Riassunto analitico
La composizione dell’atmosfera terrestre durante la vita del pianeta è controllata da fattori interni (degassamento del mantello terrestre) ed esterni (attività sedimentaria, tettonica e biologica superficiale). Questa tesi si focalizza sui processi di degassamento primari del mantello terrestre che avvengono lungo i 60000 km delle dorsali medio oceaniche. Il flusso di elementi volatili (C-H-S, alogeni) via magmatica dal mantello all’atmosfera è a tutt’oggi largamente indeterminato. Ciò è dovuto principalmente alla scarsità di analisi dei basalti oceanici (Mid Ocean Ridge Basalts, MORBs). Per avere una migliore comprensione di questi processi e dei flussi di elementi volatili dalle zone sorgenti del mantello durante le eruzioni sottomarine è importante trovare campioni significativi da caratterizzare e descrivere. Questo lavoro di tesi analizza 22 campioni di vetri basaltici sottomarini raccolti con il sommergibile Nautile durante la campagna Italo-Francese denominata SMARTIES (2019) presso l'intersezione dorsale-trasforme orientale della zona di frattura Romanche con la dorsale medio-Atlantica (Atlantico Equatoriale). La zona trasforme della Romanche scorre per 3200 km tra il Sud America e L’Africa Occidentale. La parte attiva della trasforme è la più lunga del sistema di dorsali terrestre; essa causa uno spostamento della dorsale di circa 950 km mettendo a contatto porzioni di litosfera con una differenza di età di più di 50 My. L’accostamento tettonico di diverse porzioni di litosfera genera un importante abbassamento delle temperature di mantello (cold edge effect) producendo al contempo una riduzione del grado di fusione e quindi fusi particolarmente ricchi in volatili che si concentrano nei primi gradi di fusione. L’accuratezza della posizione e profondità alla quale i campioni sono stati raccolti rende questi vetri particolarmente adatti per definire le pressioni parziali di equilibrio delle specie volatili durante la loro eruzione. L’obiettivo di questo lavoro è quello di definire la concentrazione assoluta di tutte le specie volatili (H-C-S-Cl-F) e la relativa saturazione in termini di C-H delle lave. A ciò si aggiungono le analisi degli isotopi stabili del sistema H-C-S-Cl con l’obbiettivo di separare gli effetti di degassamento dai fenomeni di mixing. I frammenti dei vetri basaltici SMARTIES, precedentemente preparati, sono stati quindi analizzati al Northeast National Ion Microprobe Facility del Woods Hole Oceanographic Institution (Massachusetts, USA), in collaborazione con i Dott. Glenn Gaetani e Brian D. Monteleone, per mezzo dello spettrometro di massa a ioni secondari (SIMS) CAMECA IMS 1280, uno strumento ad alta trasmissione e alta risoluzione di massa. Le misure hanno rivelato un ampio intervallo di concentrazioni assolute delle principali specie volatili analizzate (CO2, H2O, S, Cl, F) e degli isotopi (δ37Cl, δ34S, δ2H). Alcune delle specie volatili mostrano correlazioni strette, ad esempio F-H2O e Cl-H2O indicative di mixing di diverse componenti primarie e ridotti effetti di degassamento di queste specie durante la risalita del magma. Al fine di valutare l’estensione del degassamento si sono definite le pressioni parziali del sistema C-H-S applicando i software Petrolog (per il calcolo della temperatura di liquidus dell'olivina) e SolEx (per i modelli di degassamento e le pressioni di equilibrio della CO2). I campioni analizzati mostrano l’attesa variabilità del degassamento di CO2 (il sistema più volatile) e quasi nullo degassamento di H2O. Tuttavia un numero significativo di campioni appare sottosaturo in CO2. Questi campioni permettono quindi di definire le relazioni composizionali primarie tra diverse componenti di mantello.
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Abstract
The composition of the Earth's atmosphere during the life of the planet is controlled by internal factors (degassing of the Earth's mantle) and external factors (sedimentary, tectonic and surface biological activity). This thesis focuses on the primary degassing processes of the Earth's mantle that occur along the 60,000 km of the mid-ocean ridges. The flow of volatile elements (C-H-S, halogens) via magmatic transport from the mantle to the atmosphere is still largely unconstrained. This is mainly due to the lack of analysis of oceanic basalts (Mid Ocean Ridge Basalts, MORBs). In order to better understand these processes and the fluxes of volatile elements from the mantle source to subsea eruption it is important to find meaningful samples to characterize and describe. This thesis work fits into this context and analyzes 22 basaltic submarine glass samples collected with the Nautile submersible during the SMARTIES Italian-French expedition (2019), at the east ridge-transform intersection of the Romanche Fracture Zone with the Mid Atlantic Ridge (Equatorial Atlantic). The Romanche transform extends for 3200 km between South America and West Africa. The active part of the transform is the longest of the Earth's ridge system; it offsets the ridge axis by about 950 km, putting in contact portions of the lithosphere with an age contrast of more than 50 My. The tectonic juxtaposition of different portions of the lithosphere generates an important decrease of the mantle temperatures (cold edge effect) while inducing a reduction in the degree of melting and therefore melts that are particularly rich in volatiles that are concentrated in the first degrees of melting. The accurate definition of the position and depth at which each sample has been collected makes these glasses particularly suitable to define partial equilibrium pressures of volatile species during their eruption. The aim of this work is to define the absolute concentrations of all volatile species (H-C-S-Cl-F) and the relative saturation in terms of C-H of MORB lavas and, in addition, the definition of the stable isotope ratio for H-C-S-Cl with the aim of separating the degassing effects from the mixing phenomena. Fragments of the SMARTIES basaltic glasses were therefore analyzed at the Northeast National Ion Microprobe Facility – of the Woods Hole Oceanographic Institution (Massachusetts, USA,) in collaboration with Drs. Glenn Gaetani and Brian D. Monteleone, by means of a secondary ion mass spectrometer (SIMS) CAMECA IMS 1280, an instrument with high mass resolution and high transmission. The measurements revealed a wide range of absolute concentrations for each analyzed volatiles (CO2, H2O, S, Cl, F) and isotopes (δ37Cl, δ34S, δ2H). Some of the volatile species show a tight correlation, as for instance F-H2O and Cl-H2O, suggesting mixing of different primary components and reduced outgassing effects of these species during magma rising. In order to evaluate the extent of degassing, the partial pressures of the C-H-S system were defined by using Petrolog (to calculate olivine liquidus temperature) and SolEx (for CO2 degassing patterns and equilibrium pressures) codes. The analyzed samples show the expected variability of CO2 degassing (the most volatile system) and negligible H2O degassing. However, a significant number of samples appear to be undersaturated in CO2. These samples therefore allow to define the primary compositional relationships between different mantle components.
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