Laurea Triennale in Geologia A.A. 2012-2013 Corso di PETROGRAFIA Laurea Triennale in Geologia Angelo Peccerillo tel: 075 5852608 e-mail: angelo.peccerillo@unipg.it home page: www.unipg.it/pecceang/ Lezione del 8 Novembre 2012

Metamorfismo progrado e metamorfismo retrogrado Quando le rocce formatesi in condizioni superficiali vengono portate in profondità all'interno della Terra, esse vengono sottoposte a pressioni e temperature crescenti e si trasformano in rocce metamorfiche di grado sempre più elevato. Il metamorfismo che si realizza in condizioni di P e T crescenti, viene detto metamorfismo progrado. Tuttavia, una volta formate, molte rocce metamorfiche sono sottoposte a sollevamento, specialmente dopo la collisione continentale, e vengono portate verso la superficie (riesumazione metamorfica), dove le possiamo osservare in affioramento, dopo l'asportazione della copertura rocciosa da parte degli agenti erosivi. Nel corso del passaggio dalle condizioni di metamorfismo più o meno alto alla superficie terrestre, le rocce subiscono un decremento di P e T. I minerali e le strutture di alto grado metamorfico tendono a raggiungere l'equilibrio nelle decrescenti condizioni termobariche. Le trasformazioni mineralogiche e strutturali che si verificano durante il decremento di P-T prendono il nome di metamorfismo retrogrado (diaftoresi).

Metamorfismo progrado e metamorfismo retrogrado Le reazioni che si realizzano durante il metamorfismo progrado sono generalmente più veloci di quelle del metamorfismo retrogrado. La differenza tra le cinetiche di reazione dipende essenzialmente dal fatto che nel metamorfismo progrado sono generalmente presenti abbondanti quantità di fluidi che accelerano le trasformazioni mineralogiche. I fluidi vengono largamente persi nelle reazione che si verificano durante la risalita della temperatura e il successivo metamorfismo retrogrado si verifica in condizioni di bassa pressione di fluidi con conseguente rallentamento delle reazioni metamorfiche. Inoltre, il metamorfismo progrado procede generalmente per tempi più lunghi (di parecchi milioni o decine di milioni di anni) rispetto a quelli della riesumazione e del metamorfismo retrogrado. Ne deriva che pochi minerali di neoformazione si sviluppano dalle associazioni di alta P-T che sopravvivono in condizioni di disequilibrio. Pertanto, mentre le strutture e le composizioni mineralogiche di bassa P-T raramente sopravvivono al metamorfismo progrado, quelle di alto grado metamorfico si conservano quasi immutate durante il metamorfismo retrogrado. Ciò ci consente di trovare in superficie rocce metamorfiche formate a profondità di diecine o centinaia di km all'interno della Terra.

Reazioni metamorfiche Quando i minerali che compongono una roccia sono sottoposti ad alte pressioni e temperature, diventano instabili e si trasformano in altri minerali, più o meno per le stesse ragioni per cui un blocco di argilla si trasforma in mattone se messo a cuocere in una fornace. I minerali che si formano durante l'aumento del metamorfismo sono diversi a seconda: delle condizioni di metamorfismo (pressione, temperatura, fluidi - cioè del grado metamorfico) della composizione chimico-mineralogica della roccia originaria (protolito). Poiché lo spettro composizionale delle rocce ignee e sedimentarie è molto ampio e le condizioni di metamorfismo sono molto variabili, la composizione mineralogica delle rocce metamorfiche può essere estremamente variabile

Reazioni metamorfiche Le reazioni metamorfiche avvengono in seguito a diversi meccanismi. In alcuni casi si ha una semplice trasformazione della struttura dei minerali che conservano la loro composizione chimica. Gli esempi più noti sono le trasformazioni: andalusite ↔ cianite ↔ sillimanite calcite ↔ aragonite Andalusite, cianite e sillimanite sono tre modificazioni strutturali (polimorfi) del composto Al2SiO5. Calcite e aragonite sono due polimorfi del composto CaCO3. Altre reazioni determinano una completa trasformazione mineralogica, sia con liberazione di fluidi che senza un ruolo di queste fasi. Esempi di queste due reazioni sono: muscovite + quarzo → sillimanite + K-feldspato + H2O albite → giadeite + quarzo

Reazioni metamorfiche muscovite + quarzo → sillimanite + K-feldspato + H2O andalusite ↔ cianite ↔ sillimanite calcite ↔ aragonite albite → giadeite + quarzo

Caratteristiche diagnostiche e paragenesi di alcuni minerali metamorfici Nome Colore Sfaldatura Lucentezza Abito Paragenesi Muscovite Incolore, appare grigio-perlaceo nelle rocce Molto sviluppata Sericea Forte riflettività Lamellare molto evidente In scisti e gneiss in associazione quarzo, con K-feldspato, plagioclasio sodico, biotite etc. Sericite Bianco sericeo o verde pallido Sviluppata Lamellare a grana fine In filladi e altre rocce di basso grado metamorfico Clorite Verde Ben sviluppata Scarsa Lamellare In rocce di basso grado metamorfico. Molto abbondante in rocce basiche Epidoti Generalmente Verde Brillante Buona Lucentezza vitrea Piccoli prismi allungati In rocce di basso metamorfi-smo, derivate in genere da vulcaniti basiche Granati Generalmente rosso intenso Poco evidente Subvitrea Poligonale quasi roton-deggiante In rocce di medio e alto grado metamorfico derivate da argille o rocce ignee acide Calcite Incolore o grigio chiaro, ma poco dura e scalfibile dal ferro Romboe-drica edidente Vitrea incolore General-mente allotrio-morfa. Scalfibile dal metallo E' il costituente fondamentale dei marmi. Facilmente riconoscibile per l'effervescenza all'attacco acido Talco Bianco o sericeo Molto buona. Sensazione di untuosità al tatto In rocce di basso-medio grado, da protoliti basici o ultrabasici

Tipi di metamorfismo Burial

Tipi di metamorfismo Metamorfismo termico (o di contatto) Il metamorfismo termico si realizza nelle rocce intorno alle intrusioni magmatiche; il fattore principale è costituito dalla temperatura. Le reazioni metamorfiche avvengono nelle rocce incassanti al contatto con le intrusioni (da cui anche la denominazione metamorfismo di contatto). Le rocce termometamorfiche, pertanto, formano delle aureole intorno ai corpi intrusivi. Le rocce più prossime all'intrusione sono interessate da metamorfismo di grado più alto rispetto alle rocce distali. Le rocce di metamorfismo di contatto vengono indicate con il termine di cornubianiti.

Tipi di metamorfismo Metamorfismo termico (o di contatto)

Tipi di metamorfismo Metamorfismo dinamotermico (o regionale) Il metamorfismo dinamotermico (detto anche metamorfismo regionale perché si sviluppa su zone molto estese) coincide con le fasce orogeniche. Le rocce metamorfiche sono diffuse lungo le catene montuose profondamente erose. Il ruolo delle pressioni orientate nel metamorfismo regionale è evidenziato dalla grande abbondanza di rocce con strutture anisotrope (scistose, gneissiche, etc.), anche se non mancano rocce con struttura isotropa (granoblastica). Queste si formano generalmente nella crosta profonda dove prevalgono le pressioni idrostatiche. I minerali presenti nelle rocce di metamorfismo regionale sono rappresentati da una grande varietà di tipi tra cui i più comuni sono le miche chiare, la clorite, sillimanite, granato, anfibolo, cianite, biotite.

Tipi di metamorfismo Metamorfismo dinamotermico (o regionale)

Tipi di metamorfismo Metamorfismo di seppellimento Il metamorfismo di seppellimento si realizza al contatto tra zolle convergenti, specialmente nelle parti profonde delle serie sedimentarie delle fosse oceaniche. Esso è caratterizzato da pressioni elevate e da temperature abbastanza basse, dell’ordine di 200-350°C. Le pressioni sono sia di carico che deformative, per cui le strutture che si sviluppano sono di tipo orientato. Minerali indice di questo metamorfismo sono la giadeite e il glaucofane. Metamorfismo di seppellimento

Tipi di metamorfismo Metamorfismo di fondo oceanico Il metamorfismo di fondo oceanico interessa le rocce che costituiscono i fondi degli oceani. Esso è caratterizzato da pressioni sono molto basse, da temperature abbastanza elevate, legate al calore rilasciato dal mantello sottostante e dai magmi che risalgono lungo le zone di dorsale, e da un'elevata pressione di fluidi conseguente all'infiltrazione di acqua marina. L'intensa circolazione di fluidi acquosi produce importanti fenomeni di metasomatismo per cui le rocce di fondo oceanico subiscono un generale arricchimento in Na2O e CaO.

Tipi di metamorfismo Metamorfismo dinamico o cataclastico Il metamorfismo dinamico o cataclastico si verifica in zone di grandi fratture crostali, all'interfaccia tra grandi blocchi rocciosi in movimento differenziale. L'energia liberata dall'attrito tra blocchi rocciosi genera intensa frantumazione dei minerali, incremento di temperatura ed estesa ricristallizzazione. Le strutture tipiche delle rocce cataclastiche sono fortemente anisotrope e sono caratterizzate da grossi cristalli fortemente fratturati, inclusi in una matrice di cristalli di minute dimensioni. Le rocce di metamorfismo dinamico sono le miloniti, cataclasiti e pseudotachiliti.

I minerali metamorfici sono costituiti da un gran numero di specie. Alcuni (es. quarzo, anfibolo, pirosseno, plagioclasio, etc.) si trovano anche in rocce ignee e sedimentarie. Altri sono molto abbondanti soltanto nelle rocce metamorfiche (es. muscovite, granato), pur essendo presenti anche in altri litotipi. Infine esistono minerali esclusivi del metamorfismo. Questi includono cloritoide, staurolite, cordierite, andalusite, cianite, sillimanite, vesuviana, wollastonite, etc. Alcuni minerali (es. glaucofane, albite, sillimanite, etc.) cristallizzano in campi di pressione e temperatura abbastanza ristretti; altri (es. quarzo, calcite) si formano in un ampio campo di condizioni metamorfiche. I minerali caratteristici di certe rocce metamorfiche sono detti minerali indice; la loro comparsa nei terreni metamorfici segna la transizione da una zona metamorfica ad un'altra, indicando la transizione verso un diverso di metamorfismo. Il termine viene ora usato anche per indicare quei minerali che sono stabili in campi abbastanza ristretti di T-P e che possono fornire informazioni sul tipo e grado di metamorfismo.

Minerale Formula chimica Tipo di metamorfismo e protolito Actinolite Ca2(Mg,Fe)7Si8O22 (OH)2 Basso-medio grado metamorfico. Protoliti basici Albite NaAlSi3O8 Basso grado metamorfico in rocce di varia composizione Andalusite* Al2SiO5 Bassa P e media T in rocce derivate da peliti ricche in Al Antofillite* (Mg,Fe)7Si8O22(OH)2 Basso grado metamorfico in rocce basiche Biotite K(Mg,Fe)3AlSi3O10 Medio-alto grado metamorfico in rocce di varia composizione Calcite CaCO3 Clorite (Mg,Fe,Al)6(Al,Si)4O10(OH)8 Basso grado metamorfico in vari tipi di roccia Cloritoide (Mg,Fe)2(Al,Fe3+) Al3Si2O10(OH)4 Metamorfismo dinamotermico di basso e medio grado in rocce pelitiche Cianite* Alta pressione del metamorfismo regionale in rocce pelitiche ricche in Al2O3. Cordierite* (Mg,Fe)2Al4Si5O18 Metamorfismo di contatto e regionale di bassa pressione e temperatura medio-alta Diopside CaMgSi2O6 Alto grado metamorfico termico e regionale

Tipo di metamorfismo e protolito Epidoto Ca2(Al,Fe3+)3Si3O12 (OH) Minerale Formula chimica Tipo di metamorfismo e protolito Epidoto Ca2(Al,Fe3+)3Si3O12 (OH) Basso grado metamorfico in varie composizioni, specialmente basiche Giadeite* NaAlSi2O6 Rocce di metamorfismo di seppellimento Glaucofane* Na2Mg3Al2Si8O22(OH)2 Alta pressione (metamorfismo di seppellimento) su rocce basiche Granato (Fe,Mg,Mi,Ca)3 (Al,Fe3+)2Si3O12 Presente in vari gradi di metamorfismo con composizione del minerale che varia in funzione del protolito e delle condizioni P-T Hedenbergite CaFeSi2O6 Skarn K-feldspato KalSi3O8 Alto grado del metamorfismo regionale e termico Lawsonite* CaAl2Si2O7(OH)2.H2O Metamorfismo di basso grado in rocce basiche Muscovite KAl3Si3O10(OH)2 Tipica di metamorfismo regionale medio-alto in rocce pelitiche Olivina (Mg,Fe)2SiO4 Protolito ultrabasico o dolomie impure

Minerale Formula chimica Tipo di metamorfismo e protolito Orneblenda (Ca,Na)2-3 (Mg,Fe,Fe3+,Al)5 (Al,Si8O22(OH)2 Alto grado del metamorfismo termico e regionale Ortopirosseno (Mg,Fe)SiO3 Metamorfismo di alta temperatura. Tipico delle granuliti Plagioclasio (NaAlSi3O8, CaAl2Si2O8) I termini albitici sono tipici del basso metamorfismo. I termini intermedi si trovano in rocce di medio-alto grado metamorfico Prehnite Ca2Al2Si3O10(OH)2 Basso grado del metamorfismo di seppellimento Pumpellyite* Ca4(Mg,Fe)(Al, Fe3+)5Si6O23(OH)3. 2H2O

Minerale Formula chimica Tipo di metamorfismo e protolito Sillimanite* Al2SiO5 Alto grado del metamorfismo regionale in rocce pelitiche Staurolite* (Mg,Fe)2(Al,Fe3+)9 Si4O22(OH)2 Metamorfismo regionale di medio grado di rocce pelitiche Talco* Mg3Si4O10(OH)2 Basso-medio grado di metamorfismo dinamotermico in composizioni basiche e ultrabasiche Tremolite* Ca2Mg5Si8O22(OH)2 Basso grado metamorfico in composizioni basiche Vesuviana Ca19(Al,Fe)10(Mg,Fe)3 [Si2O7]4[SiO4]10 (O,OH,F)10 Termometamorfismo di alto grado in rocce calcaree e negli skarn. Wollastonite* CaSiO3 Metamorfismo di contatto di alta temperatura su calcari impuri