DEFINIZIONE di METAMORFISMO Durante il processo metamorfico i minerali pre-esistenti di una roccia vengono portati a temperature e pressioni diverse da quelle originali di formazione. Essendo variate le condizioni iniziali, la paragenesi dei minerali cambia, con modifiche, strutturali e/o chimiche.

Fuso + Di Queste modificazioni avvengono in condizioni di subsolidus. Ovvero allo stato solido (Al di sotto della temperatura di solidus di un sistema) Fuso + Di

Le rocce prodotte da questo processo sono versioni La trasformazione allo stato solido di un materiale geologico in un altro, in risposta alla variazione di temperatura, pressione o composizione chimica dell’ambiente è definita: Metamorfismo Le rocce prodotte da questo processo sono versioni ricristallizzate di rocce preesistenti (sedimentarie, ignee o altre rocce metamorfiche).

L’intervallo termico del metamorfismo è: Temperature superiori a quelle della diagenesi (>200 °C); Le temperature massime in genere sono <800 °C (temperature alle quali può iniziare la fusione di particolari tipi di rocce, specie in presenza di H2O).

CAMPO P-T nel quale si realizzano i PROCESSI METAMORFICI INTERVALLO GENERICO DI TEMPERATURA- PRESSIONE DEL METAMORFISMO

PRESSIONE LITOSTATICA TIPI di PRESSIONI nel METAMORFISMO PRESSIONE LITOSTATICA PRESSIONE ORIENTATA o DIREZIONALE È identica alla IDROSTATICA NON DEFORMA ma si limita a RIDURRE i VOLUMI DEFORMA MINERALI e ROCCE

DEFINIZIONE di METAMORFISMO L’evento metamorfico può essere classificato sulla base di diversi criteri quali: - Estensione del metamorfismo (es. regionale o locale); - Ambiente geologico (es. orogenico, di seppellimento, di fondale oceanico, di contatto, etc.); - Causa particolare del metamorfismo (es. di impatto, idrotermale, di contatto, etc.); - Numero di eventi (mono-metamorfismo o poli-metamorfismo); - Variazione della temperatura (es. prògrado o retrògrado).

Tipi di metamorfismo In base all’ambiente geologico, il metamorfismo viene generalmente diviso in REGIONALE e LOCALE Il Metamorfismo Regionale si esplica su grandi volumi di roccia e gli effetti si misurano su larga scala (scala regionale). - Metamorfismo Orogenico (o Regionale s.s.); 1) metamorfismo di subduzione; 2) metamorfismo di collisione. Questo tipo di metamorfismo è associato alla formazione di catene montuose (es. Ande, Alpi). Le deformazioni sono comuni. Durata di vari milioni di anni.

Il Metamorfismo Locale esplica i suoi effetti a scale molto più ridotte rispetto al metamorfismo regionale. Metamorfismo di piano di faglia; Per attrito tra prodotto dallo scivolamento di due blocchi di roccia lungo un piano di faglia. Metamorfismo di Contatto; In presenza della messa in posto di corpi ignei. Metamorfismo = calore rilasciato dal corpo magmatico (favorito dalla presenza di fluidi del magma). La zona di contatto è detta Aureola Metamorfica e può avere uno spessore da pochi metri a pochi km. Rocce tipiche: hornfels (rocce silicatiche), marmi (rocce carbonatiche), skarn (rocce silico-carbonatiche).

Spazio Pressione-Temperatura (PT) Temperatura (°C) Profondità (k m ) 200 400 600 800 5 1 2 3 Pressione (atm) 5000 10000 60oC/km = Arco vulcanico Metamorfismo di contatto 40oC/km = Arco continentale Metamorfismo regionale 25oC/km = Crosta non più attiva Non registrato in natura (se non nei casi di metamorfismo da impatto)

Protoliti: Ultrafemico Femico Pelitico Carbonatico Siliceo Quarzoso-feldspatico Elevato MgO, FeO, Ni, Cr (peridotite, dunite, pirossenite) Alto FeO, MgO, CaO, bassa SiO2 (basalto, gabbro, andesite, diorite) Elevata Al2O3, K2O, SiO2 (argilla) Elevato CaO, MgO, CO2 (calcare, dolomia) Quasi solo SiO2 (arenaria quarzosa, selce) Elevata SiO2, Na2O, K2O, Al2O3 (granito, granodiorite, arcose, grovacca)

I minerali costituenti le rocce metamorfiche (in funzione della composizione del protolite) ultrafemico femico carbonatico pelitico quarzoso-feldspatico olivine augite diopside ortopirosseno tremolite antofillite serpentini cloriti talco flogopite cromite magnetite augite omfacite giadeite ortopirosseno glaucofane orneblenda actinolite epidoti lawsonite plagioclasi biotite zeoliti quarzo calcite sfene granati magmetite ilmenite calcite dolomite aragonite olivine diopside tremolite wollastonite talco flogopite periclasio vesuviana grafite granati pirite pirrotina quarzo miche bianche biotiti cloriti plagioclasi felds. alcalini pirofillite sillimanite cianite andalusite staurolite granati calcite cloritoide cordierite tormalina caolino magnetite ilmenite quarzo plagioclasi feld. alcalini cloriti biotite miche bianche sillimanite cianite andalusite granati cordierite giadeite lawsonite epidoti pumpellyite zeoliti glaucofane calcite magnetite

* * * * * * * * * * * * Eventi metamorfici: Monometamorfismo Protolito a b a = Monofase P * P * b = Polifase * Picco di temperatura * * * T T Picco di pressione Polimetamorfismo a b Non è assolutamente facile stabilire se si tratta di uno solo o di più eventi metamorfici. P P * * * * * * T T

I Processi metamorfici si realizzano in genere per un innalzamento della Temperatura Tempo Temperatura massima raggiunta nell’evoluzione metamorfica Termine della cristallizzazione metamorfica C D Inizio dell’incremento termico M. Prògrado M. Retrògrado B Inizio della cristallizzazione metamorfica A Assemblaggio finale Protolito (T = X; t = 0)

A D B C Ambiente Magmatico Profondità (km) Temperatura (°C) Sedim. 40 30 20 10 Profondità (km) Ambiente Magmatico Sedim. 100 300 500 700 900 Temperatura (°C) Campo non esistente in natura A D B C Da B a C Metamorfismo Prògrado Da C a D Metamorfismo Retrògrado Temperatura Tempo A B D C M. Prògrado M. Retrògrado

A B D C B’ Ambiente Magmatico Profondità (km) Temperatura (°C) Sedim. 40 30 20 10 Profondità (km) Ambiente Magmatico Sedim. 100 300 500 700 900 Temperatura (°C) Campo non esistente in natura Da B a C Metamorfismo Prògrado Da C a D Metamorfismo Retrògrado A B D Da B a B’ si registra un elevato rapporto DP/DT C Temperatura Tempo A B D C M. Prògrado M. Retrògrado B’

Campo non esistente in natura 40 30 20 10 Profondità (km) Ambiente Magmatico Sedim. 100 300 500 700 900 Temperatura (°C) Campo non esistente in natura D C A B Basso rapporto DP/DT Temperatura Tempo A B D C M. Prògrado M. Retrògrado

Deformazione Come risultato della tettonica delle placche, la crosta è costantemente sotto stress. Le rocce rispondono allo stress (alle sollecitazioni) in vari modi. La risposta può essere rigida (e in questo caso le rocce tendono a rompersi) o duttile (e in questo caso le rocce tendono a deformarsi). In modo molto generale possiamo dire che la crosta superiore è caratterizzata da un comportamento di tipo rigido (perché è relativamente più fredda).

Deformazione Deformazione Fragile Deformazione Duttile Basse T, Deformazione rapida Deformazione Duttile Alte T, Deformazione lenta

Effetti della Pressione Orientata sulla morfologia dei minerali I cristalli tendono ad appiattirsi per dissoluzione nelle aree (S) sottoposte a maggior pressione; il materiale ricristallizza nelle aree (D) in cui la pressione è minore. L’asse maggiore della deformazione si dispone in un piano perpendicolare alla direzione di massima intensità della pressione orientata.

La Scistosità è una struttura planare derivante dalla disposizione parallela o sub-parallela di minerali prodotta da processi metamorfici di PRESSIONE ORIENTATA. 1

Anisotropie nelle rocce a. Stratificazione Composizionale b. Orientazione preferenziale di fillosilicati c. Forma di cristalli deformati d. Variazione nella dimensione dei cristalli e. Orientazione preferenziale di fillosilicati in una matrice isotropa f. Orientazione preferenziale di aggregati minerali lenticolari g. Orientazione preferenziale di fratture h. Combinazione dei precedenti casi.

STRUTTURE DELLE ROCCE METAMORFICHE

La ricristallizzazione di una roccia metamorfica può essere essenzialmente di due tipi: Ricristallizzazione dell’aggregato sotto l’effetto della pressione litostatica e di quella orientata. Ricristallizzazione dell’aggregato sotto l’effetto della sola pressione litostatica.

L’aggregato ideale, formato da un’unica fase cristallina le cui facce hanno tutte la stessa tensione superficiale, genera giunti tripli con angoli perfettamente uguali a 120˚. La microstruttura delle rocce metamorfiche, si genera tramite il processo definito cristalloblastesi (germogliamento). Tale microstruttura è definita CRISTALLOBLASTICA.

La Blastesi comporta sia la formazione di nuove specie mineralogiche che la ricristallizzazione degli stessi minerali presenti nel protolite.

Termini descrittivi importanti: Microstruttura: la disposizione dei costituenti della roccia (inter-relazioni geometriche, forme e caratteristiche interne) osservabile al microscopio. Struttura: Come il precedente ma a scala macroscopica (con il campione in mano). Scistosità: Orientazione preferenziale di minerali o aggregati di minerali inequidimensionali prodotta da processi metamorfici. I minerali inequidimensionali non sono isodiametrici (isodiametrico = ~dello stesso diametro nelle 3 dimensioni).

Il concetto di scistosità è alla base della classificazione delle rocce metamorfiche: Scistosità ben sviluppata: Presente in rocce con elevato numero di minerali inequidimensionali disposti con elevato grado di orientazione preferenziale. Le superfici sono pervasive con meno di 1 cm di spaziatura). La roccia che può essere facilmente rotta in piani sottili (<1cm) ha una struttura scistosa e viene definita: SCISTO

Scistosità poco sviluppata: Presente in rocce con pochi minerali inequidimensionali e/o con minerali disposti con basso grado di orientazione preferenziale o con elevato grado di orientazione preferenziale ma con zone ripetitive piuttosto distanti (spaziatura superiore ad 1 cm). La roccia che può essere difficilmente rotta in piani ha una struttura gneissica e viene definita: GNEISS

Scistosità assente: Presente in rocce con pochi o senza minerali inequidimensionali non disposti con alcun grado di orientazione preferenziale. La roccia che non mostra alcuna anisotropia planare ha una struttura granofelsica e viene definita: GRANOFELS

Lo sviluppo della scistosità è essenzialmente legato alla presenza di fillosilicati. In genere maggiore è la presenza di fillosilicati, maggiore sarà lo sviluppo della scistosità. Rocce di grado metamorfico elevato sono caratterizzate da bassi contenuti di H2O e quindi basso o assente contenuto in fillosilicati. Gli Gneiss sono rocce con bassa percentuale di fillosilicati, quindi hanno scarsa scistosità

Microstruttura Granoblastica Omeoblastica. Se le dimensioni dei minerali sono abbastanza uniformi, si parla di microstruttura OMEOBLASTICA. Microstruttura Granoblastica Omeoblastica. Notate come i plagioclasi (a sx) e la calcite (a dx) si incrociano con giunzioni triple a ~120°. Questa è la caratteristica tipica della microstruttura Granoblastica.

Se le dimensioni dei minerali sono differenti, le rocce hanno una microstruttura ETEROBLASTICA o PORFIROBLASTICA ed i cristalli più grandi sono detti porfiroblasti. Microstruttura Eteroblastica (Porfiroblastica). Notate il grosso cristallo di quarzo deformato rispetto alla dimensione degli altri granuli.

Nel caso in cui i cristalli più grandi fosseri dei “relitti” di cristalli dell’assemblaggio del protolito non ancora trasformati si parla di microstruttura BLASTOPORFIRICA.

Un tipo di microstruttura eteroblastica è quella OCCHIADINA (Augen).

Se esiste una iso-orientazione dei minerali appiattiti o lamellari (es Se esiste una iso-orientazione dei minerali appiattiti o lamellari (es. miche) si parla di microstruttura LEPIDOBLASTICA. Lepidoblastica Grano-Lepidoblastica

Se esiste una iso-orientazione dei minerali prismatici o allungati (es Se esiste una iso-orientazione dei minerali prismatici o allungati (es. anfiboli, sillimanite, pirosseni, epidoti) si parla di microstruttura NEMATOBLASTICA.

Se esiste una iso-orientazione dei minerali fibrosi o aciculari (es Se esiste una iso-orientazione dei minerali fibrosi o aciculari (es. sillimanite fibrolitica o actinolite) si parla di microstruttura FIBROBLASTICA.

Se i granuli inequigranulari sono orientati a caso si parla di microstruttura DECUSSATA o DIABLASTICA.

Quando i porfiroblasti contengono inclusioni di altri minerali sono definiti PECILOBLASTI e la microstruttura è definita PECILOBLASTICA. La microstruttura peciloblastica descrive porfiroblasti nel cui interno sono presenti inclusioni di altri minerali. In questo esempio: tormalina (arancione) e K-feldspato (grigio) includono piccoli granuli di mica e quarzo.

cristalli euedrali cristalli anedrali Omeoblastica Eteroblastica: Tutti i cristalli hanno grosso modo le stesse dimensioni: I cristalli hanno dimensioni significativamente variabili TESSITURE Omeoblastica TESSITURE Eteroblastica: Idioblasti = cristalli euedrali Xenoblasti = cristalli anedrali

Concetti base per la classificazione delle rocce metamorfiche La classificazione deve essere effettuata attraverso lo studio mineralogico e petrografico di un campione Termini che fanno riferimento esclusivamente alla composizione chimica dovrebbero essere evitati. I tre nomi di base principali (ai quali vanno aggiunti prefissi e suffissi) utilizzati per la classificazione delle rocce metamorfiche sono: SCISTO GNEISS GRANOFELS

Strutture ISOTROPE o MASSIVE Strutture ANISOTROPE Distribuzione spaziale dei singoli minerali o di gruppi di minerali. Si distinguono: Strutture ISOTROPE o MASSIVE I minerali che costituiscono l’aggregato mostrano una distribuzione casuale. Strutture ANISOTROPE L’orientamento dei minerali è condizionato dall’azione di pressioni direzionali. HORNFELS SCISTI e GNEISS

Foliazione e Lineazione Nel caso di una scistosità ben sviluppata: Disposizione planare pervasiva dei minerali è chiamata Foliazione Disposizione lineare dei minerali è chiamata Lineazione Minerali che tendono a definire piani di foliazione sono in genere i fillosilicati come le miche. I minerali che tendono a definire una lineazione sono minerali allungati, come gli anfiboli, e qualche volta il quarzo ed i feldspati.

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) Foliazione: una disposizione planare parallela dei minerali di una roccia. Esempio: FILLADE.

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) Lineazione: disposizione parallela-lineare dei minerali in una roccia. Come esempio si può considerare un mucchio di penne tenute in mano, tutte parallele le une alle altre. Esempio: GNEISS DIORITICO.

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) GNEISS

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) GNEISS

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) GNEISS

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) GNEISS

Foliazione e Lineazione (Struttura Scistosa) GNEISS

Granofels (Assenza di scistosità) Granulite: roccia senza scistosità. Esempio: ECLOGITE (basalto metamorfosato ad elevate pressioni e temperature e composto essenzialmente da granato e clinopirosseno).

Granofels (Assenza di scistosità) Hornfels: Granofels a grana fine formata per metamorfismo di contatto (alta T) a partire da un protolite argilloso.