Mantello Superiore

Prof. Silvio Mollo
Edificio di Mineralogia
Tel. 06‐49914912
Email [email protected]
Testi di riferimento
Giancarlo Negretti. Fondamenti di Petrografia. McGraw Hill/Casa Editrice Università La Sapienza. (2003)
Lucio Morbidelli. Le rocce e i loro costituenti. IIIa edizione (2014) Casa ed. Scienze e Lettere
ATLANTE DELLE ROCCE Ignee e Metamorfiche, dei Minerali e delle Tessiture (Univ. N Carolina):
http://www.geolab.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/mainmenu.html
DATABASE di rocce: GEOROC, una banca dati di rocce degli oceani e dei continenti
(dall’Archeano ad oggi). Rocce vulcaniche, plutoniche e xenoliti:
http://georoc.mpch‐mainz.gwdg.de/georoc/
DIZIONARIO/ GLOSSARIO GEOLOGICO:
http://geology.com/geology‐dictionary.shtml
I powerpoint di questo corso provengono dalle lezioni del Prof. Michele Lustrino
(Dipartimento di Scienze della Terra), il cui eccellente lavoro è difficile da eguagliare.
La PETROGRAFIA è una disciplina delle Scienze della Terra che studia le rocce per la parte che riguarda la descrizione, rinoscimento e classificazione sistematica
La PETROGENESI è una disciplina delle
Scienze della Terra che studia i processi chimico‐fisici
responsabili della formazione delle rocce in funzione delle
diverse ambientazioni terrestri
PETROGRAFIA e PETROGENESI appartengono ad una scienza più
ampia che si chiama PETROLOGIA
La PETROLOGIA applica i principi della MINERALOGIA e della
GEOCHIMICA allo studio delle rocce per comprendere la loro origine
ed evoluzione nel tempo
La PETROLOGIA studia i sistemi naturali
La PETROLOGIA SPERIMENTALE riproduce in laboratorio le condizioni chimico‐fisiche che controllano la petrogenesi, ma si
estende anche a materiali sintetici che non esistono in natura
La PETROLOGIA PLANETARIA si occupa della PETROGRAFIA e PETROGENESI dei sistemi naturali extraterrestri
PETROGENESI
PETROGRAFIA
PETROLOGIA
PETROLOGIA SPERIMENTALE
PETROLOGIA PLANETARIA
Geosfera
 99.9%
Idrosfera
+ Atmosfera
+ Biosfera
 0.1%
Le rocce della Terra
Classificazione di tipo genetico:
– Rocce Ignee
Plutoniche
Vulcaniche
(65%)
– Rocce Metamorfiche
(27%)
– Rocce Sedimentarie
(8%)
1.Rocce ignee ‐‐> derivano dalla solidificazione di materiale fuso
2.Rocce metamorfiche ‐‐> derivano da rocce preesistenti
attraverso vari tipi di trasformazioni chimico‐fisiche
3.Rocce sedimentarie ‐‐> si originano dalla deposizione di
materiali dall’acqua o dall’aria
I processi igneo e metamorfico avvengono per lo più
all’interno della Terra e quindi non sono direttamente
osservabili (ad eccezione delle eruzioni vulcaniche)
Il processo sedimentario avviene in gran parte sulla
superficie terrestre e l’osservazione degli attuali
ambienti deposizionali fornisce informazioni sull’origine
delle rocce sedimentarie
L’insieme di minerali che costituiscono le rocce si definisce: PARAGENESI
Le rocce possono essere: MONOMINERALICHE (molto rare) = rocce sedimentarie
POLIMINERALICHE (molto frequenti)= rocce ignee e metamorfiche
I minerali delle rocce ignee si possono definire anche chimicamente: FEMICI (ricchi di Fe e Mg) = olivina, pirosseno, anfibolo SIALICI (ricchi di Si e Al) = quarzo, plagioclasio, K‐feldspato
Ciclo delle rocce
Struttura della Terra
Crosta
Mantello
Nucleo
Esterno
Nucleo
Interno
Quattro strati
principali:
Crosta
Mantello
Nucleo esterno
Nucleo interno
2 tipi principali di crosta:
CROSTA OCEANICA
CROSTA CONTINENTALE
Crosta Oceanica – Dorsale Oceanica
Sottile: 2‐10 km (in media circa 7 km)
Dorsali Medio‐Oceaniche ~ 21 km3/anno di lava
~60% della superficie della Terra è fatta di crosta oceanica
SERIE OFIOLITICA
Lave pillow– prodotto di solidificazione
di una massa fusa (magma).
Dicchi - Particolare giacitura (ossia
disposizione nello spazio) di una roccia.
Basalti - Rocce ignee molto abbondanti
caratterizzate da un alto contenuto in
MgO.
Gabbri - Rocce simili al basalto ma con
cristalli più grandi.
Duniti - Rocce composte quasi
esclusivamente dal minerale olivina
Peridotiti - Gruppo di rocce molto rare
sulla superficie terrestre ma
estremamente abbondanti nel mantello.
Lave pillow (cuscino) - prodotto di
solidificazione di una massa fusa (magma).
Lave di superfice- prodotto di solidificazione
di una massa fusa (magma).
Dicchi - Particolare giacitura (ossia
disposizione nello spazio) di una roccia.
Basalti - Rocce vulcaniche molto abbondanti
caratterizzate da un alto contenuto in MgO.
Gabbri - Rocce plutoniche simili al basalto ma
con cristalli più grandi.
Duniti - Rocce composte quasi esclusivamente
dal minerale olivina
Peridotiti - Gruppo di rocce molto rare
sulla superficie terrestre ma
estremamente abbondanti nel mantello (la
dunite è un tipo di peridotite).
Fast Spreading Ridge (East Pacific Ridge)
‐Litosfera termicamente calda
‐Vulcanismo frequente
‐Alti gradi di fusione parziale del mantello
‐Magmi composizionalmente omogenei
Slow Spreading Ridge (Mid-Atlantic Ridge)
‐Litosfera termicamente fredda
‐Vulcanismo raro
‐Bassi gradi di fusione parziale del mantello
‐Magmi composizionalmente eterogenei
Rispetto alla Crosta Oceanica, la Crosta Continentale è completamente differente per:
‐ Composizione chimica
‐ Composizione mineralogica
‐ Età
‐ Densità e rigidità
Crosta Continentale: spessore 20‐70 km; spessore medio ~35 km; composizione MOLTO variabile (in media diorite)
Diorite è una roccia plutonica con grossi cristalli costituita da quarzo, feldspati alcalini e minerali femici (pirosseno, anfibolo).
‐ Crosta Superiore (più leggera, più ricca in SiO2 e relativamente povera in MgO, a composizione granodioritica) ‐ Crosta Inferiore più pesante (meno ricca in SiO2 e più
ricca in MgO, a composizione gabbrica)
Estrema eterogeneità delle rocce che la costituiscono.
E’ suddivisa su base geofisica (velocità delle onde sismiche) in: CROSTA SUPERIORE: arriva a circa 10‐20 km di profondità
e ha una densità media di 2.5‐2.7 g/cm3. E' costituita da rocce intrusive e metamorfiche con sottili coperture di rocce sedimentarie.
CROSTA INFERIORE: ha una densità media di 2.8 g/cm3 ed è composta da rocce di tipo gabbrico.
Tra la crosta continentale superiore e quella inferiore si ha la discontinuità di Conrad. A testimonianza del carattere eterogeneo della crosta continentale, la discontinuità di Conrad non è uniformemente distribuita.
Granodiorite: roccia plutonica con grossi cristalli simile ad un granito (la trovate sui banconi di molti bar o utilizzata come pavimentazione di stazioni, androni, etc.).
Gabbro: roccia plutonica di colore generalmente scuro con abbondanti plagioclasi e vari tipi di minerali (es. clinopirosseni e/o olivina e/o quarzo, e/o magnetite, etc. etc.).
BASALTO/GABBRO
ANDESITE/DIORITE
CROSTA CONTINENTALE SUPERIORE
(parte affiorante)
Rocce magmatiche 65 %
Rocce metamorfiche 27 %
Rocce sedimentarie 8 %
Rocce magmatiche (65%):
graniti, granodioriti e tonaliti (acide sialiche) 77 %
gabbri e basalti (basiche femiche) 13 %
dioriti ed andesiti (chimismo intermedio) 8 %
Le litologie magmatiche e metamorfiche formano un substrato roccioso, spesso identificato come “basamento cristallino” che è, per circa i 4/5, ricoperto da rocce sedimentarie con spessori mediamente valutabili attorno ai 5 km.
Rocce sedimentarie (8 %)
Rocce argillose 60 %
Rocce carbonatiche 20 %
Rocce arenacee 15 %
Rocce evaporitiche 5 %
GRANODIORITE
La recente stima di riferimento della composizione chimica della crosta continentale superiore è ottenuta utilizzando i dati analitici di rocce in affioramento.
Composizione acido‐sialica, contraddistinta da dominati contenuti di silicio ed alluminio.
Anche la crosta continentale è oggetto di carotaggio.
Attualmente la profondità massima raggiunta è di oltre 12262 metri (Penisola di Kola – Nord Russia).
(Hanno impiegato 24 anni dal 1970 al 1994)
C. Oceanica
C. Continentale
Spessore
2-10 km
20-70 km
Struttura
Piuttosto semplice
Piuttosto complessa
Composizione
Relativamente uniforme
Molto variabile
Rocce tipiche
Basalti/Gabbri
Graniti
Chimismo
Ricca in Mg, povera in Si
Ricca in Si, povera in Mg
Densità
Piuttosto densa
(2,8-3,2 g/cm3)
Piuttosto leggera
(2,5-3,0 g/cm3)
Età
<250 Ma
Fino a 4 Ga
Crosta
Mantello
Quattro strati principali:
Nucleo
esterno
Nucleo
interno
Crosta
Mantello
Nucleo esterno
Nucleo interno
Si
14.4%
Ca
Al
S
3.0% 1.4% 1.0%
O
50.7%
Fe
15.2%
Mg
15.3%
Circa metà della Terra (in peso) è
costituita da ossigeno.
Abbondanze relative atomiche dei sette elementi più comuni che costituiscono il 97% della massa della Terra.
Si
14.4%
S
3.0% 1.4% 1.0%
O
50.7%
Fe
15.2%
Mg
15.3%
Circa il 95% in peso della Terra è
composto da Si, Mg, Fe ed O.
I principali minerali del mantello sono silicati di Mg e Fe (a basse P):
Olivina (forsterite) Ortopirosseno (enstatite)
(Mg,Fe)2Si2O6
(Mg,Fe)2SiO4
Crosta
Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410‐660 km)
Mantello Inferiore fino a 2900 km
Zona di transizione
Mantello
80
220
410
660
Profondità (km)
Interno della Terra
Discontinuità di Mohorovicic
Mantello Superiore
Mantello
Inferiore
Mantello
Superiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
6370
Crosta
Discontinuità di tipo:
‐ chimico ‐ mineralogico
‐ reologico.
Zona di transizione
Mantello
80
220
410
660
Profondità (km)
Mantello Superiore
Dal contatto con la crosta fino a 410 km.
Il contatto con la crosta è marcato dalla
Discontinuità di Mohorovicic (MOHO)
Discontinuità di Mohorovicic
Mantello Superiore
Mantello
Inferiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Crosta
Questo volume viene comunemente diviso in:
Discontinuità di Mohorovicic
Zona di transizione
Mantello
Mantello Litosferico (solido) spessore variabile (in genere ~50 km ma può arrivare fino a ~200 km).
Mantello Astenosferico
(parzialmente fuso) (con spessore variabile da ~80 a ~220 km).
80
220
410
660
Profondità (km)
Mantello Superiore
Mantello Superiore
Mantello
Inferiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Crosta
Discontinuità di Mohorovicic
PERIDOTITI
Zona di transizione
Mantello
Mantello
Inferiore
Si tratta di rocce composte da Olivina, Ortopirosseno, Clinopirosseno ed un minerale di Al. A seconda delle profondità questo minerale di Al è:
‐ Plagioclasio (<25‐30 km) CaAl2Si2O8
‐ Spinello (~30‐80 km) MgAl2O4
‐ Granato (>80‐90 km) Mg3Al2Si3O12
80
220
410
660
Profondità (km)
Le rocce che costituiscono il mantello superiore sono chiamate:
Mantello Superiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Plagioclasio
Spinello
PRESSIONE
Granato
IMPACCHETTAMENTO DEGLI ATOMI
Tra i tre tipi (facies) di peridotiti, la Facies a Granato è quella di gran lunga più abbondante.
Granato
Olivina
Enstatite
Diopside
Tuttavia i campioni di xenoliti di mantello sono quasi esclusivamente nella Facies a Spinello.
Olivina
Diopside
Enstatite
Spinello
Le peridotiti sono una grande famiglia di rocce che includono la LERZOLITE.
Olivine
La LERZOLITE è
una PERIDOTITE con Ol > Opx + Cpx
Dunite
Peridotites
lit
hr
We
Lherzolite
e
Ha
rzb
urg
it e
90
40
Pyroxenites
Olivine Websterite
Orthopyroxenite
10
10
Orthopyroxene
Websterite
Clinopyroxenite
Clinopyroxene
La LERZOLITE è considerata “mantello inalterato” la cui fusione parziale può generare alcuni tipi di magma. Tholeiitic basalt
Wt.% Al2O3
15
g
tin
l
e
lM
a
rti
Pa
10
5
Lherzolite
Harzburgite
Dunite
0
0.0
0.2
Residuum
0.4
Wt.% TiO2
0.6
0.8
Crosta
A partire da 410 km la velocità delle onde sismiche aumenta rapidamente.
Questa variazione è dovuta alla trasformazione dell’olivina [(Mg,Fe)2SiO4] (alfa‐phase) a struttura ortorombica in wadsleyite [(Mg,Fe)2SiO4] (beta‐phase) a struttura monoclina.
A ~520 km l’olivina (ora wadsleyite) cambia di nuovo struttura e diventa ringwoodite
[(Mg,Fe)2SiO4] (gamma‐phase) a struttura cubica
Discontinuità di Mohorovicic
Zona di transizione
Mantello
80
220
410
660
Profondità (km)
Zona di Transizione
Mantello Superiore
Mantello
Inferiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Crosta
Zona di transizione
Mantello
80
220
410
660
Profondità (km)
A 660 km la ringwoodite si scinde in perovskite e magnesiowustite (fasi ancora più dense e rigide).
Discontinuità di Mohorovicic
Mantello Superiore
Mantello
Inferiore
La perovskite s.s. è un ossido doppio di Ca e Ti (CaTiO3). Con l’aumento della P anche l’ortopirosseno (enstatite) si trasforma in un nuovo tipo di minerale: la Majorite (una specie di granato con Mg‐Si al posto dell’Al):
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Con l’aumento della pressione si formano minerali ricchi di Mg, Fe e Si e poveri di Al e Ca
Magnesio
wustite
Crosta
Nel Mantello Superiore:
Olivina e Pirosseni (orto‐ e clino‐) + plagioclasio/spinello/granato (uno dei tre).
Nella Zona di Transizione:
Wadsleyite e Ringwoodite. Il diopside (clinopirosseno) e l’enstatite (ortopirosseno) diventano instabili e formano un nuovo minerale insieme al granato (majorite).
Nel Mantello Inferiore:
Perovskite e Magnesiowustite. Il Ca nella majorite diventa instabile e si trasferisce nella struttura della Ca‐perovskite.
Discontinuità di Mohorovicic
Mantello Superiore
Zona di transizione
Mantello
80
220
410
660
Profondità (km)
Interno della Terra
Mantello
Inferiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)
Interno della Terra
Crosta
Mantello
Quattro strati principali:
Nucleo
esterno
Nucleo
interno
Crosta
Mantello
Nucleo esterno
Nucleo interno
Crosta
Discontinuità di Mohorovicic
Mantello Superiore
Zona di transizione
Mantello
Mantello
Superiore
Nucleo Esterno è liquido (fuso)
Nucleo Interno è solido (a causa delle alte pressioni)
80
220
410
660
Profondità (km)
Lega metallica composta essenzialmente da Fe (>90%).
Presenti anche piccole percentuali in S,Ni, C e, forse, Si (ma non ci sono silicati). Non conosciamo praticamente nulla. Solo supposizioni e considerazioni indirette.
Mantello
Inferiore
2900
Discontinuità
di Gutenberg
Nucleo
Esterno
(liquido)
Nucleo
5145
Nucleo
Interno
(solido)