metamorphism

Metamorfismo (IUGS-SCMR)
131
• Metamorphism is a subsolidus process leading to
changes in mineralogy and/or texture (for
example grain size) and often in chemical
composition in a rock. These changes are due to
physical and/or chemical conditions that differ
from those normally occurring at the surface of
planets and in zones of cementation and
diagenesis below this surface. They may coexist
with partial melting.
metamorphism
IUGS subcommission metamorphic rocks
• Metamorphism is a subsolidus process
leading to changes in mineralogy and/or
texture (for example grain size) and often in
chemical composition in a rock. These
changes are due to physical and/or chemical
conditions that differ from those normally
occurring at the surface of planets and in
zones of cementation and diagenesis below
this surface. They may coexist with partial
melting.
132
133
fattori del metamorfismo
• Temperatura
• Pressione
• Sforzo (Stress)
• forza che agisce sulla roccia
• Deformazione (Strain)
• risposta della roccia allo stress applicato
• Pressione litostatica
• uniforme, di tipo idrostatico
• Sforzo differenziale (Deviatoric stress)
• pressione diversa in direzioni diverse
• risolvibile in tre componenti perpendicolari tra loro:
• σ1 è lo sforzo massimo
• σ2 è lo sforzo intermedio
• σ3 è lo sforzo minimo
• in situazione "idrostatica" i tre sforzi sono uguali
• lo stress differenziale influenza strutture
• lo stress differenziale non influenza l'associazione di minerali
• Fluidi
• Tempo
fattori del metamorfismo
Temperatura
134
fattori del metamorfismo
135
tipi di stress differenziale
Distribuzione elementi lineari
σ1 > σ2 = σ3  foliazione, no lineazione
! ! !
ellissoide deform. = pizza
σ1 = σ2 > σ3  lineazione, no foliazione
! !
!
ellissoide deform. = salame
σ1 > σ2 > σ3  foliazione e lineazione
! !
!
ellissoide deform. = ciabatta
risposta della roccia
come si esplica il processo metamorfico
• Risposta mineralogica
• CRISTALLIZZAZIONE di nuove fasi (minerali)
• Risposta tessiturale (=variazione struttura)
• DEFORMAZIONE della roccia
• Foliazione (anisotropia tessiturale)
• clivaggio
• scistosità
• bandatura
• il metamorfismo è un processo sostanzialmente isochimico: è quindi
possibile identificare chimicamente il protolite
• al progredire del metamorfismo
•le rocce sedimentarie perdono volatili
•le rocce ignee acquistano volatili
136
137
tipologie di metamorfismo
agente
TIPOLOGIA
CARATTERISTICHE
ESTENSIONE
deformazione
dinamico
locale
(della roccia e dei cristalli)
senza ricristallizzazione
ricristallizzazione
senza deformazione
termico
dinamotermico
locale (contatto)
ricristallizzazione
e deformazione
regionale
(della roccia, non dei cristalli)
idrotermale
(N.B.: metasomatismo)
di fondo oceanico
ricristallizzazione
senza deformazione
locale
locale -> regionale
tipologie di metamorfismo
agente
• Metamorfismo di contatto
• termometamorfismo
• pirometamorfismo
• Metamorfismo regionale
• metamorfismo orogenico
• metamorfismo di subduzione
• metamorfismo di seppellimento
• metamorfismo di fondo oceanico
• Metamorfismo idrotermale
• Metamorfismo di faglia
• Metamorfismo da impatto
138
139
protolite
• Ultramafico
• altissimo Mg, Fe, Ni, Cr
• peridotite, dunite, pirossenite
• Mafico
• alto Fe, Mg, Ca
• basalto, gabbro, andesite, diorite
• Argillitico (pelitico)
• alto Al, K, Si
• argillite
• Carbonatico
• alto Ca, Mg, CO2
• calcare, dolomia
• Siliceo
• quasi solo SiO2
• arenaria quarzosa, selce
• Quarzo-feldspatico
• alto Si, Na, K, Al
• granito, granodiorite, arcose, grovacca,
metamorfismo
condizioni fisiche
• Diagenesi
• fino a 150-200°C
• fino a 0.2 Gpa
• Anchimetamorfismo
• primi effetti metamorfimo /
ultimi stadi diagenetici
• indice di cristallinità
dellʼillite (larghezza del
picco (001) a 2/3
dellʼaltezza)
• Metamorfismo
140
processo metamorfico
141
natura progressiva
• grado metamorfico
• intensità del metamorfismo, senza specifiche delle relazioni P-T
• progressione del grado metamorfico
• aumento del grado metamorfico col tempo via via che la roccia è sottoposta
a condizioni metamorfiche più severe
• metamorfismo progrado
• i cambiamenti mineralogici e strutturali che accompagnano il metamorfismo
progrado
• retrogressione del grado metamorfico
• diminuzione del grado metamorfico durante il raffreddamento della roccia
dalle condizioni di massimo grado metamorfico raggiunto
• metamorfismo retrogrado
• i cambiamenti che accompagnano il metamorfismo retrogrado
processo metamorfico
natura progressiva
• Una roccia di alto grado metamorfico è probabilmenta progredita
attraverso una sequenza di associazioni mineralogiche, non saltate
direttamente da una roccia non metamorfica alla roccia metamorfica che
osserviamo
• la roccia che osserviamo ha anche subito un raffreddamento dalle
condizioni di massimo grado metamorfico alle condizioni superciali
• a quale condizioni P-T corrisponde la paragenesi che osserviamo?
• il metamorfismo retrogrado lascia generalmente scarse tracce
mineralogiche
• le razioni prograde sono endotermiche e quindi favorite dall'aumento di T
• la perdita di volatili (reazioni di devolatilizzazione prograde) è facilitata
rispetto alla reintroduzione di volatili
• la geotermometria indica che le composizioni dei minerali comunemente
preservano le condizioni di massimo termico
• la distribuzione a zone metamorfiche sul terreno suggerisce che ogni
roccia preserva le condizioni di massimo grado metamorfico termico
142
processo metamorfico
143
natura progressiva
• metamorfismo regionale orogenico
• Barrow (1893-1912 ) : Highlands, Scozia
• Barrovian
• Buchan
• metamorfismo regionale in zona di subduzione
• Miyashiro (1961) : paired metamorphic belts, Giappone
• Abukuma
• Sanbagawa
• metamorfismo di seppellimento
• Otago, New Zealand
• metamorfismo di contatto
• Skiddaw
• Crestmore
metamorfismo regionale orogenico
Scottish Highlands
• 6 zone a metamorfismo
crescente
• definite da minerali-indice
• separate da isograde
• comparsa di minerali-indice
al crescere del grado
metamorfico
• metamorfismo Barroviano
144
metamorfismo regionale orogenico
145
le “zone” di Barrow
• Chlorite zone. Pelitic rocks are slates or phyllites and typically
contain chlorite, muscovite, quartz and albite
• Biotite zone. Slates give way to phyllites and schists, with biotite,
chlorite, muscovite, quartz, and albite
• Garnet zone. Schists with conspicuous red almandine garnet,
usually with biotite, chlorite, muscovite, quartz, and albite or
oligoclase
• Staurolite zone. Schists with staurolite, biotite, muscovite, quartz,
garnet, and plagioclase. Some chlorite may persist
• Kyanite zone. Schists with kyanite, biotite, muscovite, quartz,
plagioclase, and usually garnet and staurolite
• Sillimanite zone. Schists and gneisses with sillimanite, biotite,
muscovite, quartz, plagioclase, garnet, and perhaps staurolite.
Some kyanite may also be present (although kyanite and
sillimanite are both polymorphs of Al2SiO5)
metamorfismo regionale orogenico
tipo “Buchan”
• rapporto P/T leggermente inferiore al metamorfismo Barroviano
• cinture orogeniche ad alto flusso di calore
146
147
metamorfismo regionale zona di subduzione
paired metamorphic belts, Japan
• Cinture metamorfiche coeve,
parallele alla fossa di
subduzione in Giappone e
nella regione circumPacifica
• Cintura interna
• Ryoke-Abukuma
• Metamorfismo orogenico di
bassa P/T (tipo Buchan)
• Cintura esterna
• Sanbagawa
• Metamorfismo orogenico di
alta P/T (superiore sia a
Buchan che a Barrovian)
148
metamorfismo regionale zona di subduzione
paired metamorphic belts, circumPacific region
metamorfismo di seppellimento
149
Otago, New Zealand
• grovacche, tufi e lave in un
•
•
bacino sedimentario
profondo
grana fine e materiali
immaturi suscettibili al
metamorfismo
zone
•
•
•
•
•
•
•
Zeolite
Prehnite-Pumpellyite
Pumpellyite (-actinolite)
Chlorite (-clinozoisite)
Biotite
Almandine (garnet)
Oligoclase (l'albite del grado
più basso è sostituita da
plag. più calcico)
metamorfismo di contatto
Skiddaw (UK)
• granito intruso in ardesie
• termometamorfismo sovrimpresso
•
a metamorfismo regionale
orogenico di basso grado
grado metamorfico crescente
verso l'intrusione
• ardesie
• zona esterna di ardesie
•
•
•
macchiettate
zona intermedia di ardesie a
andalusite
zona interna di cornubianiti,
ricristallizzazione spinta,
perdita della foliazione
granito di Skiddaw
150
metamorfismo di contatto
151
Crestmore (CA, USA)
• zona a Forsterite
• calcite + clinohumite
• calcite + forsterite
• zona a Monticellite!
• calcite + monticellite
• zona a Vesuviana
• vesuvianite + monticellite
(+ diopside +
wollastonite)
• zona a Granato
• grossularia + diopside +
wollastonite
natura progressiva del metamorfismo
il concetto di facies
• Goldschmidt (1911-1912)
• studio di peliti e calcari termometamorfici (Oslo, Norvegia)
• associazione mineralogica di equilibrio dipende anche dalla
composizione della roccia totale (=protolite)
• rocce pelitiche ricche in Al sviluppano minerali ricchi in Al (cordierite, plagioclasio,
granato, polimorfi Al2SiO5
• rocce calcaree sviluppano minerali poveri in Al (diopside, wollastonite…)
• Eskola (1914-1915)
• Orijärvi (Finlandia): rocce composizionalmente simili a quelle di
Goldschmidt, hanno alcune associazioni minerali diverse
• quindi, oltre all'influenza del protolite le fasi che si formano sono
condizionate anche dalle condizioni fisiche (P,T)
• date certe condizioni P-T i minerali che si formano dipendono dalla
composizione chimica della roccia
• data a composizione chimica di una roccia, i minerali metamorfici che si
formano dipendono dalle condizioni P-T
• relazione composizione roccia - mineralogia - condizioni P-T
152
caratterizzazione fisica del metamorfismo
153
facies metamorfiche
• basate principalmente
sulle associazioni di
minerali che si formano da
protoliti mafici
• minori variazioni basate
sulle rocce pelitiche
• i limiti tra le facies
rappresentano le
condizioni P-T in cui
minerali chiave entrano o
escono (per reazione)
cambiando così
l'associazione di equilibrio
• i limiti tra le facies sono
sfumati, graduali
caratterizzazione fisica del metamorfismo
serie di facies metamorfiche
• I gradienti metamorfici sono fortemente variabili, e si potrebbero indicare
molti gruppi di facies che si ritrovano in sequenza in terreni metamorfici di
diverso tipo
•Per esempio, Miyashiro
(1961) aveva proposto
cinque serie di facies:
•Contact Facies Series
(very low-P)
•Buchan o Abukuma Facies
Series (low-P regional)
•Barrovian Facies Series
(medium-P regional)
•Sanbagawa Facies Series
(high-P, moderate-T)
•Franciscan Facies Series
(high-P, low T)
154
caratterizzazione fisica del metamorfismo
155
serie di facies metamorfiche
• Serie di facies
ad alto dP/dT
• Serie di facies
a medio dP/dT
• Serie di facies
a basso dP/dT
156
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini convergenti - zone di subduzione
• Facies di alta
pressione
• Scisti blu
• Eclogiti
• minerali a basso
volume molare
• facies tipiche delle
zone di
subduzione
(particolarmente la
parte di bassa T
degli scisti blu), a
alto gradiente dP/
dT
157
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini convergenti - zone di subduzione
• Depressione delle isoterme (introduzione di litosfera “fredda” nel mantello)
158
159
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini convergenti - zone di collisione
• Facies di media
pressione
• Scisti verdi +
Anfiboliti + Granuliti
• maggior parte delle
rocce metamorfiche
affioranti
appartengono a
queste facies
• dP/dT corrisponde
alle geoterme
continentali da
"normali" a
"orogeniche"
160
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini convergenti - zone di collisione
161
ambientazione geodinamica del metamorfismo
metamorfismo di contatto
• Facies di bassa
pressione
• Facies delle
cornubianiti
• metamorfismo al
contatto di
intrusioni ignee
162
ambientazione geodinamica del metamorfismo
metamorfismo di contatto
• Facies di bassa
pressione
• Facies delle
cornubianiti
• metamorfismo al
contatto di
intrusioni ignee
Skiddaw (UK)
Crestmore (CA,USA)
163
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini divergenti
•Facies di basso grado
• Facies zeolitica + Facies a
prehnite-pumpellyite
• a gradi metamorfici molto
bassi, la ricristallizzazione
può essere scarsa, e
l'equilibrio non raggiunto
• gradienti termici piuttosto
elevati con contributo di fluidi
(metamorfismo idrotermale o
di seppellimento)
164
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini divergenti
Rogers, Our dynamic Planet,
Cambridge (2008)
165
ambientazione geodinamica del metamorfismo
margini divergenti
acqua di mare
fredda e ossigenata
ossidi: Fe-Mn
metamorfismo
solfuri: Fe-Cu-Zn facies
grado
zeoliti bassissimo
lave
scisti verdi basso
dicchi
salamoie riducenti
alta T
anfiboliti
gabbri
medio
rocce fresche
i minerali nelle rocce metamorfiche
regola delle fasi
• regola delle fasi di Gibbs : V = C - F + 2
• V = gradi di libertà del sistema = numero di parametri intensivi che
possono variare indipendentemente (es.: temperatura, pressione,
composizione di ogni fase)
• C = n. di componenti del sistema = n. MINIMO di specie chimiche
necessarie per descrivere tutte le fasi del sistema
• F = n. di fasi del sistema
• regola mineralogica delle fasi di Goldschmidt
• poiché generalmente V ≥ 2, F ≤ C : in un sistema all'equilibrio il
numero massimo delle fasi è uguale al numero dei componenti
166
i minerali nelle rocce metamorfiche
167
reazioni metamorfiche
• reazioni discontinue
• transizione di fase
• essoluzione
• solido-solido
• devolatilizzazione
• reazioni continue
• scambio ionico
• redox
• con specie in soluzione
i minerali nelle rocce metamorfiche
reazioni metamorfiche
reazioni polimorfe
• Al2SiO5
• CaCO3
reazioni discontinue
• Ab=Jd+Qtz
• Ms+Qtz=Kfs+Sil+H2O
168
tipi di rocce metamorfiche
169
nomenclatura delle rocce metamorfiche
• La nomenclatura delle rocce metamorfiche si basa sui
seguenti criteri, che possono essere usati singolarmente
o in combinazione tra loro:
• tessitura (struttura) della roccia
• grana (dimensioni dei cristalli)
• grado di sviluppo di anisotropia (foliazione)
• natura del materiale originario (composizione del
protolite)
• mineralogia metamorfica (sviluppata durante il
processo metamorfico)
• nomi speciali
tipi di rocce metamorfiche
nomenclatura tessiturale
grana
tessitura
poco foliata
molto foliata
molto foliata
e deformata
per taglio
fine
media
grossa
granofels
granofels
cornubianite
marmo
marmo
(hornfels)
quarzite
quarzite
anfibolite
anfibolite
scisto
gneiss
scisto
milonitico
gneiss
occhiadino
ardesia
fillade
milonite
170
171
tipi di rocce metamorfiche
nomenclatura sulla base del protolite
PROTOLITE
argilliti (peliti)
ROCCE METAMORFICHE
ardesia, fillade, scisto,
micascisto, gneiss, migmatite
argillite, marna
basalto, gabbro
(andesite, diorite)
metabasalto, spilite, scisto verde,
anfibolite, scisto blu, eclogite
rocce
ultrafemiche
peridotite
serpentinite
rocce
carbonatiche
calcare, dolomia
marmo
rocce quarzofeldspatiche
granito, riolite, granodiorite,
arcose, grovacca
metagranito, metariolite,
scisto, gneiss
rocce silicee
arenaria quarzosa, selce
quarzite
rocce basiche
172
tipi di rocce metamorfiche
nomenclatura sulla base di P-T e protolite
Rocce con protolite basico (basalto, gabbro, andesite)
50
eclogite
40
1.2
scisto blu
1.0
granulite
anfibolite mafica
0.8
0.6
scisto
verde
0.4
spilite
(fondo oceanico)
cornubianite
0.2
0
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura (°C)
700
800
30
20
10
0
900 1000
profondità (km)
Pressione (GPa)
1.4
173
tipi di rocce metamorfiche
nomenclatura sulla base di P-T e protolite
Rocce con protolite pelitico (argillite)
eclogitica
felsica
1.4
1.2
1.0
0.8
scisto
0.6
40
30
granulite
gneiss felsica
20
fillade
0.4
10
ardesia
0.2
cornubianite
0
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
profondità (km)
Pressione (GPa)
50
900 1000
Temperatura (°C)
174
tipi di rocce metamorfiche
nomenclatura sulla base di P-T e protolite
basso
grado metamorfico
medio
alto
ardesia 
scisto
gneiss
fillade
sottile 
layering
scistosità
distinta
composizionale
microscopica 
ben visible
medio-grossa
visibile con lente
quarzo, clorite, quarzo, muscovite, quarzo, biotite,
muscovite,
biotite, plagiocl., plagiocl., granato
plagioclasio granato, staurolite
sillimanite
nome della roccia
ARGILLITE
foliazione
assente
dimens. cristalli
(di mica)
microscopica
associazione
mineralogica
minerali argillosi,
quarzo, calcite
nome della roccia
BASALTO
scisto verde
anfibolite
granulite
foliazione
assente
distinta
dimens. cristalli
(di mica
poco distinta
(anfibolo)
indistinta
(no miche)
visibile con lente
visibile con lente visibile a occhio
medio-grossa
associazione
mineralogica
olivina, pirosseno,
plagioclasio
clorite, epidoto, anfibolo, epidoto,
plagiocl., (calcite) plagiocl., (calcite)
pirosseno,
plagioclasio
granato
tipi di rocce metamorfiche
175
nomi speciali
• scisto verde
• metabasite verde, foliata; clorite, epidoto, actinolite
• scisto blu
• metabasite foliata scura (verde-violetto-blu); anfibolo sodico blu
• anfibolite
• metabasite o metasedimento verde scuro (foliata); orneblenda e plagioclasio
• serpentinite
• metaperidotite massiva verde, nera (rossastra); serpentino
• eclogite
• metabasite massiva rossa e verde; granato e pirosseno omfacitico
• granulite
• roccia massiva; plagioclasio, pirosseno, granato
• migmatite
• roccia mista con porzioni scure ricche in biotite e porzioni chiare quarzofeldspatiche
• skarn
• prodotto di metasomatismo su calcari al contatto di intrusioni ignee
176
variazioni P-T
• le associazioni
mineralogiche delle
rocce metamorfiche
permettono di
ricostruire in che
modo è variata P
rispetto a T
(gradiente termobarico del
metamorfismo)