metamorphism IUGS subcommission metamorphic rocks

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1 Metamorfismo (IUGS-SCMR) 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. 131 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

2 fattori del metamorfismo 133 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) Fluidi Tempo 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 fattori del metamorfismo Temperatura 134

3 fattori del metamorfismo tipi di stress differenziale 135 Distribuzione elementi lineari σ 1 > σ 2 = σ 3 foliazione, no lineazione!!! ellissoide deform. = pizza σ 1 = σ 2 > σ 3 lineazione, no foliazione!!! ellissoide deform. = salame σ 1 > σ 2 > σ 3 foliazione e lineazione!!! ellissoide deform. = ciabatta risposta della roccia come si esplica il processo metamorfico 136 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

4 tipologie di metamorfismo agente 137 TIPOLOGIA CARATTERISTICHE ESTENSIONE deformazione dinamico (della roccia e dei cristalli) senza ricristallizzazione locale termico ricristallizzazione senza deformazione locale (contatto) ricristallizzazione dinamotermico 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 138 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

5 protolite 139 Ultramafico Mafico Argillitico (pelitico) Carbonatico Siliceo Quarzo-feldspatico altissimo Mg, Fe, Ni, Cr peridotite, dunite, pirossenite alto Fe, Mg, Ca basalto, gabbro, andesite, diorite alto Al, K, Si argillite alto Ca, Mg, CO 2 calcare, dolomia quasi solo SiO 2 arenaria quarzosa, selce alto Si, Na, K, Al granito, granodiorite, arcose, grovacca, metamorfismo condizioni fisiche 140 Diagenesi fino a 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

6 processo metamorfico natura progressiva 141 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 142 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

7 processo metamorfico natura progressiva 143 metamorfismo regionale orogenico Barrow ( ) : 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 zone a metamorfismo crescente definite da minerali-indice separate da isograde comparsa di minerali-indice al crescere del grado metamorfico metamorfismo Barroviano

8 metamorfismo regionale orogenico le zone di Barrow 145 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 146 rapporto P/T leggermente inferiore al metamorfismo Barroviano cinture orogeniche ad alto flusso di calore

9 147 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

10 metamorfismo di seppellimento Otago, New Zealand 149 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) 150 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

11 metamorfismo di contatto Crestmore (CA, USA) 151 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 152 Goldschmidt ( ) 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 Al 2 SiO 5 rocce calcaree sviluppano minerali poveri in Al (diopside, wollastonite ) Eskola ( ) 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

12 caratterizzazione fisica del metamorfismo facies metamorfiche 153 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 154 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)

13 caratterizzazione fisica del metamorfismo serie di facies metamorfiche 155 Serie di facies ad alto dp/dt Serie di facies a medio dp/dt Serie di facies a basso dp/dt 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 156

14 ambientazione geodinamica del metamorfismo margini convergenti - zone di subduzione Depressione delle isoterme (introduzione di litosfera fredda nel mantello)

15 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" ambientazione geodinamica del metamorfismo margini convergenti - zone di collisione

16 ambientazione geodinamica del metamorfismo metamorfismo di contatto Facies di bassa pressione Facies delle cornubianiti metamorfismo al contatto di intrusioni ignee 161 ambientazione geodinamica del metamorfismo metamorfismo di contatto 162 Facies di bassa pressione Facies delle cornubianiti metamorfismo al contatto di intrusioni ignee Crestmore (CA,USA) Skiddaw (UK)

17 163 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)

18 ambientazione geodinamica del metamorfismo margini divergenti 165 acqua di mare fredda e ossigenata ossidi: Fe-Mn solfuri: Fe-Cu-Zn metamorfismo facies grado lave zeoliti bassissimo scisti verdi basso dicchi salamoie riducenti alta T anfiboliti medio gabbri rocce fresche i minerali nelle rocce metamorfiche regola delle fasi 166 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

19 i minerali nelle rocce metamorfiche reazioni metamorfiche 167 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 168 reazioni polimorfe Al 2 SiO 5 CaCO 3 reazioni discontinue Ab=Jd+Qtz Ms+Qtz=Kfs+Sil+H 2 O

20 tipi di rocce metamorfiche nomenclatura delle rocce metamorfiche 169 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 170 tessitura grana fine media grossa poco foliata cornubianite (hornfels) granofels marmo quarzite granofels marmo quarzite anfibolite anfibolite molto foliata ardesia fillade scisto gneiss molto foliata e deformata per taglio milonite scisto milonitico gneiss occhiadino

21 tipi di rocce metamorfiche nomenclatura sulla base del protolite 171 PROTOLITE argilliti (peliti) rocce basiche rocce ultrafemiche rocce carbonatiche rocce quarzofeldspatiche argillite, marna basalto, gabbro (andesite, diorite) peridotite calcare, dolomia granito, riolite, granodiorite, arcose, grovacca ROCCE METAMORFICHE ardesia, fillade, scisto, micascisto, gneiss, migmatite metabasalto, spilite, scisto verde, anfibolite, scisto blu, eclogite serpentinite marmo metagranito, metariolite, scisto, gneiss rocce silicee arenaria quarzosa, selce quarzite tipi di rocce metamorfiche nomenclatura sulla base di P-T e protolite 172 Pressione (GPa) Rocce con protolite basico (basalto, gabbro, andesite) scisto blu eclogite anfibolite granulite mafica scisto verde spilite (fondo oceanico) c o r n u b i a n i t e Temperatura ( C) profondità (km)

22 tipi di rocce metamorfiche nomenclatura sulla base di P-T e protolite 173 Pressione (GPa) Rocce con protolite pelitico (argillite) fillade ardesia eclogitica felsica granulite scisto gneiss felsica c o r n u b i a n i t e Temperatura ( C) profondità (km) tipi di rocce metamorfiche nomenclatura sulla base di P-T e protolite 174 nome della roccia foliazione dimens. cristalli (di mica) associazione mineralogica ARGILLITE assente microscopica minerali argillosi, quarzo, calcite grado metamorfico basso medio alto ardesia fillade sottile distinta microscopica visibile con lente quarzo, clorite, muscovite, plagioclasio scisto scistosità ben visible gneiss layering composizionale medio-grossa quarzo, muscovite, quarzo, biotite, biotite, plagiocl., plagiocl., granato granato, staurolite sillimanite nome della roccia foliazione dimens. cristalli (di mica associazione mineralogica BASALTO assente visibile con lente olivina, pirosseno, plagioclasio scisto verde distinta visibile con lente anfibolite poco distinta (anfibolo) visibile a occhio clorite, epidoto, anfibolo, epidoto, plagiocl., (calcite) plagiocl., (calcite) granulite indistinta (no miche) medio-grossa pirosseno, plagioclasio granato

23 tipi di rocce metamorfiche nomi speciali 175 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 variazioni P-T 176 le associazioni mineralogiche delle rocce metamorfiche permettono di ricostruire in che modo è variata P rispetto a T (gradiente termobarico del metamorfismo)