• mantello terrestre
• ordinary chondrite
• shock vein
• shock metamorphism
• Earth's mantle
• metamorfismo da impatto
• vena da shock
• condrite ordinaria

In natura, i minerali di alta pressione si trovano principalmente in due contesti geologici: in profondità all’interno dei pianeti terrestri e in terreni che hanno subito impatti iperveloci. Pertanto, lo studio di queste fasi offre importanti informazioni non solo su processi geologici attuali come la dinamica del mantello terrestre, ma anche su quelli avvenuti durante l’intera storia del Sistema Solare, dall’accrezione planetaria al modellamento delle superfici planetarie. La maggior parte delle fasi di alta pressione è stata scoperta nelle meteoriti, soprattutto all’interno di vene costituite da materiale fuso e ricristallizzato, che si considerano formate in seguito a impatti iperveloci: le vene da shock.
Questa tesi di laurea si concentra sull'analisi petrografica e mineralogica di una vena da shock all'interno di una meteorite primitiva fortemente scioccata. Le fasi costituenti sono state caratterizzate integrando dati chimici e spettroscopici con lo scopo di 1) fare un elenco delle fasi di alta pressione e delle loro relazioni tessiturali; 2) evidenziare alcune questioni emerse durante le indagini spettroscopiche, come alcuni spettri Raman insoliti, che meritano ulteriori studi; 3) ricostruire la sequenza degli eventi che ha portato alla formazione della vena e delle fasi di alta pressione e 4) definire le condizioni di pressione e temperatura a cui è stata sottoposta la meteorite.
Il campione studiato è una sezione sottile della condrite ordinaria L6 Dar al Gani 546, fortemente scioccata (stadio da shock S6 secondo la sua classificazione originale), raccolta in Libia nel 1997 (per gentile concessione del Museo Nazionale dell’Antartide). La sezione è attraversata da una vena da shock relativamente larga, con uno spessore massimo di 4 mm. Sono state condotte osservazioni
tramite microscopio ottico polarizzatore al Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Pisa e tramite microscopio elettronico a scansione, equipaggiato con un sistema a dispersione di energia per analisi chimiche semi-quantitative, al Centro per l'Integrazione della Strumentazione dell'Università di Pisa, CISUP. In seguito, è stata condotta una caratterizzazione mineralogica tramite spettroscopia Raman al Dipartimento di Mineralogia Analitica dell'Università di Jena. Infine, analisi chimiche quantitative sono state condotte alla microsonda elettronica del Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Milano, tramite spettroscopia a dispersione di lunghezza d'onda.
Dar al Gani 546 contiene una grande quantità di minerali di bassa e alta pressione che registrano una sequenza completa degli stadi evolutivi del metamorfismo da impatto nelle condriti ordinarie, dall’aumento improvviso di pressione fino al picco metamorfico e al successivo stadio di decompressione. In particolare, l’applicazione combinata di diverse metodologie analitiche ha permesso di documentare la presenza di olivina, pirosseno basso in calcio, pirosseno alto in calcio, plagioclasio, apatite, merrillite, cromite, troilite-pirrotina e metallo tra le fasi di bassa pressione nella roccia incassante, e wadsleyite, ringwoodite-ahrensite, granati tipo majorite e majorite-piropo, pirosseno vetrificato, magnesiowüstite-magnetite, jadeite-tissintite, lingunite e tuite tra le fasi di alta pressione nella vena da shock. La vena da shock è costituita da una matrice a grana fine contenente frammenti della roccia incassante (clasti) aventi dimensioni fino a 1.5 mm. La matrice a grana fine (dimensione media dei grani di 2-5 μm) mostra una zonatura mineralogica dal bordo al centro della vena: 1) ringwoodite-ahrensite scheletrica + vetro; 2) dendriti granato tipo majorite-piropo ± magnesiowüstite ± pirosseno vetrificato; 3) granato equidimensionale + magnesiowüstite; 4) granato + ringwoodite-ahrensite + wadsleyite ± jadeite; 5) granato + wadsleyite + vetro. I clasti mostrano i minerali della roccia originale associati ai loro polimorfi di alta pressione. Qui sono presenti tre tipi di relazioni tessiturali tra i minerali di bassa e alta pressione: 1) inclusioni criptocristalline di fasi di alta pressione all’interno dei polimorfi di bassa pressione; 2) inclusioni brecciate e 3) aggregati policristallini di fasi di alta pressione. Tessiture analoghe sono state osservate nelle regioni di roccia incassante direttamente a contatto con la vena.
Le analisi spettroscopiche hanno rivelato alcune particolarità insolite e interessanti che meritano future indagini di dettaglio, tra cui 1) la possibile presenza di ahrensite con struttura da spinello inverso (o parzialmente inverso) e di una fase intermedia tra l’olivina e la ringwoodite; 2) la possibile natura prograda del pirosseno vetrificato e 3) la trasformazione della magnesiowüstite in magnetite, probabilmente in condizioni di post-shock.
La matrice della vena si è cristallizzata da un fuso durante la decompressione; il raffreddamento è avanzato dal bordo al centro della vena. Di conseguenza, la paragenesi ringwoodite scheletrica + vetro è la prima a cristallizzare in condizioni metastabili di raffreddamento rapido, seguita da granato + magnesiowüstite, granato + ringwoodite-ahrensite + wadsleyite e granato + wadsleyite + vetro, in quest’ordine. In tutte le paragenesi contenenti granato, questa fase è la prima a formarsi. I clasti e il contatto tra la roccia incassante e la vena rappresentano regioni in cui le fasi di bassa pressione hanno subito una parziale trasformazione nei loro polimorfi di alta pressione attraverso transizioni di fase allo stato solido durante l’aumento di pressione. Le inclusioni criptocristalline rappresentano una trasformazione incipiente, gli aggregati policristallini sono i prodotti di una trasformazione completa (o quasi) e le inclusioni brecciate possono essere sia uno stadio di trasformazione intermedio o la
conseguenza di incipiente retrometamorfismo di fasi di alta pressione in polimorfi di bassa pressione durante la decompressione.
L’eterogeneità della vena suggerisce una cristallizzazione in diversi regimi termobarici durante la decompressione. Il picco di pressione e temperatura, suggerito dalla presenza di granato + magnesiowüstite, è ~ 24 GPa e ~ 2050 °C. Queste condizioni, così come la locale presenza di plagioclasio cristallino all'interno della roccia incassante, suggeriscono uno stadio da shock S4, ovvero uno shock minore rispetto allo stadio S6 riportato in letteratura. In seguito, la decompressione è continuata fino a raggiungere condizioni di ~ 14 GPa and ~ 1750 °C, dedotte dalla presenza di granato + wadsleyite. Il tempo di cristallizzazione, dell’ordine dei secondi, è dello stesso ordine di grandezza del passaggio dell'onda di pressione. Il tempo di cristallizzazione stimato di circa 1 s è dello stesso ordine di grandezza della durata del passaggio dell’onda di pressione.
Le condizioni di pressione e temperatura dedotte dai minerali contenuti nella vena da shock di Dar al Gani 546 sono compatibili con le condizioni raggiunte nella zona di transizione del mantello terrestre (a profondità comprese tra ~ 410 e ~ 660 km). Inoltre, se verificate da studi futuri, le particolarità rivelate dai dati spettroscopici avrebbero dirette conseguenze sulle caratteristiche fisiche del mantello. Pertanto, i risultati di questa tesi forniscono informazioni utili sulla composizione delle profondità interne della Terra e meritano ulteriori indagini.

In nature, high-pressure minerals are mainly found in two distinct geologic contexts: within the deep interiors of terrestrial planets and in terrains that experienced hypervelocity impacts. Therefore, the study of these phases provides important information not only on current geological processes like the dynamics of the Earth's mantle, but also on those that took place over the entire history of the Solar System, from planetary accretion to the shaping of planetary surfaces. Most of the high-pressure minerals were discovered in meteorites, mostly within veins made up of molten and recrystallized material, which are considered to have formed upon hypervelocity impacts: the shock veins.
This thesis focuses on the petrographic and mineralogical analysis of a shock vein occurring within a strongly shocked primitive meteorite. The constituent phases were characterized by combining chemical and spectroscopic data with the aim of 1) make an inventory of high-pressure phases and their textural relationships; 2) highlight some issues that emerged during the spectroscopic survey, such as unusual Raman spectra, which deserve further studies; 3) reconstructing the sequence of
events that led to the formation of the vein and the high pressure phases, and 4) constraining the pressure and temperature conditions experienced by the host meteorite.
The studied sample is a polished thin section of the strongly shocked (shock stage S6 according to its original classification) L6 ordinary chondrite Dar al Gani 546, collected in Libya in 1997 (courtesy of Museo Nazionale dell’Antartide). The section is crosscut by a relatively large shock vein up to 4 mm in thickness. Observations were carried out under a polarizing optical microscope at the Department of Earth Sciences, University of Pisa and under a scanning electron microscope equipped with energy dispersive system for semi-quantitative chemical analyses at the Center for Instrument Sharing, University of Pisa, CISUP. Subsequently, mineralogical characterization by Raman spectroscopy was conducted at the Department of Analytical Mineralogy, University of Jena. Finally, quantitative chemical analyses were carried out on the electron microprobe at the Department of Earth Sciences, University of Milan, using wavelength dispersion spectroscopy.
Dar al Gani 546 bears a large variety of low- and high-pressure mineral phases recording a complete sequence of shock metamorphism evolutionary stages in ordinary chondrites, from pressure loading to peak shock-pressure to pressure unloading. In particular, the combined application of different analytical methods allowed to document the presence of olivine, low-Ca pyroxene, high-Ca pyroxene, plagioclase, apatite, merrillite, chromite, troilite-pyrrhotite and metal as low-pressure phases in the host rock, and wadsleyite, ringwoodite-ahrensite, majorite and majorite-pyrope garnets, pyroxene glass, magnesiowüstite-magnetite, jadeite-tissintite, lingunite and tuite as high-pressure phases in the shock vein. The shock vein consists of a fine-grained matrix containing fragments (clasts) up to 1.5 mm in size of the host rock. The fine-grained matrix (average grain size 2-5 μm) shows a mineralogical zoning from the vein edge to the vein centre: 1) skeletal ringwoodite-ahrensite + glass; 2) dendritic majorite-pyrope garnet ± magnesiowüstite ± pyroxene glass; 3) equant garnet + magnesiowüstite; 4) garnet + ringwoodite-ahrensite + wadsleyite ± jadeite and 5) garnet + wadsleyite + glass. The clasts show the original host-rock minerals associated with their high-pressure polymorphs. Here, three textural relationships between the low- and high-pressure minerals occur: 1) cryptocrystalline inclusions of high-pressure phases within the low-pressure polymorphs; 2) brecciated inclusions and 3) polycrystalline aggregates of high-pressure phases. Analogue textures were observed in the regions of the host rock directly in contact with the vein.
Spectroscopic analyses revealed some unusual and intriguing features that deserve further in-depth investigation, including 1) the possible occurrence of ahrensite with (partially-)inverse structure and an intermediate phase between olivine and ringwoodite; 2) a possible prograde nature for the pyroxene glass and 3) the transformation of magnesiowüstite into magnetite, maybe during post-shock conditions.
The vein matrix crystallized from a melt upon shock pressure release; cooling proceeded from the vein edge to the vein centre. Consequently, the skeletal ringwoodite + glass assemblage is the first to crystallize in a very rapid and metastable cooling regime, followed by garnet + magnesiowüstite, garnet + ringwoodite-ahrensite + wadsleyite and garnet + wadsleyite + glass, in this order. In all the garnet bearing assemblages, garnet is the first phase to form. The clasts and the contact between the host rock and the vein represent regions in which low-pressure phases underwent partial transformation into their high-pressure polymorphs by solid-state mechanisms during shock pressure
loading. Cryptocrystalline inclusions represent incipient transformation, polycrystalline aggregates are the products of (almost) complete transformation and brecciated inclusions can be either an intermediate stage or the consequence of incipient back-transformation of high-pressure phases into low-pressure polymorphs during post-shock.
The heterogeneity of the vein matrix suggests a crystallization in different thermobaric regimes during pressure release. The pressure and temperature peak, suggested by the assemblage garnet + magnesiowüstite, is ~ 24 GPa and ~ 2050 °C. These conditions, as well as the local presence of crystalline plagioclase within the host rock, suggest a shock stage S4, i.e. lower than the S6 reported in the literature. Then, the pressure release continued until reaching conditions down to ~ 14 GPa and ~ 1750 °C, as inferred by the assemblage garnet + wadsleyite. The estimated crystallization time of about 1 s is of the same order of magnitude as the passage of the pressure wave.
The pressure and temperature conditions inferred by the minerals in the shock vein of Dar al Gani 546 are consistent with the conditions found in the Earth’s mantle transition zone (at depth between ~ 410 and ~ 660 km). Moreover, if verified by future studies, the features revealed by spectroscopic data would have consequences on the physical properties of the mantle. Therefore, the results from this thesis could provide insights into the composition of the Earth deep interiors and deserve further investigation.