RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Anatessi CROstale: evidenze Naturali, Esperimenti e MOdelli (A.CRO.N.E.MO)

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - GEOSCIENZE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Bernardo Cesare

Descrizione

Introduzione

L’U.R. di Padova si propone di studiare in dettaglio il processo di fusione crostale nelle sue fasi precoci (pre- e sin-anatessi), combinando un approccio principalmente petrologico-metamorfico e microstrutturale allo studio delle inclusioni vetrose e fluide.
In particolare, la ricerca sara’ concentrata sui seguenti punti di grande rilevanza petrologica ma ancora poco vincolati o conosciuti:
-caratterizzazione dei processi di fusione parziale nella zona sorgente
aspetti termobarometrici
chimica delle fasi
aspetti strutturali della localizzazione del fuso e della sua segregazione
-quantificazione delle reazioni di fusione
-caratterizzazione geochimica dei fusi anatettici
-caratterizzazione dei fluidi sin-anatettici
Gli obiettivi verranno raggiunti attraverso le linee di ricerca e nelle località qui elencate (vedasi anche Fig. 4) e descritte in dettaglio in seguito:
-Ricerche di campagna e analisi mesostrutturale in complessi migmatitici;
-Studio microstrutturale e petrologico, delle inclusioni vetrose e fluide (Fig. 5) negli inclusi della Provincia Vulcanica Neogenica (NVP) della Spagna meridionale
-Studio petrologico, delle inclusioni vetrose cristallizzate e delle inclusioni fluide nei melanosomi delle migmatiti metapelitiche del Kerala Khondalite Belt (India meridionale), della Unità d’Ultimo (Italia) e del Massiccio di Ronda (Spagna)
-Studio delle inclusioni vetrose e fluide in xenoliti e xenocristalli nelle lave a composizione dacitica e riolitica delle Isole Eolie (Lipari, Panarea, Vulcano) e nelle rioliti della Provincia Magmatica Toscana (Roccatederighi, San Vincenzo)
-Modellizzazione termodinamica delle condizioni di anatessi nelle diverse località, vincolata dai dati petrologici ottenuti.


Fig. 4: localizzazione delle aree di studio: K: Kerala Khondalite Belt, N: Provincia Vulcanica Neogenica, R: Ronda, U: Unità d’Ultimo, T: Provincia Magmatica Toscana, E: Isole Eolie.


Fig. 5: Inclusioni fluide e vetrose coesistenti, intrappolate nel plagioclasio degli inclusi di El Hoyazo. Larghezza della foto: 0.4 mm

Motivazione della Ricerca
La presente ricerca trae ragione dalla persistente mancanza (descritta nello stato dell’Arte) di dati provenienti da contesti anatettici reali, cioè poco o nulla modificati dai fenomeni che inevitabilmente accompagnano il lento raffreddamento dei complessi migmatitici e granulitici.
Poichè, al contrario, gli inclusi anatettici nella NVP sono virtualmente privi di fenomeni retrogradi post-anatessi [37], essi sono un rarissimo caso in cui l’anatessi puo’ essere “fotografata” e osservata in molti suoi aspetti, e rappresentano il materiale idoneo per colmare importanti lacune di conoscenze ancora esistenti. Oltre all’unicità del loro contesto geologico, valore aggiunto di questi inclusi è il legame genetico che essi hanno con le lave ospiti [40,49], che consente di utilizzarli anche come proxy dell’area sorgente [44].
Già caratterizzate sotto svariati punti di vista – di terreno [40] geocronologico [49,53], petrologico [42,43,45,52], geochimico-isotopico [54,55,56], mineralogico [47,48,50] microstrutturale [39,41], petrofisico [13] - queste rocce sono ideali per la prosecuzione delle ricerche di questo Progetto, che approfondiranno nei dettagli alcuni aspetti strutturali geochimici, termobarometrici e delle inclusioni vetrose e fluide.
Questo approccio multidisciplinare, integrato con gli aspetti modellistici e gli studi geochimici di ulteriore dettaglio oggetto delle ricerche dell’U.R. di Perugia, sarà esteso anche ad inclusi di altri contesti simili (Isole Eolie [57,58,59,60,61]; Provincia Toscana [62,63,64]), che oltre a fornire ulteriori importanti informazioni di carattere generale, contribuiranno ad una maggior comprensione dei processi petrogenetici e geodinamici recenti in queste due importanti aree circum-Tirreniche [65,66]. Inoltre, attraverso lo studio simultaneo sia delle granuliti metapelitiche del Kerala Khondalite Belt [67,68,69,70] che della Unità d’Ultimo [71,72] e del Massiccio di Ronda [73,74,75], si intende innanzitutto contribuire a una migliore comprensione dei processi di segregazione ed estrazione dei fusi, ed inoltre si vuole operare un confronto tra i dati ottenuti da contesti “anomali” come quelli degli inclusi e quelli del tipico contesto anatettico crostale, ossia granuliti e migmatiti.

Articolazione del Progetto
Il Progetto sarà articolato nelle seguenti fasi, non necessariamente sequenziali, in parte sovrapposte nella tempistica, e variamente integrate o sovrapposte alle attività dell’U.R. di Perugia.
1-Rilevamento e campionatura
( in stretta collaborazione con l’U.R. di Perugia, e principalmente nelle località delle Isole Eolie, della Toscana e della Unità d’Ultimo. I campioni Spagnoli ed Indiani passano immediatamente alle indagini 3 e seguenti). Verranno fatte osservazioni di terreno e campionature degli inclusi metasedimentari nelle magmatiti acide a cordierite, di origine o componente anatettica [76], con particolare attenzione ai litotipi a granato, indicatori sul terreno di una probabile origine medio-profonda e quindi di un più probabile collegamento genetico con le rocce ospiti. Nelle migmatiti alpine le osservazioni saranno finalizzate allo studio degli aspetti strutturali della segregazione del fuso dalla restite [77], e la campionatura concentrata nei melanosomi contententi granato (minerale idoneo alla preservazione di inclusioni vetrose ricristallizzate).
2-Studio petrografico-microstrutturale
Studio al microscopio ottico dei campioni raccolti e di quelli già disponibili, e selezione dei campioni maggiormente idonei alle indagini successive. L’attenzione sarà rivolta principalmente al riconoscimento di: associazioni di equilibrio, presenza ed ubicazione del fuso o dei suoi prodotti di cristallizzazione, microstrutture di reazione di fusione, presenza di inclusioni fluide e vetrose, evidenze di deformazione sin-anatettica. La mappatura della distribuzione del fuso alla scala della sezione sottile sarà uno degli obiettivi prioritari di questa parte della ricerca.
3-Studio al microscopio elettronico a scansione SEM con microanalisi
Su di un numero limitato di campioni (approssimativamente 15 inclusi dalla NVP, 5 di granuliti indiane e 15 dagli altri contesti) verranno perfezionate le indagini petrografiche mettendo in evidenza la presenza di fasi submicrometriche, disomogeneità composizionali a piccola scala (per mezzo di mappe composizionali ai raggi X) e fenomeni di cristallizzazione parziale o totale dei fusi.
4-Prove di rifusione al tavolino riscaldante
Le inclusioni cristallizzate nelle granuliti indiane, e quelle egli inclusi delle magmatiti toscane e delle migmatiti della Unità d’Ultimo verranno portate a fusione mediante tavolino riscaldante al duplice scopo di ottenere un fuso omogeneo ed analizzabile (fasi 5-7) e di ottenere informazioni termometriche sulle condizioni di anatessi. Non esistono al momento in letteratura esempi di studi simili, ma indagini preliminari (Fig. 6, [78]) indicano che l’approccio è molto promettente.


Fig. 6: Inclusione policristallina, verosimilmente prodotto di cristallizzazione di fuso anatettico, in un granato delle migmatiti del Kerala Khondalite Belt (India)

5-Analisi alla microsonda elettronica (EMP) degli elementi maggiori
I vetri nelle inclusioni (preservate o risultato di rifusione), i vetri interstiziali negli inclusi, e tutte le fasi minerali coesistenti nei campioni studiati saranno caratterizzate in modo dettagliato nella loro composizione degli elementi maggiori. Per i vetri si seguirà la metodologia proposta da Morgan et al. [79,80]) per l’analisi di vetri acidi idrati e anidri. Per le fasi mineralogiche lo studio mirerà anche a mettere in evidenza eventuali disomogeneità e zonature, oppure a quantificare le zonature individuate nel corso della fase 3.
6-Analisi mediante LA-ICP-MS degli elementi in traccia nelle fasi mineralogiche
L’U.R. di Padova opererà, sulla base degli studi ai punti precedenti, la selezione dei campioni e dei contesti ideali per l’analisi e lo studio delle variazioni degli elementi in traccia, che verrà eseguita dall’U.R. di Perugia
7-Analisi FTIR e/o SIMS del contenuto di H ₂O
Benchè l’approccio di Morgan et al. [79] consenta di dedurre con buona affidabilità il contenuto di H2O di vetri idrati, verrà anche effettuata la misura diretta di questo parametro di estrema importanza magmatologica [5, 31]. Le analisi saranno condotte sui medesimi vetri precedentemente caratterizzati sia per i maggiori che per le tracce.
8-Analisi delle inclusioni fluide
Le inclusioni fluide presenti nei campioni in esame, in particolare quelle verosimilmente intrappolate immediatamente prima o durante la fusione delle rocce, saranno analizzate mediante microtermometria, indagini SEM e spettroscopia Raman per una completa caratterizzazione della loro composizione e della loro densità. Questi dati potranno fornire ulteriori vincoli termobarometrici, oltre che petrologici.
9-Analisi degli isotopi dell’ossigeno
Negli inclusi metapelitici e nelle granuliti verranno effettuate analisi isotopiche su separati di fasi, impiegando una linea di fluorurazione al laser, per poi accoppiare stime di geotermometria isotopica alle stime geotermometriche convenzionali. Qualora in queste indagini “preliminari” si ravvisino risultati interessanti e che necessitano di maggiore dettaglio, si effettueranno ulteriori indagini isotopiche in situ mediante l’impiego di laser ad eccimeri.
10-Modellizzazione termodinamica
Con i vincoli dei dati microchimici ottenuti, delle informazioni petrografiche e delle composizioni chimiche della roccia totale di campioni analizzati ad hoc, verrà effettuata la modellizzazione termodinamica delle condizioni di anatessi (parametri P-T-X e percorsi P-T-t) nei diversi contesti. Saranno utilizzati simultaneamente i programmi Perple_X e Thermocalc. Attraverso il confronto con stime termobarometriche indipendenti verrà anche condotta una validazione della base di dati termodinamici attualmente disponibile, in particolare del modello recentemente proposto da [34] per la biotite.
11-Confronto tra i dati ottenuti da inclusi e quelli da migmatiti e granuliti
Sia in itinere che a conclusione del Progetto i dati raccolti verranno analizzati confrontando i diversi contesti di provenienza e mettendo in evidenza le differenze ma soprattutto le similitudini. Infatti per questo studio, basato su principalmente su inclusi crostali, è fondamentale ricavare il massimo di informazioni trasferibili in modo efficace ai contesti più comuni dei terreni migmatitici e granulitici.
12-Discussione e valutazione dei dati
In stretta collaborazione con l’U.R. di Perugia i dati delle due U.R. verranno analizzati e discussi in itinere (dopo 8 e 16 mesi) e a conclusione del Progetto. Le riunioni collegiali in itinere consentiranno eventuali correzioni all’impostazione o alla tempistica del Progetto, mentre la valutazione finale definirà le modalità più idonee per la disseminazione dei risultati, e per un’eventuale prosecuzione delle ricerche.
13-Sintesi e stesura conclusioni
Operata sia in itinere che a completamento del Progetto, questa fase porterà al riconoscimento dei principali risultati ottenuti, e alla elaborazione di pubblicazioni scientifiche.
14-Disseminazione dei risultati
La disseminazione dei risultati della ricerca avverrà principalmente sotto forma di pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, e attraverso comunicazioni a Congressi, riunioni scientifiche, workshops tematici. Si prevede inoltre di proporre sessioni tematiche collegate al Progetto a Convegni quali FIST2009, EGU2010 e AGU2010, e di diffondere i risultati del Progetto al quinto evento del Marie Curie European Intensive Seminar of Petrology (EURISPET) che si svolgerà nel Giugno 2010 sul tema “High-temperature metamorphism and crustal melting (www.eurispet.eu).
Infine la disseminazione dei risultati avverrà anche attraverso l’allestimento di un sito web del Progetto, che conterrà informazioni sul Gruppo di Lavoro, sulla ricerca e sul suo avanzamento, e sui risultati ottenuti.

Tempistica
Le diverse fasi del Progetto saranno attuate secondo il cronogramma qui di seguito riportato:

Fig. 7 Cronogramma della tempistica del Progetto

Ruolo dei componenti
I ruoli di ciascun ricercatore, descritti schematicamente anche in Fig. 7, saranno principalmente:
Cesare: studio microstrutturale di inclusi, petrologia dei processi di alta temperatura, studio di inclusioni fluide e vetrose, coordinamento dell’U.R. e del Progetto
Braga: rilevamento, microstruttura e petrologia di migmatiti, geochimica delle fasi accessorie
Meli: rilevamento e petrologia degli inclusi toscani e Eoliani, analisi SEM e EMP, termometria isotopica
Salvioli-Mariani: petrologia degli inclusi, studio di inclusioni fluide e vetrose
Ferrero: studio di inclusioni fluide e vetrose
Ferri: analisi microstrutturale, petrofisica e petrologia sperimentale
Tajcmanova: modellizzazione termodinamica, rilevamento e petrologia in terreni migmatitici
Il Gruppo di Ricerca comprende internamente tutte le competenze necessarie per affrontare adeguatamente il Progetto locale, e la collaborazione con l’U.R di Perugia su molte linee di ricerca comuni consentirà l’ottimale raggiungimento degli obiettivi generali.
Un importante valore aggiunto è costituito dalle numerose collaborazioni internazionali, già attive, che favoriranno lo svolgimento del Progetto e il raggiungimento di risultati di elevata qualità.

Risultati attesi
I risultati attesi sono il significativo avanzamento delle conoscenze nei principali obiettivi della ricerca. Questi avanzamenti saranno concretizzati principalmente attraverso pubblicazioni e ulteriormente con comunicazioni a congressi.
Il risultato è da considerarsi positivo se vi sarà l’accettazione di almeno 4 pubblicazioni su riviste internazionali.
Si prevede che le prime pubblicazioni siano sottomesse già alla fine del primo anno di lavoro, e che le ultime possano essere pubblicate (considerando i normali tempi di accetazione delle riviste internazionali) entro 12-18 mesi dalla fine del Progetto.

Bibliografia aggiuntiva (non citata al Punto 7.12)
66 Beccaluva L, Coltorti M, Galassi B, Macciotta G, Siena F (1994) - Boll Geof Teor Appl 36, 293–308
67 Braun I, Raith M, Ravindra-Kumar GR (1996) - J Petrol 37,1285-1305
68 Nandakumar V, Harley SL (2000) - J Geol 108, 687-703
69 Shabeer KP, Satish-Kumar M, Armstrong R, Buick IS (2005) - J Geol 113, 95-106
70 Santosh M, Sajeev K (2006) – Lithos 92, 447-464
71 Godard G, Martin S, Prosser G, Kienast JR, Morten L (1996) – Tectonophysics 256, 313-341
72 Del Moro A, Martin S, Prosser G (1999) – J Petrol 40, 1803-1826
73 Acosta-Vigil A (1998) - PhD Thesis, Universidad de Granada, 305 p
74 Tubía JM, Cuevas J, Gil-Ibarguchi (1997) - Tectonophysics 279, 227-252
75 Torres-Roldán RL (1983) - Tectonophysics 96, 95-123
76 Barker D S (1987) - CMP 97, 460–472
77 Sawyer EW (2001) - J Metam Geol 19, 291–309
78 Salvioli-Mariani E, Cesare B, Ferrero S (2007) – FIST Epitome 2, 444-445
79 Morgan VI GB, London D (1996) - Am Min 81, 1176–1185
80 Morgan VI GB, London D (2005) - Am Min 90, 1131–1138