What garnet, clinopyroxene, and diamond potential can tell us about the evolution of sub-cratonic mantle sections: a case study of the Zagadochnaya kimberlite (Yakutia)

Nella presente tesi di dottorato vengono riportate le composizioni chimiche in elementi maggiori e in tracce di una nuova serie di xenocristalli a granato e minerali associati provenienti dalla kimberlite di Zagadochnaya, Daldyn Field, Yakutia (Russia). Per interpretare la natura e l’evoluzione geochimica del mantello litosferico sottostante è importante capire le condizioni di temperatura e pressione di formazione dei vari frammenti di mantello, le relazioni di fase nel mantello superiore, e le evidenze dei processi petrogenetici registrate negli elementi in tracia. In questa tesi, queste problematiche sono state affrontate in tre diverse linee di ricerca. i) Valutazione del geobarometro a clinopirosseno per le peridotiti a granato. Tra i vari metodi termobarometrici basati sulla composizione di una singola fase mineralogica, il termobarometro a clinopirosseno rappresenta il metodo più affidabile per le rocce di mantello. Nonostante ciò, è stato visto che il geobarometro può essere molto impreciso se applicato a certi clinopirosseni con composizione sfavorevole, e questo si riflette in una considerevole incertezza nella stime delle geoterme. In questo lavoro ho effettuato ripetute analisi tramite microsonda elettronica su clinopirosseni a diverse composizioni, utilizzando diverse condizioni analitiche. I risultati dimostrano che le buona parte delle incertezze sono legate alla propagazione degli errori analitici sulle pressioni calcolate con il geobarometro. I dati ottenuti dal test analitico sono stati poi utilizzati per stimare gli le incertezze analitiche e la loro propagazione sulle pressioni calcolate per un gran numero di analisi di clinopirosseni di mantello riportate in letteratura. Il parametro aCr/Cr# [dove aCr = Cr–0.81•Na•Cr#, Cr#=Cr/(Cr+Al), atomi per unità di formula, 6 ossigeni] può essere utilizzato per discriminare i clinopirosseni per i quali la propagazione dell’errore analitico è troppo elevata (i.e., deviazione standard > 0.25 GPa). Ciò mi ha permesso di definire una nuova procedura analitica che permette di diminuire notevolmente le incertezze sulle pressioni calcolate e quindi definire meglio le geoterme basate su clinopirosseni di mantello. ii) Modellizzazione termodinamica di sistemi peridotitici con composizioni naturali. Per comprendere l’effetto della pressione, temperatura e composizione sulle relazioni tra granato e spinello nel mantello superiore, ho effettuato dei calcoli termodinamici per sistemi peridotitici contenenti Cr. I calcoli hanno mostrato che nella litosfera cratonica la transizione da facies a spinello a facies a granato dipende dalla composizione totale della peridotite: in un mantello fertile, lo spinello può coesistere con il granato fino a ca. 120 km di profondità, mentre in un mantello molto impoverito lo spinello può essere stabile fino a 180 km di profondità. Nella facies granato+spinello, l’abbondanza modale dello spinello è molto bassa (0.1–2.8%). Il modello suggerisce anche un maggiore influenza della pressione e della temperatura nella distribuzione dei granati nei classici diagrammi classificativi basati sul contenuto in Cr e Ca. iii) Interpretazione dei campioni di mantello della kimberlite di Zagadochnaya. Una serie rappresentativa di 28 xenocristalli di granato, spesso contenenti inclusioni di diverse fasi mineralogiche, è stata caratterizzata per gli elementi maggiori e in tracce tramite microsonda elettronica e spettrometria di massa associata a microsonda laser. Le stime termobarometriche più affidabili per i granati e i clinopirosseni associati, assieme al contenuto in Cr e Ca dei granati, indicano che la kimberlite ha campionato solo una porzione superficiale del mantello (< 130 km), composta da lherzoliti variamente fertili fino a impoverite. In termini litologici, questa porzione è equivalente a alla porzione più superficiale del mantello campionato dalla vicina kimberlite diamantifera di Udachnaya. I granati meno ricchi in Cr e Ca mostrano dei pattern normalizzati delle terre rare (REE) con un aumento progressivo dalle terre rare leggere (LREE) alle pesanti (HREE). Con l’aumento di Ca e Cr, si nota anche un arricchimento in LREE e impoverimento delle HREE, fino ad avere dei pattern delle REE sinusoidali. Grazie alle simulazioni numeriche delle reazioni fuso/roccia, è stato possibile dimostrare che queste variazioni delle REE possono essere il risultato di un unico episodio di percolazione di fuso in una colonna di mantello originariamente refrattaria. La maggior parte dei granati mostrano evidenze di ricristallizzazione con formazione di granato impoverito in Cr + cromite + diopside (± minerali idrati e ossidi di Ti). La tessitura e la mineralogia di questi domini secondari, la composizione calcolata dei fusi in equilibrio, e i profili di concentrazione attraverso le zonature del granato, indicano che questi sono dei prodotti di reazione con fusi strettamente legati alla kimberlite di Zagadochnaya. Viene qui suggerita una risalita relativamente lenta della kimberlite fino ai livelli superficiali del mantello prima dell’evento eruttivo. Questo spiegherebbe la mancanza di xenocristalli da profondità > 130 km, l’assenza di diamante, l’arricchimento in Mg della kimberlite, e le reazioni spinte che hanno prodotto gli assemblaggi secondari.