Eterogeneità del mantello marziano dedotte da analisi in situ di shergottiti

Isotopic and trace element studies on shergottites (Martian basalts) indicate that the Martian mantle formed during the early stages of planetary differentiation, crystallizing from Martian magma ocean (Moriwaki et al., 2020). This differentiation resulted in at least two different mantle sources for basaltic shergottites: one enriched and one depleted. In this Master Thesis, I studied the chemical and isotopic compositions of two olivine-phyric shergottites, DaG 670 and NWA 4222, to determine their mantle source and geochemical evolution. To tackle this objective, I firstly measured in situ the Pb isotopic composition of 15 melt inclusions in olivine for each shergottite using SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe), instrument in KBSI (Ochang, South Korea). Lead isotopic ratios (207Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb and 208Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb) of NWA 4222 cluster while DaG 670 data are spread along the 4.55 Ga Geochron. This distribution suggests that the two samples originated from different mantle sources. Lead isotope ratios of NWA 4222 suggest that its source was very similar to the terrestrial depleted mantle, whereas the geochemical heterogeneities shown in DaG 670 may be accounted for a mixing between depleted and enriched end-members. Trace element compositions of pyroxenes in the matrix revealed significant Eu and Sr anomalies. Similar patterns have been observed in terrestrial clinopyroxene of low-crust gabbroic rocks in the Ivrea Verbano Zone and interpreted as the result of the mixing between the magma intrusion and the plagioclase cumulates (i.e. anorthosites) present in the crust (Mazzucchelli et al., 1992). In this light, it can be foreseen that a similar process might have occurred during the formation of the studied shergottites. This conclusion is particularly interesting because it can identify an Earth-analogue of martian rocks, a key aspect of planetary studies that must face the problem of the lack of samples. The Museo di Scienze Planetarie di Prato is acknowledged for providing the sample material studied in this thesis. References: Mazzucchelli, M., Rivalenti, G., Vannucci, R., Bottazzi, P., Ottolini, L., Hofmann, A. W., & Parenti, M. (1992). Primary positive Eu anomaly in clinopyroxenes of low-crust gabbroic rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 56(6), 2363–2370. Moriwaki, R., Usui, T., Tobita, M., & Yokoyama, T. (2020). Geochemically heterogeneous Martian mantle inferred from Pb isotope systematics of depleted shergottites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 274, 157–171.

Gli studi di isotopi e di elementi in traccia nelle shergottiti (basalti marziani) indicano che il mantello di Marte si sarebbe formato durante le prime fasi di differenziazione planetaria, cristallizzandosi da un oceano di magma simile a quello lunare (Moriwaki et al., 2020). Questa differenziazione ha portato alla formazione di almeno due sorgenti mantelliche differenti per le shergottiti: un mantello arricchito e uno impoverito. In questa tesi di Laurea Magistrale, ho investigato le composizioni chimiche e isotopiche di due shergottiti a olivina, DaG 670 e NWA 4222, al fine di determinarne la sorgente di mantello e l’evoluzione geochimica. Per raggiungere questi risultati per prima cosa ho misurato la composizione isotopica del piombo in circa 15 melt inclusion per ciascuno due campioni attraverso lo strumento SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe), presente all’istituto KBSI a Ochang in Sud Corea. I rapporti isotopici (207Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb e 208Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb) ottenuti mostrano un cluster rispettivamente attorno a 17 per 207Pb/204Pb e 18 per 206Pb/204Pb per il campione NWA 4222. Per quanto riguarda il campione DaG 670 i dati mostrano una larga dispersione lungo la Geocrona a 4.55 Ga. Tale distribuzione suggerisce che i due campioni si siano originati, molto probabilmente, da sorgenti mantelliche differenti. In particolare, i rapporti isotopici del piombo per NWA 4222 suggeriscono che la sua sorgente fosse molto simile al mantello terrestre impoverito, mentre le eterogeneità geochimiche mostrate dal campione DaG 670 potrebbero essere dovute ad un mixing tra le due sorgenti (arricchita e impoverita). Gli elementi in traccia dei pirosseni della matrice rivelano poi anomalie significative per gli elementi Eu e Sr. Pattern simili sono stati osservati nei pirosseni di rocce gabbriche della crosta inferiore nella Zona di Ivrea-Verbano e sono stati interpretati come il risultato di processi di assimilazione di livelli anortositici avvenuti nella crosta (Mazzucchelli et al., 1992). In questa luce si può ipotizzare che un processo simile possa essere avvenuto anche durante la formazione dei due campioni di shergottite studiati. Questa conclusione risulta di particolare interesse perché identificherebbe un nuovo analogo terrestre per rocce marziane, un aspetto chiave nelle scienze planetare che devono affrontare il problema della scarsità di campioni. Si ringrazia il Museo di Scienze Planetarie per aver fornito i campioni studiati in questa tesi. Bibliografia: Mazzucchelli, M., Rivalenti, G., Vannucci, R., Bottazzi, P., Ottolini, L., Hofmann, A. W., & Parenti, M. (1992). Primary positive Eu anomaly in clinopyroxenes of low-crust gabbroic rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 56(6), 2363–2370. Moriwaki, R., Usui, T., Tobita, M., & Yokoyama, T. (2020). Geochemically heterogeneous Martian mantle inferred from Pb isotope systematics of depleted shergottites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 274, 157–171