I meccanismi del metamorfismo:
Il metamorfismo è un fenomeno che implica movimenti di materia, nella fattispecie a livello atomico accede che:
I minerali instabili devono scomparire e quindi gli atomi che li costituiscono migrare;
La formazione di nuovi nuclei è possibile in zone in cui gli atomi pervengono ed acquistano configurazione stabile;
Le specie chimiche che accrescono i minerali di neoformazione devono arrivare al nucleo in cui assumere posizione stabile;
Perchè ciò avvenga occorre che siano attivi i seguenti meccanismi:
Attivazione: perché una reazione avvenga è necessario superare un valore di energia gia propria del sistema prima di ogni cambiamento, una volta che la soglia è superata, poiché il sistema assorbe una quantità di energia superiore alla quantità di energia gia in suo possesso per mantenere l’equilibrio, le particelle aumentano l’ampiezza della loro oscillazione, fino a superare la forza di attrazione del reticolo cristallino e a svincolarsi da esso.
Migrazione: gli ioni di neoformazione, nati dalla scomposizione dei vecchi minerali, per formare nuovi composti devono necessariamente migrare e incontrare ioni diversi da quelli con cui erano legati, costituiranno così nuove molecole e nuovi composti minerali.
Nucleazione ed accrescimento dei cristalli: la comparsa dei minerali prodotto di metamorfismo è preceduta da enucleazione, fenomeno il quale altro non indica che la formazione di protocrstalli di dimensioni infinitesime. La formazione di questi germi cristallini è seguita da crescita degli stessi oltre la soglia di equilibrio e quindi stabilizzazione dei nuovi minerali, o da loro ridissociazione.
Le trasformazioni metamorfiche:
E’ lapalissiano che la presenza in una roccia di più composti minerali faciliti la reazione tra di essi e quindi l’abbassamento di pressione e temperatura necessari per dar luogo a reazione metamorfica. Il riconoscimento delle possibili fasi relitte in una roccia metamorfica è molto interessante, a ciò si aggiunga l’analisi delle reazioni possibili nel senso chimico tra i componenti del sistema e si avrà un quadro completo della storia del litoide oggetto di osservazione.
Le reazioni mineralogiche tipiche del metamorfismo:
Le reazioni possibili tra minerali, in fase metamorfica,sono molteplici:
Reazioni Solido-Solido: Sono reazioni in cui è nullo il dispendio e la produzione di fasi volatili, ciò indica che l’ausilio di fluidi non è rilevabile o è nullo. La reazione solido-solido più nota è la reazione che da origine a diversi polimorfi da una specie originaria.
Reazioni di deidratazione: sono reazioni che o avvengono in un sistema in cui i reagenti sono acqua più i due componenti minerali, o danno luogo alla formazione di acqua o di ioni da essa derivata come prodotti di reazione.
Reazioni di ossiriduzione: Le reazioni che consumano ossigeno sono piuttosto comuni nel campo metamorfico,
Reazioni di devolatilizzazione con fluido multicomponente: caratterizzate soprattutto dalla deidratazione da componenti interni al sistema, non è necessario rammentare che il fluido interno alle rocce è sempre multicomponente, ciò implica che la CO2 possa reagire con l’acqua sottraendola di fatto alla disponibilità delle fasi cristalline, così come il biossido di carbonio altre fasi fluide possono essere parimenti reattive tra esse.
Raggiungimento dell’equilibrio chimico: Il raggiungimento dell’equilibrio chimico non è necessariamente sempre una condizione inevitabile, talvolta la scarsità dei reagenti o le mutate condizioni al contorno non permettono il completamento della reazione, forniscono in questo modo interessanti indizi metrologici sul reale svolgersi del metamorfismo.
Le trasformazioni strutturali:
Per struttura di una roccia intendiamola disposizione delle sua parti, la loro grandezza, l’eventuale forma, e il complesso di caratteristiche osservabili che ne permettono la classificazione. Le trasformazioni della struttura nel metamorfismo sono dovute al fatto che le condizioni devono essere tali da permettere l’equilibrio a condizioni di energia interna minore possibile. La struttura dei litoidi metamorfici presenterà due serie di caratteri precisi:
I caratteri ereditati o relitti, rappresentati dai caratteri di natura premetamorfica che permettono l’identificazione del protolite.
I caratteri strutturali acquisiti, eccellenti registrazioni della dinamica del processo e delle caratteristiche dell’ambiente in cui esso è avvenuto.
Le trasformazioni strutturali possono essere anche pervasive, tra le prevasive distinguiamo:
I processi costruttivi, legati alla formazione di nuove fasi mineralogiche stabili, implicando nucleazione e costituzione di blasti.
I processi distruttivi, consistenti in distruzione di fasi mineralogiche preformatesi, tra gli altri si annoverano: cataclasi, macinazione, disgregazione ecc.
Le strutture visibili ad occhio nudo sono:
Strutture isotrope, comune anche in rocce d’altra origine è distinta dalla disposizione casuale degli elementi.
Strutture anisotrope, anche se il termine anisotropo e specifico solo della direzionalità della struttura che presenta nei blasti o nelle deformazioni orientazione preferenziale, e quindi è tipico anche degli altri ambienti( Magmatico e sedimentario) le rocce metamorfiche hanno anisotropie tipiche che vanno sotto il nome di:
Anisotropie planari, caratterizzate da alternanza di letti differenti
per composizione o layering,
per dimensione
per variazione nell’effetto deformativi
Le deformazioni planari nelle rocce possono coesistere.
La scistosità è un tipo di filiazione tipica delle rocce metamorfiche, essa è determinata dalla presenza di componente orientata nelle pressioni di formazione, è caratterizzata dalla formazione diletti a granuli inequidimensionali,
Il clivaggio è una anisotropia metamorfica dovuta alla caratteristica della roccia di dividersi in superfici subparallele.
La gneissosità è distinguibile nelle metamorfici da presenza di nuovi granuli, negli gneiss questa deformazione produce letti di dimensioni superiori al centimetro.
Esistono anche anisotropie di tipo lineare le quali vanno tutte sotto il nome di lineazione, pur comprendendo:
Allineamento degli assi maggiori dei granuli mineralogici allungati.
Allineamento degli aggregati mineralogici.
Parallelismo delle linee di cerniera di pieghe di piccole dimensioni.
Intersezioni di due foliazioni.
Altro capitolo di particolare significati nell’indagine della fase metamorfica è la presenza di microstrutture:
Relativamente alle classificazioni dimensionali abbiamo:
Microstruttura omeoblastica: caratterizzata da omogeneità dimensionale dei granuli
Microstruttura eteroblastica: caratterizzata da differenti dimensioni nei blasti.
Microstruttura porfiroblastica: caratterizzata da presenza di blasti di dimensioni maggiori in una pasta di fondo fatta da cristalli molto minuti.
Per quanto riguarda la forma dei cristalli classifichiamo:
Microstruttura idioblastica: caratterizzata da alto numero di cristalli euedrali.
Microstruttura xenoblastica in cui è prevalente la percentuale di cristalli anedrali.
Osservando l’orientazione dei cristalli si classano:
Microtruttura decussata: sostanzialmente isotropa.
Microstruttura lepidoblastica: tipicamente formata da minerali lamellari aventi spiccata orientazione planare.
Rapporto tra cristallizzazione e deformazione:
Lo svolgersi del processo metamorfico nella sua interezza non può essere istantaneo, se si osservano i caratteri microscopici delle rocce si troverà facilmente che essi sono in rapporto di anteriorità e posteriorità tra di essi, esattamente si potranno definire tre categorie:
Precinematici: saranno definiti i cristalli che preesistevano rispetto al metamorfismo;
Sincinematici: saranno detti i blasti che si formano durante il metamorfismo;
Postcinematici: si definiranno i minerali di formazione posteriore rispetto al processo metamorfico;
L’irreversibilità delle reazioni metamorfiche:
Le reazioni metamorfiche, pur non confermando la teoria chimica che le dovrebbe spiegare, risultano essere irreversibili. L’irreversibilita delle reazioni metamorfiche si deve imputare a:
Una causa cinetica, le reazioni metamorfiche si realizzano a condizioni fondamentalmente differenti da quelle a cui le rocce affiorano, ciò implica che la velocità con cui procede l’eventuale reversibilità è nulla.
Una causa chimica, l’attività di catalizzatore del fluido non permane in condizioni superficiali, in termini scabri ma vicini al vero la fase fluida stessa non permane, in sua assenza le reazioni risultano molto improbabili.
Classificazione degli effetti metamorfici:
Tipi di metamorfismo:
Una valida classificazione dei tipi di metamorfismo è la scala a cui essi avvengono, essa rivela esistenti:
Il metamorfismo regionale, visibile alla scala maggiore e rilevabile in intere regioni geologiche.
Il metamorfismo di contatto, esso interessa l’area di contatto tra corpi intrusi e rocce incassanti.
Il metamorfismo delle zone di taglio, osservabile lungo tagli e fratture dipendenti dalla tettonica che faglia il terreno.
Vanno inoltre classificati:
Il metamorfismo di fondo oceanico che si sviluppa lungo le dorsali ed è provocato dalle particolari condizioni termiche.
Il metamorfismo di seppellimento, indicativo di zone a bassa variazione termica e gradiente di pressione considerevole.
Grado metamorfico:
Petrologicamente gli effetti del metamorfismo possono essere divisi in almeno tre gradi, i quali gradi sono diversi per tenore della temperatura e pressione nonché per gli effetti sul litoide. Esistono, sebbene le quali debbano essere adattate al tipo di litologia oggetto di esame, una temperatura di inizio ed un di fine metamorfismo, tra questi due estremi distinguiamo le tre variabili. Per temperature crescenti esistono associazioni mineralogiche differenti con i loro minerali indice, una serie ancora in uso è quella di barrow, lo studioso identifica temperature crescenti sulla basa della presenza di :
Clorite
Biotite
Almandino
Staurolite
Cianite
Sillimannite.
Facies metamorfica
Per facies metamorfica si intende l’insieme delle associazioni mineralogiche che si formano all’equilibrio nel medesimo intervallo di condizioni ambientali a partire da rocce di diversa composizione. Esiste quindi una relazione tra chimismo originario, condizioni ambientali e mineralogia risultante. Da un complesso di rocce differenti per composizione, sottoposte a medesimo stress e temperatura, vedremo affiorare una serie di minerali simili o per lo meno appartenenti alla stessa facies metamorfica.
Le facies comunemente accettate sono:
Facies delle zeoliti
Facies lawsonite albite
Facies lawsonite-giadeite+quarzo
Facies lawsonite glaucofane
Facies delle cornubianiti ad albite+epidoto
Facies delle cornubianiti ad orneblenda
Facies delle cornubianiti a codierite +feldspato potassico
Facies degli scisti verdi
Facies degli scisti verdi glaucofanitici
Facies delle anfiboliti a cordierite
Facies delle anfiboliti ad almandino
Serie di facies e gradienti termici metamorfici
Secondo gli studiosi, Miyashiro tra i più noti, esistonotre facies fondamentali denominate:
Metamorfismo di alto gradiente termico, caratterizzato dalla presenza di andalusite
Metamorfismo di medio gradiente termico, in cui il minerale tipico è la cianite
Metamorfismo di basso gradiente termico, a ccui si attribuisce la presenza di giadeite+quarzo.
Tutti e tre i tipi di metamorfismo richiedono la presenza di adeguata composizione del protolite per permettere la formazione dei prodotti tipici del gradiente.
Anchimetamorfismo
Le manifestazioni di inizio metamorfismo sono comunque, indipendentemente dal tipo di metamorfismo, inquadrabili come anchimetamorfismo. Le rocce acide, quelle politiche e quelle carbonatiche non registrano i gradienti tipici di questo intervallo, le associazioni basiche invece possono andare incontro anche a significative trasformazioni. La facies tipica di questo tipo di metamorfismo è quella delle zeoliti, i minerali tipici laumontite e waikarite. Le temperature che causano questo genere di metamorfismo sono comprese tra poco meno di 200° e poco più di 300°.
Metamorfismo di seppellimento
L’intervallo termico,tipico di questo metamorfismo, è simile a quello dell’anchimetamorfismo,mentre la variabile di un certo spessore è rappresentata dalla pressione. E’ conosciuto anche come metamorfismo da alta pressione. Le rocce basiche risultano essere ancora le più reattive rispetto agli stress indotti in questo metamorfismo
Metamorfismo da contatto
Qualora un magma in risalita risalga attraverso rocce incassanti, esso deve necessariamente per contrasto cedere calore alle rocce in cui si è iniettato. L’insieme delle rocce incassanti che hanno subito un riscaldamento sufficientemente alto da innescare reazione metamorfica forma l’aureola di contatto, essa ha uno spessore variabile da caso a caso, comunque è influenzata da tre fattori:
Quantità totale del calore ceduto, funzione sia della temperatura del fuso che del suo volume.
Efficacia del trasferimento di calore da fuso a rocce incassanti.
Profondità del sistema, o grado di isolamento di esso.
In genere la profondità a cui si verifica il fenomeno in oggetto è varabile tra i 3 e gli 8 chilometri, questo implica una pressione non superiore ai 2 Kb. Le temperature variano tra i 550-600°C dei plutoni acidi e i 700-750°C dei fusi basici. Considerato il basso grado della pressione in gioco e la temperatura elevata, le associazioni mineralogiche che si formano sono tipiche anche del metamorfismo di alto gradiente. La differenza principale è da ricercarsi nella scistosità che a livello strutturale caratterizza i depositi metamorfici del tipo “da contatto”.
Le facies tipiche di questo metamorfismo sono:
Facies delle cornubianiti ad albite ed epidoto
Facies delle cornubianiti ad orneblenda
Facies delle cornubianiti a cordierite+feldspato potassico.
Metamorfismo regionale
Il metamorfismo regionale occupa una vasta area di pressioni e temperature, risulta utile perciò dividerlo in due fasi, una di alta ed una di bassa pressione.Più in dettaglio:
Metamorfismo regionale di alto gradiente termico, è detto anche metamorfismo regionale di bassa pressione, questo metamorfismo comprende la facies degli scistiverdi e la facies delle anfiboliti a cordierite. La zoneografia è fitta. La presenza di cordierite ed andalusite sono indicativi di questo tipi di metamorfismo.
Metamorfismo regionale di gradiente termico intermedio, noto anche come barrowiano o di pressione intermedia, il metamorfismo di questa natura presenta la facies degli scistiverdi e la facies delle anfiboliti ad almandino. Gli aspetti mineralogici associati sono la presenza di almandino e cianite ed assenza di cordierite ed andalusite.
Nomenclatura delle rocce metamorfiche:
Agmatite: varietà di migmatite con struttura a breccia
Anfibolite: roccia metamorfica in cui il tenore in anfiboli neri verdi o bruni superi il 75%, l’ortopirosseno è assente.
Ardesia o Argilloscisto: roccia a grana da ultrafine a molto fine, di grado metamorfico molto basso.
Arterite: varietà di migmatite in cui le parti più scure sono iniettate di materiale più chiaro.
Calcefiro: marmo contenente un’alta percentuale di silicati di Ca e Mg, formatosi per metamorfismo di contatto.
Calcescisto: scisto ricco in carbonati;
Cornubianite: roccia a grana finecostuita da un mosaico di granuli equidimensionali.
Ecloghite: caratterizzata dalla assenza di plagioclasio e dalla forte presenza di granato ed omphacite.
Fillade: roccia di grado metamorfico basso caratterizzata da struttura scistosa che interessa i fillosilicati, la grana è da fine a media.
Fillonite: milonite ricca in fillosilicati.
Gneiss: Tipicamente ricco in feldspato e quarzo, la sua struttura è detta gneissica ed è specifica, esistono anche gneiss lineati.
Granofels: struttura granofelsica, cioè specifica, talvolta a bande di diversa composizione.
Granulite: metamorfica di alto grado, questa roccia presenta plagioclasio ed assenza di muscovite primaria.
Marmo: la composizione più tipica è carbonatica>50%, i minerali possono essere aragonite, calcite o dolomite sia singolarmente che associati.
Migmatite: roccia eterogenea di natura silicatica, composta da parti chiare dette leucosoma e scure dette melanosoma. Il luecosoma presenta caratteri plutonici acidi e il melanosoma presenta caratteri metamorfici.
Milonite: prodotto di faglia principalmente caratterizzato da riduzione di grana, foliazione penetrativa, spesso lineazione.
Quarzite: roccia metamorfica con tenore di quarzo >80%
Scisto: tipicamente scistosa nella struttura è anche caratterizzata da quarzo e feldspato.
Scisti blu: scisto colorato di blu per la presenza di anfibolo sodico.
Scisto verde: scisto verdastro per la presenza di attinolite, clorite ed epidoto.
Serpentinite: roccia in cui la percentuale delle serpentiniti è >80%.
