• isotope geochemistry
• Kolumbo
• micro-analyses
• petrology
• volcanology

Abstract
Kolumbo is the largest of more than twenty submarine volcanic cones, aligned in the transtensional Anydros basin, one of the most seismically active zones in the South Aegean Volcanic Arc. Kolumbo explosively erupted in 1650 CE, causing the death of about 70 people on Santorini, which is 7 km SW of the volcano. Explorative cruises employing ROVs discovered a high temperature (220°C) hydrothermal field with CO2-rich discharges and accumulation of acidic water at the bottom of the crater (505m bsl), increasing the related hazard. A possible magma chamber was recognized below the crater by seismic data. The aim of this thesis is to provide a model that could explain the Kolumbo plumbing system prior to the 1650 CE eruption through petrographic, geochemical and state-of-the-art isotopic analyses, to better understand the behaviour of this active volcano. Another objective of this Ph.D. work has been to set up a method for the micro-analysis of Nd isotope ratios on samples containing small amount of Nd (down to 100 pg) such as single crystals.
The Kolumbo volcano samples were collected during explorative cruises with ROVs and by divers. They show a high heterogeneity for both juvenile products from the 1650 CE eruption and fresh lithic clasts. Rhyolitic samples with mafic enclaves represent the juvenile products of the 1650 CE activity, attesting the interaction of different magmas before the eruption. Rhyolites are compositionally homogeneous but show different structures: we distinguished White, Light Grey, Banded and Convoluted pumices and Dense juvenile samples. In addition to whole-rock geochemical and Sr-Nd-Pb isotope analyses, we conducted detailed petrographic, mineral chemistry and micro-analytical isotopic investigations on selected samples, with particular attention on issues deriving from submarine samples. The main mineral phases of rhyolitic samples are plagioclase, biotite, orthopyroxene. Plagioclase, amphibole, clinopyroxene and olivine are found in the mafic enclaves, often characterized by diktytaxitic texture. Minerals show a large compositional variability. In juvenile samples, plagioclase displays distinct populations based on chemical composition: a Low-An group (An15-25) for rhyolitic samples and a High-An group for the enclaves (An80-95). Some rhyolitic samples show also an intermediate An25-40 population, together with more abundant orthopyroxene and higher-Mg# biotite than samples with only An15-25 plagioclases. The latter are instead richer in enclaves. We distinguished also different types of enclaves, based on their petrography and degree of evolution. Their crystals show complex zoning and considerable isotopic variations, suggesting the presence of a complex and dynamic mafic system characterized by the occurrence of multiple mafic magmas with different isotope composition.
The sampled fresh lithic lavas can be subdivided in three groups with characteristic petrographic textures that are well reflected in their different chemical compositions. We distinguished: Crystal-rich Andesites, Andesites and Rhyodacites. They can give information on the early history of the volcano and on how the rhyolitic magma could have been generated. Calculated pressures from amphibole compositions show that they could possibly derive from different reservoirs at different depth, shallower for Andesites and Rhyodacites (similar P) and deeper for Crystal-rich Andesites. On the basis of major and trace elements and isotope ratios, we propose a two steps differentiation process to produce the rhyolitic samples: first Andesites may reach compositions similar to those of the Rhyodacites by AFC (fractionating plagioclase, amphibole, clinopyroxene, oxides and apatite) and, successively in a shallower reservoir the magma evolve to a rhyolitic composition with a AFC processes characterized by different fractionating phases (plagioclase, biotite, orthopyroxene oxides, apatite and zircon).
Our data suggest the presence of a complex storage system. We propose that the 1650 CE eruption was fed by two close, shallow rhyolitic reservoirs (possibly set in a crystal mush), receiving different input of mafic melts. These different mafic inputs interacted to various degree with the host rhyolites of the two reservoirs. The early batches of the new melts mixed with the resident ones, whereas the later ones mingled with the rhyolitic magma. A final input of basaltic andesite melt reached both reservoirs and helped the system reach eruptive condition. The heterogeneous structures observed in the rhyolitic samples may derive from syneruptive conduit processes. White pumices are more vesiculate and may represent the shallower portions of the rhyolitic reservoirs. The grey and denser rhyolites may be originated deeper in the reservoirs. Their peculiar vesiculation and microlite-rich groundmass might derive from the slower ascent rate near the wall of the conduit.

Riassunto
Kolumbo è il più grande di oltre venti coni vulcanici sottomarini, allineati nel bacino transtensionale di Anydros, una delle zone sismicamente più attive dell'Arco Vulcanico dell'Egeo Meridionale. Kolumbo eruttò in modo esplosivo nel 1650 CE causando la morte di circa 70 persone sulla vicina isola di Santorini, che si trova circa a 7 km a sud-ovest del vulcano. Durante crociere esplorative, con l’impiego di ROV, è stato scoperto scoperto un campo idrotermale attivo ad alta temperatura (fino a 220°C) con emissioni ricche in CO2 e accumulo di acqua acida sul fondo del cratere (505 m slm), aumentando la pericolosità di questo vulcano. Una possibile camera magmatica è stata riconosciuta al di sotto del vulcano mediante dati sismici. Lo scopo di questa tesi è fornire un modello che possa spiegare il sistema si alimentazione di Kolumbo prima dell'eruzione del 1650 CE, attraverso analisi petrografiche, geochimiche e isotopiche all'avanguardia, per comprendere meglio il comportamento di questo vulcano attivo. Un altro obiettivo di questo dottorato è stato quello di mettere a punto un metodo per la microanalisi dei rapporti isotopici di Nd su campioni contenenti piccole quantità di Nd (fino a 100 pg) come singoli cristalli.
I campioni del vulcano Kolumbo sono stati raccolti durante crociere esplorative con ROV e da sommozzatori. I campioni mostrano un'elevata eterogeneità sia nei prodotti giovanili dell'eruzione del 1650 CE che nei clasti litici. I campioni riolitici con enclave mafiche costituiscono i prodotti giovanili dell'attività del 1650 CE, testimoniando l'interazione di diversi magmi prima dell'eruzione. Le rioliti sono composizionalmente omogenee ma mostrano tessiture diverse: abbiamo distinto Pomici “Bianche”, “Grigie Chiare”, “Bandate” e “Convolute” e campioni “Juvenili Densi”. Oltre alle analisi geochimiche di roccia totale e degli isotopi Sr-Nd-Pb, abbiamo condotto dettagliate indagini petrografiche, di chimica dei minerali e micro-isotopiche su campioni selezionati, con particolare attenzione alle problematiche derivanti dai campioni di sottomarini. Le principali fasi minerali dei campioni riolitici sono plagioclasio, biotite, ortopirosseno. Plagioclasio, anfibolo, clinopirosseno e olivina si trovano nelle enclave mafiche, spesso caratterizzate da tessitura diktytaxitica. I minerali mostrano una grande variabilità composizionale. Nei campioni juvenili, il plagioclasio mostra popolazioni distinte in base alla composizione chimica: plagioclasi a Bassa-An (An15-25) nei campioni riolitici e plagioclasi ad Alta-An nelle enclave (An80-95). Alcuni campioni riolitici mostrano anche una popolazione intermedia di An25-40, insieme a più abbondante ortopirosseno e biotite con Mg# più alto rispetto ai campioni con solo plagioclasi An15-25. Questi ultimi sono invece campioni con più ricchi in enclave. Abbiamo anche distinto diversi tipi di enclave in base alla loro petrografia e al loro grado di evoluzione. I loro cristalli mostrano zonature complesse e notevoli variazioni isotopiche, suggerendo la presenza di un sistema mafico complesso e dinamico caratterizzato dalla presenza di più magmi mafici a diversa composizione isotopica.
I campioni litici non presentano alterazione e possono essere suddivisi in tre gruppi per le loro caratteristiche petrografiche che si riflettono bene nelle loro diverse composizioni chimiche. Abbiamo distinto: Andesiti, Andesiti Ricche in Cristalli e Riodaciti. Questi campioni possono fornire informazioni sulla storia antica del vulcano e su come potrebbe essere stato generato il magma riolitico. Le pressioni calcolate dalle composizioni dell’anfibolo mostrano che potrebbero derivare da diversi reservoir a profondità diverse, meno profondi per Andesiti e Riodaciti (P simili) e più profondi per Andesiti Ricche in Cristalli. Sulla base degli elementi maggiori e in tracce e dei rapporti isotopici, proponiamo un processo di differenziazione in due fasi per generare i campioni riolitici: in un primo momento le Andesiti possono raggiungere composizioni simili a quelle delle Riodaciti per AFC (frazionamento di plagioclasio, anfibolo, clinopirosseno, ossidi e apatite) e successivamente in un reservoir meno profondo il magma evolve in a composizione riolitica per AFC caratterizzati ma con diverse fasi in frazionamento (plagioclasio, biotite, ossidi, ortopirosseno, apatite e zircone).
I nostri dati suggeriscono la presenza di un complesso sistema di alimentazione per Kolumbo. Proponiamo che l'eruzione del 1650 CE sia stata alimentata da due serbatoi riolitici vicini e poco profondi (possibilmente all’interno di un crystal mush), ricevendo input di magmi mafici diversi. Questi input mafici diversi hanno interagito in vari gradi con le rioliti ospiti dei due serbatoi. I primi input mafici hanno avuto sufficiente tempo per mescolarsi con il magma riolitico residente, mentre gli input successivi hanno interagito con il magma riolitico producendo soltanto un mescolamento fisico (mingling). Un ultimo input di magma a composizione andesite basaltica ha raggiunto entrambi i serbatoi e ha aiutato il sistema a raggiungere condizioni di eruzione. Le strutture eterogenee osservate nei campioni riolitici possono derivare da processi sin-eruttivi di condotto. Le Pomici Bianche sono più vescicolate e possono rappresentare le porzioni meno profonde dei serbatoi riolitici. Le rioliti grigie e più dense possono essersi originate più in profondità nei serbatoi. La loro peculiare vescicolazione e la massa di fondo ricca in microliti potrebbero derivare dalla velocità di risalita più lenta vicino alla parete del condotto.