RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Controllo dei fattori petrologici sulla cristallochimica delle miche.

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - MINERALOGIA E PETROLOGIA - PADOVA(PD)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Raffaele SASSI

Descrizione

Nell'ambito del Progetto Nazionale, questa Unità di Ricerca svolgerà un duplice ruolo: I) effettuare le ricerche sulle miche di seguito descritte, che privilegiano finalità ed aspetti petrologici delle miche nell'ambito di ben definite situazioni metamorfiche; II) offrire alle altre Unità di Ricerca (UR) del Progetto il supporto petrologico, sin dalla scelta iniziale dei campioni da studiare e poi man mano fino alla fase interpretativa, sotto il coordinamento e su richiesta del Responsabile Nazionale. Per quanto riguarda il punto I), alcune delle attività di ricerca descritte qui di seguito verranno svolte, sulla base di intese già concordate, in stretta collaborazione con altre UR del Progetto (Modena, Milano, Roma), altre in collaborazione con specialisti esterni al Progetto [C.V. Guidotti (USA), Hanan Kisch (Israele), G. Cruciani (Ferrara, Italy)]. Lo stadio di partenza delle attività di ricerca che si intendono svolgere implicano, per la raccolta dei campioni da studiare, attività di campagna in varie aree Alpine ed extra-Alpine. Circa le attività analitiche necessarie per lo svolgimento delle ricerche previste nel presente progetto, l'UR ha accesso a tutte le strumentazioni esistenti nel Dipartimento (v. Elenco più avanti: si noti che il nostro laboratorio SEM integrato da EBSD e OCI è unico in Italia), ai laboratori dell'Istituto di Geoscienze e Georisorse del CNR (di cui quattro membri di questa UR fanno parte), ed a tutte le altre apparecchiature necessarie per l'esecuzione di queste ricerche esistenti in altre sedi del Progetto nell'ambito di accordi già definiti. In particolare, quindi, oltre alle strumentazioni elencate nel campo 2.6, questa UR disporrà anche di: i) una microsonda ionica (SIMS) operante a Pavia, dell'Istituto di Geoscienze e Georisorse del CNR; ii) una microsonda ionica (SIMS) presso il Dipartimento di Geologia e Geofisica dell'Università di Edimburgo; iii) un TEM 200kev JEM 2010 operante a Modena; (iv) un TEM ad alta risoluzione (HRTEM) presso il CRMC2 di Marsiglia; v) una microsonda protonica (mPIXE), presso i Laboratori LNL-INFN di Legnaro; vi) uno spettroscopio Mössbauer ed uno micro Raman presso il Dipartimento di Chimica della nostra Università; (vii) un microdiffrattometro Assing (dell'Università di Potenza). Ciò premesso, considerando la notevole mole di nuove conoscenze accumulate negli ultimi anni (anche con il significativo contributo di questa Unità di Ricerca) sul comportamento delle miche in contesto petrologico rigorosamente definito, il programma di ricerca che si intende svolgere viene descritto ed articolato nelle seguenti cinque linee di ricerca. a) Revisione delle curve di variazione del parametro d(060,331) delle muscoviti metamorfiche in funzione di T e P. Tali curve furono proposte per il campo della facies degli scisti verdi da Guidotti & Sassi (1976), e successivamente furono rielaborate da Sassi (1987) sulla base dei risultati di Padan et al. (1982) nel campo dell'anchimetamorfismo. Il diagramma che ne è risultato ha dimostrato, negli anni, una sostanziale validità dei concetti sui quali le curve di variazione che lo costituiscono sono state basate. Tuttavia esso richiede una revisione, in seguito alla grande mole di nuovi dati prodotti da moltissimi autori in varie parti del mondo. Un'analisi critica di tali dati, cioè dei valori di d(060,331) e delle condizioni T e P corrispondenti, eventualmente integrata con nuovi dati analitici su campionature mirate, consentirà di formulare un nuovo diagramma, che si presume risulterà altrettanto utile ed utilizzato quanto lo è stato finora quello oggi disponibile. Questa ricerca verrà condotta in collaborazione con il Prof. H. Kisch (Ben Gurion University, Israele), studioso di fama internazionale in questo campo, che per questo scopo trascorrerà a Padova un semestre del suo anno sabbatico nel 2005. b) Studio di biotiti metamorfiche di alta temperatura ricche in TiO2. Tali studi riguarderanno: (i) alcune biotiti trovate in metapeliti anatettiche presenti come xenoliti nelle vulcaniti della Provincia Vulcanica Neogenica della Spagna meridionale, e in granuliti del Kerala Khondalite Belt (India); (ii) alcune biotiti rinvenute in xenoliti metamorfici di alto grado trovati nel corso di uno studio sistematico sugli xenoliti nelle trachiti dei Colli Euganei (Italia nord-orientale). (i) Le biotiti delle metapeliti anatettiche di El Joyazo, per le quali sono già stati pubblicati alcuni risultati (Cesare et al., 2003), mostrano alti contenuti in TiO2 (4.5-4.9 wt%) e deficienza di H. Il Ti è situato nel sito ottaedrico, congruentemente con la sostituzione Ti-oxy. Il contenuto in peso di H2O varia dal 2.4 al 2.8, e l'occupanza di OH calcolata è di oltre 1/3 inferiore a quella stechiometrica. Quantità significative di NH4 (0.01-0.09 wt%) in posizione interstrato mostrano una correlazione negativa con (K+Na), congruentemente con quanto indicato da Guidotti & Sassi (1998). Si intende modellizzare il comportamento della biotite durante la sua fusione, in particolare per gli effetti sulla fase fluida coesistente col fuso anatettico. Estendendo questo tipo di studio a biotiti analoghe di granuliti del Kerala (India), si intende verificare se i fluidi contenenti N2 comunemente riscontrati in granuliti possano originarsi dalla destabilizzazione di biotite contenente NH4. (ii) Le biotiti trovate negli xenoliti entro trachiti dei Colli Euganei risultano significativamente più ricche in TiO2, che varia da 8.66 (nucleo) a 3.96 (periferia) wt %, corrispondenti a 0.83-0.44 a.p.f.u. (analisi normalizzate su 22 ossigeni). Le rocce ospiti (gneiss a sillimanite + andalusite + corindone + biotite + spinello verde + ilmenite + magnetite) mostrano una storia metamorfica complessa, in parte in relazione all'incorporamento nel magma trachitico, in parte più antica dovuta ad un probabile metamorfismo regionale di alto grado (Sassi R. et al., 2004). Queste biotiti degli Euganei verranno studiate sia dal punto di vista petrologico che cristallografico-cristallochimico. Dal punto di vista petrologico, si intende individuare la/le reazione/i metamorfica/che che ha/hanno reso disponibile, ad un certo momento della storia metamorfica di queste rocce, le altissime quantità di Ti che sono state incorporate in queste biotiti. Dal punto di vista cristallografico-cristallochimico il problema si presenta alquanto complesso, e richiede approfondimenti. Studi preliminari sembrano indicare una combinazione fra sostituzione Ti-Tschermakitica e Ti-vacanza e che la componente Ti-oxy non sia dominante nei cristalli esaminati (Sassi R. et al. 2004). Si intende approfondire questi studi, fra l'altro mediante determinazione diretta dei contenuti in H, per verificare il coinvolgimento della sostituzione Ti-oxy, e mediante raffinamenti strutturali. Inoltre le immagini di precessione di 0kl and 1kl usate per identificare il campione studiato come politipo 1M, hanno anche mostrato che, contrariamente a quanto si ritiene comunemente per le biotiti metamorfiche, e a quanto osservato nelle biotiti di metapeliti anatettiche sopra indicate al punto (i) (Cesare et. al., 2003), la quantità di stacking faults è alquanto modesta. Entrambe questi caratteri sono congruenti con la cristallizzazione sotto alte temperature e, verosimilmente, alta attività di una fase fluida acquosa. Tale ricerca verrà condotta in collaborazione con il Prof. G. Cruciani (Univ. di Ferrara), e in collegamento con altre UR del Progetto che studiano problematiche analoghe, per l'uso di alcune strumentazioni e per la discussione comparativa dei risultati. c) Il significato della distribuzione dei politipi 3T e 2M1 di miche diottaedriche in rocce di complessi metamorfici di alta pressione, e messa a punto di una metodologia adeguata alla determinazione del politipo in situ mediante EBSD. In complessi metamorfici di alta pressione la mica chiara, come indicato da abbondante casistica e confermato di recente, ad esempio da Di Vincenzo et al. (2001) e Palmeri et al. (2003), ha composizione phengitica e il politipo prevalente è 3T. Sassi et al. (1994) hanno dimostrato che miche diottaedriche formatesi a pressioni medio-basse in rocce povere in Al2O3 hanno anche composizione phengitica, ma sono 2M1 (vedasi anche: Pavese et al., 1999, 2001; Ivaldi et al., 2001), analogamente alle muscoviti non phengitiche delle metapeliti di bassa pressione. Rispetto ai dati di Sassi et al. (1994), ulteriori ricerche da noi condotte nell'ultimo anno hanno ampliato (e mai smentito) i dati circa la composizione phengitica ed il politipo 2M1 delle miche in rocce povere in Al che hanno subito metamorfismo di pressione "non-alta". Quindi sarebbe la pressione e non la composizione phengitica delle miche chiare potassiche a determinare il politipo 3T. Le implicazioni e le applicazioni petrologiche di tale ipotesi sono di grande portata. Occorre tuttavia una maggiore casistica e soprattutto la possibilità metodologica di accertare il politipismo della mica direttamente nelle rocce, sito per sito, per la possibile coesistenza (in molti casi già accertata) nei terreni di alta pressione dei due politipi. Attualmente la maggior limitazione nell'approfondimento di questa problematica sono le tecniche analitiche usate per determinare i politipi: queste sono o inappropriate se applicate allo studio di miche in siti microstrutturali specifici (diffrazione neutronica) o molto complesse nella preparazione del campione (HRTEM) e difficilmente utilizzabili per l'acquisizione di dati statisticamente significativi. Alternative valide sono la metodologia EBSD e la microdiffrattometria RX. L'utilizzo della diffrazione degli elettroni retrodiffusi (EBSD) in un SEM per la determinazione dei politipi delle cloriti è già stata dimostrata da Kogure (2002). Intendiamo pertanto sviluppare questo approccio metodologico applicando l'EBSD prima a miche 3T e 2M1 selezionate, con lo scopo di determinare i pattern di diffrazione diagnostici, tenendo anche conto delle problematiche evidenziate da Drits & Sakharov (2004). I primi risultati ottenuti da Spiess & Sassi R. (2004) sono incoraggianti. Sugli stessi campioni di miche verrà inoltre applicata la microdiffrattometria RX allo scopo di confronto metodologico. Successivamente verranno approfonditi studi in complessi metamorfici di alta pressione, per accertare la distribuzione in roccia dei politipi 3T e 2M1, e per verificare quanto ipotizzato da Sassi et al. (1994) circa la possibilità che phengiti diottaedriche 3T sarebbero sistematicamente riferibili ad un sito microstruttuale di alta P mentre muscoviti 2M1 sarebbero sistematicamente cristallizzate in un secondo tempo, durante il recupero delle isoterme a pressioni più basse. Tale ipotesi comporta la possibilità che phengiti 3T cristallizzate sotto alte P debbano trasformarsi in muscoviti 2M1 se sottoposte a basse P e alte T, in presenza di fluidi di adeguata composizione. Tale ricerca verrà condotta in collegamento con l'UR di Milano e, per l'uso di alcune strumentazioni, con l'UR di Modena. d) Rivisitazione della problematica relativa alla destabilizzazione della muscovite, e sua sostituzione da parte di albite, all'interno del campo T-P di stabilità della muscovite e della paragonite. Lo stato delle conoscenze su tale problematica è stato delineato da Guidotti & Sassi (1998), che hanno messo in evidenza il ruolo determinante di fluidi nella destabilizzazione a bassa temperatura della muscovite, e nella sua sostituzione con albite. Si intende, mediante lo studio di casi specifici nei quali la sostituzione di muscovite da parte di albite è particolarmente vistosa (filladi di Recoaro, filladi della Pusteria), si intende verificare per quanto possibile la validità delle ipotesi esistenti in letteratura e, se possibile sulla base dei nuovi dati analitici, fornire ulteriori vincoli alla comprensione del problema. In particolare, si studieranno: i)le eventuali differenze compositive (in termini di fasi componenti e di chimismo delle fasi) fra la matrice fillosilicatica delle rocce affette da questo processo e quella di rocce adiacenti e intercalate prive di questa porfiroblastesi albitica; ii) l'eventuale presenza (e composizione) di inclusioni fluide in detti porfiroblasti; iii) la loro orientazione rispetto alle direzioni microstrutturali delle rocce; iv) la composizione delle inclusioni solide. e) Influenza dell'ordinamento cationico nella definizione del termometro Grt-Bt. Rinviando al progetto presentato dall'UR di Modena (Modello B) per la illustrazione della problematica, il contributo dell'UR di Padova sarà orientato in varie direzioni: (i) inquadrare gli aspetti petrologici nella definizione della strategia di ricerca, (ii) mettere a disposizione del Progetto campioni di rocce rigorosamente definiti e mirati dal punto di vista petrologico, (iii) effettuare lavoro analitico di nostra competenza sui campioni scelti, (iv) garantire la necessaria impostazione petrologica in fase interpretativa. Questa tematica verrà studiata congiuntamente con le UR di Modena, Roma e Milano. Tenendo conto del numero delle persone coinvolte nel Progetto, e del totale dei mesi-uomo, il Progetto sembra ai proponenti ben realizzabile nel biennio, tenendo conto della specifica esperienza dei componenti l'UR. Lo svolgimento delle ricerche si articolerà in fasi operatitive, come sotto indicato: - primo semestre: per tutti i cinque obiettivi, acquisizione dei campioni da studiare, loro preparazione per il lavoro analitico, ricerche bibliografiche mirate (che saranno molto impegnative per l'obiettivo "a"); - successivi 12 mesi: acquisizione di tutti i dati analitici per gli obiettivi da "b" a "e"; per l'obiettivo "a" si effettuerà invece l'elaborazione dei dati d(060,331) e relativi valori T-P desunti dalla letteratura, e la loro eventuale integrazione con nuovi dati analitici su campionature mirate da raccogliere nel contempo; - ultimo semestre: interpretazione dei risultati; preparazione dei primi lavori da proporre per la stampa entro la durata del progetto. Ovviamente, la maggior parte dei risultati verrà pubblicata a Progetto concluso. Bibliografia Cesare B., Cruciani G. & Russo U. (2003). .Am. Mineral., 88, 583-595. Di Vincenzo G., Ghiribelli B., Giorgetti G., & Palmeri R. (2001). Earth and Planetary Science Letters, 192, 389-405. Drits V.A. & Sakharov B.A. (2004). Eur. J. Mineral., 16, 99-110. Guidotti C.V. & Sassi F.P. (1976). N. Jb. Miner. Abh., 127, 97-142. Guidotti C.V. & Sassi F.P. (1998). Eur. J. Miner., 10, 815-854. Ivaldi G., Ferraris G., Curetti N. & Compagnoni R. (2001). Eur. J. Miner., 13, 1025-1034. Kogure, T. (2002). Am. Mineral., 87, 1678–1685. Padan A., Kisch H.J. & Shagam R. (1982). Contrib. Min. Petrol., 79, 85-95. Palmeri R., Ghiribelli B., Talarico F. & Ricci A.A. (2003). Eur. J. Mineral., 15, 513-525. Pavese A., Ferraris G., Pischedda V. & Fauth F. (2001). Eur. J. Mineral., 6, 1071-1078. Pavese A., Ferraris G., Pischedda V. & Ibberson R. (1999). Eur. J. Mineral., 11, 309-320. Sassi F.P. (1987). In: D'Amico C. Innocenti F. & F.P.Sassi (Eds.), Magmatismo e Metamorfismo, UTET, 448-449. Sassi F.P., Guidotti C.V., Rieder M. & De Pieri R. (1994). Eur. J. Mineral., 1994, 6, 151-160. Sassi R., Cruciani G. & Cester T. (2004). Abstract. IGC Firenze 2004 (in print). Sassi R., Mazzoli C., Spiess R. & Cester T. (2004). Journal of Petrology, 45, 1-13. Spiess R. & Sassi R. (2004). Abstract. IGC Firenze 2004 (in print).