Cronistoria essenziale dei primi studi sul metamorfismo

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1 Cronistoria essenziale dei primi studi sul metamorfismo 1795 Lo scozzese Hutton nel testo Theory of the Earth invoca l influenza del calore per spiegare le trasformazioni di antiche rocce sedimentarie in rocce metamorfiche Lo scozzese Hall, antesignano della petrologia sperimentale, dimostro la formazione del marmo per riscaldamento di polvere di calcare in condizioni di pressione elevata, confermando l originaria intuizione di Hutton Lo scozzese Lyell nei Principles of Geology ha il merito di diffondere lo studio delle rocce metamorfiche ad un ampia audience Il tedesco Grubenmann introduce le cosiddette zone di profondità: epizona, mesozona e catazona L inglese Barrow descrive la zoneografia del basamento metamorfico delle Highlands scozzesi attraverso il riconoscimento di minerali-indice Il norvegese Goldschmidt applica per primo i principi della termodinamica al calcolo della temperatura di formazione di un minerale metamorfico, la wollastonite Il finlandese Eskola definisce le Facies metamorfiche e getta le basi per la moderna petrologia delle rocce metamorfiche.

2 Rocce sedimentarie, magmatiche e metamorfiche nella crosta continentale La diffusione areale delle rocce sedimentarie è stimata al 66% della superficie dei continenti. Il restante 34% è rappresentato da rocce ignee e metamorfiche con prevalenza delle prime (Blatt, 1975). Nell intera crosta continentale la proporzione volumetrica delle rocce sedimentarie si riduce all 8%. La parte nettamente dominante è quindi costituita da rocce magmatiche e metamorfiche. La proporzione di rocce metamorfiche è variabile nei diversi contesti ma è sicuramente elevata. da Wedepohl (1995)

3 Cambiamenti durante il metamorfismo Durante il metamorfismo le rocce sono soggette a due tipi principali di cambiamenti: (1) sostituzione dei minerali originari con nuovi minerali metamorfici per effetto di reazioni chimiche (cambiamenti di fasi); (2) ricristallizzazione dei minerali per produrre nuove strutture come, ad esempio, l orientazione preferenziale dei minerali a forma di lamina nelle ardesie oppure il progressivo aumento di grana nel passaggio da calcare a marmo (cambiamenti strutturali). Una caratteristica importante di tutti i processi metamorfici è che si verificano essenzialmente allo stato solido. Questo significa che la roccia non viene mai completamente disaggregata. Per questo motivo, caratteristiche originarie come la stratificazione dei sedimenti possono essere preservate, anche se distorte o interrotte a causa della deformazione. E stato osservato che nelle rocce metamorfiche la composizione chimica delle rocce originarie, sedimentarie o magmatiche, rimane invariata fatta eccezione per la perdita o l aggiunta di sostanze volatili. Per questo motivo il metamorfismo è considerato nella maggior parte dei casi isochimico. Le eccezioni sono rappresentate dalle zone interessate da intensa circolazione di fluidi caldi, le zone di interfaccia tra livelli di composizione diversi, le zone (soprattutto carbonatiche) prossime al contatto con un intrusione magmatica. Il cambiamento di composizione chimica durante il metamorfismo, prende il nome di metasomatismo e le rocce che ne risultano sono denominate rocce metasomatiche.

4 Limiti P-T del metamorfismo P, kbar not realized on Earth wet granite melting Low P-T limit of geothermal gradient Dora Maira Northern Kazakhstan NW Scotland dry granite melting depth, km Sedimentary diagenetic T, C Dora Maira: Pyrope - Coesite rocks Northern Kazakhstan: Diamond - bearing metamorphic rocks NW Scotland: Scourian granulites Modificato da Bucher and Frey (1994)

5 Campi di stabilità delle diverse fasi della silice

6 Tipi di metamorfismo Estensione Regionale Orogenico Fondo Oceanico Seppellimento ocean floors orogenic belts Precambrian shields continental shelves and platform areas with thin sediment above orogenic belts or Precambrian shields Modificato da Mason (1984)

7 Tipi di metamorfismo

8 Tipi di metamorfismo Estensione Locale Contatto Impatto Dinamico (Cataclastico) Idrotermale bedding fault breccia bedding mylonite Modificato da Mason (1984)

9 Tipi di metamorfismo Modificato da Bucher and Frey (1994)

10 Zone metamorfiche Zone metamorfiche definite in base alla composizione mineralogica di rocce pelitiche nelle Highlands scozzesi orientali (Tilley, 1925).

11 Zone metamorfiche D i s t r i b u z i o n e i n m a p p a d e l l e associazioni mineralogiche in rocce pelitiche interessate da metamorfismo regionale. Sono anche riportate le isograde-in, indicanti la prima comparsa di biotite e granato.

12 Zone metamorfiche in un aureola di contatto Zone metamorfiche in rocce pelitiche all interno dell aureola di contatto che borda il plutone di Fanad in Donegal (Irlanda).

13 Flusso di calore in diverse zone della Terra J, W/m 2

14 Cause della variazione del flusso di calore

15 Geoterme eq. della goeterma stazionaria T z = T 0 + (J/K) z - (A/2K) z 2

16 Pressione litostatica, sforzo deviatorico e pressione dei fluidi P 1 1 P P 5 P 6 P 4 1 P 2

17 Diagramma P-T di H 2 O (P f = P L ) molar volume in cm 3

18 Sistemi, fasi e componenti

19 Sistemi, fasi e componenti A B

20 Sistemi, fasi e componenti

21 La regola della fasi di Gibbs per le rocce metamorfiche

22 La regola della fasi di Gibbs per le rocce metamorfiche La regola della fasi limita le fasi ad un numero inferiore o al massimo uguale a quello dei componenti + 2