Fondamenti
di
Geologia
Sergio Rocchi
Dipartimento di Scienze della Terra
Via S. Maria, 53
Mail: [email protected]
Lezioni: http://www.dst.unipi.it/dst/rocchi/SR
1
2
http://www.dst.unipi.it/pietretoscane/
3
le rocce
AGI Glossary of Geology
Roccia ignea
a rock that solidified from molten or
partly molten material (1200-700°C),
i.e. from a magma
Roccia metamorfica
any rock derived from pre-existing
rocks by solid state mineralogical and/
or structural changes in response to
marked changes in temperature
(200-800°C), pressure, shearing
stress, generally at depth in the crust
Roccia sedimentaria
a rock resulting from:
• consolidation of loose sediment that has
accumulated in layers (<200°C)
• precipitation from solution
• remains or secretions of plants and animals
4
le rocce
• rocce ignee
• Si formano per solidificazione di materiale fuso ad alta temperatura (magma)
• Magma include
• materiale fluido che, una volta solidificato, forma la roccia
• i componenti volatili sono disciolti nel liquido; durante l'eruzione possono
sfuggire formando una fase gassosa separata
• rocce sedimentarie
• Si formano sulla superficie della terra solida
• All'aria
• Sott'acqua
• Sotto il ghiaccio
• Il materiale usato può essere qualsiasi roccia della superficie terrestre o
materiale disciolto nelle acque
• rocce metamorfiche
• Si formano per modificazione tessiturale e mineralogica di rocce pre-esistenti
(ignee, sedimentarie, metamorfiche) in risposta a cambiamenti di
temperatura e/o pressione (importanti i volatili)
• Tutto il processo avviene allo stato solido
le rocce
5
condizioni di formazione
la classificazione di
primo rango è di tipo
genetico:
• Rocce Ignee
• Plutoniche
• Vulcaniche
• effusive
• esplosive
• Rocce Metamorfiche
• Rocce Sedimentarie
6
il magma
• Fuso silicatico, sistema polifase:
• liquido con gas disciolti nel liquido
• minerali e/o frammenti di roccia in sospensione nel liquido
• In condizioni transitorie, può contenere gas come fase separata (bolle di gas)
• Caratteristiche chimiche
• Composizione
• Gas disciolti
• Caratteristiche fisiche
• Temperatura
• Densità
• Viscosità
• Come si genera
• Come si muove
• Dove si ferma
7
il magma
composizione
•
•
•
•
Il magma ha
composizione variabile
O è l'anione più
abbondante
SiO2 è il componente
più abbondante
Magma basaltico
Magma andesitico
Al2O3
MgO+CaO
Basaltico (80%)
•
Andesitico (10%)
•
Riolitico (10%)
SiO2
MgO+CaO
SiO2
Al2O3
MgO+CaO
FeO+Fe2O3
Na2O+K2O
altri
SiO2
Na2O+K2O
altri
Na2O+K2O altri
dal punto di vista
composizionale, tre tipi
di magma sono i più
abbondanti
•
FeO+Fe2O3
Al2O3
FeO+Fe2O3
Magma riolitico
evoluzione
Gas
disciolti
nel magma
Schmincke, Volcanism, Springer (2004)
8
il magma
temperatura
• Il magma è caratterizzato da alte
temperature
intervalli termici di
cristallizzazione
dei magmi a bassa Pressione
• La temperatura può essere misurata
durante alcune eruzioni
• Durante le eruzioni, in situ con sonde
termiche
• Tramite esperimenti di laboratorio
• Tramite calcoli teorici di tipo
termodinamico
• Temperature misurate durante eruzioni
laviche: 1000 – 1250°C
• Il magma esiste anche a temperature
più basse (fino a circa 700°C), sia
durante eruzioni non laviche, sia
all'interno della crosta terrestre
magma completamente liquido
1300
Temperatura °C
• Durante le eruzioni, da distanza con
sistemi ottici
1400
Tliquidus
1200
1000
900
Tsolidus
800
liquido
+
solido
700
600
roccia completamente solida
50
60
SiO2 wt%
70
9
il magma
densità
• La densità dipende da
• Composizione (soprattutto contenuto in H2O)
• Temperatura
• Pressione: aumentando P, Al passa da coordinazione tetraedrica o ottaedrica a
coordinazione esclusivamente ottaedrica più compatta, con aumento di densità
basalto
alcalino
basalto
tholeiitico
densità
basalto
tholeiitico
andesite
andesite
densità
• La densità
aumenta quando il
magma solidifica:
la densità di un
basalto (circa 2.8
x103 kgm-3) è
maggiore di quella
del corrispondente
magma basaltico
(circa 2.6 x103
kgm-3)
riolite
10
il magma
viscosità
• Il magma è un particolare tipo di fluido
• Ha capacità di fluire
• Velocità max di flusso misurata: 16 km/h (lava basaltica in movimento lungo le
ripide pendici del vulcano Mauna Loa, Hawaii)
• Le velocità sono usualmente molto minori
• Lave ricche in SiO2 fluiscono con estrema difficoltà, avendo attitudine al flusso
simile a quella di un vetro
• La viscosità è la proprietà di una sostanza che descrive la sua resistenza al flusso
(più viscoso è un magma, più bassa è la sua attitudine a fluire)
Soglia di
• Viscosità = sforzo di taglio / tasso di deformazione
• Temperatura
• Composizione
• Gas disciolti
• Fasi in sospensione
sforzo (stress)
• La viscosità dipende da
Bingham
plastico
newtoniano
deformazione (strain)
11
il magma
viscosità
• efetto della TEMPERATURA
• Più alta è la temperatura, più bassa è la
viscosità
• Man mano che il magma raffredda, diviene più
viscoso
• effetto della PRESSIONE
• La viscosità diminuisce con la pressione
applicata al magma
• Fattore non significativo per le eruzioni, dove P
è sempre molto bassa
12
il magma
• effetto della COMPOSIZIONE (contenuto in
costruttori di struttura)
• I tetraedri SiO44- esistono già nel magma, e tendono
(come nei minerali) a polimerizzare formando gruppi,
catene, impalcature (irregolari)
• Più elevato è il grado di polimerizzazione, più alta è
la viscosità del magma
• Poichè il numero di tetraedri dipende dal contenuto in
SiO2 del magma, la viscosità del magma cresce con
l'aumentare del contenuto in SiO2
Log viscosità
viscosità
• K, Na, Ca, Mg, Fe, H, OH tendono a interrompere I
polimeri di tetraedri SiO4
• La viscosità del magma diminuisce con l'aumentare
del contenuto in modificatori di struttura (in
particolare H2O)
• effetto delle FASI IN SOSPENSIONE
• l'aumentare del contenuto in fasi sia solide (es.
cristalli) sia gassose (es. bolle) fa aumentare la
viscosità
Log viscosità
• effetto della COMPOSIZIONE (contenuto in
modificatori di struttura)
SiO2
13
gradiente (geo)termico
• Gradiente geotermico
– variazione della Temperatura con la
profondità
• Sorgenti di calore
– accrezione e differenziazione primaria
•
•
•
energia gravitazionale --> calore
feedback
dissipazione calore da nucleo verso esterno
– decadimento isotopi radioattivi
•
•
U, Th, K concentrati nella crosta
40% del flusso di calore
• Trasferimento di calore
– Radiazione
– Conduzione
– Convezione
14
gradiente (geo)termico
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
15
Genesi del magma
• il magma si genera quando la
temperatura è sufficientemente alta
da permettere la fusione (parziale) di
porzioni del mantello o della crosta
• la crosta (normalmente solida) se
fonde (parzialmente) dà luogo a
magmi riolitici
• la fusione è possibile se:
A. T della sorgente aumenta
(poco verosimile nel
mantello, più probabile nella
crosta)
B. P della sorgente diminuisce
(decompressione adiabatica
per assottigliamento del
mantello sovrastante)
C. Solidus si sposta verso T più
basse (apporto di fluidi nella
sorgente)
PRESSIONE - PROFONDITA'
• il mantello (normalmente solido) se
fonde (parzialmente) dà luogo a
magmi basaltici
TEMPERATURA
geoterma
C
A
liquido
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
16
17
Processo igneo
• attività ignea
• Tipologia intrusioni
• Tipologia eruzioni
• Tipologia apparati vulcanici
• ambientazione geodinamica
18
intrusioni magmatiche
• Generazione del magma
• Risalita del magma
• il magma risale per
• contrasto di densità
• source overpressure
• Messa in posto del magma
http://pubs.usgs.gov/of/
• sotto la superficie della Terra solida (raffreddamento lento)
2004/1007/volcanic.html
• intrusioni profonde (plutoni, batoliti)
• intrusioni superficiali (dicchi, sill, laccoliti)
• sopra la superficie della Terra solida (raffreddamento veloce; talvolta
vetro)
• Vulcani
• Tipologia eruzioni vulcaniche
• Tipologia apparati vulcanici
19
corpi intrusivi
20
• intrusioni profonde
• intrusioni tabulari
• crosta media
• Isola dʼElba
• Patagonia
• crosta superficiale
• Senegal
• Sud Africa
• Isola dʼElba
intrusioni tabulari
21
bacini sedimentari - Henry Mts, Utah
intrusioni tabulari
bacini sedimentari - Henry Mts, Utah
22
23
intrusioni tabulari
bacini sedimentari - Henry Mts, Utah
Jackson & Pollard (GSA Bull, 1988)
Saint-Blanquat et al. (Tectonoph, 2006)
intrusioni tabulari
24
bacini sedimentari - Senegal offshore
• riflettori sismici
• correlazione con anomalie grav-mag
• saucer-shaped igneous sills
North Sea,
Hansen & Cartwright,
JSG (2006)
saucer-shaped sills
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
25
intrusioni tabulari
bacini sedimentari - Senegal offshore
• seafloor uplift
seafloor uplift
Miocene unconformity
• forced folding
sediment onlap
Trude et al (Geology, 2003)
saucer-shaped sill
North Sea
Trude et al., Geology (2003)
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
26
intrusioni tabulari
bacini sedimentari - Senegal offshore
• hydrothermal venting
Miocene unconformity
North Sea
Svensen et al., Nature (2004)
saucer-shaped sills
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
24
intrusioni tabulari
27
bacini sedimentari - North Sea, Karoo
10 km
Karoo Large Igneous Province (LIP)
South Africa, 183 Ma
North Atlantic Volcanic Province (LIP) Paleocene
Polteau et al (EPSL, 2008)
intrusioni tabulari
crosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
28
intrusioni tabulari
29
crosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
intrusioni tabulari
crosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
Rocchi et al (Geology, 2002)
30
31
intrusioni tabulari
crosta medio-sup - plutone sheeted (Isola d’Elba)
• three intrusive
sheets
• laccolith-like triple
downward stacking
Farina et al. (GSA Bull, 2010)
intrusioni tabulari
crosta medio-sup - laccolite/plutone sheeted (Patagonia)
Torres del Paine, Cile
foto S. Paterson - USC
Michel et al., Geology (2008)
32
33
intrusioni tabulari
tempi di messa in posto
• cryptic contacts
• cooling above
the solidus
• thermal budget
• 8 – 60 ka
cooling below
the solidus
• U-Pb zircon
• 90 ± 40 ka
Monte Capanne
Farina et al. (GSA Bull, 2010)
three downward-stacked felsic sheets
(+ mafic underplate)
Torres del Paine
•
Michel et al. (Geology, 2010)
intrusioni tabulari
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
• Henry Mts (Utah)
• Maiden Creek Sill
Horsman et al. (JSG, 2005)
34
intrusioni tabulari
35
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
• Henry Mts (Utah)
• Trachyte Mesa Sill
intrusioni tabulari
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
• AMS (Anisotropy of
Magnetic Susceptibility)
• Henry Mts (Utah)
• Trachyte Mesa Sill
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
36
intrusioni tabulari
37
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
intrusioni tabulari
38
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
Saint-Blanquat et al. (Tectonoph, 2006)
• Henry Mts, Black Mesa Sill
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
intrusioni tabulari
39
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
Saint-Blanquat et al. (Tectonoph, 2006)
• AMS + indicatori cinematici
• Henry Mts, Black Mesa Sill
intrusioni tabulari
riempimento delle intrusioni - flusso di magma
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
40
41
intrusioni tabulari
interesse nell’esplorazione petrolifera
• hydrocarbon potential
• sill intrusions in sedimentary basins
• hydrocarbon maturation
• unconventional traps
Yellow Sea
Lee et al (Marine Petrol Geol, 2006)
intrusioni tabulari
contatti - peperite
Anse Mermoz, Dakar
sill + peperite
Anse Mermoz , Dakar
peperite
Anse Mermoz , Dakar
peperite-contact breccia
42
43
intrusioni tabulari
contatti
Shield Nunatak, Antarctica
Quaternary englacial tuff cone
intrusioni tabulari
contatti - breccia pipes
chaotic breccia
sorted-graded breccia
steep layering
within subhorizontal host
sandstone dyke
crosscutting breccia
44
45
intrusioni tabulari
contatti - fluidizzazione wet sediments
40
• emplacement of magma in wet sediments
Kokelaar, JGSL (1982)
• explosive expansion of water
10
30
Pressure (MPa)
• 31.2 MPa for seawater ≈ 1.6 km of wet
seds
2 4
6
8
• P ≈ 7 MPa < critical pressure of water
• 22.1 MPa for pure water ≈ 1.1 km of wet
seds
1.25 1.5
1
• emplacement depth ≈ 1 s TWT ≈ 350 m
12.5
15
20
20
Liquid
25
33
10
• fracture-induced P reduction
50
Vapour
• heat source = persistent vapour
100
0
0
• high vapour flow rate = fluidization of
sediments
200
400
600
Temperature (°C)
• continuous vapour flow = sediment transport
intrusioni tabulari
46
contatti - peperite, fluidizzazione, breccia pipes
venting to the seafloor
crater, diatreme
venting to the seafloor
mud volcano
igneous dyke
further fluids rising
pipes of finer
grained sediments
hydraulic brecciation
of sediments, fluids
escape to the surface
peperite +
sediment fluidization
sill intrusion in wet sediments
modified after Jamtveit et al., GSSP 234 (2004)
47
intrusioni tabulari
influenza sui cambiamenti climatici
•
•
•
•
Siberian traps,
end-Permian
•
Karoo-Ferrar,
Toarcian
•
North Atantic,
Paleocene
•
H2O (sandstone, clays)
•
CH4 (shale, petroleum)
•
•
CO2 (coal, lime/
dolostone)
CH3Cl (evaporite)
•
SO2 (evaporite)
•
HCl (evaporite)
Svensen & Jamtveit (Elements, 2010)
•
intrusion of mafic LIP sills
massive release of water from wet sediments
massive CO2, CH4 release from C-rich mudstones
dC negative excursions
global warming
Svensen et al (EPSL, 2007)
•
48
49
le rocce
la classificazione di
primo rango è di tipo
genetico:
• Rocce Ignee
• Plutoniche
• Vulcaniche
• effusive
• esplosive
• Rocce Metamorfiche
• Rocce Sedimentarie
50
le rocce
tessiture / microstrutture
Rocce
Ignee
Rocce
Rocce
Metamorfiche Sedimentarie
liquido
solido
Solido (+ liquido)
solido
solido
solido
Sottrazione calore
Diminuzione T
variazioni
P,T, sforzi orientati
solidificazione
(cristallizzazione etc)
Riequilibratura
totale o parziale
Diagenesi
Processi
tardo-magmatici
Processi secondari
Processi secondari
Processi secondari
Tessiture
sequenziali
Tessiture
cristalloblastiche
Erosione
Trasporto
Deposizione
Tessiture
clastiche
Precipitazione
Le rocce
distinzione sul terreno
51
rocce metamorfiche
• paraderivati
• relitti di stratificazione
• scomparsa dei fossili
• fissilità
• ortoderivati
• relitti di struttura massiva o
porfirica
• chimismo igneo
rocce sedimentarie
• tipicamente stratificate, con
strati sovrapposti (principio
di sovrapposizione)
• diagnostica la presenza di
fossili
rocce ignee
• plutoniche
• non stratificate, massive
• senza fossili
• vulcaniche
• stratificate (strati poco
estesi lateralmente)
• fossili assenti
• morfologia vulcanica
52
rocce Ignee
la classificazione si basa sulla combinazione di due tipi di dati:
microstruttura
+
• struttura (o tessitura)
• cristallinità
• dimensioni, forma e rapporti spaziali delle sue fasi
costituenti
• struttura si forma durante il passaggio del
sistema dallo stato liquido allo stato solido
• fattore esterni che influenzano il tipo di struttura:
Velocità della diminuzione di temperatura
• meccanismo di risalita del magma (intrusione,
effusione, esplosione)
• interazione termica con superficie terrestre, aria,
acqua, ghiaccio
• l'evoluzione del sistema è controllata da velocità di
raffreddamento, viscosità e caratteristiche chimicofisiche del magma
costituenti
• Fasi PRIMARIE (segregate
direttamente dal magma)
• Fasi minerali (reticolo cristallino
ordinato)
• Vetro: materiale solido amorfo
con struttura simile a quella del
liquido
• struttura e costituenti possono
subire modificazioni secondarie
a bassa T
• fasi SECONDARIE (formate in
seguito a processi di
alterazione)
rocce ignee
53
nomenclatura e classsificazione
• composizione
• rocce intrusive: moda (abbondanza minerali)
• rocce vulcaniche: moda e composizione chimica
• giacitura (litofacies)
• aspetto di terreno
• tessitura
• (alterazione)
54
Descrizione tessiturale rocce ignee
• cristallinità (grado di cristallizzazione)
• olocristallina (tutta la roccia formata da cristalli)
• ipocristallina (roccia formata in parte cristalli, in parte da vetro; specificare le %)
• oloialina, vetrosa (tutta la roccia formata da vetro)
• granularità
•
faneritica (tutti cristalli sono visibili a occhio nudo)
•
•
tipica di rocce plutoniche
afanitica (nessun cristallo è visibile a occhio nudo)
•
tipica di rocce vulcaniche
• porfirica (cristalli visibili a occhio nudo in pasta di fondo afanitica)
•
tipica di rocce vulcaniche
• grana
• grossa (>5 mm)
• media (1-5 mm)
• grana fine (< 1 mm)
• equigranulare (tutti cristalli approssimativamente delle stesse dimensioni)
• disequigranulare (non necessario se si usa il termine "porfirica")
55
schema tessiture rocce ignee
rocce ignee
plutoniche
vulcaniche
pasta di fondo fenocristalli
subvulcaniche
olocristallina
esplosive
porfirica
afirica
frammentati
integri
afanitica
olocristallina
vetro
faneritica
effusive
ipocristallina
vetrosa
interstiziale
continuo
frammentato
lava
vitrofiro
ossidiana
tufo
(saldato)
equigranulare
disequigranular
ipidiomorfa
allotriomorf
dicco, sill
laccolite
pluton
rocce ignee
rocce piroclastiche
• piroclasti (ejecta)
blocchi e bombe
• cristalli
pyroclastic breccia (blocks)
agglomerate (bombs)
• frammenti di cristalli
• frammenti di vetro
• frammenti di roccia
• Bombe!
> 64 mm, forme plastiche (fusi)
• Blocchi!
> 64 mm, angolari (solidi)
• Lapilli!
2-64 mm
• Ceneri!
< 2 mm
tuff breccia
lapilli
stone
lapilli
dimensioni
(mm)
piroclasti
lapilli tuff
(ash)
tuff
cenere
depositi piroclastici
tefra (non consolidati)
tufi / rocce piroclastiche (consolidati)
> 64
bombe, blocchi
livello agglomerato di bombe (blocchi)
agglomerato, breccia piroclastica
2 - 64
lapilli
livello di lapilli, tefra a lapilli
lapillistone
1/16 - 2
ceneri
cenere grossolana
tufo (cineritico) grossolano
> 1/16
ceneri fini
cenere fine (polvere)
tufo (cineritico) fine
indice di porfiricità = somma delle abbondanze modali (% vol.) di fenocristalli
indice di colore = somma delle abbondanze modali (% vol.) di minerali femici
(colorati)
1%
5%
20%
30%
10%
15%
40%
50%
rocce ignee
i minerali primari
fondamentali
primari
comunemente costituiscono parte
rilevante (>5%) e caratterizzante
della roccia
segregati
direttamente dal
magma
accessori
quasi mai costituiscono parte
rilevante di una roccia
secondari
sialici
ricchi in Si e Al
femici
ricchi in Fe e Mg
vetro
amorfo, composizione variabile, soltanto in rocce
vulcaniche
diffusi
specifici
comuni in moltissime rocce
presenti soltanto in rocce di composizione
particolare
si formano in condizioni deuteriche o postmagmatiche
57
58
59
rocce ignee
i minerali primari
fondamentali
primari
comunemente costituiscono parte
rilevante (>5%) e caratterizzante
della roccia
quarzo, feldspati alcalini,
plagioclasi, feldspatoidi
femici
olivina, ortopirosseni,
clinopiroseni, anfiboli, biotite
vetro
segregati
direttamente dal
magma
accessori
diffusi
quasi mai costituiscono parte
rilevante di una roccia
secondari
sialici
magnetite, ilmenite, apatite, zircone
specifici
cromite, spinelli, tormalina, titanite, xenotimo, monazite,
fluorite, perovskite, epidoti (allanite), granati, cordierite,
andalusite, corindone
miche bianche (sericite), minerali argillosi, analcime, carbonati (calcite etc), ematite, limonite,
clorite, pertiti, microclino, rutilo, titanite, zeoliti
60
rocce ignee
i minerali primari
colore
sfaldatura
abito
oliva
NO
equidimensionale
verde-nero
2, 90°
prismi tozzi, 8 facce
6
3.2-3.7
anfibolo
nero
2, 120°
prismi allungati, 6 facce
5-6
3.0-3.5
biotite
nero
1, basale
prisma tozzo, 6 lati
2.5-3
2.7-3.3
olivina
pirosseno
durezz
a
densità
3.2-4.4
fogliettato
plagioclasio
bianco
3
tabulare
6-6-5
2.63-2.76
K-feldspato
bianco-rosso
3
tabulare
6
2.55-2.63
trasparente
NO
equidimensionale
7
2.65
bianco
NO
tondeggiante
5.5-6
~2.5
quarzo
feldspatoide
61
rocce ignee
classificazione modale (moda = % in volume dei minerali)
• una roccia è costituta da 5 fasi minerali
• A =! 20 vol%
• B =!
• C =!
• D =!
A
40 vol%
10 vol%
10 vol%
• E =! 20 vol%
• qual è il punto rappresentativo della sua
moda nel diagramma ternario A-B-C?
• si ricalcolano a 100 i valori di A, B, C:
• AABC = A/(A+B+C)*100 =! 20/70*100=29
• BABC = B/(A+B+C) *100 =!40/70*100=57
• CABC = C/(A+B+C) *100 =!10/70*100=14
B
C
• si riportano nel diagramma ternario
A-B-C i valori di AABC , BABC , CABC
62
rocce ignee
classificazione IUGS
M = minerali femici
• olivina (Ol)
• pirosseni
• ortopirosseni (Opx)
• clinopirosseni (Cpx)
• anfiboli
• biotite
Ol
dunite
Classificazione
• se M ≥ 90 ➠ roccia
rocce
ultrafemiche
ultrafemica, classificazione
(M≥90)
con diagramma Ol-OpxPERIDOTITI harzburgite
Cpx
ortopirossenite
olivinica
• se M < 90 ➠ roccia da
PIROSSENITI
classificare con diagramma
ortopirossenite
doppio triangolare QAPF
Opx
lherzolite
websterite
olivinica
websterite
wehrlite
clinopirossenite
olivinica
clinopirossenite
Cpx
Q
silexite
rocce ignee
classificazione IUGS rocce plutoniche
granitoidi
ricchi in quarzo
rocce intrusive
M < 90
granito
a feldspato
sieno monzo grano
tonalite
alcalino
granito granito diorite
quarzosienite
a felds. alc.
qmd
quarzo
quarzo
qmg
sienite monzonite
sienite
monzonite md/mg
foid-sienite foid-monz. fmd/fmg
A
sienite
a felds. alc.
foidsienite
a felds. alc.
63
foid-sienite foid-monzo
sienite
quarzodiorite
quarzogabbro
quarzoanortosite
• Q = quarzo
gabbro
diorite
anortosite
• A = feldspatI alcalini
P
• P = plagioclasi
foid-diorite
foid-gabbro
foid-anortosite
• F = feldspatoidi
foid-monzo
diorite foid-diorite
foid-gabbro
foid-monzo
gabbro
foidolite
F
Q
rocce ignee
64
classificazione IUGS r. vulcaniche
rocce vulcaniche
M < 90
• Q = quarzo
riolite
a feldspato
alcalino
riolite
• A = feldspatI alcalini
quarzoquarzo
trachite a f.a.trachite
trachite
quarzo
latite
latite
foid-trachite
foid-latite
A
trachite
a felds. alc.
foid-trachite
a felds. alc.
dacite
basalto
andesite
fonolite
tefritica tefrite
fonolitica
(ol<10%)
foiditefoidite
fonoliticatefritica
foidite
F
• P = plagioclasi
• F = feldspatoidi
basanite
fonolitica
(ol>10%)
fonolite
P
tefrite
65
rocce ignee
schema classificativo semplificato
indice di
colore
> 90
quarzo
no
scarso
relativam.
abbondante
feldspati
≈ no
plagioclasio >>
feldspato alcalino
plag. >
felds.alc.
90 - 40
40 - 20
peridotite
rocce
pirossenite
plutoniche
dunite
gabbro
diorite
rocce
vulcaniche
basalto
andesite
< 20
scarso
plag. ≈
felds.alc.
granodiorite monzonite
dacite
latite
abbondante
plagioclasio <
feldspato alcalino
sienite
granito
trachite
riolite
utilizzabile sul terreno e per campioni macro
rocce ignee
distribuzione dei minerali
Schmincke, Volcanism, Springer (2004)
66
67
rocce ignee
composizione chimica
vulcanica
basalto andesite
plutonica
peridotite gabbro
riolite
diorite
trachite leucitite
granito
sienite
(raro)
SiO2
42.3
49.2
58.0
72.8
61.2
40.6
TiO2
0.6
1.8
0.9
0.3
0.7
2.66
Al2O3
4.2
15.7
17.0
13.3
17.0
14.3
Fe2O3
3.6
3.8
3.3
1.5
3.0
5.5
FeO
6.6
7.1
4.0
1.1
2.3
6.2
MnO
0.4
0.2
0.1
0.1
0.2
0.3
MgO
31.2
6.7
3.3
0.4
0.9
6.4
CaO
5.0
9.5
6.8
1.1
2.3
11.9
Na2O
0.5
2.9
3.5
3.6
5.5
3.5
K2O
0.3
1.1
1.6
4.3
5.0
4.8
P2O5
0.1
0.4
0.2
0.1
0.2
1.1
H2O
3.9
1.0
0.8
1.1
1.2
1.6
68
rocce ignee
classificazione IUGS rocce vulcaniche - diagramma TAS
Na2O + K2O wt%
16
fonolite
14
fonolite
tefritica
12
10
foidite
tefrite
fonolitica
trachite
trachidacite
trachiandesite
8
riolite
trachiandesite
basaltica
trachibasalto
basanite
6
tefrite
4
basalto
picritico
2
0
36
40
44
basalto
48
andesite
basaltica
52
56
dacite
andesite
60
64
68
72
SiO2 wt%
ultrabasico
basico
intermedio
acido
76
69
rocce ignee
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
composizione dei magmi nei diversi ambienti geodinamici
70
71
ambientazione geodinamica dell’attività ignea
• dove e perché
• margini divergenti
• margini convergenti
• zone di subduzione
• sone di collisione
• margini trascorrenti
• zone intraplacca
• margini passivi
• legame ambiente-composizione
72
ambiente geodinamico e attività ignea
• vulcani attivi subaerei
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
73
Ambiente geodinamico e attività sismica
• terremoti
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
74
ambientazione geodinamica dei processi ignei
75
ambiente geodinamico - volume magmi
76
attività ignea - margini divergenti
margini divergenti
77
struttura della crosta oceanica
• La dorsale è segmentata da
fratture trasversali
• Le fratture oceaniche sono
caratterizzate da movimento
trasforme
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
margini divergenti
struttura della crosta oceanica
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
78
margini divergenti
79
struttura crosta oceanica
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
margini divergenti
attività vulcanica
80
margini divergenti
81
ofioliti
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
Margini divergenti
82
Ofioliti - Struttura crosta oceanica
~ 0.5
layer
1
2a,2b
~ 1.5
2c
dicchi (sheeted dikes)
~5
3a
gabbri
3b
gabbri “layered” (cumuliti)
km
Moho sismica
Moho petrologica 4
4
sedimen
ti
lave a pillow, colate di lava
peridotiti “layered” (cumuliti)
peridotiti (mantello sup.)
83
margini divergenti
genesi dei magmi
Sinton & Detrick (JGR, 1992)
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
84
margini divergenti
Rogers, Our dynamic Planet,
Cambridge (2008)
rapporti sorgente-magma
M = minerali femici
• olivina (Ol)
• pirosseni
• ortopirosseni (Opx)
• clinopirosseni (Cpx)
• anfiboli
• biotite
Ol
media peridotiti ofiolitiche
Classificazione
• se M ≥ 90 ➠ roccia
rocce
ultrafemiche
ultrafemica, classificazione
(M≥90)
con diagramma Ol-OpxPERIDOTITI harzburgite
Cpx
ortopirossenite
olivinica
• se M < 90 ➠ roccia da
PIROSSENITI
classificare con diagramma
ortopirossenite
doppio triangolare QAPF
Opx
dunite
lherzolite
websterite
olivinica
websterite
media xenoliti peridotitici
wehrlite
clinopirossenite
olivinica
clinopirossenite
Cpx
margini divergenti
85
rapporti sorgente-magma
• fusione sperimentale
•
margini divergenti
rapporti sorgente-magma
liquido
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
86
margini divergenti
87
rapporti sorgente-magma
PRESSIONE - PROFONDITA'
TEMPERATURA
geoterma
liquido
C
A
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
attività ignea
margini convergenti - zone di subduzione
litosfera oceanica - litosfera oceanica
litosfera oceanica - litosfera continentale
litosfera continentale - litosfera continentale
88
89
zone di subduzione
struttura sismica
• sismicità 1977-1997
www.usgs.gov
90
zone di subduzione
struttura sismica
www.usgs.gov
zone di subduzione
91
struttura sismica
• quando la placca più pesante e meno rigida affonda sotto l'altra
(SUBDUZIONE), la frizione genera terremoti localizzati sul contatto tra la
placca subdotta e mantello
• i sismi sono distribuiti su una fascia detta Piano (o zona) di Wadati-Benioff
seismic waves anomalies
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
zone di subduzione
struttura sismica - piano di Benioff
92
zone di subduzione
93
struttura sismica
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
zone di subduzione
94
struttura termica
• placca vecchia (130 Ma)
• spessa
• pesante
• subduzione veloce
• litosfera giovane (15 Ma)
• sottile
• leggera
• subduzione lenta
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
95
zone di subduzione
struttura termica
van Keken et al. (G3, 2002)
• modello numerico della
struttura termica della
zona di subduzione
Honshu (Giappone)
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
96
zone di subduzione
struttura termica
• time-integrated mantle
seismic tomography
100 Ma
70 Ma
40 Ma
today
Liu et al. (Science, 2008)
97
zone di subduzione
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
zone di subduzione
quadro generale e distribuzione magmi
98
zone di subduzione
99
genesi magmi
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
zone di subduzione
100
rapporti sorgente - magma
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
PRESSIONE - PROFONDITA'
TEMPERATURA
geoterma
liquido
C
A
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
zone di subduzione
101
rapporti sorgente - magma
• contributo dei sedimenti
subdotti al magmatismo
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
attività ignea
margini convergenti - zone di collisione
litosfera oceanica - litosfera oceanica
litosfera oceanica - litosfera continentale
litosfera continentale - litosfera continentale
102
103
attività ignea
margini convergenti - zone di collisione
104
attività ignea
margini convergenti - zone di collisione
• Quando il movimento relativo di due placche è convergente, quella più
pesante e meno rigida, affonda sotto l'altra (SUBDUZIONE)
• Quando la porzione di litosfera oceanica interpostra tra due continenti è
stata completamente subdotta, i due continenti entrano in COLLISIONE:
avendo caratteristiche fisiche simili, nessuno dei due tende a
sprofondare sotto l'altro, per cui si accartocciano l'uno contro l'altro
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
attività ignea
105
margini convergenti - zone di collisione
attività ignea
zone di collisione - genesi del magma
PRESSIONE - PROFONDITA'
TEMPERATURA
geoterma
liquido
C
A
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
106
107
Margini trascorrenti / conservativi
•Margini lungo i quali le placche scorrono l'una contro l'altra
•Il margine è una faglia trasforme
•Intensa attività sismica
•No attività vulcanica
•Esempi:
–San Andreas fault (Messico-western USA)
–North Anatolian Fault (Turchia)
–south Alpine Fault (New Zealand)
Margini trascorrenti / conservativi
San Andreas Fault
http://www.ig.utexas.edu/research/projects/plates/plates.htm
108
Margini trascorrenti / conservativi
109
San Andreas Fault
Margini trascorrenti / conservativi
San Andreas Fault
http://www.minerals.si.edu/
tdpmap/
110
Margini trascorrenti / conservativi
111
North Anatolian Fault
PLACCA
EUROASIATICA
PLACCA
ANATOLICA
PLACCA
AFRICANA
PLACCA
ARABICA
Margini trascorrenti / conservativi
Dead Sea transform
http://eol.jsc.nasa.gov
112
Margini trascorrenti / conservativi
113
South Alpine Fault, New Zealand
0
50
km
114
Margini trascorrenti / conservativi
NEW ZEALAND
deep seismicity
Esempi:
Alpine Fault
New Zealand
NEW ZEALAND
shallow seismicity
attività ignea
115
zone intraplacca - rift intracontinentali
• Rift continentale
• depressione tettonica allungata (rift valley = depressione
fisiografica riempita da vulcaniti e sedimenti continentali
• limitata da faglie (fratture della crosta) dirette
• Faglie legate a estensione dellʼintera litosfera
• Caratteristiche delle zone di rift
• alti flussi di calore
• magmatismo bimodale (basalti e rioliti)
• anomalie gravimetriche (massimi in corrispondenza della rift
valley)
• anomalie magnetiche (minimi in corrispondenza della rift valley)
attività ignea
116
zone intraplacca - rift intracontinentali
Mar
Rosso
Il continente africano si sta dividendo lungo
una frattura della litosfera continentale
(East African Rift)
Yemen
Etiopia
Afar
Golfo di Aden
Somalia
Oceano
Indiano
117
attività ignea
zone intraplacca - East African Rift
East African Rift Valley
Erta Ale
Oldoinyo Lengai
118
attività ignea
zone intraplacca - rift intracontinentali - genesi del magma
PRESSIONE - PROFONDITA'
TEMPERATURA
geoterma
liquido
C
Rift attivo
A
legato alla attività di una plume mantellica
(risalita di materiale molto caldo dal mantello
profondo, dimensioni tipiche delle cupole
raggio = 500-1000 km)
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
Rift passivo
legato alla dinamica delle placche che
possono allontanarsi provocando uno stress
tensionale dellʼintera litosfera
attività ignea
119
zone intraplacca - isole oceaniche
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
attività ignea
zone intraplacca - mantle plumes/hot spots
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
120
attività ignea
121
zone intraplacca - mantle plumes/hot spots
• La localizzazione degli hot spots è considerata fissa nel tempo,
rispetto a un riferimento profondo (es. interfaccia nucleo-mantello)
• La localizzazione degli hot spots è usata per ricostruire I
movimenti delle placche nel passato
attività ignea
122
zone intraplacca - isole oceaniche- genesi del magma
PRESSIONE - PROFONDITA'
TEMPERATURA
geoterma
liquido
C
A
B
solido
solido
+
liquido
curva temperature
di Solidus
(inizio fusione)
curva T di
Liquidus
(fusione
completa)
123
attività ignea
Large Igneous Provinces (LIP)
• immensi espandimenti di lava
• volume di 106 km3 (migliaia di M. Etna)
• tempi brevi (ca. 1 Ma)
124
attività ignea
Large Igneous Provinces (LIP)
Wignall (ESR, 2001)
125
attività ignea
Large Igneous Provinces (LIP)
provincia
età (Ma)
volume (x106 km3)
Panjal-Emeishan Basalts
260
1.0
Siberian Traps
250
1.8
Central Atlantic Magmatic Province
200
4.0
Karoo-Ferrar Traps
180
2.5
Paranà-Etendeka Traps
130
1.2
Ontong-Java Plateau
120
50.0
Kerguelen Plateau
110
20.0
Caribbean-Colombian Province
90
4.0
Deccan Traps
65
2.0
Brito-Arctic Province
55
4.0
Ethiopian Traps
30
0.8
Columbia River Plateau
16
0.2
attività ignea
margini passivi
126
127
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
Ambiente geodinamico e composizione dei magmi
128
Ambiente geodinamico e composizione dei magmi
basalti tholeiitici
poveri in K
ricchi in Si
MORB
basalti alcalini
ricchi in Na
poveri in Si
OIB
basalti calcoalcalini
ricchi in Al
CAB / VAB
andesiti
basalti alcalini
ricchi in Na (K)
poveri in Si
OIB
trachiti - rioliti
209
Testi consigliati
• Bosellini A. (1984, I ed.; 1986 IV ed.) - Le scienze della Terra. Bovolenta (distribuito
da Zanichelli). ISBN 88-08-04150-6
• D'Argenio B., Innocenti F., Sassi F.P. (1994) - Introduzione allo studio delle rocce.
UTET, 162 pp. ISBN 88-02-04870-3
• Skinner B.J., Porter S.C. (1989 ) - The dynamic Earth. John Wiley & Sons. ISBN
0-471-53131-6
• Gill R. (1989, II ed. 1996) - Chemical fundamentals of Geology. Chapman & Hall, 298
pp. ISBN 0 412 54930 1 (Capp 5, 6, 7, 8,9, 10)
• Gottardi, G. (1978) - I minerali. Boringhieri, 296 pp. (Parte I, capp. 1, 2)
• Mottana A., Crespi R., Liborio G. (1977, V ed. 1985) - Minerali e rocce. Mondadori,
608 pp.
• http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html
