Distribuzione degli elementi volatili nelle eterogeneità del mantello terrestre.

Compositional heterogeneities in the Earth's mantle cause the isotopic and compositional variability observed in Mid Ocean Ridge Basalts (MORB) due variable homogenization of melts derived from low-solidus components. This study focuses on the volatile content and isotope ratios in MORB glass samples selectively extracted from low-solidus heterogeneities. These components are likely introduced into the mantle at subduction zones and are subsequently folded and stretched by mantle convective flow. The resulting heterogeneous mantle assemblage eventually rises below Mid Ocean Ridges (MOR) and undergoes decompressional partial melting. Usually, magmas originated from different depths and lithologies in the mantle are extensively mixed, hampering the possibility to recognize the geochemical signatures of single components. Regions of the MOR system where melts are created but not mixed are needed to identify these sources. These can be found in ridge segments with low mantle temperatures, where reduced melting preferentially extracts low-solidus mantle melts. In this PhD I have measured the volatile absolute concentrations and isotopic compositions of a collection of alkali-rich MORB glasses from the Equatorial Atlantic (Eastern Romanche ridge-transform intersection, ERRTI, MAR 1°N) collected during the SMARTIES 2019 expedition, along with a reference set of MORB glasses recovered from the Vema Fracture Zone (MAR 11°N). An extensive study of sulfur (both concentrations and isotopes) alongside the study of immiscible sulfide phases represented by exsolved sulfide droplets in the glass matrix reveals the behavior of sulfur during melt extraction and identify mixing-related geochemical signatures. In addition, boron isotopes are used to constrain late hydrothermal alteration processes. Analysis of basaltic glass from the Vema and ERRTI areas suggests that variations in volatile concentrations (CO2, H2O, S, Cl, F) are primarily a result of different mantle source lithological recipes rather than processes like fractional crystallization or degassing. Overall, ERRTI MORB glasses present limited degassing, particularly for H2O, Cl, and F, and point to enriched and heterogeneous mantle sources that possibly derive from recycled oceanic crustal components. The observed Cu–Ni–Fe-rich sulfide spherules in ERRTI glasses formed through sulfur immiscibility from a sulfide-saturated melt crystallizing between 1100–900 °C, as shown by exsolved MSS and ISS phases. The strong ³⁴S enrichment in glasses cannot be explained by degassing or sulfide separation at typical oxidizing MORB conditions. An average αsulfide–melt of 0.99702 ± 0.0057 between 34S depleted sulfides and glasses with atypical isotopic 34S enrichments points to different isotopic origins for sulfides and silicate glass. The ³⁴S enrichment across samples might reflect assimilation of ³⁴S-rich recycled sulfur, rather than magmatic fractionation or crustal contamination. Boron isotopes are within the global isotopic MORB array with only a small average increase from the reported δ11B MORB average values, thus excluding late hydrothermally induced alterations.

Le eterogeneità composizionali nel mantello terrestre sono la causa delle variabilità isotopiche e composizionali osservate nei basalti delle dorsali medio-oceaniche (MORB), dovuta alla differente omogeneizzazione dei fusi derivati da componenti basso fondenti. Questo studio si concentra sul contenuto in volatili e sui rapporti isotopici nei campioni di vetro prelevati da eterogeneità che hanno bassa temperatura di fusione. Questi componenti sono probabilmente introdotti nel mantello nelle zone di subduzione e successivamente piegati ed allungati dal flusso convettivo nel mantello. L’insieme eterogeneo risultante risale infine sotto le dorsali medio-oceaniche (MOR) e subisce fusione parziale dovuta a decompressione. Di norma, i magmi originati da diverse litologie nel mantello si mescolano, rendendo difficile riconoscere le firme geochimiche dei singoli componenti. Per identificare queste sorgenti sono necessarie regioni delle MOR dove i fusi si formano ma non si mescolano. Queste si trovano in segmenti di dorsale con basse temperature del mantello, dove un ridotto grado di fusione estrae preferenzialmente i fusi basso fondenti del mantello. In questa tesi di dottorato ho misurato le concentrazioni assolute dei volatili e le composizioni isotopiche di un set di vetri basaltici ricchi in alcali provenienti dall'Atlantico equatoriale (Intersezione dorsale-trasforme della Romanche orientale, ERRTI, MAR 1°N) raccolti durante la spedizione SMARTIES 2019, insieme a un set di riferimento di vetri recuperati dalla zona di frattura di Vema (MAR 11°N). Uno studio approfondito dello zolfo (concentrazioni e isotopi) insieme allo studio delle fasi immiscibili di solfuri rappresentate da goccioline presenti nella matrice vetrosa, rivela il comportamento dello zolfo durante l'estrazione del fuso e le firme geochimiche legate a fenomeni di mixing. Inoltre, gli isotopi del boro vengono utilizzati per determinare la presenza di processi tardivi di alterazione idrotermale. L'analisi dei vetri basaltici di Vema ed ERRTI suggerisce che le variazioni nelle concentrazioni dei volatili (CO2, H2O, S, Cl, F) sono principalmente il risultato di diverse composizioni del mantello e non sono dovuti a processi come la cristallizzazione frazionata o il degassamento. Nel complesso, i campioni presentano un degassamento limitato, in particolare per H2O, Cl e F, e indicano sorgenti eterogenee di mantello che probabilmente derivano da componenti oceanici crostali riciclati. Le sferule di solfuri ricche in Cu–Ni–Fe osservate nei vetri di ERRTI si sono formate attraverso immiscibilità dello zolfo da un fuso saturo in solfuri che cristallizzava tra 1100 e 900 °C. Il forte arricchimento in ³⁴S nei vetri non può essere spiegato dal degassamento o dalla separazione dei solfuri nelle tipiche condizioni riducenti dei MORB. Una media di αsolfuro-fuso di 0.99702 ± 0.0057 tra solfuri impoveriti in 34S e vetri con atipici arricchimenti in 34S indica diverse origini isotopiche. L’arricchimento in ³⁴S nei campioni potrebbe riflettere l’assimilazione di zolfo riciclato e arricchito in ³⁴S, piuttosto che il frazionamento magmatico o contaminazione crostale. Gli isotopi del boro rientrano nell’intervallo isotopico globale dei MORB, mostrando solo un lieve incremento medio, escludendo quindi alterazioni indotte da processi idrotermali tardivi.