RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

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

Responsabile dell'Unità di ricerca

Diego Perugini

Descrizione

Lo scopo di questo progetto è di capire il comportamento di fusi anatettici crostali durante gli stadi che caratterizzano la loro separazione dalla regione sorgente, la loro migrazione, e la loro messa in posto sia come corpi plutonici che vulcanici. Per raggiungere questo scopo saranno analizzati in dettaglio i processi di interazione fra magmi che avvengono durante tali stadi, con il fine di costruire un modello concettuale che spieghi l'origine di eterogeneità composizionali all'interno delle masse magmatiche. Questo modello è essenziale al fine di comprendere come i processi di interazione fra fusi primari generati da diverse regioni sorgenti e/o da diversi gradi di fusione parziale di una stessa sorgente possano influenzarne le caratteristiche geochimiche originali e, quindi, fornire informazioni sulle caratteristiche delle rocce sorgenti e sul loro significato geologico. La conoscenza di questi meccanismi è fondamentale per ricostruire la storia geologica dei corpi magmatici anatettici crostali, dall'esordio della fusione parziale alla loro messa in posto.
Partendo dalle conoscenze acquisite sui processi di mescolamento fra magmi attraverso l'uso congiunto di tecniche petrologiche classiche e nuove tecniche basate sulla Geometria Frattale e sulla Teoria del Caos [e.g. 29, 39], dei meccanismi di migrazione dei fusi anatettici [e.g. 25], e utilizzando la Petrologia Sperimentale in collaborazione con l'equipe di lavoro del Prof. D. Dingwell (Ludwig-Maximilians-Universität), gli obiettivi che si intendono raggiungere sono i seguenti:
i) comprendere i meccanismi di interazione fra fusi generati o da diverse rocce sorgenti o da diversi gradi di fusione di una stessa sorgente, e analizzare come questi possano mascherare le caratteristiche geochimiche originali dei singoli fusi attraverso lo studio dell'eterogeneità composizionale di film vetrosi intergranulari in xenoliti (o inclusi) crostali e di leucosomi in migmatiti;
ii) capire i processi di interazione fra i fusi anatettici durante la loro migrazione dalla regione sorgente verso la zona di messa in posto attraverso nuovi esperimenti di Petrologia Sperimentale e lo sviluppo di modelli numerici basati su reti di fratture 'Piccolo Mondo' all'interno delle quali i fusi possono coalescere; comprendere l'influenza della topologia delle reti di fratture nel trasferimento dei fusi verso livelli crostali più superficiali in funzione degli scambi chimici fra di essi;
iii) comprendere in dettaglio, attraverso lo studio di affioramenti naturali, i meccanismi di accumulo dei fusi in camera magmatica e nei condotti vulcanici e capire come lo sviluppo di dinamiche di mescolamento caotico possono influenzarne le composizioni chimiche iniziali producendo eterogeneità composizionali a diverse scale di osservazione;
iv) capire, attraverso studi di dettaglio dei processi di diffusione chimica, le cinetiche associate allo sviluppo di eterogeneità composizionali all'interno dei sistemi magmatici e stabilire le loro le scale temporali in funzione delle dinamiche di separazione dalla regione sorgente, di migrazione, e di accumulo in camere magmatiche.
Le ricerche saranno focalizzate su affioramenti chiave di rocce plutoniche e vulcaniche dove la coesistenza nello spazio e nel tempo di fusi anatettici con differenti composizioni geochimiche è stata documentata, e su xenoliti crostali, che rappresentino porzioni di regione sorgente, contenuti all'interno di rocce vulcaniche. Una parte del lavoro sarà anche dedicata ad uno studio pilota della variabilità composizionale dei leucosomi in complessi migmatitici. In particolare, relativamente alle rocce plutoniche l'attenzione verrà focalizzata sulle facies leucocratiche anatettiche dei plutoni di Pulchiana [Sardegna; 42] e di Sithonia e Arnea [Grecia; e.g. 3, 43, 44]. Per quello che riguarda le rocce vulcaniche verranno studiate lave e duomi (a composizione dacitica e riolitica) affioranti nella Provincia Magmatica Toscana [San Vincenzo e Roccatederighi; 45, 46], nelle isole di Lipari, Vulcano, e Panarea [Isole Eolie; 47, 48, 49] e nelle aree di El Hoyazo e Mazarròn [Spagna; e.g. 50, 51]. In queste ultime due aree saranno studiati xenoliti crostali contenuti nelle lave che rappresentano porzioni di roccia sorgente [e.g. 48, 50, 51, 52]. Per quello che riguarda i complessi migmatitici verranno studiati affioramenti presenti nell'area di Ronda [Spagna; e.g. 53, 54].
Il progetto verrà suddiviso in due Attività principali (Attività 1 e Attività 2), descritte in dettaglio di seguito.

Attività 1
Al fine di comprendere le dinamiche associate alla segregazione dei liquidi silicatici derivanti dalla fusione parziale e alla loro interazione all'interno della regione sorgente, verranno studiati, in collaborazione con l'U.R. di Padova, xenoliti crostali che rappresentano porzioni di roccia sorgente portati in superficie dai magmi anatettici. Gli xenoliti crostali verranno studiati sia attraverso la caratterizzazione composizionale dei film vetrosi intergranulari sia attraverso la microanalisi delle inclusioni vetrose nei diversi minerali. Verrà anche intrapreso uno studio pilota, in stretta collaborazione con l'U.R. di Padova, di complessi migmatitici, analizzando la distribuzione spaziale e l'eterogeneità composizionale dei leucosomi a diverse lunghezza di scala.
I film vetrosi all'interno degli xenoliti saranno analizzati sia per i contenuti degli elementi maggiori che in traccia (tramite EMPA e LA-ICP-MS) lungo transetti e griglie regolari con dimensioni variabili dalle centinaia alle decine di micron (Fig. 1) al fine di mappare la variabilità geochimica su corta lunghezza di scala. Dalle griglie e dai transetti verranno estratte serie composizionali (Fig. 1) e, attraverso l'utilizzo di tecniche di Teoria del Caos, verrà misurato il grado di disordine composizionale dei vari elementi chimici (Fig. 1). Questo approccio permetterà di definire il grado e la distribuzione spaziale dell'eterogeneità composizionale all'interno degli xenoliti e di dedurre gli scambi chimici fra i fusi anatettici durante le fasi iniziali della loro segregazione dalla roccia sorgente.



Unitamente allo studio dei film vetrosi verrà condotto uno studio pilota dell'eterogeneità composizionale di leucosomi in complessi migmatitici. E' noto che la composizione geochimica dei leucosomi può non rappresentare il fuso originale in quanto possono essere presenti fasi restitiche o essere avvenuti processi di cumulo che ne hanno alterato la composizione primaria [e.g. 55, 56]. Nonostante ciò, esistono contesti geologici, come quelli nell'area di Ronda, in cui tali fenomeni sono minimi [e.g. 53, 54]; questi rappresentano affioramenti chiave per studiare in situ gli stadi iniziali del processo di fusione parziale e di prima mobilizzazione dei fusi primari. L''invarianza di scala' della distribuzione morfologica dei leucosomi è ancora oggetto di dibattito [e.g. 57, 58]. L'analisi morfologica potrà indicare se ed in quali condizioni della migmatite la distribuzione dei leucosomi è di tipo frattale. Questo aspetto è di primaria importanza poiché la genesi di strutture ad 'invarianza di scala' [i.e. frattali] è strettamente associata alla presenza di dinamiche caotiche; ne consegue che la mobilizzazione e l'interazione dei fusi può originare strutture complesse in cui gli scambi chimici possono potenzialmente mascherarne le caratteristiche primarie. Gli affioramenti migmatitici verranno suddivisi con griglie regolari di diverse dimensioni (dai metri alle decine di centimetri) e, in base alla dimensione della griglia, saranno prelevati campioni di roccia totale dei leucosomi che verranno analizzati per i contenuti degli elementi maggiori, in traccia, e degli isotopi. La variabilità composizionale alle diverse scale verrà studiata applicando le stesse tecniche di Teoria del Caos utilizzate nello studio dei film vetrosi negli xenoliti nel tentativo di quantificare l'efficienza degli scambi chimici fra i diversi fusi. Le misure del grado di disordine composizionale dei vari elementi chimici sui campioni prelevati dalle griglie verranno messi a confronto con i valori di dimensione frattale delle strutture di flusso e questo permetterà di definire il grado e la distribuzione spaziale dell'eterogeneità composizionale in funzione della struttura dei campi di flusso.
Allo stesso tempo, in collaborazione con l'U.R. di Padova, verranno analizzate le inclusioni vetrose in minerali sia di migmatiti e granuliti che di xenoliti e la loro variabilità geochimica verrà messa a confronto con quella osservata sia alla microscala nei film vetrosi sia alla macroscala nei complessi migmatitici. Le variazioni composizionali delle inclusioni vetrose permetteranno di stabilire la possibile presenza di dinamiche di mescolamento caotico alla scala del singolo affioramento, mentre alla scala della singola inclusione vetrosa consentiranno di applicare il modello di 'diffusive fractionation' degli elementi in traccia [Fig. 2; 39]. L'applicazione di questa metodologia, congiuntamente agli studi eseguiti su più larga scala, permetterà di vincolare le cinetiche di mescolamento alla microscala, di comprendere le scale temporali della mobilizzazione dei fusi parziali all'interno della regione sorgente, e di studiare in dettaglio come lo sviluppo di strutture frattali e di processi di mescolamento caotico fra fusi anatettici composizionalmente eterogenei possono influenzarne le caratteristiche primarie già al livello della regione sorgente.



Attività 2
Lo studio dei meccanismi di interazione fra i diversi fusi anatettici durante la loro separazione dalla regione sorgente e la migrazione verso livelli crostali più superficiali verrà condotto sia utilizzando tecniche di Petrologia Sperimentale sia attraverso simulazioni numeriche.
Recenti studi hanno indicato che la topologia dei sistemi di fratture (i.e. la distribuzione spaziale delle fratture a piccola e a grande scala e la tipologia delle loro connessioni) può giocare un ruolo molto importante nel garantire un trasporto efficiente dei magmi evitando il raggiungimento dell'equilibrio geochimico fra i fusi silicatici e le rocce che vengono attraversate [25]. Le reti di fratture naturali si comportano come strutture di tipo 'Piccolo Mondo' (Fig. 3) dotate di una elevatissima efficienza locale (cioè a piccola scala) e globale (cioè a larga scala) nel drenare e trasferire fusi magmatici dalla regione sorgente ai livelli crostali di stazionamento o fino in superficie. Comunque, se all'interno di queste reti di fratture migrano fusi composizionalmente diversi, questi non conservano necessariamente le loro caratteristiche originali, in quanto è molto probabile che essi possano coalescere nelle zone di intersezione delle fratture e quindi mescolarsi.



Al fine di studiare le dinamiche e l'entità degli scambi chimici che si instaurano quando fusi composizionalmente diversi si trovano ad interagire all'interno delle reti di fratture con topologia di 'Piccolo Mondo', verranno eseguiti nuovi esperimenti di percolazione di fusi magmatici all'interno di reti di fratture artificiali in collaborazione con l'equipe di lavoro del Prof. Dingwell. In particolare verranno costruite, in ceramica resistente alle alte temperature, strutture tridimensionali di canali interconnessi secondo topologie di 'Piccolo Mondo' con dimensioni dell'ordine di 10-15 cm (Fig. 4). Fusi sintetici a composizione anatettica variabile verranno immessi contemporaneamente nelle parti sommitali dei canali e lasciati percolare per gravità all'interno della rete in fornaci ad alta temperatura (1200-1300°C) (Fig. 4). I provini verranno poi sottoposti a microanalisi di dettaglio degli elementi maggiori (EPMA) ed in traccia (LA-ICP-MS) per studiare la variabilità composizionale del sistema in relazione alle dinamiche di mescolamento che si sono instaurate fra i diversi fusi, e per capire come la migrazione e la coalescenza degli stessi possano influenzarne le caratteristiche originali.



Questi studi sperimentali rappresenteranno un analogo dei meccanismi associati alla migrazione e coalescenza dei fusi durante il loro spostamento dalla regione sorgente e forniranno le basi per lo sviluppo di modelli numerici a più larga scala. In particolare, utilizzando i vincoli geochimici ottenuti dagli esperimenti verranno sviluppati codici numerici per simulare il processo di migrazione e interazione su larga scala (centinaia di metri-chilometri). Questi studi permetteranno di valutare eventuali cambiamenti nello stile e nell'efficienza degli scambi chimici fra i fusi durante la loro migrazione su larga scala.

Lo studio dei meccanismi di interazione fra i diversi fusi anatettici durante la loro messa in posto verrà condotto su affioramenti naturali con studi di crescente dettaglio, dalla scala dell'affioramento alle singole fasi mineralogiche. Questo approccio permetterà di valutare con estremo dettaglio lo stile e la distribuzione dell'eterogeneità geochimica alle diverse scale di osservazione. In una prima fase si procederà allo studio dell'eterogeneità alla scala del singolo affioramento effettuando analisi di dettaglio degli elementi maggiori, in traccia, e degli isotopi su campioni di roccia totale prelevati su griglie di campionamento regolari con celle di dimensioni che vanno dalle decine di metri a qualche centimetro. La variabilità geochimica verrà studiata applicando tecniche di Geometria Frattale e di Teoria del Caos analoghe a quelle utilizzate nello studio dei film intergranulari e dei complessi migmatitici. Questo approccio, applicato a tutti gli affioramenti sia di rocce plutoniche che vulcaniche, permetterà di definire il tipo di eterogeneità delle masse magmatiche individuando diverse regioni dinamiche caratterizzate da diverse efficienze di scambi di massa fra i diversi volumi di magma che hanno interagito [e.g. 35-36].
Una volta individuate le diverse regioni dinamiche, queste saranno oggetto di dettagliate indagini microanalitiche. In particolare, saranno studiate per ciascuna regione dinamica le zonature composizionali di cristalli di plagioclasio, che registrano il propagarsi nel tempo dell'eterogeneità geochimica dovuta al mescolamento. Serie composizionali saranno estratte dalle zonature [e.g. 34] e queste verranno analizzate utilizzando le tecniche della Teoria del Caos (e.g. Fig. 1C-E). L'applicazione di queste tecniche permetterà di individuare fluttuazioni composizionali alla scala delle singole fasi mineralogiche e di stabilire, attraverso confronti incrociati fra zonature di diversi cristalli, lo stile di propagazione dell'eterogeneità composizionale e le scale temporali all'interno delle quali essa si è manifestata. I risultati di questo studio su piccola scala saranno messi in relazione con la variabilità geochimica su larga scala al fine di definire nel modo più completo possibile le cause e i meccanismi che hanno agito per produrre l'eterogeneità geochimica osservata.

Il diagramma di Gantt in Fig. 5 riporta le diverse fasi in cui si articoleranno le ricerche sopra illustrate.



Diffusione dei dati
Pubblicazioni su riviste nazionali ed internazionali e organizzazione di sessioni tematiche e presentazioni a congressi nazionali ed internazionali (e.g. FIST, EGS-AGU, EGU), in collaborazione con l'U.R. di Padova. Divulgazione dei dati e dei risultati attraverso un workshop internazionale che verrà organizzato nel secondo semestre del secondo anno e la costruzione in un sito internet dedicato al progetto.