Fondamenti di Geologia - People
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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
