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  • IL METAMORFISMOIL METAMORFISMO

    metamorfismo trasformazione allo stato solido

    mineralogica

    strutturale

    protoliti rocce originarie-ignee-sedimentarie-metamorfiche

    orto- para- poli-

    variabilitdelle rocce

    metamorfiche

    protolite distribuzione dei componenti chim. nel protolite condizioni T condizioni P disponibilit e composizione fase fluida storia deformativa tempo

  • TIPI COMPOSITIVI DI RIFERIMENTO

    Rocce pelitiche (argillose)

    Rocce psammopelitiche (sabbie argillose)

    Rocce carbonatiche (pure e impure)

    Rocce acide

    Rocce basiche

    Rocce ultrabasiche

  • Carattere isochimico del metamorfismo(con eccezione della fase fluida)

  • DISTRIBUZIONE DEI MATERIALI CHIMICII due protoliti sotto riportati,

    pur avendo uguale composizione globale, danno origine a rocce metamorfiche completamente diverse.

  • LIMITI DEL METAMORFISMOLIMITI DEL METAMORFISMO

  • I processi metamorfici si sviluppano a temperature superiori a quelle della diagenesi,

    inferiori a quelle dei processi magmatici.

    La curva a circa 650 -700 C segna l'inizio di fusionenel sistema granitico saturo di H2O

  • SCOPI DELLO STUDIO DI ROCCE METAMORFICHESCOPI DELLO STUDIO DI ROCCE METAMORFICHE

    Ricostruzione dell'evoluzione metamorfica e definizione dell'ambiente geodinamico

    Approcci metodologici

    Studio degli equilibri di fase Geotermometria Geobarometria Analisi microstrutturale [Geocronologia radiometrica]

  • FATTORI DEL METAMORFISMOFATTORI DEL METAMORFISMO

    1) Temperatura2) Pressione 3) Fase fluida 4) Deformazione5) Tempo

  • 1) TEMPERATURA: il calore il fattore pi importante .

    aumenta loscillazione degli atomi attorno alle loro posizioni fisse nel reticolo cristallino

    aumenta G (le assoc. diventanomeno stabili)

    possibile oltrepassare le barriere cinetiche

    possono avvenire reazioni fra minerali (= rocce metamorfiche) e quindi Gdiminuisce

    aumenta la grana dei cristalli neo- o ri-cristallizzati

    diminuisce G (le associaz. diventano pi stabili)

    aumento della T

  • regionali metamorfismo regionale

    locali

    Tipi principali metamorfismo di

    contatto metamorfismo di

    dislocazione ometamofismo delle zone di shear

    Il Metamorfismo strettamente associato a

    perturbazioni termiche

    QUANTIT DELVOLUME DI ROCCE RISCALDATEE TIPI DI METAMORFISMO

  • FLUSSO DI CALORE TERRESTRE

    la quantit di calore emanata dalla superficie terrestre nel tempo

    Si misura in HFU oppure cal . cm-2 . sec-1 oppure in Wm-2

    1HFU = 1 . 10-6 cal . cm-2 . sec-1 = 0.0418 Wm-2

    1HFU il flusso di calore nelle zone cratoniche (stabili);corrisponde ad un gradiente termico di 13C/km.

    Il flusso di calore varia notevolmente nel tempo e nello spazioin funzione delle situazioni geodinamiche.

  • la linea rossa indicata per riferimento il valore di 1HFU

    a) Valori del flusso di calore superficiale nelle varie situazioni geodinamiche (Wm-2)

    b) Situazioni geodinamiche corrispondenti.

  • Geoterma variazione della temperatura con la profondit in un specifico momento temporale

  • Gradiente termico gradiente misurato normalmente alle isoterme (= superfici di uguale T)

    per conduzione (nella litosfera)Trasferimento del calore oppure

    per convezione (nel mantello)

    Fonti di calore Calore primordiale, decadimento radioattivo, frizione

    SITUAZIONI GEOTERMICHE ANOMALE

  • 2) PRESSIONE

    = densit media della colonna litostatica

    g = accelerazione gravitazionale

    z = altezza colonna litostatica

    P/ZPl aumenta 1 Kbar ogni 3.7 km se la densit media 2.7 g cm-3

    Gradiente geobarico

    PressioneLitostatica

    Pl = gz

  • Pressione della fase fluida negli interstizi Pf

    Pf PH2O in rocce silicatichePf = PH2O + PCO2 +.

    Pf PCO2 in rocce carbonatiche

    a regime Pf Pl, perch le rocce non sopportano grandi sforzi differenziali

    se Pf < Pl riduzione della porosit aumento di Pfse Pf > Pl microfratture diminuzione di Pf

  • Pressione idrostatica 1 = 2 = 3Sforzo (stress) differenziale 1 3 deformazione

    Effetti sulle associazioni metamorfiche

    Effetti sulla struttura della roccia

    P

  • 3) FASE FLUIDA

    Ossidrili in alcune fasi mineralogicheInclusioni fluideReazioni di devolatilizzazioneEfficacia di alcuni meccanismi altrimenti non possibili

    Presenza

    5%Stima dalla idrataz. di rocce anidre

    0%And/Ky + H2O

    5%Pyph + H2O

    9%Kaol + Qtz

    Stima dalle reazioni di deidratazione in rocce contenenti fasi idrate

    Quantit

  • Considerazioni geochimiche generali

    H2O, CO2

    Ricerche sperimentali C-O-H-S

    Calcoli termodinamici Metano se c'grafite

    Studio di inclusioni fluide CH4, N2,

    Composizionedella fase fluid.

    T > Tc (Tc = 374.15 C)Stato fisico fluido supercriticoP > Pc (Pc = 221.13 bar)

  • Localizzazione della fase fluida: lungo le interfacce, nei vacuoli, nelle microfratture.

  • spesso:

    Porosit originaria < Porosit metamorfica

    Volfasi reagenti > Volfasi prodotte

    Esempio: CaCO3 + Qtz Wo + CO2 crea porosit 35%

    Pf > Pl MicrofrattureSe la pressione del fluido liberatosi

    durante una reazione di devolatilizzazione superiore alla pressione litostatica,

    la roccia si microfrattura

  • SISTEMA APERTO

    Molte fratture aperte e alto rapporto fluido/roccia

    La migrazione per flusso efficace

    Velocitflusso > Velocitreazione

    La reazione non controlla il chimismo del fluido

    LA FASE FLUIDA CONTROLLATA DALL'ESTERNO

  • La freccia tratteggiata indica la variazione di XCO2 allaumentare di Tquando il sistema aperto

    SISTEMA APERTO

  • SISTEMA CHIUSO

    Poche fratture aperte e basso rapporto fluido/roccia

    Migrazione per flusso non operante

    Velocitflusso

  • SISTEMA CHIUSO

    La spezzata tratteggiata indica la variazione di XCO2 allaumentare di Tquando il sistema chiuso

  • 4) TEMPO

    cinetica delle reazioni;

    pone limiti nell'estrapolazione di dati sperimentali;

    frequentemente (e fortunatamente) non sufficiente:

    quindi rimangono relitti di situazioni precedenti lultimo stadio metamorfico registrato.

  • 5) DEFORMAZIONE

    Influisce, contribuisce e/o controlla:

    La cinetica delle reazioni energia di deformazione

    La permeabilit della roccia microfratture, anisotropie planari

    I siti di nucleazione crescita di porfiroblasti

    L'assetto strutturale (ri)cristallizz. statica o dinamica

  • MECCANISMI DEL METAMORFISMOMECCANISMI DEL METAMORFISMOIl metamorfismo comporta una sequenza di processi chimico-

    fisici attraverso i quali:La mineralogia

    La strutturadel protolite si trasforma in una

    nuova mineralogia

    nuova struttura

    1) ATTIVAZIONE

    2) MIGRAZIONE

    3) NUCLEAZIONE

    4) CRESCITA DEI CRISTALLIQuesta una sequenza fenomenologica consequenziale,

    ma sono possibili sovrapposizioni cronologiche.

  • 1) ATTIVAZIONE

    Soglia di attivazione: soglia di energia (di attivazione) che il sistema deve superare perch la formazione dell'associazione mineralogica in equilibrio con le nuove condizioni P-T-X possa

    avvenire stato attivato

    Soglia di attivazione: pu essere alta o bassa

    Energia di attivazione: energia termica + energia di deformazione

  • VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERADURANTE UNA REAZIONE

  • 2) MIGRAZIONE Flusso >>mm

    di volume attraverso il reticolo crist micron

    lungo i limiti granulari micron

    nel fluido intergranulare mmIntergran.Diffusio

    ne

    Meccanismi

    TP

    X

    Diffusione: movimento di materia (atomi, ioni, molecole) nella direzione di massimo gradiente di potenziale chimico

    Flusso:aumenta col

    gradiente

    Mobilit relativa degli elementi (in ordine crescente) :Ti, Al, P, Si, Mg, Fe, O, Ca, F, Na, Cl, S, CO2, H2O

  • 3) NUCLEAZIONELa formazione di un nucleo

    (della dimensione di poche centinaia di atomi) il primo passo della cristallizzazione

    di una nuova fase mineralogica stabile.

    nel pre-nucleo prossima a quella del neo-cristallo

    nel nucleo quella del neo-cristalloConfigurazione

    degli atomi

    La stabilizzazione dei nuclei, in competizione fra loro, legata alle dimensioni (raggio critico)

    Energia di nucleazione

    Diversa per ogni fase mineralog.

    Bassa Alta

    Tanti nucleiPochi nuclei

    Matrice Porfiroblasti

  • 4) CRESCITA DEI CRISTALLIInteressa solo i nuclei stabili

    Dendritica Anisotropa Apofisi arborescenti

    Anisotropa XX aciculari, tabulari

    Isotropa cristalliequidimensionali

    Strato su strato

    Velocitdi

    crescita

    Accrezione di nuovi atomi

  • GRADUALITGRADUALITDEI PROCESSI METAMORFICIDEI PROCESSI METAMORFICI

    Grado metamorfico (basso, medio, alto): generale indicazione di temperature crescenti durante il metamorfismo,

    senza specificare le relazioni che intercorrono fra temperatura e pressione.

    Geoterma: variazione della T con la profonditin uno specifico istante.

    Regimi geodinamici diversi sono caratterizzati da geotermediverse: zone di subduzione, zone di collisione, zone di

    estensione.

    Quindi, la T non varia uniformemente con la profondit

  • INDICATORI DELLA GRADUALIT DEI P. M.

    Concetto di zone di profondit:

    Barrow (1883) - Highlands of Scotla

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