The composition of noble gas and CO2 in the European subcontinental lithospheric mantle

Questa tesi riporta lo studio integrato di petrografia e geochimica dei minerali con gas nobili e CO2 in inclusioni fluide (FI) di xenoliti di mantello eruttati in Europa durante il magmatismo alcalino. Lo scopo della tesi è mostrare come il verificarsi di fusione parziale, metasomatismo, rifertilizzazione, degassamento magmatico, riciclo e miscelazione di volatili nel mantello abbia modificato la composizione originaria del mantello litosferico sub-continentale Europeo e fornito indizi sulla sua evoluzione geodinamica. Sono stati selezionati campioni provenienti da alcune regioni in cui si è verificato il magmatismo in diverse condizioni temporali e geodinamiche: Bassa Silesia (Eger Rift) nella Polonia meridionale, Mt. Persani (Transilvania) in Romania, Eifel e Siebengebirge in Germania. I principali risultati di questa tesi sono: -La composizione chimica delle FI negli xenoliti delle aree studiate è dominata dalla CO2, con N2 come seconda specie principale. I gas nobili sono in traccia. Le Olivine (Ol) sono sistematicamente povere di gas rispetto ai pirosseni (Px) degli stessi xenoliti. Tra i campioni studiati, le Ol della Bassa Silesia mostrano le più alte concentrazioni di CO2 che suggeriscono un metasomatismo carbonatato, come dedotto anche dagli elementi in traccia nei Px. -La concentrazione ed i rapporti isotopici di Ne e Ar indicano variabili gradi di contaminazione da parte di fluidi atmosferici. Questa contaminazione è causata dal riciclo nel mantello di materiale derivato dall'atmosfera ereditato dalla subduzione locale, recente o fossile. Ciò è più evidente negli xenoliti di Mt. Persani, dove si è verificata una subduzione recente. -Oliv e Px mostrano variabili percentuali di fusione parziale e metasomatismo/rifertilizzazione, come indicato dalla chimica dei minerali e dall’He/Ar* nelle FI. I più alti gradi di fusione (25-30%) si trovano in Bassa Silesia e Siebengebirge, che sono anche tra i più antichi all'interno della suite di campioni (>6 Ma). Bassi gradi di fusione e/o rifertilizzazione sono ipotizzati nei Mt. Persani e nella parte occidentale dell’Eifel, che sono quaternari. Ciò suggerisce che il processo di rifertilizzazione è avvenuto nel Quaternario. -Le misure di 3He/4He corretto per la contaminazione dell'aria (Rc/Ra) rientrano nell'intervallo di valori noto per il mantello Europeo (6±1 Ra) e sono inferiori a quello MORB (8±1 Ra). Ciò indica un diffuso riciclo di materiale crostale al di sotto dell'Europa rispetto ad altre zone di rift continentale (ad es. Antartide, Africa orientale). Tuttavia, l'attenta indagine su Oliv e Px nelle singole località ha permesso di distinguere le variazioni di 3He/4He correlate alla storia locale del mantello. Nel dettaglio, i Mt. Persani mostrano 3He/4He più bassi, indicando il più alto grado di riciclo di materiale crostale nel mantello. Invece, il metasomatismo da fluidi astenosferici simili al MORB spiega i più elevati 3He/4He presenti in tutte le località studiate. -La sistematica di Ne-Ar-He indica un trend di mescolamento tra l'aria e un mantello MORB e l’assenza di un contributo del mantello inferiore (plume) al di sotto dell’Europa. -I primi dati sulla composizione isotopica del carbonio di CO2 (δ13C V-PDB) negli xenoliti del mantello carbonatato della Bassa Silesia indicano valori di circa -3.9 ‰, che rientrano nel range MORB con una contaminazione di carbonati <0.1%. -Il confronto tra gli 3He/4He misurati negli xenoliti di mantello delle tre aree e quelli dei gas emessi all'interno o nelle vicinanze mostra che solo i gas emessi lungo l’Eger Rift sono rappresentativi della firma del mantello locale, suggerendo un'attività magmatica ancora attiva sotto quest’area. Invece, i gas emessi nell'Eifel e nelle vicine dei Mt. Persani sono variabilmente contaminati da fluidi crostali acquisiti durante la loro risalita verso la superficie o sono rilasciati da un magma in raffreddamento e invecchiamento all'interno della crosta

This PhD thesis reports an integrated study of petrography and geochemistry of the minerals with noble gases and CO2 (when available) in fluid inclusions (FI) from selected mantle xenoliths erupted in Europe during alkaline magmatism. The aim of the thesis is to show how the occurrence of partial melting, metasomatism, refertilization, magmatic degassing, volatile recycling, and mixing of volatiles modified the pristine composition of fluids stored in European SCLM and give clues on its geodynamic evolution. Mantle xenoliths from a few key regions where magmatism occurred in different temporal and geodynamic conditions were selected: Lower Silesia (Eger Rift) in SW Poland, Persani Mts. (Transylvania) in Romania, Eifel and Siebengebirge in Germany. The main outcomes of this thesis are: -The chemistry of FI in mantle xenoliths from the studied areas revealed is dominated by CO2, with N2 as second major species. Noble gas are in trace. Oliv are systematically gas-poor respect to Px from the same xenoliths. Among Oliv from European xenoliths, those from Lower Silesia display the highest CO2 concentrations suggesting carbonated-like metasomatism, as also inferred from trace elements in cpx. -Ne and Ar concentration and isotopic ratios indicate variable extents of contamination by atmosphere-derived fluids. This contamination is likely derived from the recycling into the mantle of atmospheric-derived material inherited by local/recent or fossil subduction. This is more evident in the xenoliths from Persani Mts., where a recent subduction occurred. -Oliv and Px display variable extents of partial melting and metasomatism/refertilization, as indicated by the mineral chemistry and He/Ar* in FI. The highest degrees of melting (25-30%) are found in samples from Lower Silesia and Siebengebirge, which are also among the oldest within the suite of samples (>6 Ma). Evidences of low degrees of melting and/or refertilization are found in Persani Mts. and West Eifel, which are Quaternary. This suggests that refertilization process is likely occurred in Quaternary, postponing mantle melting still recorded in Lower Silesia and Siebengebirge. -The 3He/4He corrected for air contamination (Rc/Ra) is within European SCLM range (6±1 Ra) that is lower than MORB (8±1 Ra). This indicates a widespread recycling of crustal material below Europe if compared to other continental rift (e.g., Antarctica, East African). However, the careful investigation of olivine, cpx, and opx in single localities allowed distinguishing variations of 3He/4He that are related to the local history of the mantle. In detail, Persani Mts. show the lowest 3He/4He values within the dataset that indicate highest degree of crustal recycling due to the recent subduction that plays an important role in contaminating the mantle. Instead, metasomatism involving asthenospheric MORB-like fluids well explains the highest 3He/4He values recognized in all the studied localities. -Ne-Ar-He isotopic systematics indicates that most of the data fall along a mixing between air and a MORB mantle. The presence of a plume (lower mantle) beneath the studies localities can be excluded. -I presented the first data of carbon isotope composition of CO2 (δ13C V-PDB) in the Lower Silesia mantle xenoliths, which suffered a metasomatism by carbonated-rich fluids. The δ13C values are about -3.9 ‰ and are within MORB range with <0.1% limestone contamination. -The comparison of 3He/4He signature measured in mantle xenoliths from the three target areas with that of CO2-dominated gas emissions located within or nearby shows that only gases emitted along Eger Rift are representative of the local mantle signature, suggesting an active magmatic activity below this area. Instead, gases emitted in East Eifel and nearby Persani Mts. are slightly to strongly contaminated by crustal fluids during their rising toward the surface or are released from a cooling and aging magma residing within the crust.