Rocce metamorfiche

Le rocce metamorfiche

Quando le rocce si trovano soggette a diverse pressioni e temperature, rispetto a quelle della superficie terrestre, si riorganizzano nelle forme e nelle dimensioni dei minerali, dando origine a nuove strutture. Questa trasformazione, definita generalmente metamorfismo, avviene in condizioni intratelluriche e dà origine alla terza famiglia di rocce: le rocce metamorfiche.

In un sistema all’equilibrio l’energia libera è al minimo possibile, analogamente in un sistema roccioso all’equilibrio i componenti mineralogici non hanno nessuna tendenza a trasformarsi. Se il sistema subisce un apporto energetico, causato da variazioni di pressione e temperatura, lo stato di equilibrio si altera e vi è un incremento dell’energia libera; nel sistema roccioso avverranno una serie di trasformazioni che tenderanno a riportare l’energia libera al minimo possibile, ciò si traduce in nuove strutture e nuovi minerali.

L’insieme delle trasformazioni che portano il sistema roccioso da una condizione di instabilità, con elevata energia libera, ad una di stabilità (prodotti) prende il nome di blastesi o di ricristallizzazione metamorfica.

Metamorfismo

Il metamorfismo per definizione è la risposta strutturale ed eventualmente mineralogica di una roccia all’instaurarsi di nuove condizioni di pressione e temperatura diverse da quelle originarie; questa risposta ha più che altro carattere strutturale, in quanto non sempre i minerali si trasformano, ma possono rimanere sempre gli stessi, cambiando solo l’ordine strutturale. Ad esempio, la calcite in un calcare puro, non avendo altri componenti non può cambiare mineralogia, ma solo la struttura.

Quando una roccia può considerarsi metamorfica?

In seguito alla diagenesi i sedimenti sciolti vengono litificati. In profondità è presente un limite tra rocce sedimentarie e metamorfiche, ma in linea generale una roccia può dirsi metamorfica quando in essa compaiono le prime paragenesi in equilibrio. La zona di transizione tra i processi tipici del mondo diagenetico (sedimentario) e dei processi caratteristici del metamorfismo si chiama anchizona, le rocce proprie di questa zona sono delle rocce di mezzo, che presentano i caratteri di entrambi i processi.

Quando P e T sono alte, le rocce subiscono un processo di fusione parziale; in queste condizioni si produce un liquido di composizione granitica, se tale liquido rimane all’interno della massa rocciosa generatrice si formano le migmatiti (rocce miste).

Le condizioni che fanno sì che si inneschi il processo metamorfico?

Le variazioni delle posizioni relative delle placche litosferiche fanno sì che una regione geologica si possa trovare in condizioni di P e T molto diverse, le rocce coinvolte in queste variazioni tendono a reagire. La risalita di masse magmatiche, ad esempio, comporta un incremento di temperatura in una determinata regione, facendo sì che si inneschi un processo metamorfico. Vi è dunque una variazione del flusso di calore dal mantello verso la crosta.

• Fattori innescanti: Temperatura, pressione, fase fluida e pressione orientata.

Temperatura

La temperatura è il fattore determinante del metamorfismo, ne determina l’inizio e la fine, ed anche il ritmo. L’apporto di energia termica produce un indebolimento e la rottura dei legami reticolari, favorendo la distruzione delle vecchie fasi mineralogiche, ormai instabili.

La distribuzione della temperatura all’interno della crosta è responsabile del tipo di metamorfismo. Come già noto, la temperatura si incrementa all’aumentare della profondità (gradiente geotermico). Tuttavia, il gradiente geotermico cambia, a parità di profondità, la crosta oceanica è più calda rispetto a quella continentale. Quindi in base all’area geologica si hanno gradienti geotermici diversi.

Se si misura il flusso di calore in prossimità della superficie terrestre si nota subito che vi sono delle variazioni nei diversi ambienti geodinamici. In corrispondenza di una dorsale avviene la risalita di un magma, quindi le isoterme più elevate saranno prossime alla superficie terrestre, via via che ci si allontana dalla dorsale il flusso di calore diminuisce.

In una regione di subduzione c’è l’ingresso di un corpo caldo in uno freddo. Le rocce, essendo cattive conduttrici di calore, mantengono l’isoterma relativamente bassa (600°C) ancora per elevate profondità, si troveranno quindi in uno stato d’instabilità e prima che tornino al loro stato di equilibrio passeranno milioni di anni. In definitiva, le zone di subduzione sono aree fredde. Spostandosi poco più in là, lungo i margini continentali attivi (area di arco), invece, i flussi magmatici fanno sì che le isoterme si innalzino.

L’apporto di energia termica provoca una perturbazione termica che può essere locale o regionale. Per locale si intende una perturbazione termica che interessa un’area relativamente limitata, ad esempio, un metamorfismo di contatto dovuto alle rocce plutoniche che si intrudono, trasformando le rocce incassanti, ma sono limitate al solo contatto. Se la perturbazione termica interessa una regione molto vasta si definisce regionale, come nelle regioni di arco, affianco le regioni di subduzione.

Pressione

La pressione è la misura della forza per unità di area alla quale una roccia è sottoposta, questa dipende dal carico delle rocce sovrastanti. È misurata in bar o in Kbar in geologia, tuttavia nel S.I. è misurata in GPa. Questa pressione esercitata dalle rocce sovrastanti viene definita pressione litostatica data dal prodotto della densità, l’accelerazione di gravità e la profondità. Il gradiente geobarico medio è 270 bar/km nella crosta e 330 bar/km nel mantello, la differenza è dovuta alla considerevole differenza di densità dei materiali che le costituiscono.

In profondità la pressione litostatica ha valori uguali in tutte le direzioni (come quella idrostatica), quindi non provoca delle deformazioni, ma solo delle compattazioni. Un ruolo importante nel processo metamorfico è svolto dalla pressione della fase fluida. Quest’ultima permea completamente le rocce, ma se è assente, la pressione litostatica provoca la dissoluzione e la diminuzione dei pori, compattando la roccia. Se è presente la fase fluida, invece, tende ad agire in senso opposto alla pressione litostatica (reazione uguale e contraria), occupa il poro della roccia e ne rimane intrappolata. L’incremento della profondità provoca una diminuzione della porosità della roccia e il rilascio di acqua dalle reazioni metamorfiche.

Pressione orientata

La pressione orientata agisce su delle determinate direzioni ed in base a queste assume valori differenti. Sono originate da sforzi prodotti da spinte dirette secondo direzioni ben definite e, soprattutto, sono responsabili del cambiamento delle forme dei corpi rocciosi (pieghe). Quando lo sforzo si sviluppa in condizioni di bassa temperatura e pressione la roccia ha un comportamento elastico, quindi si deforma fino ad un certo punto e poi si frattura.

In condizioni di elevata temperatura e pressione, la roccia, ha un comportamento plastico, in questo caso si deforma e la deformazione è permanente. Una faglia, ad esempio, è il risultato di un comportamento fragile della roccia. Mentre in condizioni di profondità si deforma considerevolmente. Le deformazioni plastiche sono prodotte da due meccanismi: intracristallino e intercristallino.

• Intracristalline: Le deformazioni provocano legami atomici distorti e ruotati, gli effetti sono geminazioni meccaniche comuni nei plagioclasi e nella calcite, ma anche l’estinzione ondulata del quarzo; il materiale non fa altro che aggiustare il suo reticolo cristallino rispondendo alla deformazione meccanica.
• Intercristalline: Le deformazioni producono rotazione dei minerali, crescita dei minerali e flusso diffusivo. La rotazione avviene in minerali già esistenti, questi vengono ruotati in modo da esercitare la minor resistenza possibile alla pressione orientata. La crescita orientata vuol dire che i minerali di nuova formazione crescono in modo da offrire la minor resistenza possibile alla pressione, distribuendosi perpendicolarmente alla direzione della pressione. Si ha flusso diffusivo quando un minerale preesistente si dissolve in alcune parti e le ricristallizza in aree che offrono una resistenza minore alla pressione orientata.

La pressione orientata è importante perché riduce la granulometria e aumenta la superficie, con un conseguente aumento dell’energia libera; un sistema con più energia libera è più reattivo, quindi tende più facilmente ad innescare un processo di trasformazione. La pressione produce anche un calore di frizione, che si aggiunge al calore legato all’aumento di profondità, e nell’insieme si genera un incremento della velocità della reazione metamorfica.

Fasi fluide

Le fasi fluide aumentano la mobilità delle fasi chimiche facendo in modo che le reazioni avvengano, inoltre, hanno un effetto catalizzante, ciò vuol dire che accelerano la velocità delle reazioni. La fase fluida influenza i campi di stabilità di alcuni minerali, ma soprattutto la fase fluida all’interno di un ammasso roccioso permette una maggiore efficacia nel trasferimento del calore da una parte all’altra.

La quantità della fase fluida è funzione della mineralogia originaria e delle temperature con cui avviene il metamorfismo. Da una paragenesi iniziale, in base alla temperatura, si ottengono prodotti differenti e diverse liberazioni d’acqua.

Dove si trova l’acqua durante un processo metamorfico?

• La fase fluida può far parte della struttura cristallina dei minerali (bonded fluid) sotto forma di radicali OH e CO. Queste molecole possono essere liberate solo quando il reticolo cristallino del minerale crolla, durante le fasi di disidratazione e decarbonatazione. [Acqua di legame]
• Può essere presente come “adsorbed fluid” attorno ai minerali come un sottile film (strato) con spessore di alcuni angstrom; andando a costituire una sorta di pellicola attorno ai minerali. Questa tipologia di fase fluida, anche se considerata immobile, gioca un ruolo importante nell’evoluzione delle reazioni metamorfiche, essa costituisce un mezzo per la diffusione intergranulare, permettendo una rapida diffusione di ioni. Inoltre, favorisce la deformazione e la ricristallizzazione. [Acqua di adesione]
• Fase fluida libera presente tra gli spazi intergranulari o le fratture della roccia. Questi spazi possono essere intercomunicanti o discontinui. In ogni caso è una fase fluida che ha la possibilità di muoversi all’interno. [Acqua libera]

Meccanismi del processo metamorfico

Il processo metamorfico consiste nel riadattamento strutturale, ed eventualmente mineralogico, di una roccia in risposta alle nuove condizioni P T. La riorganizzazione della materia prevede due stadi: distruzione dei minerali instabili e la costruzione dei nuovi minerali stabili. Queste due fasi si esplicano in quattro meccanismi:

• Attivazione del processo e collasso dei minerali instabili
• Migrazione degli elementi all’interno della roccia
• Nucleazione del primo germe cristallino
• Accrescimento dei nuovi minerali metamorfici stabili

Questi meccanismi vengono distinti ma operano contemporaneamente. La riorganizzazione metamorfica non è definitiva. Può riattivarsi o variare se le condizioni di P T variano nuovamente, a causa di cambiamenti ambientali ad esempio, e non rendono più stabili i minerali, questi per tornare ad una condizione di stabilità subiranno un ulteriore trasformazione.

Attivazione

Esiste una barriera energetica che si oppone alle variazioni del sistema, questa barriera deve essere superata dal sistema, mediante un apporto energetico (energia d’attivazione). Un catalizzatore può ridurre la barriera energetica. I minerali prodotti saranno stabili.

Migrazione

Nel momento in cui i vecchi minerali sono distrutti e gli elementi sono liberi di muoversi avviene la migrazione. Questo movimento degli elementi è comunque limitato, in quanto le specie chimiche, sebbene libere dai vincoli reticolari grazie all’attivazione, devono potersi incontrare per formare dei nuovi reticoli stabili nelle nuove condizioni P T. La riorganizzazione delle specie chimiche può avvenire in due modi: può riorganizzarsi nello stesso sito o in siti diversi; la fase fluida è fondamentale perché riesce a trasportare facilmente gli ioni.

Se la fase fluida è libera di fluire vi è un’ampia mobilità della specie chimiche, se è limitata, invece, il meccanismo di movimento è la diffusione, che è più lento. La diffusione può avvenire:

• Nella fase fluida se presente negli spazi intergranulari
• Nel solido all’interno dei reticoli cristallini

Chiaramente, la diffusione nella fase fluida è più efficace, perché gli ioni sono più liberi di muoversi.

La nucleazione

La nucleazione è la comparsa dei primi nuclei cristallini: corpi cristallini costituiti da pochi atomi, corrispondenti chimicamente e strutturalmente ad una specie mineralogica stabile, quindi coincide all’unità più piccola di un minerale.

• Omogena: La nucleazione può essere omogena ed assume delle sembianze sferiche ed è indipendente dalla presenza di altre fasi cristalline.
• Eterogenea: La nucleazione si sviluppa da un minerale o un substrato preesistente, in particolare nei casi in cui il minerale preesistente presenta un reticolo cristallino simile a quello della fase in corso di nucleazione (biotite in fase di cloritizzazione).

La comparsa di nuovi cristalli più stabili determina un decremento di energia libera del sistema. Di contro la comparsa di questi nuclei cristallini così piccoli aumenta l’energia di superficie, l’aumento di quest’ultima tende ad alzare a sua volta l’energia libera, generando una sorta di competizione all’interno del sistema. Se i germi crescono rapidamente l’energia libera tende ad abbassarsi e l’energia di superficie sarà più piccola. I nuovi nuclei sopravviveranno soltanto se hanno la possibilità di accrescersi velocemente e quindi diminuire l’energia di superficie totale.

Accrescimento

L’accrescimento è favorito dalla diffusione delle specie chimiche verso il germe cristallino, questo se viene nutrito rapidamente si accresce e diventa un vero e proprio minerale. La crescita di un minerale è condizionata da:

• Se esiste un substrato favorevole alla nucleazione, si avrà una diffusione molto lenta, quindi scarsa quantità della fase fluida; vale a dire che ci saranno tanti nuclei che però si accrescono poco.
• Se abbiamo una rapida diffusione con elevata disponibilità della fase fluida il nucleo si accresce moltissimo. Ma vi è una difficoltà di nucleazione, quindi avremo pochi nuclei e minerali di notevoli dimensioni.

Microstrutture metamorfiche

Il processo metamorfico avviene in condizioni subsolidous, quindi non abbiamo un fuso silicatico come nel processo magmatico, ma vi è una fase fluida che influenza chimicamente e fisicamente le fasi cristalline e ne governa le reazioni.