Il tensore di Grüneisen per il rutilo e la sua applicazione per lo studio di sistemi minerale ospite-inclusione

Rutile is often found as inclusions in garnet, quartz and several other rock-forming minerals and it is also a common accessory phase in high-pressure metamorphic rocks. Its relatively simple structure, chemistry, broad P-T stability field and its wide occurrence in nature makes it a viable candidate for applications of elastic geobarometry. However, thermodynamic studies coupled with observations on natural samples predict that rutile inclusions in garnets should exhibit zero residual pressure. This implies that the rutile inclusions are detached from the inclusion walls in the host garnet after entrapment. I determined the elastic and vibrational properties of rutile via ab initio hybrid Hartree- Fock/Density Functional Theory simulations under different strain states. My results confirmed the thermodynamic behavior of rutile in garnet and allowed me to determine for the first time the components of the phonon-mode Grüneisen tensors of rutile. These allow me to show that pure rutile inclusions in metamorphic rocks exhibit no residual strain or stress, consistent with thermodynamic modelling. Nevertheless, there are rutile inclusions in garnet surrounded by optical birefringence haloes, which are indicative of residual inclusion pressures. Careful examination of these show that they contain significant amounts of amphibole which reduce the elastic moduli of the composite inclusion to less than that of the garnet hosts. A calculation method for the residual pressures of multi-phase inclusions is described.

Il rutilo è spesso rinvenuto come inclusione in granato, quarzo e in molti altri minerali costituenti le rocce. Il rutilo è anche una comune fase accessoria nelle rocce metamorfiche di alta pressione. La sua struttura relativamente semplice, la sua chimica, l'ampio campo di stabilità P-T e la sua frequente presenza in natura lo rendono un valido candidato per le applicazioni di geobarometria elastica. Tuttavia, studi termodinamici, insieme a osservazioni effettuate su campioni naturali, indicano che le inclusioni di rutilo nei granati dovrebbero avere pressione residua nulla. Ciò implica che le inclusioni di rutilo dovrebbero essere staccate dalle pareti della cavità che le ospita all’interno del granato. In questo lavoro di tesi, ho determinato le proprietà elastiche e vibrazionali del rutilo tramite simulazioni ab initio basate sulla teoria del funzionale della densità (HF/DFT). I miei risultati hanno confermato il comportamento termodinamico del rutilo in granato e mi hanno permesso di determinare per la prima volta le componenti dei tensori di Grüneisen e di mostrare che le inclusioni di rutilo nelle rocce metamorfiche non presentano alcuno stress o tensione residua, in accordo quindi con i modelli termodinamici. Tuttavia, sono state rinvenute, in campioni naturali, inclusioni di rutilo in granato circondate da aloni di birifrangenza che sono indicativi di pressioni residue. Un attento esame di queste inclusioni mostra che esse contengono quantità significative di anfibolo, il quale riduce significativamente il modulo elastico dell'inclusione composita a valori minori di quello del granato ospite. Inoltre, riporto il metodo utilizzato per calcolare le pressioni residue di inclusioni multifase.