Processos físico-químicos do metamorfismo

Texto extraído e modificado de: 1. TEIXEIRA, Wilson e outros. Decifrando a Terra. São

Paulo : Companhia Editora Nacional, 2009, p. 400-409.2. ALBARÈDE, Francis. Geoquímica: uma introdução.

São Paulo : Oficina de Textos, 2011, p. 244.

CURSO DE GEOLOGIA DA FINOM - Geoquímica de Alta Temperatura

Prof. Márcio Santos

• As transformações metamórficas afetam todas as rochas levadas a grandes profundidades pela subducção.

• Essas transformações são mais comuns nas regiões onde os continentes sofrem colisões e formação de cadeias de montanhas.

• Contrariamente às reações hidrotermais, as reações metamórficas são, na grande maioria, reações de desidratação sob efeito de temperatura ou excesso de CO2.

• Metamorfismo os minerais originais da rocha são substituídos por minerais estáveis nas novas condições de pressão e temperatura.

• Isto requer:– dissolução das estruturas cristalinas antigas,

– formação de núcleos de cristalização dos minerais novos e

– transporte dos elementos químicos dos minerais antigos para os sítios de desenvolvimento dos novos minerais. • Esse processo de transporte que ocorre no estado

sólido, chama-se difusão.

• A difusão pode ocorrer – entre os minerais,

– ao longo de contatos de grãos ou de microfraturasproduzidas pela deformação que acompanha o metamorfismo ou dentro dos grãos,

– no retículo cristalino dos mesmos.

• Na difusão entre os minerais, os elementos são transportados predominantemente pela fase fluída presente durante o metamorfismo: por isso a maior facilidade para as transformações metamórficas ocorrerem em rochas deformadas, nas quais a fase fluida percola com maior eficiência.

• Na difusão intracristalina, a movimentação das partículas é muito lenta, e depende da agitação térmica dos átomos do retículo cristalino.

• À medida que a temperatura cresce, a energia cinética das partículas constituintes do retículo cristalino dos minerais também aumenta, provocando uma maior vibração delas.

• Eventualmente, a vibração se torna muito Intensa, e as partículas começam a "saltar' para sítios vizinhos, deslocando-se dentro do retículo cristalino.

• Defeitos cristalinos frequentes em minerais, como posições atômicas vazias ou partículas fora do lugar que deveriam ocupar, facilitam esse processo, permitindo maior movimentação das partículas.

• Em temperaturas baixas, a agitação é insuficiente e a difusão se torna muito lenta, inviabilizando as transformações mineralógicas.

Limites do metamorfismo• As rochas submetidas a temperaturas muito altas sofrem

fusão e o metamorfismo ocorre no estado sólido.

• Devido a presença de água baixar o ponto de fusão das rochas, a água presente controla a temperatura na qual a fusão parcial úmida terá efeito e a quantidade de magma que será produzida.

• Porções da rocha metamórfica rica em água podem se fundir, enquanto que rochas metamórficas adjacentes secas não mostram sinal de fusão.

• Também alguns minerais apresentam ponto de fusão mais baixo que outros, de maneira que ocorre fusão parcial de rochas metamórficas.

• Volumes compostos de rochas contendo componentes ígneos formados por pequena quantidade de fusão e rochas metamórficas são chamados migmatitos (mistura de rocha).

Reações metamórficas

• As reações metamórficas ocorrem para reduzir a energia livre do sistema (da rocha em transformação) em resposta às novas condições físico-químicas.

• Exemplos de tipos de reações possíveis:– envolvendo apenas fases sólidas, sem geração ou

consumo de fase fluida;

– entre minerais e uma fase fluída, produzindo associações hidratadas e/ou carbonatadas;

– associações previamente hidratadas gerando associações anidras e uma fase fluida rica em H2O.

• A reação de formação da wollastonita a partir de quartzo e calcita, – CaC03 + SiO2 = CaSiO3 + CO2↑,

é exemplo de reação com devolatilização, no caso, decarbonatação.

• Um exemplo de reação metamórfica com desidratação é a reação do argilomineral caolinitacom quartzo para formar a mica branca pirofllita, que acontece logo no início do metamorfismo de rochas pelíticas:– Al2Si2O3(OH)4 (caolinita) + 2SiO2 (quartzo) =– Al2Si4O10 (OH)2 (pirofilita) + H2O (fase fluida)

• Com o incremento da temperatura, a pirofilitaatinge seu limite máximo de estabilidade, ocorrendo então sua “quebra” ou consumo segundo a reação:

– Al2Si4O10(OH)2 (pirofilita) = Al2SiO5

(aluminossilicato: andaluzita ou cianita) + SiO2

(quartzo) + H2O (fase fluida)

• O aluminossilicatoformado nessa reação dependerá das condições de pressão: sob pressões relativamente baixas (< 4,5 kbar), será formada a andaluzita, e sob pressões mais altas, a cianita (Figura 15.11).

• Esses minerais (andaluzita, cianita e silimanita) constituem um trio de polimorfos (minerais com mesma composição, mas com estruturas cristalinas distintas) muito importante na interpretação das condições reinantes em terrenos metamórficos (Figura 15.10).

• A cinética das reações depende de uma série de fatores:

– natureza da associação mineral original e sua textura,

– presença (ou não) de uma fase fluida e sua composição,

– temperatura e pressão, e

– deformação que a rocha sofre durante o metamorfismo.

• As reações se processam de maneira mais eficiente em rochas:

• porosas,

• de granulação fina,

• constituídas de minerais hidratados,

• submetidas a temperaturas elevadas e

• que sofreram deformação na presença de uma fase fluida abundante.

• As reações se processam de maneira menos eficiente em rochas:– de constituição originalmente anidra, – maciças, – de granulação grossa e – não deformadas

porque são impermeáveis à circulação de fluidos e podem permanecer praticamente imutáveis por longos intervalos de tempo, mesmo em condições de temperaturas relativamente elevadas, preservando os minerais e as texturas dos protolitos.

Paragêneses minerais

• Uma associação de minerais em equilíbrio termodinâmico denomina-se paragênesemineral.

• Nas rochas metamórficas, a identificação nem sempre é imediata, e o desequilíbrio é a regra.

• No entanto, as relações texturais permitem reconhecer as “tendências de equilíbrio” mesmo que elas não tenham sido atingidas plenamente.

• As rochas de mesma composição química podem apresentar associações minerais diferentes em função da variação dos fatores atuantes durante o metamorfismo.

• Exemplo:• Rochas metamórficas A e B, com mesma composição

química.• Rocha A: constituída de clorita, epidoto, actinolita

(anfibólio cálcico ferro-magnesiano) e albita(plagioclásio sódico, com teor de anortita < 10%);

• Rocha B: constituída de andesina (plagioclásio com teor de anortita entre 30% e 50%) e hornblenda (anfibólio cálcico ferro-magnesiano aluminoso), diferindo, entretanto, pelo conteúdo em água, que é mais elevado para a rocha A. – A paragênese da rocha B se equilibrou em temperaturas

mais altas (entre 500 e 650 ºC), enquanto que a da rocha A se equilibrou em temperaturas mais baixas (entre 350 e 500 ºC).

Fácies metamórficas (Eskola, 1915)• As fácies metamórficas são definidas pelas associações

minerais e rochas características, que indicam as variações do grau metamórfico, essencialmente em função da temperatura e pressão.

• As fáceis metamórficas correspondem a determinados intervalos de pressão e temperatura, usualmente limitados por reações minerais específicas:– as fácies xisto verde (250 a 450 ºC);– anfibolito (450 a 700 ºC) e – granulito (> 700 ºC)

correspondem, nessa ordem, a um aumento progressivo de temperatura sob condições normais de pressão;– a alta pressão (> 30 km) corresponde à fácies xisto azul e– a pressão extremamente alta, à fáceis eclogito.

Exemplos de fácies metamórficas em função de diversos parâmetros termodinâmicos que ocorrem na litosfera.

• Ao longo de uma sequência metamórfica, os sucessivos termos litológicos representam fácies também sucessivamente mais avançadas.

• Duas ou mais rochas metamórficas, de origens diferentes e, portanto, com associações minerais diferentes, podem corresponder à mesma fácies.

• Tal acontece se os respectivos minerais tipomorfos indicarem, para todas, as mesmas condições de pressão e temperatura.

Metamorfismo isoquímico x metassomatismo

• O metamorfismo se desenvolve em diversos ambientes na crosta e possui extensões variáveis: desde pequenas áreas, de dimensões de poucos centímetros, até grandes faixas com milhares de quilômetros, em profundidades que vão de níveis mais rasos, até os mais profundos, a mais de 100 km da superfície.

• Um dos problemas fundamentais da Petrologia Metamórfica é definir se houve ou não modificações na composição química de uma rocha durante o metamorfismo.

• Há duas situações extremas:

– a rocha pode se comportar como sistema fechado, sem ganho nem perda de constituintes químicos (metamorfismo isoquímico) ou

– ser submetida a variações composicionais intensas, em sistema aberto (metassomatismo).

• Para efeitos práticos, assume-se que a maioria dos ambientes metamórficos comporta-se como sistema parcialmente aberto, podendo ocorrer trocas livres de fluidos, constituídos por misturas de H2O e CO2, porém com variações desprezíveis para os demais constituintes químicos.

• Essa premissa tem se mostrado satisfatória para a maioria dos casos, porém é preciso estar sempre atento, pois podem ocorrer variações composicionais significativas entre o protolito e a rocha metamórfica resultante.