Innovative numerical petrological methods for definition of metamorphic timescale events of southern European Variscan relicts via thermodynamic and diffusion modelling of zoned garnets

Innovative numerical petrology methods have been developed using several computer programming languages, to investigate chemical-physical properties of metamorphic rocks at the microscale. These methods can help users to analyse the final aspect of the metamorphic rocks, which derives from the counterbalancing factors controlled by deformation vs. recovery processes, through a better quantification of the rock fabric parameters (e.g., grain and mineral size distribution) as well as of the rock volumes and the specific compositions that take part in the reactions during each metamorphic evolutionary stage. In this perspective, a grain boundary detection tool (i.e., Grain Size Detection - GSD) was created to draw grain boundary and create polygon features in a Geographic Information System (GIS) platform using thin section optical scans as input images. Such a tool allows users to obtain several pieces of information from the investigated samples such as grain surfaces and sizes displayed as derivative maps. These maps have been then integrated with the mineralogical distribution map of the entire thin section classified from the micro X-ray maps. This step has been made to enhance the grain size distribution analysis by associating a mineral label to each polygon feature, by developing a further tool called Min-GSD (i.e., Mineral-Grain Size Distribution). The image analysis of rocks at the microscale was further improved by introducing a new multilinear regression technique within a previous image analysis software (i.e., X-ray Map Analyser - XRMA), with the aim to calibrate X-ray maps per each classified mineral of the selected thin section microdomain. This enhancement (called Quantitative X-ray Map Analyser - Q-XRMA) allowed to compute: (a) the elemental concentration within a single phase expressed in a.p.f.u; (b) maps of the end member fractions defining the potential zoning patterns of solid solution mineral phases. Moreover, the classification through this new method of one or several microdomains per thin section, able to describe the potential sequence of recognized metamorphic equilibria, has been here used to a better definition of the effective bulk rock chemistries at the base of a more robust thermodynamic modelling, providing more reliable thermobaric constraints. These thermobaric constraints were here converted for the first time into Pressure-Temperature (PT) maps by the development of an add-on (i.e., Diffusion Coefficient Map Creator - DCMC) of the previous tool (Q-XRMA), for creating maps of compositionally-dependent diffusion coefficients, by integrating diffusion data from the literature. As a result, an articulated Local Information System (LIS) for the investigated mineral, involving data on composition, grain size, modal amounts and kinetic rates, is created and potentially useful for detailed investigations as, for instance, the determination of the timescales of metamorphic events. All of these methods mentioned above can be considered part of the Petromatics discipline, here for the first time defined as the science which integrates new computers technologies with different techno-scientific sectors related to the detection and handling of spatial minerochemical data characterising rocks at the microscale. Furthermore, the quantification of the rock parameters at the microscale laid the groundwork for the development of an innovative numerical petrological workflow here called Metamorphic Petrology Information System (MetPetIS). The latter is a new LIS able to store, manage and elaborate multidisciplinary and multiscale data collection from metamorphic basement rocks within a unique cyber-infrastructure.

In questo lavoro sono stati sviluppati e applicati a due casi studio dei metodi innovativi di petrologia numerica, utilizzando diversi linguaggi informatici di programmazione (Model Builder; Python; Matlab), con l intento di studiare le proprietà chimico-fisiche delle rocce metamorfiche alla microscala. Tali metodi si sono rivelati utili per analizzare l'aspetto finale delle rocce metamorfiche, che sono spesso il risultato dei fattori di contro bilanciamento tra i processi di deformazione e di recovery , attraverso una migliore quantificazione dei parametri che definiscono la struttura della rocca (ad esempio, distribuzione delle dimensioni dei grani e dei minerali) così come dei volumi di roccia e delle composizioni specifiche effettivamente reagenti durante ogni fase dell evoluzione metamorfica. In questa prospettiva, è stato creato uno strumento di rilevamento dei bordi dei grani (cioè, Grain Size Detection - GSD) per tracciare automaticamente i confini dei grani e creare oggetti poligonali all interno di una piattaforma GIS (ossia un Geographic Information System), utilizzando scansioni ottiche dell intera sezione sottile come immagini di input. Tale strumento permette agli utenti di ottenere diverse informazioni dai campioni esaminati, come le superfici e le dimensioni dei grani visualizzate come mappe derivate. Queste mappe sono state poi integrate con le mappe di distribuzione mineralogica dell'intera sezione sottile classificate a partire dalle mappe a raggi X degli elementi, al fine di migliorare l'analisi della distribuzione dei grani suddividendoli per tipologia di minerale, sviluppando un ulteriore tool chiamato Min-GSD (Mineral-Grain Size Distribution). L'analisi delle immagini delle rocce alla microscala è stata ulteriormente migliorata introducendo una nuova tecnica di regressione multilineare all'interno di un precedente software di analisi delle immagini (cioè, X-ray Map Analyser - XRMA), al fine di calibrare le mappe a raggi X per ogni minerale identificato all interno del micro domino selezionato dalla sottile sezione. Questo miglioramento (chiamato Quantitative X-ray Map Analyser - Q-XRMA) ha permesso di calcolare: (a) la concentrazione elementale in una singola fase espressa in a.p.f.u; (b) le mappe delle frazioni dei componenti mineralogici che definiscono le potenziali zonature all interno dei minerali che presentano soluzioni solide. Inoltre, la classificazione attraverso questo nuovo metodo di uno o più micro domini per sezione sottile, in grado di descrivere la potenziale sequenza degli equilibri metamorfici riconosciuti, è potenzialmente utilizzabile per una migliore definizione delle composizioni di equilibrio che stanno alla base di una più robusta modellizzazione termodinamica, fornendo vincoli termobarici più affidabili. Questi vincoli termobarici sono stati qui convertiti per la prima volta in mappe PT (Pressione-Temperatura) mediante lo sviluppo di un componente aggiuntivo (cioè, Diffusion Coefficient Map Creator - DCMC) del software precedente di analisi di immagine (Q-XRMA), al fine di generare mappe dei coefficienti di diffusione dipendenti dalla composizione, integrando i diversi dati sperimentali di diffusione conosciuti in letteratura. Di conseguenza, è stato creato un Sistema Informativo Locale completo (LIS) per ogni minerale esaminato, che coinvolge i dati composizionali, le dimensioni dei grani, le quantità modali e i tassi cinetici, tutti potenzialmente utili per la determinazione delle durate degli eventi metamorfici. Tutti questi metodi sopra descritti possono essere considerati parte di una nuova disciplina "La Petromatica", qui definita per la prima volta come la scienza che integra nuove tecnologie informatiche con diversi settori tecno-scientifici atti alla rilevazione e alla gestione di dati mineralogici-spaziali che caratterizzano le rocce alla microscala.