Petrografia del magmatico e metamorfico con accenni di petrologia - Esame petrografia

Petrografia

Introduzione

Definizione e scopi

La petrografia è una branca della petrologia che descrive e classifica le rocce, con particolare riguardo alla composizione mineralogica e alle strutture. La petrologia studia invece i processi che portano alla genesi delle rocce.

Definizione di roccia

Fino a pochi anni fa una roccia era definita come un aggregato di minerali, tuttavia ciò esclude tutti quei composti che si formano sotto forma di vetri o soluzioni amorfe, per cui da qualche anno ormai la definizione di roccia è:

• Miscuglio di fasi solide (minerali), fasi liquide (vetri) e fasi amorfe (colloidi o gel).

In tal modo sono incluse tutta una serie di composti che non possiamo non chiamare rocce, ad esempio l’ossidiana. Le rocce si classificano poi in base alla loro genesi (petrologia) e, a grande raggio, vengono suddivise in quattro grandi categorie:

Classificazione delle rocce

1. Rocce magmatiche

Si formano per solidificazione di fusi magmatici e se ne distinguono tre tipi, in relazione all’ambiente di formazione:

• Rocce magmatiche plutoniche o intrusive
  La solidificazione del fuso si completa interamente entro la crosta.
• Rocce magmatiche vulcaniche o effusive
  La solidificazione del fuso si completa (o avviene interamente) sulla superficie terrestre.
• Rocce magmatiche ipoabissali o subvulcaniche o filoniane
  La solidificazione del fuso si completa (o avviene interamente) in ambiente infracrostale (tra crosta e mantello). Queste rocce hanno caratteri intermedi fra plutoniche e vulcaniche.

2. Rocce sedimentarie

Si formano interamente sulla superficie terrestre in condizioni ambientali e se ne distinguono quattro tipi in relazione al metodo con cui si formano (o accrescono):

• Rocce sedimentarie residuali
  Sono il prodotto di ciò che rimane come residuo dopo l’esportazione di alcuni componenti di materiali preesistenti in sito.
• Rocce sedimentarie clastiche
  Sono il prodotto dei processi di degradazione, erosione, trasporto e diagenesi.
• Rocce sedimentarie chimiche
  Sono generate dalla deposizione chimica dei sali o ioni contenuti nelle soluzioni acquose.
• Rocce sedimentarie organogene
  Sono prodotti da organismi viventi; ad esempio i coralli.

3. Rocce metamorfiche

Sono prodotte da trasformazioni, interne alla crosta, di rocce magmatiche e sedimentarie, per variazioni di pressione e temperatura entro il limite della fusione.

4. Rocce con caratteri in comune

Sono rocce che presentano caratteristiche comuni a due diversi ambienti petrogenetici. Se ne distinguono tre diversi tipi:

• Migmatiti (metamorfico-magmatico)
  Hanno caratteri sia magmatici che metamorfici poiché si formano in ambienti di grandi pressioni e temperature, senza arrivare al punto di fusione, ma vicine ad esso, a circa 400°C e 30 km di profondità.
• Anchimetamorfiche (sedimentarie-metamorfiche)
  Hanno caratteri sia metamorfici che sedimentari poiché si formano nella zona di contatto tra il processo diagenetico e quello del metamorfismo di basso grado, a temperatura di circa 150-300°C e a circa 7 km di profondità.
• Piroclastiche
  Hanno genesi magmatica ma metodi di deposizione tipicamente sedimentari: i clasti più grossolani si depositano a distanza minore rispetto al punto di emissione, i clasti più fini a distanza maggiore.

Scopi della petrografia

• Ricostruire la storia geologica della Terra: ogni roccia registra informazioni riguardanti l’ambiente nella quale si è formata.
• Georisorse: conoscere le associazioni chimiche e mineralogiche della roccia è utile per il reperimento di quei minerali o elementi necessari a industrie farmaceutiche, elettroniche, cosmetiche ecc.
• Conservazione dei patrimoni artistici e culturali: conoscere le proprietà delle rocce e i luoghi di maggiore abbondanza per il reperimento del giusto litotipo in relazione alla tipologia d’impegno.
• Salute: conoscere quelle tipologie di rocce dannose alla salute umana o eventualmente benefiche.

Studio di una roccia

Studiare una roccia significa esaminarla da tutti i punti di vista per descriverla, inquadrarla dal punto di vista genetico ed evolutivo, e infine classificarla. Lo studio petrografico si basa sull’analisi delle caratteristiche fondamentali delle rocce:

1. Composizione

• Mineralogica: analisi quantitativa e qualitativa dei minerali presenti.
• Chimica: studiare l’abbondanza di specie chimiche o elementi, espressi come percentuale in peso dei rispettivi ossidi.

2. Tipologia e modalità di aggregazione

• Strutture: lo studio delle strutture con cui le rocce si aggregano era in precedenza definito da due parametri:
  
  • Grado di cristallinità: veniva espresso come il rapporto tra la porzione cristallina e la frazione vetrosa.
  • Granulometria dei minerali.
• Tessitura: le relazioni spaziali ed i reciproci rapporti esistenti tra i minerali o costituenti la roccia.

Nella scuola anglosassone i parametri per descrivere le modalità di aggregazione sono:

• Tessitura: è l’insieme dei caratteri microscopici e si occupa dello studio delle relazioni spaziali tra i vari minerali.
• Struttura: è l’insieme dei caratteri macroscopici della roccia.

Anche in Italia sono questi due i termini più usati, anche se ultimamente è diventato d’uso comune n’altro termine:

• Fabric: comprende i concetti di struttura e tessitura. Racchiude quindi tutti i caratteri non composizionali, relativi alla configurazione geometrica e spaziale, di tutti i componenti di una roccia osservabili dalla mesoscala alla microscala. Al posto di tessitura è ormai in uso il termine microstruttura o microfabric (intendendo caratteri strutturali osservabili al microscopio). L’adozione del termine fabric è proposta perché non è sempre facile distinguere ciò che va descritto come struttura da ciò che va descritto come tessitura.

3. Condizioni geologiche e giacitura

Studiare la collocazione geologica significa:

• Definire i rapporti esistenti tra un corpo roccioso e quelli limitrofi.
• Definire le dimensioni e la forma del corpo roccioso.
• Definire il litotipo.
• Definire l’età relativa.

4. Aspetti petrogenetici

Significa ricostruire la storia di una roccia dalla sua formazione al suo ritrovamento; quindi tutta la sua storia genetica ed evolutiva. Questi aspetti si deducono dallo studio dei primi tre aspetti.

Metodi d’indagine

Per descrivere e classificare una roccia, è necessario svolgere una serie d’indagini dalla semplice osservazione visiva alle più complesse tecniche d’indagine.

• Analisi mesoscopica: è un’osservazione eseguita ad occhio nudo o mediante l’ausilio di lenti d’ingrandimento ed è utile per una rapida classificazione (rapida ed approssimativa classificazione del litotipo), tiene conto:
• Aspetti strutturali (per esempio minerali che spiccano in dimensioni).
• Colore.
• Dimensione dei cristalli.
• Presenza di isorientazioni (i minerali risultano allineati lungo direzioni preferenziali).
• Analisi microscopica: è un’osservazione eseguita con un microscopio polarizzatore e fornisce una classificazione mineralogica completa del litotipo. Gli aspetti principali di questo metodo di studio saranno trattati in seguito, ad ogni modo sono sintetizzabili così:
• Aspetti microstrutturali (in generale lo studio del fabric).
• Composizione mineralogica: è possibile effettuare misurazioni sulla percentuale volumetrica dei minerali presenti in una roccia.

Analisi modale di una roccia

Queste analisi vengono chiamate MODA (composizione mineralogica espressa come percentuale volumetrica dei minerali costituenti), e sono effettuate tramite un contapunti montato in un microscopio, manualmente, spostando fisicamente il vetrino e contando quante volte ogni minerale si presenta al centro del contapunti. Tutto ciò si effettua su sezioni sottili che meglio rappresentano la roccia, in modo da estrapolare un volume dell’aria del vetrino.

Per esempio, nella sezione sopra abbiamo contato col metodo rappresentato 100 punti analisi:

• 443=Quarzo
• 229=Ortoclasio
• 185=Plagioclasio
• 102=Biotite
• 41=Fasi accessorie

Adesso dobbiamo calcolare le percentuali modali, e lo facciamo tramite una proporzione, per esempio per il quarzo avremo:

443:1000=X:100 ne segue che Quarzo=44,3%

Procediamo così anche per gli altri minerali trovati avremo come risultato finale:

• Quarzo=44,3%
• Ortoclasio=22,9%
• Plagioclasio=18,5%
• Biotite=10,2%
• Altre fasi=4,1%

• Analisi chimica: è un’indagine eseguita con varie metodologie analitiche (XRF, ICP-MS, INAA), per la determinazione della composizione chimica di una roccia, si tengono in considerazione i seguenti parametri:
• Elementi maggiori: wt%>1% (espressi come ossidi: SiO₂, Al₂O₃ ecc.).
• Elementi minori: wt%<1% (espressi come singoli elementi: P, Cr, Ni ecc.).
• Elementi in traccia: wt%<0,1% (espressi in PPM).
• Analisi ai raggi X: nel caso di minerali di dimensioni molto piccole si eseguono in questo modo misurazioni sulle distanze reticolari (diffrattometriche) che individuano le varie specie mineralogiche.
• Analisi al SEM (microscopia elettronica e microanalisi): definizione della composizione specifica del singolo minerale o soluzione solida.

Le rocce magmatiche

Le rocce ignee o magmatiche si formano per raffreddamento di un fuso ad alta temperatura detto magma.

Definizione di magma

Il magma è un sistema chimico-fisico naturale dove prevale la fase liquida (melt) di composizione comunemente silicatica. È comunque un sistema eterogeneo nel quale alla fase liquida sono affiancate una o più fasi solide e una fase gassosa. "Mobile mixture of solid, liquid and gaseous phases" (Best). Il numero e la natura delle fasi costituenti il magma, in condizioni stabili di equilibrio, dipende da tre variabili intensive: P, T, X.

Definizione di Melt

Il melt (dall’inglese: liquido) è la fase liquida del magma. Il più comune melt è detto "silicate melt", in quanto i componenti sono Silicio (talvolta anche alluminio) e ossigeno. In condizioni di alte pressioni e temperature il sistema magma è interamente liquido (melt). Già in questo stadio il silicio "comincia a organizzarsi" in tetraedri, creando embrionalmente strutture che in qualche modo prefigurano quelli dei minerali silicatici che si origineranno a seguito del raffreddamento. Il silicio avvicina a se quattro ioni ossigeno e li coordina appunto in tetraedri, che a loro volta si "polimerizzano" (si legano tra loro) quando le condizioni di P e T scendono. In dipendenza dalla quantità di silicio presente queste vere e proprie catene possono essere molto lunghe. Il grado di polimerizzazione del fuso magmatico influenza le proprietà fisiche del magma quali viscosità, densità ecc. In particolare tante più catene di [SiO₄] ci sono, e tanto più lunghe esse sono, tanto più la viscosità (resistenza al flusso) sarà elevata. In un magma silicatico quindi distinguiamo:

• Costruttori di struttura: Si e Al
• Modificatori di struttura: che interrompono i legami tra i tetraedri, Ca, Mg, Na, K, ecc.

Il parametro viscosità

Come già accennato, la viscosità è, per definizione, la resistenza offerta da fuso magmatico al flusso, e viene misurata in POISE (equivale alla forza che si deve esercitare su un cm² di superficie per mantenere tra due strati di liquido distanti 1 cm una differenza di velocità di 1 cm x sec) 1 POISE = g/cm * s = 0,1 Pa * s. Può essere espresso come un rapporto tra:

• Costruttori di struttura
• Modificatori di struttura

Maggiore è tale rapporto, maggiore sarà la viscosità. La viscosità è in relazione diretta con l’attrito interno del liquido; i liquidi altamente polimerizzati mostreranno una maggiore resistenza al flusso = maggiormente viscosi. La viscosità è anche funzione del contenuto di componenti volatili (soprattutto H₂O) in quanto questi tendono a depolimerizzare le catene di tetraedri, e quindi ad aumentare la capacità di flusso. Quindi a parità di altre condizioni i fusi idrati sono meno viscosi dei fusi anidri.

Il parametro densità

La densità di un magma è un parametro molto importante per il controllo della sua messa in posto. La densità è il rapporto Massa/Volume, ed esprime in qualche modo il livello di porosità di un magma, inteso come la quantità di pori in cui sono presenti fasi fluide o aria. È il contrasto di densità tra magma e rocce circostanti, il fattore che maggiormente influenza la risalita di un magma attraverso la crosta, infatti così come il polistirolo risale se immerso in acqua, il magma risale in superficie perché meno denso di ciò che ha intorno, fino a raggiungere un livello tale per cui il contrasto di densità sia nullo. La densità di un magma dipende dalla sua composizione chimica, dalle condizioni di Pressione e Temperatura. Densità media:

• Composizione granitica: 2,2 g/cm³
• Composizione basaltica: 2,8 g/cm³

Stando a quanto detto sulla densità in maniera teorica il magma a composizione granitica dovrebbe risalire più agevolmente (densità minore). In realtà sono i magmi a composizione basaltica a risalire prima a causa del loro basso valore di viscosità. Questo esempio ci aiuta a capire come anche il parametro densità è strettamente legato ad altri parametri (in questo caso alla viscosità) e in generale i parametri utili per studiare un magma sono molti, e combinati tra loro in modo da fornire infinite combinazioni e configurazioni.

Il parametro temperatura

Un magma non cristallizza ad una temperatura fissa bensì in un intervallo di temperatura. Questo rappresenta l’intervallo di cristallizzazione in cui i minerali prima cristallizzati coesistono con il liquido silicatico. L’intervallo di cristallizzazione inizia con la comparsa della prima fase solida e termina con la scomparsa dell’ultima frazione di liquido. Il magma quindi è un sistema eterogeneo di più componenti. Ciò è fondamentale per capire i meccanismi secondo i quali i magmi cristallizzano (solidificano) o fondono. A differenza del sistema H₂O (unico componente) il sistema magma cristallizza in un intervallo di temperatura dove è possibile definire gli estremi.

• Temperatura di inizio cristallizzazione: a questa temperatura il liquido silicatico comincia a formare i primi cristalli, solitamente i più alto-fondenti.
• Temperatura di fine cristallizzazione: a questa temperatura finisce la cristallizzazione e l’unica fase presente è solida.

Per ogni valore di pressione (o per ogni diversa composizione) avremo una temperatura di fine cristallizzazione e una di inizio cristallizzazione. La curva che unisce tutti i valori di inizio cristallizzazione prende il nome di curva di liquidus. La curva che unisce tutti i punti di fine cristallizzazione è chiamata curva di solidus. L’area compresa tra le due curve rappresenta i luoghi nei quali sono presenti una fase liquida in equilibrio con una (o talora più) fasi solide.

Il parametro del componente volatile

Nella fase liquida di un magma (melt) sono presenti grandi volumi di componenti volatili, quali H₂O, CO₂ (in maggioranza) e CO, HCl (in quantità minori). Durante la solidificazione tali sostanze vengono liberate al variare di parametri quali composizione chimica, pressione e/o temperatura, la capacità di tali sostanze di rimanere disciolte nel magma, chiamata più semplicemente solubilità, si annulla, o meglio diminuisce sempre più. La solubilità delle fasi volatili nei liquidi silicatici dipende, oltre che dalla composizione chimica, dalla P e dalla T.

• Ipomagma: quel magma che contiene in soluzione le fasi volatili (in generale ciò accade ad elevate profondità).
• In condizioni superficiali, si ha la liberazione delle sostanze volatili e la formazione di un sistema polifase = magma + gas in svolgimento (vescicolazione). Chiameremo questo magma piromagma.
• Dopo questa fase i gas allora possono abbandonare il magma che solidificherà: epimagma.

I minerali delle rocce magmatiche

I principali costituenti delle rocce magmatiche sono suddivisibili così:

• Minerali primari: sono quei minerali che cristallizzano direttamente dal magma.
• Minerali fondamentali: costituiscono la parte rilevante della roccia >5% in volume.
• Minerali accessori: sono minerali rari, presenti in quantità minime.
• Minerali secondari: si formano in condizioni post-magmatiche a spese dei minerali primari.

I principali minerali costituenti le rocce magmatiche sono:

• Fasi della silice [SiO₂]
• Quarzo: molto diffuso in rocce sovrassature sia intrusive che effusive.
• Tridimite e cristobalite: meno comuni sono fasi polimorfe metastabili dell’SiO₂.
• Feldspati
• Alkali-feldspati (K-Fel)
• K-feldspato: KAlSi₃O₈ (nei suoi 3 polimorfi che seguono)
• Sanidino: è il k-feldspato di alta temperatura, solo rocce effusive.
• Ortoclasio: è il k-feldspato di media temperatura, comune in rocce intrusive.
• Microclino: è il k-feldspato di bassa temperatura, rocce intrusive.
• Albite: NaAlSi₃O₈
• Plagioclasi (P)
• Albite: NaAlSi₃O₈ (0-10%)
• Anortite: CaAl₂Si₂O₈ (90-100%)
• Oligoclasio 10-30%
• Andesina 30-50% (% di anortite)
• Labradorite 50-70%
• Bitownite 70-90%
• Feldspatoidi: sono minerali caratteristici di rocce sottosature in silice:
• Nefelina (Ne): NaAlSiO₄
• Leucite (Le): KAlSi₂O₆ (ritrovata solo in rocce effusive)

Esiste un’incompatibilità tra feldspatoidi e quarzo nelle rocce magmatiche. Infatti in magmi poveri in silice esistono reazioni quali:

NaAlSiO₄ + 2SiO₂ = NaAlSi₃O₈ (Nefelina + 2 quarzo = albite)