Stronzio. Rubidio. Lo Sr sostituisce il Ca in: Plag, apatite, CaCO 3 Pirosseni (diopside) Talvolta, Sr-->K in K-feld

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1 Rubidio Ox. State +1: Raggio ionico: 1.48 Stronzio Raggio ionico K: 1.33 A Ca: Raggio ionico: 0.99 A Il Rb sostituisce il K in: Miche (bi, mu, flog, ecc.) K-Feld (poco) Argille (illite) A Evaporiti (silvite, carnallite) Ox. State +2 Raggio ionico: 1.13 Lo Sr sostituisce il Ca in: Plag, apatite, CaCO 3 Pirosseni (diopside) Talvolta, Sr-->K in K-feld (molto piu che Rb) Stronzianite, celestite A KCl KMgCl 3-6H 2 O SrCO 3 Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,F,Cl) SrSO 4

2 Sr e Rb nei processi di evoluzione magma5ca Lo Sr tende ad entrare in minerali di prima cristallizzazione tipo pirosseni e plagioclasi mentre il Rb tende a rimanere nella fase fusa. Infatti, il Rb entra solo (e poco) nei K-feldspati (ma lo Sr di piu ) e in minerali di ultima formazione! Minerali di prima cristallizzazione Rb/Sr Aumento del rapporto Minerali di ultima cristallizzazione Durante processi di fusione del Mantello terrestre e di produzione di crosta contintentale il rapporto Rb/Sr aumenta nei fusi (i.e. magmi e crosta continentale) e diminuisce nel mantello superiore che via via si impoverisce in Rb e Sr. Fusi riolitici (o granitici) tendono ad altissimi Rb/Sr

3 IL MANTELLO TERRESTRE ha Rb/Sr più basso di quello della CROSTA CONTINENTALE (Rb + incompatibile di Sr durante la fusione del mantello) e quindi svilupperà rapporti 87 Sr/ 86 Sr più BASSI Rocce Vulcaniche mafiche recenti (o comunque ricalcolate al momento della loro eruzione o messa in posto) avranno in genere 87 Sr/ 86 Sr piuttosto basso. Le rocce magmatiche evolute (anche esse ricalcolate al momento di eruzione o messa in posto) hanno alti Rb/Sr e possono sviluppare alti 87 Sr/ 86 Sr (a seconda di quanto rimangono all interno della Crosta)

4 La CROSTA CONTINENTALE ha ALTO Rb/Sr (Rb + incompatibile di Sr durante la fusione del mantello) e quindi svilupperà rapporti 87 Sr/ 86 Sr tanto più alti quanto più è vecchia La Crosta inferiore ha Rb/Sr Più BASSI della CROSTA SUPERIORE (rifusione crostale con plagioclasio residuo) à nel tempo la crosta inferiore sviluppa 87 Sr/ 86 Sr minori di quelli della CROSTA SUPERIORE I processi di alterazione superficiale e la ri-deposizione di sedimenti può frazionare in maniera significativa Sr da Rb Alto Rb/Sr in argilliti (in tutti i minerali argillosi) Basso Rb/Sr in acqua di mare e quindi in carbonati

5 Sr isotope chronostra5graphy Lo Sr ha un tempo di residenza lungo negli Oceani a causa alla sua mobilita in fase fluida Questo vuol dire che una particella di Sr che arriva nell Oceano resta in soluzione a lungo (e non riprecipita) mescolandosi con lo Sr gia presente. IL RAPPORTO ISOTOPICO 87 Sr/ 86 Sr NEGLI OCEANI E BEN MESCOLATO E QUINDI OMOGENEO OGGI LA COMPOSIZIONE ISOTOPICA DEGLI OCEANI E UNIFORME Nel passato questa composizione e variata a seconda degli inputs: continentale: (fiumi --> ± alterazione/erosione, fasi glaciali/interglaciali etc etc). Magmatico: (fluidi idrotermali in dorsali, erosione di complessi vulcanici giovani etc) Esempio di bilancio di massa a:uale (credo)

6 Sr isotope chronostra5graphy Assumendo che gli scheletri di organismi fossili registrino la composizione dell acqua di mare e stata sviluppata da fossili ad eta conosciuta una curva di evoluzione di 87 Sr/ 86 Sr dal Fanerozoico ad oggi. In teoria, misurando 87 Sr/ 86 Sr di uno scheltro calcitico ad eta sconosciuta si puo riportare sulla curva e calcolarne le eta.

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9 Applicazioni Sr chronostra5graphy: correlazione stra5grafiche

10 Il sistema 147 Sm- 143 Nd λ = 6.54 x a -1 (T 1/2 106 Ga) 143 Nd/ 144 Nd = ( 143 Nd/ 144 Nd) o + ( 147 Sm/ 144 Nd) (e λt -1 )

11 Le Terre Rare (REE) Sia Sm che Nd appartengono alle Terre Rare ed in particolare alle REE Leggere

12 Le REE sono uno dei gruppi di elementi in traccia più importanti per lo studio delle rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche. LREE MREE HREE Ca: 0.99 Sono tutte +3 (salvo Eu (+2) e Ce (+4)), e diminuiscono il loro raggio ionico all aumentare di Z ( contrazione lantanidica )

13 Le REE sono elementi in traccia moderatamente incompatibili Talvolta si ritrovano in alcuni minerali (di tarda genesi), dove vanno a sostituire gli elementi maggiori ü Apatite [Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,F,Cl)], zircone (ZrSiO 4 ), allanite [(Ca, Ce, La, Y) 2 (Al, Fe) 3 (SiO 4 ) 3 (OH)], Monazite ed altri minerali accessori possono allocare discrete quantità di REE. Feldspati, biotite e apatite tendono a concentrare le LREE mentre pirosseni e granati comunemente allocano le HREE. In processi di fusione o cristallizzazione Nd e leggermente piu incompatibile di Sm, tuttavia il raggio ionico molto simile li rende piuttosto simili. L alta carica e la tendenza ad idrolizzarsi (formare composti con OH-) rende le terre rare relativamente immobili nei fluidi

14 Chondrite normalised REE pa:ern SE NORMALIZZIAMO AL VALORE DELLE CHONDRITI.. [Sm/Nd] CHUR <1 [Sm/Nd] CHUR >1

15 Concentrazioni delle REE normalizzate alla condrite per fusi prodotti a vari valori di F via melting di una lherzolite a granato <-- Incompatibilità crescente

16 Eventi successivi di estrazione di fusi (MORB) con D sol/liq Nd< D sol/liq Sm lascia il mantello superiore da cui si formano I MORB impoverito in Nd rispetto a Sm cosicche I MORB attuali hanno pattern LREE/ MREE negativi e [Nd/Sm] CHUR <1 Gli OIB che derivano da un mantello piu profondo e non impoverito hanno invece pattern che riflettono la paragenesi ed I coefficienti di ripartizione (in pratica riflettono la presenza di granato nel residuo della sorgente)

17 IL MANTELLO TERRESTRE ha Sm/Nd PIÙ ALTO di quello della CROSTA CONTINENTALE (Sm leggermente meno incompatibile di Nd durante la fusione del mantello) e quindi svilupperà rapporti 143 Nd/ 144 Nd più ALTI Rocce Vulcaniche mafiche recenti (o comunque ricalcolate al momento della loro eruzione o messa in posto) avranno in genere 143 Nd/ 144 Nd piuttosto alto. Le rocce magmatiche evolute (anche esse ricalcolate al momento di eruzione o messa in posto) hanno Sm/Nd molto simile a quelle delle rocce mafiche à poco frazionamento à poche differenze in 143 Nd/ 144 Nd

18 La CROSTA CONTINENTALE ha BASSO Sm/Nd (Sm leggermente meno incompatibile di Nd durante la fusione del mantello) e quindi svilupperà rapporti 143 Nd/ 144 Nd tanto più bassi quanto più è vecchia La Crosta inferiore ha Sm/Nd molto simile alla CROSTA SUPERIORE (nessun minerale che fraziona Sm da Nd durante differenziazione della crosta) à poca differenza in 143 Nd/ 144 Nd I processi di alterazione superficiale e la ri-deposizione di sedimenti NON FRAZIONA in maniera significativa SM da ND à Rapporto 143 Nd/ 144 Nd dipende quasi unicamente dall età della crosta e non dai processi successivi

19 CHUR e MODEL AGES Le REE sono elementi refrattari (condensano da fasi gassose ad alte temperature, resistenti as alte temperature) e formano composti a loro volta refrattari quindi non vennero frazionati nella nebula solare da cui si sono formate le chondriti e la Terra. Si puo assumere che la Terra abbia mediamente lo stesso rapporto (medio) 147 Sm/ 144 Nd delle condriti CHUR (Chondritic Uniform Reservoir) = Assumendo che la nebula fosse omogenea ne deriva che al momento della sua formazione avesse lo stesso 143 Nd/ 144 Nd delle chonditi, e quindi, avendo identico Sm/Nd, che lo abbia avuto durante ogni istante della sua storia e dunque anche adesso [ 143 Nd/ 144 Nd] CHUR = [ 144 Nd/ 144 Nd] BULK EARTH= [ 147 Sm/ 144 Nd] t CHUR = [ 147 Sm/ 144 Nd] t EARTH e [ 143 Nd/ 144 Nd] t CHUR = [ 144 Nd/ 144 Nd] t EARTH

20 Quindi calcolando l evoluzione del rapporto del CHUR nel tempo equivale a calcolare l evoluzione della BULK EARTH (ovvero la Terra nel suo insieme) 143 Nd/ 144 Nd = ( 143 Nd/ 144 Nd) o + ( 147 Sm/ 144 Nd) (e λt -1)

21 ε nota5on Secondo molti e piu facile rappresentare il rapporto isotopico del Nd non come valore assoluto ma come la sua distanza dal valore CHUR e quindi BULK EARTH. [ 147 Sm/ 144 Nd] MANTLE > [ 147 Sm/ 144 Nd] CHUR/BSE [ 147 Sm/ 144 Nd] CRUST < [ 147 Sm/ 144 Nd] CHUR/BSE

22 Sm-Nd model ages ASSUNZIONE 1: LA CROSTA TERRESTRE E CREATA DAL MANTELLO TRAMITE MAGMATISMO ASSUNZIONE 2: IL MANTELLO HA LA STESSA COMPOSIZIONE DEL CHUR/BULK SILICATE EARTH (BSE) DURANTE TUTTA LA SUA STORIA (probabilmete e vera per il mantello inferiore non impoverito). Prendo un campione di roccia crostale misuro 143 Nd/ 144 Nd e Sm/Nd attuale e calcolo la sua evoluzione indietro nel tempo. Lo misuro Lo misuro 143 Nd/ 144 Nd = ( 143 Nd/ 144 Nd) t +( 147 Sm/ 144 Nd) (e λt -1) Il momento t = τ in cui il Mantello (=CHUR=BSE) e la mia roccia avevano lo stesso 143 Nd/ 144 Nd E IL MOMENTO IN CUI il MIO CAMPIONE SI E FORMATO. Questo momento e rappresentato dall incrocio delle 2 rette (CHUR e Campione). L incorcio equivale all allineamento orizzontale nel grafico isochrono 143 Nd/ 144 Nd vs 147 Sm/ 144 Nd. ASSUNZIONE 3: dal momento della formazione del mio campione ad oggi non e avvenuto nessun frazionamento tra Sm e Nd.

23 Come si calcola il tempo t = τ? L intersezione delle due rette e quando ( 143 Nd/ 144 Nd) 0 e lo stesso in entrambe le equazioni e quindi per calcolare t = τ in quel momento basta sottrarre una retta dall altra, quindi: Un eta ottenuta in questo modo e definita MODEL AGE poiche calcolata sul modello di evoluzione condritica della terra, o CRUSTAL RESIDENCE TIME perche fornisce una stima di quanto tempo un determinato campione e rimasto nella crosta.

24 Dato che la crosta ha Sm/Nd piu basso del CHUR il mantello avra ottenuto un Sm/Nd piu alto del CHUR (per bilanciare). Quindi assumere che il mio campione si sia formato da un mantello con composizione CHUR e sbagliato: Una possibile soluzione e calcolarsi allo stesso modo la composizione del Mantello impoverito (DM) assumendo un valore ipotetico di 143 Nd/ 144 Nd (dai MORB) e un valore di 147 Sm/ 144 Nd (arbitrario, in figura quello che permetta di arrivare al CHUR a 4.6Ga in un solo step ) Dall intersezione delle curve:

25 LE ROCCE PRESENTI SULLA CROSTA TERRESTRE RIFLETTONO I RAPPORTI TIME INTEGRATED DELLE LORO SORGENTI E QUINDI IL BILANCIO DI MASSA DELLA TERRA Alcuni MAGMI (MORB) mantellici suggeriscono rappor5 5me integrated IMPOVERITI nell elemento piu incompa5bile (e.g. basso Rb/Sr, alto Sm/Nd) che si rifle:ono nei rappor5s nel diagramma). Altri (OIB, con5nental basalt) sono a cavallo del mantello primordiale (bulk earth) Altri, sopratu:o la crosta sembrano al contrario arricchi5 (in basso a dx). Il bilancio totale sembra tornare perche c e sia roba sopra che so:o.

26 Due reservoir originariamente omogenei evolvono fino ad oggi sviluppando diversi rapporti isotopici Crosta Continentale! alto rapporto isotopico 87 Sr/ 86 Sr Mantello Residuo impoverito (DM)! basso rapporto isotopico 87 Sr/ 86 Sr Sr/ 86 Sr By da oggi Questo è il concetto di rapporto padre/figlio (Rb/Sr in questo caso) time-integrated che determina la composizione isotopica di un qualsiasi reservoir (roccia, substrato, minerale etc etc) presente oggi sul Pianeta Terra

27 ε nota5on Secondo molti e piu facile rappresentare il rapporto isotopico del Nd non come valore assoluto ma come la sua distanza dal valore CHUR e quindi BULK EARTH. [ 147 Sm/ 144 Nd] MANTLE > [ 147 Sm/ 144 Nd] CHUR/BSE [ 147 Sm/ 144 Nd] CRUST < [ 147 Sm/ 144 Nd] CHUR/BSE

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29 MORB e OIB

30 Subduc-on related young magmas Intra Ocean Arcs

31 Con-nental Crust and sediments

32 Subduction related young magmas anomalously enriched mantle wedge MORB Mediterranean Lamproites Marianas tonga DM 5 εnd GLOSS (sediments) Sr/ 86 Sr Alcune rocce vulcaniche anche recenti possono avere rapporti isotopici molto simili alla crsota continentale, nel caso in cui la loro sorgente sia fortemente riarricchita dal riciclaggio di sedimenti tramite subduzione

33 Esempi applicazioni isotopi Nd: Circolazione Oceanica Il Nd è poco mobile in fase fluida ed ha tempi di residenza negli Oceani bassi à variazioni isotopiche significa5ve negli Oceani (rapporto non omogeneo come per Sr) che dipendono dagli input crostali

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36 Relazione tra salinità e isotopi Nd à il Nd può essere usato come tracciante di masse di acqua

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