Water content in nominally anhydrous minerals (NAMs) from the Finero complex (Italy)

The object of the thesis was the study of water solubility present in low amount and in form of OH (in ppm) in minerals such as olivine and pyroxenes which for definition don’t contain water in their crystallographic structure (generally called nominally anhydrous mineral, NAMs). The trace concentration of OH in these minerals has an important effect on several physical properties such as rheology, seismic attenuation or electrical conductivity which constitute fundamental parameters for understanding the dynamism of the Earth planet. For this reason the present work was focused on quantification of the water in olivine and pyroxenes from an unique locality where upper mantle peridotites are strongly metasomatised by hydrous melts (Finero Complex, Southern Alps, Italy). The first part of study was based on a series of several preliminary petrographic and geochemical analyses by means of the optical microscope and of the laser mass spettroscopy (LA-ICP-MS) at IGG-CNR, S.S di Pavia. With these analyses was possible to determine the peculiar geochemical imprint of the peridotite of Finero massif. The OH solubility in NAMs present in the samples was quantify using the infrared spettroscopy (FTIR) during the intership activity. These technique is the best for measuring low concentration of water in NAMs, but not only, it allowed to obtain useful information on speciation and chemical orientation of the OH group in the structure of the relative mineral. The analyses were done on ten double polished thin sections and on single crystal of minerals selected (olivine and pyroxenes) from the most representative lithologies and textures tessiture of Finero peridotite (e.g. lherzolite, harzburgite, dunite e clinopiroxenite). The results of this work show water contents in olivine around 2-3 ppm in olivine (according to the calibration of Bell et al, 2003) with minor variations depending on the lithology and texture. Water contents in orthopyroxene and clinopyroxene are also comparatively low, respectively around 90 and 200 ppm wt. These values are surprisingly low considering the water-rich nature of the multistage metasomatising event that resulted in the extensive crystallization of amphibole and phologopite (up to 30 % vol.). Interestingly resulted the correlation between low water content and low titanium content in olivine (between 5-10 ppm) measured by laser ablation mass spectroscopy (LA-ICP-MS) on the same samples. This allowed to elaborate the hypothese that not only the water content, or better the water activity, influence the rheology but also other factors among these the titanium activity, this in the case the water is directly associated to titanium point defect.

Il progetto della tesi ha avuto come oggetto lo studio della solubilità dell’acqua presente in basse concentrazioni e sottoforma di OH (in parti per milioni) nei minerali come olivina e pirosseni che per definizione sono anidri, quindi non dovrebbero contenere acqua nella loro struttura cristallografica (comunemente chiamati NAMs, nominally anhydrous minerals). La concentrazione in tracce di OH in questi minerali ha un importante effetto su alcune proprietà fisiche come la reologia, l’attenuazione sismica e la conducibilità elettrica che costituiscono parametri fondamentali per comprendere il dinamismo del pianeta Terra. A tale scopo, lo studio si é concentrato sulla quantificazione dell’acqua presente nell’olivina e nei pirosseni delle rocce che provengono da un’unica località dove le peridotiti del mantello superiore sono state intensamente metasomatizzate da fusi idrati (il complesso di Finero, Sudalpino, Italia). La prima parte del lavoro si è basata su una serie di analisi petrografiche e geochimiche preliminari che hanno visto l’utilizzo del microscopio ottico e dello spettroscopio di massa a laser (LA-ICP-MS) presso l’IGG-CNR, S.S di Pavia. Le precedenti analisi hanno permesso così di determinare e confermare la peculiare impronta geochimica della peridotite di Finero. La solubilità di OH nei NAMs presenti nei campioni é stata determinata attraverso l’uso dello spettroscopio a infrarossi (FTIR) durante l’attività di tirocinio. Questa tecnica, oltre ad essere la più adatta per la misura in bassi quantitativi del contenuto in acqua nei NAMs, ha fornito informazioni utili sulla speciazione e sull’orientazione chimica del gruppo OH nella struttura del relativo minerale. Le analisi sono state eseguite su dieci sezioni sottili doppiamente lucidate e su singoli cristalli di minerali selezionati (olivine e pirosseni) delle litologie e tessiture più rappresentative della peridotite di Finero (e.g. lherzolite, harzburgite, dunite e clinopirosseniti). I risultati di questo studio mostrano contenuti in acqua intorno ai 2-3 ppm nell’olivina (secondo la calibrazione di Bell et al. 2003) con piccole variazioni a seconda della litologia e della tessitura. Anche il contenuto in acqua nell’ortopirosseno e nel clinopirosseno sono comparabilmente bassi, rispettivamente intorno ai 90 e 200 ppm wt. Questi valori sono sorprendentemente bassi considerando la natura ricca in acqua dell’evento metasomatico multistadio che ha influenzato la peridotite di Finero, portando alla cristallizzazione della flogopite e di anfibolo (up to 30% vol.). Interessante è risultata essere la correlazione tra basso contenuto in acqua e basso contenuto in titanio nelle olivine (tra 5-10 ppm) misurato dallo spettroscopio di massa a laser sugli stessi campioni. Ciò ha permesso lo sviluppo dell’ipotesi che non solo il contenuto in acqua, o meglio l’attività dell’acqua, influenza la reologia ma anche altri fattori tra i quali l’attività del titanio, nel caso in cui l’acqua sia associata direttamente al medesimo difetto reticolare.