Laboratorio di Mineralogia e Petrologia Sperimentale

La simulazione in laboratorio delle condizioni P/T presenti nella crosta e nel mantello superiore della Terra è importante poiché permette di comprendere meglio alcuni importanti processi geologici quali la generazione e l’evoluzione dei magmi, la formazione e la crescita dei minerali e l’interazione tra fluidi e rocce in vari contesti geologici quali, ad esempio, le aree geotermiche, o il mantello terrestre (metasomatismo).

La Mineralogia, la Petrologia e la Geochimica sperimentale permettono appunto di simulare in laboratorio i processi tipici di questi ambienti geodinamici per mezzo di esperienze di laboratorio effettuate sia a partire da materiali naturali che da sistemi semplificati sintetici, utilizzando fasi solide e/o fluide. Gli esperimenti possono essere di interesse anche nel campo della Scienza dei Materiali in quanto è possibile sintetizzare materiali ad elevato potenziale tecnologico ed economico.

A sinistra: Granati e clinopirosseni sintetizzati col pistone cilindro a partire da una miscela di ossidi e carbonati a 2.5 GPa e 1400°C. A destra, capsula d'oro utilizzata negli esperimenti con l’autoclave idrotermale.
A sinistra: Granati e clinopirosseni sintetizzati col pistone cilindro a partire da una miscela di ossidi e carbonati a 2.5 GPa e 1400°C. A destra, capsula d'oro utilizzata negli esperimenti con l’autoclave idrotermale.
A sinistra: Bordo di accrescimento formatosi durante un esperimento in un clinopirosseno di una lava dell’Etna (1180 °C, 0.1 MPa). A destra: saldatura di una termocoppia "S" per mezzo di saldatore ad arco con elettrodo di grafite.
A sinistra: Bordo di accrescimento formatosi durante un esperimento in un clinopirosseno di una lava dell’Etna (1180 °C, 0.1 MPa). A destra: saldatura di una termocoppia "S" per mezzo di saldatore ad arco con elettrodo di grafite.

STRUMENTAZIONE

Il laboratorio è equipaggiato di:

  • Forni a camera (Carbolite ELF 10/14, CSF 1200 e CWF 1200) che raggiungono i 1200°C e forno tubulare orizzontale (Carbolite STF 15/50/450) fino a 1500°C dotato di dispositivo di quenching;
  • Forno verticale Deltech DT-31(T< 1700°C) modificato appositamente per a) ottenere il raffreddamento rapido (quenching) del campione e b) controllare la fugacità di ossigeno durante l'esperimento per mezzo di una miscela di gas (CO e CO2) fatta fluire attraverso il forno;
  • Microreattore agitato Parr Mod. 5500 designato appositamente per esperimenti di interazione fluido/roccia (utilizzo: P < 20 MPa, T< 350°C);
  • Autoclave a riscaldamento esterno (Leco Corp., modello HR-2B-2) per simulare condizioni P-T della crosta superiore (P< 0.4 GPa, T < 900°C).
  • Pistone cilindro (Psika) per simulare condizioni P-T del mantello superiore (P<3 GPa, T<1700°C).

PERSONALE

Dott. Andrea Orlando, (Ricercatore CNR - Responsabile)
Dott. Daniele Borrini (Riscercatore DST UniFI - Responsabile)

CONTATTI

Telefono:

055 2757560 (Laboratorio)
055 2757510 (Ufficio Orlando)

E-mail:

orlando(at)igg.cnr.it
daniele.borrini(at)unifi.it

Da sinistra a destra: Vaschetta di quenching nel forno verticale; Pistone cilindro; Microreattore agitato
Da sinistra a destra: Vaschetta di quenching nel forno verticale; Pistone cilindro; Microreattore agitato

I metodi sono variabili in funzione della strumentazione che si vuole utilizzare e dell'esperimento che si vuole eseguire. Gli esperimenti hanno applicazioni in petrologia ignea e metamorfica, geotermia, mineralogia, scienze dei materiali, archeometria,etc.

FORNO VERTICALE

Il campione può essere sospeso ad un cappio di filo di Pt (loop) che viene a sua volta agganciato a due elettrodi. Al termine dell'esperimento il passaggio di corrente negli elettrodi fa cadere il campione nella vaschetta di quenching. La fugacità dell'ossigeno durante l'esperimento è controllabile e misurabile dall'esterno.

Forno verticale (a sinistra), e campioni vetrosi su loop ottenuti al termine di un esperimento su una lava a 1500°C (a destra).
Forno verticale (a sinistra), e campioni vetrosi su loop ottenuti al termine di un esperimento su una lava a 1500°C (a destra).

MICROREATTORE AGITATO

Materiale solido e fluido in recipiente da 25 ml, stirring tramite agitatore magnetico, possibilità di campionare il fluido durante l'esperimento.

Raccordi nel microreattore
Raccordi nel microreattore

AUTOCLAVE IDROTERMALE

Il campione posto in una capsula d'oro è inserito in un reattore riscaldato da un forno esterno. La T è controllata e misurata da termocoppie K. Il forno permette di stabilire un gradiente di temperatura lungo il reattore in maniera controllata.

Autoclave idrotermale (a sinistra) e dettaglio del reattore con il forno (a destra)
Autoclave idrotermale (a sinistra) e dettaglio del reattore con il forno (a destra)
Assembly del Pistone - Cilindro con la capsula nella parte centrale (in bianco)
Assembly del Pistone - Cilindro con la capsula nella parte centrale (in bianco)
Alcuni costituenti dell'assembly
Alcuni costituenti dell'assembly

PISTONE-CILINDRO

Il campione in una capsula di Pt è posto insieme ad altro materiale (assembly) in un cilindro di carburo di tungsteno ed è schiacciato da un pistone da 0.5 pollici che viene spinto dentro la camera grazie ad una pressa da 75 tonnellate. Il mezzo di P è solido (NaCl), la T è misurata da una termocoppia S.

Il laboratorio è stato attivamente utilizzato in diversi progetti scientifici, tra i quali:

  • PNRA-PEA 2004 per simulare l'infiltrazione di fusi silicatici alcalini in rocce lherzolitiche, in maniera simile a quanto avviene in natura nella provincia vulcanica del Mt. Melbourne (Antartide)
  • COFIN 2004 nel quale gli esperimenti hanno permesso di determinare la velocità di crescita di minerali in fusi silicatici
  • Ricerca spontanea a tema libero focalizzata sul sistema geotermico del Mt. Amiata, interessante analogo naturale per lo studio dei processi di carbonatazione minerale dovuti allí interazione acqua-gas-roccia
  • Progetto Zebu (Utilizzo ad Emissioni Zero del Biogas povero di metano mediante carbonatazione minerale), finanziato attraverso il POR FESR 2007 - 2013, bando regionale (Regione Toscana) 2008, nel quale Ë stata studiata la carbonatazione minerale in rocce serpentinitiche
  • PRIN "Geochimica e Dinamica dei Fluidi in sistemi ad alta pCO2" nel quale sono state studiate le interazioni acqua-gas-roccia in condizioni di alta pCO2
  • Progetto informale IGG-UniPr-Inaf-UniFi su sintesi di plagioclasi contenenti Fe2+ al fine di meglio interpretare gli spettri di riflettanza dei corpi celesti
  • Progetto Aithale di ambito archeometrico , nel quale esperimenti di laboratorio hanno avuto lo scopo di replicare i processi di riduzione dell'ematite elbana utilizzati in epoca antica
  • Progetto ìIntegrated Methods for Advanced Geothermal Explorationî (IMAGE) con sintesi di tormaline ed inclusioni fluide.
Tormaline sintetizzate nell’ambito del progetto IMAGE (sinistra) e carbonatazione minerale evidenziata da spettri XRD in esperimenti svolti a differenti rapporti solido/fluido a 30 MPa e 300°C (destra)
Tormaline sintetizzate nell’ambito del progetto IMAGE (sinistra) e carbonatazione minerale evidenziata da spettri XRD in esperimenti svolti a differenti rapporti solido/fluido a 30 MPa e 300°C (destra)
Immagine SEM di un cristallo di siderite di una fillade del Mt Amiata la cui decomposizione a 300°C forma magnetite, CO, CO2, H2 ed idrocarburi (a sinistra), e piani di inclusioni fluide sintetiche formatesi a 400°C su cristalli di quarzo pre-fratturati
Immagine SEM di un cristallo di siderite di una fillade del Mt Amiata la cui decomposizione a 300°C forma magnetite, CO, CO2, H2 ed idrocarburi (a sinistra), e piani di inclusioni fluide sintetiche formatesi a 400°C su cristalli di quarzo pre-fratturati (a destra)
  • Orlando A., Conticelli S., Armienti P. & Borrini D. (2000) - “Experimental study on a basanite from McMurdo Volcanic Group, Antarctica: inference on its mantle source”. Antarctic Science, 12, 105-116.
  • Orlando A., Thibault Y. & Edgar A.D. (2000) - “Experimental study of the K2ZrSi3O9 (wadeite)-K2TiSi3O9 and K2(Zr,Ti)Si3O9-phlogopite systems at 2-3 GPa”. Contrib. Mineral. Petrol., 139, 136-145.
  • Orlando A. & Borrini D. (2001) - “Solubility of Ti in andradite under upper mantle conditions: preliminary results”. Periodico di Mineralogia, 70, 99-110.
  • Orlando A. & Borrini D. (2003)- "Synthesis of pyrope - grossular garnets: an experimental study at P=2.5 GPa". Mineral. and Petrol., 78, 37-51.
  • Orlando A. & Borrini D. (2006): “High temperature gas-mixing furnace: experimental set up and applications to Earth Sciences”. Periodico di Mineralogia, 75, 233-240.
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  • Orlando A., Conte A.M., Borrini D., Perinelli C., Gianelli G. & Tassi F. (2010)- “Experimental investigation of CO2-rich fluids production in a geothermal area: the Mt Amiata (Tuscany, Italy) case study”. Chemical Geology, 274, 177-186.
  • Orlando A., Borrini D. & Marini L. (2011)- “Dissolution and carbonation of a serpentinite: Inferences from acid attack and high P–T experiments performed in aqueous solutions at variable salinity”. Applied Geochemistry, 26, 1569-1583.
  • Orlando A., Lelli M. & Marini L. (2012)- “Production of amorphous hydrated impure magnesium carbonate through ex situ carbonation”. Applied Geochemistry, 27, 2500-2510.