RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

DINAMICHE CAOTICHE E GEOMETRIE FRATTALI NELLA GENESI E NEL MESCOLAMENTO DEI MAGMI

Università di riferimento

Università degli Studi di PERUGIA - SCIENZE DELLA TERRA - PERUGIA(PG)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giampiero POLI

Descrizione

Lo scopo di questo progetto è quello di studiare in dettaglio i diversi stadi che caratterizzano i processi di mescolamento fra magmi, dall'interazione di fusi basaltici durante la loro migrazione verso la superficie, agli stadi iniziali di intrusione di un magma mafico all'interno di una camera magmatica felsica, fino a considerare gli stadi di interazione più avanzati in cui i magmi interagiscono sia in camera magmatica che durante la loro risalita all'interno di condotti crostali.
Partendo dalle conoscenze già acquisite in termini di comprensione dei processi di mescolamento fra magmi e di sviluppo di nuove tecniche analitiche basate sulla Geometria Frattale e sulla Teoria del Caos [e.g. 4,5,9,10,11,12,13,14], gli obiettivi che si intendono raggiungere sono i seguenti:
i) comprendere i meccanismi che agiscono durante l'interazione di magmi reologicamente simili studiando magmi basaltici generati da una sorgente di mantello eterogenea, e sviluppare nuove metodologie analitiche basate sulla Geometria Frattale e sulla Teoria del Caos che permettano di ricostruire le composizioni degli "end-member" che hanno preso parte al processo di mescolamento;
ii) capire le dinamiche che caratterizzano gli stadi iniziali di intrusione di magmi mafici all'interno di camere magmatiche felsiche in funzione delle differenze reologiche dei magmi che interagiscono;
iii) capire in dettaglio come le diverse regioni dinamiche (RAM e RC; cfr. 2.4) all'interno dello stesso sistema magmatico influenzino lo sviluppo di processi di diffusione chimica e stabilire il ruolo dei processi di mescolamento alla scala micrometrica ("micro-mixing") sulla composizione chimica delle inclusioni vetrose;
iv) comprendere come la presenza di fasi mineralogiche influenzi l'evoluzione nello spazio e nel tempo dei processi di mescolamento e la ristrutturazione dei campi di flusso (RAM e RC);
v) capire le cause che portano i sistemi di mescolamento ad evolvere seguendo dinamiche di tipo caotico e come la presenza di queste dinamiche possa essere sfruttata per ricostruire la petrogenesi di rocce generate da mescolamento.
La ricerca sarà condotta attraverso studi dettagliati di rocce plutoniche e vulcaniche con evidenze di processi di interazione, l'utilizzo della petrologia sperimentale in collaborazione con l'equipe di lavoro del Prof. Dingwell (Ludwig-Maximilians-Universität, Monaco di Baviera), lo sviluppo di simulazioni numeriche di processi di mescolamento al calcolatore utilizzando la tecnica degli elementi finiti, e l'utilizzo di nuovi metodi messi a disposizione dalla Geometria Frattale e dalla Teoria del Caos.
In particolare, per quanto riguarda l'ambiente plutonico le ricerche saranno focalizzate su affioramenti chiave di rocce granitoidi del Plutone dell'Adamello [e.g. 31,32] e di plutoni della fascia costiera del Maine [USA; e.g. Vinalhaven Pluton; 19,20] dove gli stadi iniziali dell'intrusione di un magma mafico in un magma felsico sono rimasti "fossilizzati", e quindi ben studiabili. Per quanto riguarda l'ambiente vulcanico verranno studiate colate di lava con evidenze di mescolamento fra magmi a diverso grado di cristallinità affioranti al Monte Etna [e.g. 27,28], al Monte Arci [Sardegna; 21,22,23,24], sull'isola di Capraia [Italia; 40,41,42,12] e sull'Isola di Lesbo [Grecia; 4,5,25,26] in cui varie strutture di mescolamento rappresentano diversi stadi del processo congelati nel tempo.
Il progetto può essere suddiviso in due Attività principali (Attività 1 e Attività 2), descritte di seguito in dettaglio.

Attività 1
L'Attività 1 prevede lo studio di dettaglio dell'interazione fra magmi reologicamente simili nonché degli stadi iniziali di intrusione di un magma mafico all'interno di un magma felsico.
Per quanto riguarda lo studio dell'interazione fra magmi reologicamente simili l'attenzione verrà focalizzata sull'interazione fra magmi basaltici in quanto i processi di mescolamento possono spiegare la forte variabilità geochimica e isotopica che si ritrova anche in singoli centri vulcanici basaltici [e.g. 28,39]. In questo caso non esistono traccianti macroscopici del processo di mescolamento perché i magmi hanno caratteristiche simili, e quindi devono essere usati metodi indiretti che possano aiutare a stabilire la presenza o meno di fenomeni di mescolamento. Verranno pertanto analizzati tramite EMPA e LAM-ICP-MS transetti composizionali su campioni basaltici provenienti dal Mt. Etna in collaborazione con l'Unità di Pisa e verrà studiato il grado di correlazione fra gli elementi in traccia, metodo che si è rivelato estremamente efficace per riconoscere i processi di mescolamento caotico [cfr. 2.4; e.g. 9]. Queste analisi permetteranno di stabilire le modalità e l'efficienza dei processi di mescolamento in sistemi con magmi reologicamente simili e daranno modo di determinare se campioni basaltici sono da considerarsi primari o affetti da mescolamento e di identificare i criteri migliori per ricostruire le composizioni degli "end-member".
Per quanto riguarda gli stadi iniziali di intrusione di un magma mafico all'interno di un magma felsico recenti studi hanno evidenziato la natura frattale dei contatti fra i due magmi la cui complessità dipenderebbe dalle differenze reologiche [e.g. 15,16; Fig. 2.5-1]. Dal momento che la Geometria Frattale è la geometria dei processi caotici è ragionevole ipotizzare che il processo di intedigitazione sia di tipo caotico e quindi soggetto alla "sensibile dipendenza alle condizioni iniziali" (APPENDICE). Questo implicherebbe che piccole differenze reologiche iniziali fra i due magmi potrebbero condurre a processi di mescolamento con efficienze estremamente diverse. Quindi, capire le dinamiche che caratterizzano questi istanti iniziali è cruciale al fine di comprendere la possibilità di produrre gradi quantità di magmi ibridi, un aspetto della petrologia ignea ancora oggetto di dibattito [e.g. 29; 30].
Lo studio degli stadi iniziali dell'interazione richiede la disponibilità di affioramenti in cui tali stadi siano rimasti "fossilizzati", e che soltanto l'ambiente plutonico può fornire. Nel Plutone dell'Adamello [31,32] e in alcuni plutoni della zona costiera del Maine [USA; e.g. Vinalhaven Pluton; 19,20] sono molto comuni fenomeni di mescolamento fra magmi mafici e felsici [e.g. 19,20,31,32] e, in molti casi, si hanno a disposizione sezioni geologiche che mostrano proprio gli stadi iniziali del processo di iniezione del magma mafico all'interno di quello felsico "congelati" nel tempo. Campioni per eseguire le analisi morfologiche frattali sono già disponibili per quello che riguarda il Maine (USA) e altri lo saranno grazie alle collaborazioni in atto con colleghi americani. I campioni raccolti verranno utilizzati per analisi geochimiche di dettaglio sia su roccia totale (XRF e ICP-MS) che su fasi mineralogiche (LAM-ICP-MS) al fine di tracciare uno schema evolutivo che permetta di correlare la complessità delle interfacce fra i due magmi e i processi di trasferimento di massa attraverso la diffusione chimica e lo scambio di fasi mineralogiche.
Il solo studio delle rocce preclude comunque la possibilità di seguire l'evoluzione dinamica del processo nel tempo e, dal momento che la dinamica nei sistemi caotici è di fondamentale importanza per l'evoluzione globale del sistema, si rende necessario eseguire esperimenti di petrologia sperimentale appositamente progettati al fine di poter seguire il processo nel tempo. Verranno progettati quindi esperimenti di intrusione di un magma mafico all'interno di un magma felsico in collaborazione con l'equipe di lavoro del Prof. Dingwell (Ludwig-Maximilians-Universität, Monaco di Baviera). L'iniezione di un magma mafico in uno felsico verrà riprodotta utilizzando una centrifuga, sistema che si è già rivelato estremamente utile per simulare diversi processi magmatici (e.g. 33,34,35; Fig. 2.5-2). Lo schema di Fig. 2.5-3 mostra le caratteristiche salienti degli esperimenti che si intendono eseguire. In particolare essi prevedono la presenza nella capsula di due magmi a composizione differente separati da un pistone in platino forato al centro; la rotazione della capsula per mezzo della centrifuga provoca lo slittamento del pistone e l'intrusione di un magma nell'altro; diversi esperimenti condotti a tempi diversi daranno modo di seguire l'evoluzione del processo nel tempo; gli esperimenti verranno condotti anche considerando magmi con composizioni geochimiche, e quindi reologie, variabili. I provini sperimentali verranno studiati attraverso le tecniche della Geometria Frattale per quello che riguarda la quantificazione dell'irregolarità delle interfacce dei magmi, e tramite EMPA e LAM-ICP-MS per quello che riguarda l'analisi degli elementi chimici al fine di stabilire le relazioni che intercorrono fra complessità delle interfacce e scambi chimici fra i magmi.
Il confronto fra i risultati ottenuti sperimentalmente e quelli ottenuti dall'analisi delle strutture naturali aiuterà a caratterizzare nel modo più rigoroso possibile le dinamiche associate agli stadi iniziali dell'intrusione del magma mafico all'interno del magma felsico, e a chiarirne l'importanza petrogenetica.

Attività 2
L'attività 2 prevede lo studio di dettaglio dei processi di mescolamento caotico fra magmi considerando "end-member" con caratteristiche geochimiche e reologiche variabili, e con diversi gradi di cristallinità.
Una parte dell'attività prevede lo studio degli scambi chimici durante il mescolamento alla scala micrometrica ("micro-mixing"). Questo darà modo di comprendere l'influenza delle diverse regioni dinamiche (RAM e RC; cfr. 2.4) sul mescolamento a tale scala e, quindi, di stabilire l'applicabilità o meno delle inclusioni vetrose in studi petrologici di sistemi mescolati [e.g. 9]. Le analisi verranno condotte studiando lave presenti al Monte Arci e sulle isole di Capraia e Lesbos (Grecia) in cui magmi con composizioni e reologie differenti hanno interagito. In particolare verranno analizzati sia transetti composizionali per mezzo di EMPA e LAM-ICP-MS su campioni a diverso grado di cristallinità, sia inclusioni vetrose in fasi mineralogiche. Il confronto fra il grado di correlazione degli elementi chimici nei transetti e nelle inclusioni darà modo di comprendere la rappresentatività delle inclusione vetrose in sistemi magmatici mescolati e di mettere a punto dei sistemi diagnostici che permettano di stabilirne l'applicabilità in studi petrogenetici.
Al fine di studiare in dettaglio questo aspetto cruciale del mescolamento saranno condotti anche esperimenti di petrologia sperimentale sempre con la collaborazione dell'equipe di lavoro di Monaco mescolando fusi mafici e felsici naturali provenienti sia dal Monte Arci che dall'Isola di Lesbos. Recenti esperimenti condotti da questa equipe di lavoro hanno mostrato che è possibile mescolare magmi reali tenendo sotto controllo molti parametri del sistema e quindi è possibile seguire l'evoluzione temporale e spaziale del processo con estremo dettaglio [e.g. 17; Fig. 2.5-4]. Nel presente progetto verranno effettuati esperimenti di petrologia sperimentale mescolando magmi seguendo protocolli di mescolamento utilizzando la configurazione del "Journal Bearing Flow" [JBF; e.g. 36,37,38] in cui il mescolamento caotico viene indotto da due cilindri eccentrici che ruotano in modo alternato [Fig. 2.5-4A]. Questo sistema contiene tutti gli "ingredienti" fluidodinamici (RAM e RC; Fig. 2.5-5) dei sistemi di mescolamento caotico naturali, compresi quelli magmatici.
I provini sperimentali saranno analizzati con le stesse tecniche usate nello studio dei campioni naturali e i risultati, messi a confronto, permetteranno di capire dettagliatamente l'influenza di RAM e RC sullo stile di processi di "micro-mixing". Lo studio di campioni di rocce vulcaniche mescolate con elevato tasso di cristallinità permetterà di capire il ruolo delle fasi mineralogiche nello sviluppo delle diverse regioni dinamiche (RAM e RC) e la loro influenza come perturbatori geometrici del processo di mescolamento. Utilizzando i protocolli sperimentali messi a punto durante la fase precedente verranno anche eseguiti esperimenti di petrologia sperimentale considerando "end-member" con variabile grado di cristallinità al fine di seguire nel tempo l'influenza della fasi mineralogiche sulle dinamiche di mescolamento.
Per ogni Attività saranno sviluppate simulazioni numeriche di processi di mescolamento al calcolatore utilizzando la tecnica degli elementi finiti al fine di comprendere i motivi per cui un sistema di mescolamento evolve nel tempo verso dinamiche caotiche. In particolare, utilizzando condizioni al contorno valide per corpi magmatici, verranno considerate diverse configurazioni geologiche che includono processi di convezione in camere magmatiche con variabili rapporti di forma e in condotti, flusso in condotti crostali e in reti di fratture al fine di comprendere nel modo più completo possibile i "motori" che portano i sistemi di mescolamento magmatico a sviluppare dinamiche di tipo caotico.
Le ricerche svolte durante le due attività permetteranno di comprendere in dettaglio l'importanza petrogenetica dei processi di mescolamento fra magmi e di capirne le cause. E' da notare che in questo progetto si tenta per la prima volta di integrare tecniche sviluppate nell'ambito della Geometria Frattale e della Teoria del Caos con tecniche di petrologia sperimentale. Un tale approccio potrebbe rivelarsi risolutivo al fine di chiarire i diversi problemi che ancora persistono nella comprensione dei fenomeni di mescolamento fra magmi, fenomeni che, nel loro significato più generale, sono da considerarsi ubiquitari durante la genesi, il trasporto, e l'evoluzione dei sistemi magmatici.

Le ricerche sopra illustrate procederanno secondo le seguenti fasi:
Primo anno.
Fase #1-mesi 1-3: Campionamento di rocce basaltiche del Monte Etna in collaborazione con l'Unità di Pisa. Campionamento di affioramenti in cui gli istanti iniziali del processo di mescolamento siano rimasti "fossilizzati", presenti nel Plutone dell'Adamello e reperimento dei dati di affioramenti simili dai colleghi americani su alcuni plutoni della zona costiera del Maine (USA).
Fase #2-mesi 4-8: esecuzione delle analisi di immagine e delle analisi geochimiche. Esecuzione dei "run" di Petrologia sperimentale per mezzo della centrifuga.
Fase #3-mesi 9-12: analisi dei dati ottenuti attraverso le tecniche della Teoria del Caos e della Geometria Frattale e ricostruzione del quadro generale dei processi di interazione fra magmi reologicamente simili e dei primi stadi del processo. Inizio delle simulazioni di mescolamento in camera magmatica.
Secondo anno.
Fase #4-mesi 13-16: sulla base delle conoscenze acquisite nel primo anno si procederà al campionamento di lave a variabile cristallinità e porfiricità presenti al Monte Arci e sulle isole di Capraia e Lesbos.
Fase #5-mesi 17-20: esecuzione delle analisi geochimiche su rocce e inclusioni vetrose. Esecuzione dei "run" di Petrologia sperimentale per mezzo del JBF usando magmi a diversa cristallinità.
Fase #6-mesi 21-24: analisi dei dati ottenuti attraverso le tecniche della Teoria del Caos e della Geometria Frattale e ricostruzione del quadro generale dei processi di mescolamento alla microscala, della loro influenza sulla composizione delle inclusioni vetrose, e del ruolo giocato dalle fasi mineralogiche sulle dinamiche di mescolamento. Completamento delle simulazioni di mescolamento in condotti crostali e in reti di fratture.
Diffusione dei dati
Pubblicazioni su riviste nazionali ed internazionali, si prevede la pubblicazione di almeno 4 lavori su riviste internazionali, e presentazioni a congressi nazionali ed internazionali (es. FIST, EGS-AGU, EUG), in collaborazione anche con l'Unità di Pisa.