RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università di PISA - SCIENZE DELLA TERRA - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Pietro ARMIENTI

Descrizione

Questo progetto si propone di valutare la natura e le scale dimensionali della distribuzione delle eterogeneità del mantello sorgente dei basalti tipo OIB. Per raggiungere tale obiettivo intendiamo documentare la variabilità composizionale osservata in varie regioni caratterizzate da magmatismo OIB: i) basalti di catene di isole oceaniche alla scala degli oceani(i.e. Isola di Lanzarote – Canarie); ii) basalti alcalini recenti degli Iblei; iii) basalti di un singolo vulcano (i.e. Etna).
Sono previsti approcci differenti per le diverse scale di osservazione in quanto viene ipotizzata la presenza di eterogeneità generate da processi caotici che hanno prodotto strutture frattali. Al fine di valutare queste ipotesi verranno utilizzati diversi approcci: l'utilizzo di tecniche geochimico-statistiche per quello che riguarda lo studio delle eterogeneità alla scala degli oceani, ed un approccio petrologico-geochimico per gli studi alla scala delle singole isole oceaniche e dei singoli centri vulcanici.
Il modello di riferimento è il "SUMA" (Statistical Upper Mantle Assemblage) proposto da Meibom e Anderson (2004). Secondo tale modello le peculiarità geochimiche dei basalti oceanici dipenderebbero fortemente dalle eterogeneità introdotte dai processi di subduzione (fluidi, fusi), degassamento, deidratazione, metasomatismo e dal grado di fusione parziale subito dal mantello superiore. In tale contesto, non occorre invocare l'esistenza di distinti serbatoi geochimici distribuiti a specifici livelli nel mantello, ma basta ipotizzare una distribuzione caotica di diversi componenti, frutto della storia convettiva e termica del volume di mantello campionato dal processo di genesi dei magmi.
Il fatto che le eterogeneità di mantello siano il prodotto di dinamiche caotiche e frattali implica che le variabili del sistema siano in relazione fortemente non lineare fra loro e che, quindi, è fondamentale tenerne in considerazione il maggior numero contemporaneamente al fine di non perdere informazioni cruciali per la comprensione dell'evoluzione del sistema nello spazio e nel tempo. Per questo motivo l'analisi statistica sarà eseguita su dati di OIB alla scala degli oceani, disponibili in letteratura, facendo uso di un nuovo sistema di diagrammazione che consente la valutazione simultanea di un elevato numero di parametri geochimici, concorrenti alla definizione di un numero limitato di "end members", sulla base dei quali viene rappresentata l'affinità geochimica di ogni singolo campione di basalto.

Per quanto riguarda gli studi alla scala delle singole isole oceaniche e dei singoli centri vulcanici, verranno condotte nuove analisi geochimiche (elementi maggiori ed in tracce) ed isotopiche (Pb-Hf) su rocce basaltiche dell'isola di Lanzarote (Canarie) e su basalti degli Iblei al fine di evidenziare la variabilità della sorgente alla scala delle decine e centinaia di chilometri. Inoltre verranno eseguite analisi geochimiche ed isotopiche sulle fasi minerali di prima segregazione (es. pirosseni) di lave selezionate dell'Etna (colate del 1669 e del 1981). L'attività dell'Unità Operativa di Pisa sarà focalizzata sulla identificazione della natura delle varie sorgenti magmatiche, sui processi di fusione parziale del mantello e sui meccanismi che hanno determinato, e continuano a determinare, la sua eterogeneità alle diverse scale. E' noto come l'utilizzo incrociato dei traccianti geochimici ed isotopici sia di fondamentale importanza nello studio petrogenetico dei magmi e risolutivo nella identificazione dei possibili componenti delle sorgenti mantelliche.
Le caratteristiche mineralogiche della regione sorgente e il regime barico della fusione parziale vanno considerate insieme alle indicazioni derivanti dall'indagine geochimica per capire il grado delle scale caratteristiche di eterogeneità del mantello. I risultati ottenuti in recenti studi sperimentali sul processo di fusione parziale di sorgenti pirossenitiche hanno individuato una pressione di 2 Gpa come valore minimo per ottenere una barriera termica fra fusi derivanti da sorgenti pirossenitiche e fusi derivanti da peridotiti nella proiezione dal diopside sul piano Cats-Ol-Q nel sistema basaltico (Kogiso et al., 2004). Per questo sarà possibile identificare sistematicamente la natura delle sorgenti dei basalti (pirossenite/peridotite), ed il regime barico del processo di fusione parziale. Nel caso dell'Etna, l'alto tasso di produzione magmatica in un quadro di rapida variabilità geochimica, verrà utilizzato per discriminare fra le possibili cause della variabilità: (a) eterogeneità composizionale a piccola scala della sorgente, (b) progressiva diminuzione del grado di fusione parziale, (c) progressivo incremento dell'effetto della componente fluida proveniente dalla deidratazione della crosta oceanica ionica in subduzione.
Lo studio statistico della variabilità degli OIB alla scala degli oceani sarà condotto utilizzando dati geochimici ed isotopici di letteratura relativi a magmi basaltici di isole oceaniche legate ad'attività di "plume". Allo scopo di riconoscere la natura dei reservoirs che agiscono come sorgenti dei magma , verranno adoperati gli isotopi radiogenici di Sr, Nd, Pb e Hf insieme ai rapporti di elementi altamente incompatibili capaci di discriminare sia la natura della regione sorgente che l'eventuale arricchimento metasomatico dovuto o alla percolazione di fusi all'interno del mantello e/o all'apporto esterno di materiale derivante dal riciclaggio di slabs subdotti di età variabile ed eventualmente associati a materiale sedimentario.
Nel caso dell'Isola di Lanzarote verranno eseguite analisi isotopiche di Pb ed Hf, su campioni per i quali sono già i disponibili analisi di elementi maggiori ed in traccia e degli isotopi di Sr e Nd. Le analisi isotopiche di Pb e Hf verranno esguite presso il Laboratorio di Geochimica Isotopica dell'Ecole Normale Superieure di Lione, che ospiterà l'assegnista richiesto, sotto la supervisione della Dott.ssa Janne Blichert-Toft, collaboratrice del progetto. La variabilità geochimica evidenziata a Lanzarote verrà confrontata con quella risultante nelle altre isole Canarie per definire la natura e la scala spaziale e temporale delle eterogeneità presenti nel mantello sorgente e per eseguire confronti con modelli esistenti che suggeriscono la natura caotica e frattale delle dinamiche di mantello.
I Basalti Terziari e Quaternari della Sicilia Orientale (Iblei) mostrano spiccate affinità di tipo HIMU che verranno accuratamente definite attraverso nuove analisi di isotopi di Pb ed Hf investigando anche l'eventuale presenza di disequilibri isotopici roccia totale/pirosseno che possano documentare la variabilità geochimica a piccola scala anche nella regione Iblea. Allo scopo sarà studiato anche il grado di uniformità composizionale per le colate più voluminose.
Nel caso dell'Etna, le lave del 1669 e del 1981 mostrano una variazione composizionale che, nel primo caso, si manifesta nel tempo con un cambiamento della composizione modale e chimica del materiale eruttato, nel secondo con la presenza di mescolamento tra basalti di diversa composizione e cristallinità. Per queste due colate verrà condotto uno studio geochimico ed isotopico dei dettaglio (Sr, Nd, Pb, Hf) sia su roccia totale che su pirosseni per quantificare l'entità delle eterogeneità nella regione sorgente che si attiva per produrre i magmi che hanno interagito (in collaborazione con l'Unità di Perugia).
Per tutte le composizioni prese in esame verranno definite le condizioni di genesi nella regione sorgente tramite simulazioni effettuate con il codice Pmelts. Inoltre, adoperando i parametri Wij di interazione binaria proposti da Ghiorso et al (2002) per il calcolo dell'energia libera a P e T di un fuso silicatico di composizione assegnata, sarà calcolata l'attività di SiO2 per la stima della profondità della regione sorgente.
Al fine di comprendere in dettaglio le cause che determinano l'eterogeneità composizionale del mantello verranno eseguite simulazioni numeriche di mescolamento in domini con caratteristiche reologiche e fisiche tipiche del mantello terrestre considerando campi di flusso caotici e geometrie frattali (in collaborazione con l'Unità di Perugia).

Fasi della Ricerca
Primo anno.
Fase #1-mesi 1-3: Integrazione delle campionature delle lave dell'Etna del 1669 e del 1981 in cooperazione con il gruppo di Perugia, e relative analisi isotopiche ed ICP-MS. Esame della variabilità isotopica e geochimica di queste lave e ricostruzione delle caratteristiche geochimiche della regione sorgente.

Fase #2-mesi 4-8: Integrazione delle campionature delle lave di Lanzarote e Iblei e relative analisi isotopiche ed ICP-MS. Sviluppo di nuovi metodi di visualizzazione dei dati che tengano conto di un elevato numero di parametri geochimici


Fase #3-mesi 9-12: Studio dei processi di mescolamento fra magmi basaltici dell'Etna e ricostruzione degli "end-members", in collaborazione con l'Unità di Perugia. Raccolta dati aggiornati sugli OIB a partire da database esistenti e dall'esame della letteratura corrente. I dati analitici dovranno includere analisi degli elementi maggiori ed in tracce oltre che dati isotopici almeno relativi a Sr, Nd, Pb.


Secondo anno.
Fase #4-mesi 13-16: Identificazione di effetti del volume di campionamento e di invarianza di scala alla scala delle Isole Oceaniche analizzando statisticamente i dati raccolti nella fase precedente e ricostruzione della variabilità geochimica del mantello superiore a larga scala.

Fase #5-mesi 17-20: Valutazione della natura mineralogica della sorgente, stima delle profondità di origine, stima dei volumi di sorgente coinvolti, in base al grado di fusione parziale ed agli arricchimenti di elementi incompatibili delle lave di Lanzarote e Iblei. Identificazione della regione sorgente dei magmi e della sua variabilità geochimica.


Fase #6-mesi 21-24: Ricostruzione del quadro generale e delle possibili cause che concorrono a determinare la variabilità geochimica del mantello superiore sorgente di magmi OIB dalla scala degli oceani a quella di un singolo apparato vulcanico. Elaborazione dei modelli numerici (in collaborazione con l'unità di Perugia).
Diffusione dei dati.
Pubblicazionei su rivisre nazionali ed internazionali, si prevede la pubblicazione di almeno 4 lavori su riviste internazionali e la presentazione di risultati a congressi nazionali ed internazionali( FIST, EGS-AGU), in collaborazione anche con l'Unità di Perugia.