di C nel mantello è controllato da carbonati e/o da fluidi/fusi carbonici, la residenza del C nel >>>

Risultati parziali attesi

Risultati e ricadute degli studi su rocce di alta e altissima pressione

Gli studi sul rilascio di fluidi COH durante la destabilizzazione del serpentino e, soprattutto, dell’ interazione tra fluidi COH e mantello sopra-subduzione a differenti profondità (< 100 km, zona di Ulten; 200 km, Bardane) ed in presenza di diverse fasi idrate con carbonati, saranno rilevanti per i problemi di metasomatismo del mantello e per stabilire le eterogeneità del mantello negli ambienti di subduzione. A questo proposito l’analisi tessiturale delle rocce consente di individuare le microstrutture ed i minerali legati all’ingresso dei fluidi nel sistema (e.g. Fig. 6A) e di usare le composizioni di questi minerali come traccianti del passaggio dei fluidi. Questo approccio potrà avere ricadute maggiori nel riconoscimento dei canali di accesso dei fluidi dallo slab al mantello, con implicazioni di ordine strutturale e reologico.
L’analisi delle inclusioni multifase rappresentative nei minerali di HP-UHP (e.g. Fig. 6C), permette una determinazione pressoché diretta della composizione in elementi in tracce dei fluidi di subduzione. Queste inclusioni, in realtà, possono derivare da complesse interazioni fluido/roccia e fluido/minerale ospite che modificano la composizione del fluido originario. Indicazioni su questi aspetti deriveranno dagli studi delle inclusioni al microscopio elettronico e mediante l’acquisizione di mappe elementali in microsonda >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La letteratura petrologica e geochimica dell’ultimo decennio ha attribuito un ruolo di crescente importanza alle fasi fluide che, ai margini convergenti, determinano il trasferimento di massa dalle placche subdotte al soprastante mantello, innescandone l’idratazione, il metasomatismo e la fusione parziale. In questo contesto, le tematiche attualmente dibattute riguardano (i) le reazioni metamorfiche che rilasciano i fluidi e le paragenesi mineralogiche che li tamponano,(ii) la composizione e mobilita’ dei fluidi di subduzione, (iii) il ruolo del carbonio in questi fluidi [35,36]. Sebbene numerosi studi siano stati dedicati ai processi di disidratazione e decarbonatazione delle rocce, sono ancora poco note le relazioni di fase in presenza di fluidi COH, e sono tuttora scarsi gli studi sul ciclo del C nelle rocce metamorfiche di HP [37,38].
I processi di alterazione pre-subduzione causano l’incorporazione di H2O e CO2 nella litosfera oceanica mediante la formazione di minerali idrati e carbonati. L’idratazione è accompagnata dalla formazione di carbonati in vene [39] localmente associati alla precipitazione di carbonio e alla produzione di CH4 [40]. Inoltre, livelli superficiali di oficalciti possono formarsi nel mantello serpentinizzato esposto sul fondo oceanico [41]. Nella subduzione, il riciclo di C e H nel mantello e' controllato dalla stabilita’ di dolomite, magnesite, Mg-calcite, BaCO3, e grafite/diamante, oltre che antigorite, clorite e flogopite. Questi >>>