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.

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metamorphismIUGS 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.

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fattori del metamorfismo

• 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)• 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

• Fluidi• Tempo

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fattori del metamorfismoTemperatura

fattori del metamorfismotipi di stress differenziale

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Distribuzione elementi lineari

σ1 > σ2 = σ3 foliazione, no lineazione! ! ! ellissoide deform. = pizza

σ1 = σ2 > σ3 lineazione, no foliazione! ! ! ellissoide deform. = salame

σ1 > σ2 > σ3 foliazione e lineazione! ! ! ellissoide deform. = ciabatta

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risposta della rocciacome si esplica il processo metamorfico

• 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

ricristallizzazionedinamotermico e deformazione regionale

(della roccia, non dei cristalli)

deformazionedinamico (della roccia e dei cristalli) locale

senza ricristallizzazione

ricristallizzazionesenza deformazionetermico locale (contatto)

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tipologie di metamorfismoagente

idrotermale(N.B.: metasomatismo) locale

TIPOLOGIA CARATTERISTICHE ESTENSIONE

di fondo oceanicoricristallizzazione

senza deformazione locale -> regionale

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tipologie di metamorfismoagente

• 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

protolite139

• 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, CO2• calcare, dolomia

• quasi solo SiO2• arenaria quarzosa, selce

• alto Si, Na, K, Al• granito, granodiorite, arcose, grovacca,

metamorfismocondizioni fisiche

• Diagenesi• fino a 150-200°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

140

processo metamorficonatura 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 metamorficonatura 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

• metamorfismo regionale orogenico• Barrow (1893-1912 ) : 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

143

processo metamorficonatura progressiva

metamorfismo regionale orogenicoScottish Highlands

144

• 6 zone a metamorfismo crescente

• definite da minerali-indice

• separate da isograde• comparsa di minerali-indice

al crescere del grado metamorfico

• metamorfismo Barroviano

metamorfismo regionale orogenicole “zone” di Barrow

• 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)

145

metamorfismo regionale orogenicotipo “Buchan”

146

• rapporto P/T leggermente inferiore al metamorfismo Barroviano• cinture orogeniche ad alto flusso di calore

metamorfismo regionale zona di subduzionepaired metamorphic belts, Japan

147

• 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)

metamorfismo regionale zona di subduzionepaired metamorphic belts, circumPacific region

148

metamorfismo di seppellimentoOtago, 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 contattoSkiddaw (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

metamorfismo di contattoCrestmore (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 metamorfismoil concetto di facies

• Goldschmidt (1911-1912)• 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 Al2SiO5

• rocce calcaree sviluppano minerali poveri in Al (diopside, wollastonite…)

• Eskola (1914-1915)• 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

152

153

caratterizzazione fisica del metamorfismofacies metamorfiche

• 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

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)

caratterizzazione fisica del metamorfismoserie di facies metamorfiche

caratterizzazione fisica del metamorfismoserie 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

156

• 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

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini convergenti - zone di subduzione

157

• Depressione delle isoterme (introduzione di litosfera “fredda” nel mantello)

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini convergenti - zone di subduzione

158

159

• 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 metamorfismomargini convergenti - zone di collisione

160

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini convergenti - zone di collisione

161

• Facies di bassa pressione• Facies delle

cornubianiti • metamorfismo al

contatto di intrusioni ignee

ambientazione geodinamica del metamorfismometamorfismo di contatto

162

• Facies di bassa pressione• Facies delle

cornubianiti • metamorfismo al

contatto di intrusioni ignee

Crestmore (CA,USA)

Skiddaw (UK)

ambientazione geodinamica del metamorfismometamorfismo di contatto

163

•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)

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini divergenti

164

Rogers, Our dynamic Planet,Cambridge (2008)

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini divergenti

165

lave

gabbri

dicchi

acqua di marefredda e ossigenata

ossidi: Fe-Mnsolfuri: Fe-Cu-Zn

salamoie riducentialta T

zeoliti

scisti verdi

anfiboliti

rocce fresche

metamorfismo

bassissimo

basso

medio

facies grado

ambientazione geodinamica del metamorfismomargini divergenti

166

i minerali nelle rocce metamorfiche regola delle fasi

• 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

i minerali nelle rocce metamorfichereazioni metamorfiche

• reazioni discontinue • transizione di fase• essoluzione• solido-solido• devolatilizzazione

• reazioni continue• scambio ionico• redox• con specie in soluzione

167

168

reazioni polimorfe• Al2SiO5

• CaCO3

reazioni discontinue• Ab=Jd+Qtz• Ms+Qtz=Kfs+Sil+H2O

i minerali nelle rocce metamorfichereazioni metamorfiche

169

tipi di rocce metamorfichenomenclatura delle rocce metamorfiche

• 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

170

tessituragranagranagrana

tessiturafine media grossa

poco foliatacornubianite

(hornfels)

granofelsmarmoquarziteanfibolite

granofelsmarmoquarziteanfibolite

molto foliataardesiafillade

scisto gneiss

molto foliata e deformata per taglio

milonite scisto milonitico

gneiss occhiadino

tipi di rocce metamorfichenomenclatura tessiturale

171

PROTOLITEPROTOLITE ROCCE METAMORFICHE

argilliti (peliti) argillite, marna ardesia, fillade, scisto, micascisto, gneiss, migmatite

rocce basichebasalto, gabbro(andesite, diorite)

metabasalto, spilite, scisto verde, anfibolite, scisto blu, eclogite

rocce ultrafemiche peridotite serpentinite

rocce carbonatiche calcare, dolomia marmo

rocce quarzo-feldspatiche

granito, riolite, granodiorite, arcose, grovacca

metagranito, metariolite, scisto, gneiss

rocce silicee arenaria quarzosa, selce quarzite

tipi di rocce metamorfichenomenclatura sulla base del protolite

c o r n u b i a n i t e

172

50

40

30

20

10

0

scisto blu

scisto verde

anfibolitegranulitemafica

eclogite

Pres

sione

(GPa

) profondità (km)

Temperatura (°C)0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Rocce con protolite basico (basalto, gabbro, andesite)

spilite(fondo oceanico)

tipi di rocce metamorfichenomenclatura sulla base di P-T e protolite

c o r n u b i a n i t e

173

50

40

30

20

10

0

ardesiafillade

scistogneiss

eclogiticafelsica

Pres

sione

(GPa

)

profondità (km)

Temperatura (°C)0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Rocce con protolite pelitico (argillite)

granulitefelsica

tipi di rocce metamorfichenomenclatura sulla base di P-T e protolite

174

nome della roccia

foliazionedimens. cristalli

(di micaassociazionemineralogica

BASALTO

assente

visibile con lente

olivina, pirosseno,plagioclasio

scisto verde

distinta

visibile con lente

clorite, epidoto,plagiocl., (calcite)

anfibolitepoco distinta

(anfibolo)visibile a occhio

anfibolo, epidoto,plagiocl., (calcite)

granuliteindistinta

(no miche)medio-grossa

pirosseno,plagioclasio

granato

nome della roccia

foliazionedimens. cristalli

(di mica)associazionemineralogica

ARGILLITE

assente

microscopica

minerali argillosi,quarzo, calcite

ardesia fillade

sottile distinta

microscopica visibile con lentequarzo, clorite,

muscovite,plagioclasio

scisto

scistosità

ben visiblequarzo, muscovite,

biotite, plagiocl.,granato, staurolite

gneisslayering

composizionalemedio-grossaquarzo, biotite,

plagiocl., granatosillimanite

grado metamorfico basso medio alto

tipi di rocce metamorfichenomenclatura sulla base di P-T e protolite

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tipi di rocce metamorfichenomi speciali

• 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

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variazioni P-T

• le associazioni mineralogiche delle rocce metamorfiche permettono di ricostruire in che modo è variata P rispetto a T (gradiente termo-barico del metamorfismo)