Le rocce metamorfiche e il ciclo litogenetico

Che cos'è il metamorfismo? Distinguilo dalla diagenesi e dalla fusione, indicando l'intervallo di condizioni in cui avviene.

Indica i tre fattori del metamorfismo e spiega come agisce ciascuno sui minerali della roccia.

Che cos'è la ricristallizzazione dei minerali durante il metamorfismo e in che cosa si differenzia dalla fusione della roccia?

Con un gradiente geotermico medio di $30\ \text{°C/km}$, stima a quale profondità si raggiungono i $300\ \text{°C}$ propri del metamorfismo di basso grado e commenta quali limiti ha questo calcolo (gradienti variabili, circolazione di fluidi).

Nelle zone assiali di orogeni collisionali (come le Alpi) affiorano complessi migmatitici con strutture stromatiche, in cui si alternano bande millimetriche chiare (leucosomi quarzoso-feldspatici con tessitura granulare) e bande scure (melanosomi foliati ricchi di biotite, cordierite e sillimanite). Una relazione tecnica conclude che «il leucosoma si è formato per l'iniezione di vene di magma basaltico mantellico attraverso le fratture di un gneiss preesistente».

1. a) Confuta la conclusione della relazione: giustifica, a partire dalle reazioni di disidratazione delle miche e dal concetto di minimo eutettico nel sistema quarzo-feldspato, perché leucosoma e melanosoma sono il risultato complementare di un processo di anatessi «in situ» a spese di un protolite crostale felsico.
2. b) Se il tasso di fusione parziale aumenta dal 15 % al 40 % a causa di un ispessimento crostale prolungato, prevedi il cambiamento di comportamento reologico che subirà la roccia e descrivi come questo fenomeno porta alla segregazione e alla risalita di magmi granitici peralluminosi verso livelli crostali superiori.
3. c) Deduci quali caratteristiche mineralogiche e refrattarie presenterà il residuo non fuso (restite) che rimane trattenuto nella crosta profonda o incluso come xenolite nei plutoni granitici risultanti.

Che cos'è la foliazione e quale tipo di pressione (litostatica o orientata) la produce? Fai un esempio di roccia foliata.

Distingui ardesia e scisto per aspetto e grado metamorfico. Che cosa succede alle dimensioni delle miche passando dall'una all'altro?

Ordina la seguente serie secondo il grado metamorfico crescente a partire da un'argillite: gneiss, fillade, ardesia e scisto. Spiega quali cambiamenti tessiturali e mineralogici accompagnano l'aumento di grado.

Quale roccia metamorfica deriva dalla trasformazione del granito e quale dal calcare? Perché il marmo raramente presenta foliazione anche se si forma sotto pressione orientata?

Distingui clivaggio ardesiaco e scistosità: in quale grado metamorfico compare ciascuno, quali minerali li definiscono e come si riconoscono nel campione a mano.

In una stessa unità geologica tettonicamente coalescente, due rocce A e B sono state sottoposte con certezza allo stesso picco metamorfico (P ≈ 0,7 GPa, T ≈ 500 °C). Tuttavia, l'analisi petrografica rivela associazioni mineralogiche del tutto diverse:

• Roccia A: actinolite + epidoto + clorite + albite.

• Roccia B: quarzo + muscovite + biotite + granato (almandino) + staurolite incipiente.

1. a) Basandoti sul concetto di facies metamorfica di Eskola, determina in quale facies si trovano entrambe le rocce e giustifica come due rocce con associazioni mineralogiche completamente diverse possano appartenere a una stessa facies metamorfica.
2. b) Deduci la natura litologica del protolite di ciascuna roccia (scegli e argomenta tra: basalto tholeiitico, argillite ricca di alluminio e calcare puro), giustificando quali elementi chimici maggiori presenti in ciascuna roccia hanno condizionato lo sviluppo dei suoi minerali diagnostici.
3. c) Se un aumento della deformazione regionale porta le condizioni a 1,2 GPa e 650 °C, prevedi quale nuova associazione mineralogica diagnostica sostituirà la Roccia A (facies delle anfiboliti / transizione alle eclogiti) e ragiona su quale dei due protoliti permetterà di registrare meglio le condizioni del picco di pressione mediante microanalisi di granati zonati.

In una stessa serie metamorfica regionale interessata dall'orogenesi Varisica, due strati sedimentari adiacenti di 1 m di spessore hanno subito condizioni identiche di grado medio (T ≈ 550 °C, P ≈ 0,5 GPa):

• Strato 1: originato da un'argillite pelitica (ricca di Al2O3 e K2O, molto povera di CaO).

• Strato 2: originato da una marna (ricca di CaO, CO2 e SiO2).

1. a) Prevedi quali minerali indice compariranno nello Strato 1 e quali nello Strato 2; giustifica perché minerali tipici del metamorfismo regionale come la staurolite o il granato almandino non si svilupperanno nello Strato 2 pur condividendo lo stesso grado metamorfico.
2. b) Per datare l'evento metamorfico, si esegue uno studio geocronologico sullo Strato 1: la datazione U-Pb su nuclei di zircone fornisce un'età di 520 Ma, mentre la datazione 40Ar/39Ar su muscoviti dello stesso campione dà 315 Ma. Interpreta questa discordanza basandoti sui concetti di «temperatura di chiusura isotopica» e «minerale ereditato», deducendo quale delle due date è associabile al metamorfismo orogenico e se tale data corrisponde esattamente al suo climax.
3. c) Progetta una strategia analitica di osservazione petrografica e microchimica (per esempio, con microsonda elettronica su sezioni sottili lucide) che permetta di verificare se i bordi degli zirconi hanno subito una ricrescita metamorfica durante l'evento di 315 Ma.

Che cos'è il metamorfismo di contatto e dove avviene? Quale struttura forma attorno a un'intrusione ignea?

Che cosa sono le cornubianiti e quali caratteristiche presentano (grana fine, durezza, assenza di foliazione)? Da quali rocce si originano?

Che cos'è una milonite e in che tipo di zone si forma? Quale processo di deformazione la produce?

Distingui metamorfismo regionale, di contatto e dinamico, e collega ciascuno a un contesto concreto della tettonica a placche.

Il metamorfismo regionale accompagna le orogenesi. Spiega perché la compressione e il seppellimento di grandi spessori di rocce innalzano contemporaneamente pressione e temperatura.

Nell'aureola di un granito, le ardesie passano a cornubianiti con andalusite e, vicino al contatto, con cordierite. Spiega la disposizione in zone concentriche dell'aureola metamorfica e che cosa rappresenta ciascun minerale.

Le serpentiniti derivano dall'idratazione di rocce ultramafiche come le peridotiti. Spiega che cosa sono le rocce ultramafiche, dove si formano originariamente e quale contesto geologico indica la loro presenza in superficie.

Lungo un transetto di 40 km in una catena orogenica, un gruppo di geologia cartografa in argilliti metamorfosate la prima comparsa di vari minerali indice in direzione est-ovest: clorite (km 0), biotite (km 11), granato almandino (km 21), staurolite (km 29), cianite (km 34) e sillimanite (km 38).

1. a) Interpreta il tipo di metamorfismo e il gradiente di pressione e temperatura (P/T) rappresentato; deduci in che verso procedeva il seppellimento tettonico e la polarità termica dell'orogene.
2. b) Al km 32, intercalato tra scisti a staurolite, compare uno strato potente di quarzite composto per il 98 % da quarzo e tracce di muscovite. Uno studente deduce che quello strato corrisponde a una zona di grado metamorfico molto basso perché privo di staurolite e granato. Confuta la sua conclusione ricorrendo ai concetti di facies metamorfica e composizione chimica del protolite.
3. c) Se al km 39 si osserva al microscopio che la sillimanite si dispone come sovracrescita e sostituzione diretta di prismi di cianite, deduci la traiettoria P-T (oraria di decompressione e riscaldamento continuo oppure raffreddamento isobarico) subita da quel settore crostale durante l'orogenesi.

Nelle dorsali oceaniche, la circolazione idrotermale trasforma i basalti e i dicchi subvulcanici a temperature da 200 °C a 400 °C e pressioni inferiori a 0,2 GPa. I sondaggi profondi del fondo oceanico rivelano che le rocce subiscono un'idratazione massiccia (> 3,0 % in peso di acqua strutturale) e la sostituzione dei loro minerali primari con l'associazione actinolite + clorite + epidoto + albite.

1. a) Giustifica perché si sviluppa questa paragenesi mineralogica di facies degli scisti verdi in condizioni di pressione litostatica così basse, sottolineando il ruolo chimico e termico dell'acqua di mare riscaldata rispetto a un metamorfismo regionale orogenico.
2. b) Nei fluidi delle sorgenti idrotermali («fumarole nere») il magnesio disciolto si riduce praticamente a zero, mentre calcio, ferro, manganese e silicio aumentano drasticamente rispetto alla normale acqua marina. Interpreta questo scambio ionico e spiega perché il metamorfismo idrotermale del fondo oceanico è un pozzo geochimico indispensabile per il bilancio globale dei sali negli oceani.
3. c) Prevedi quali conseguenze avrà la disidratazione progressiva di questa crosta oceanica alterata quando subdurrà, milioni di anni dopo, sotto una placca continentale, collegandola alla sismicità nel piano di Benioff e alla fusione parziale nel cuneo di mantello sovrastante.

Nelle catene di tipo alpino compaiono cinture con scisti blu (con glaucofane, epidoto e fengite) associati localmente a eclogiti con pirope e onfacite.

1. a) Giustifica quale relazione geotermica (temperatura/profondità) caratterizza l'ambiente di formazione degli scisti blu e ragiona sul perché le zone di subduzione attiva siano l'unico contesto geodinamico terrestre in grado di generare pressioni superiori a 1,2 GPa a temperature inferiori a 400 °C.
2. b) Al microscopio petrografico, i cristalli di glaucofane di questi scisti mostrano corone perimetrali di alterazione formate da actinolite e clorite. Deduci quale traiettoria P-T-t (pressione-temperatura-tempo) spiega questa tessitura e argomenta perché la presenza in superficie di scisti blu ben conservati richiede meccanismi di esumazione tettonica rapida e non una semplice denudazione erosiva lenta.
3. c) Perché l'assenza di scisti blu negli scudi di età archeana (> 2500 Ma) viene interpretata come una prova che il regime geodinamico della Terra primitiva era significativamente diverso da quello della tettonica a placche con subduzione fredda attuale?

Uno studente di geologia afferma quanto segue osservando lo schema del ciclo litologico: «Perché si formi una roccia metamorfica (3) è indispensabile che la roccia passi prima per la fase di sedimentazione (2) a partire da una ignea (1); inoltre, ogni magma (4) si origina direttamente dalla fusione di una roccia metamorfica precedente (3)».

1. a) A partire dalla dinamica delle placche in un orogene di collisione, confuta in modo argomentato entrambe le affermazioni ideando «scorciatoie» o percorsi alternativi tra i serbatoi litologici che dimostrino che il ciclo non è una sequenza chiusa né unidirezionale.
2. b) Se la roccia metamorfica 3 deriva direttamente da una roccia ignea 1 senza passare per lo stato sedimentario 2 (roccia ortoderivata), quali criteri petrologici, geochimici o di tessitura permetterebbero di distinguerla sul campo da una roccia paraderivata (originata da 2)?
3. c) Nel passaggio da 3 a 4 per anatessi crostale, il fuso generato non riesce a raggiungere la superficie e cristallizza in profondità dando origine a 1. Prevedi la roccia plutonica risultante se il protolite era una metapelite ricca di alluminio e spiega quale tessitura svilupperà a causa della velocità di raffreddamento.

Il ciclo litologico non è un circuito chiuso ed equilibrato, ma un sistema dissipativo accoppiato alla macchina termica e tettonica terrestre. Considera le seguenti osservazioni globali:

1) La crosta oceanica basaltica ha densità da 2,9 a 3,0 g/cm³ e viene riciclata quasi completamente nel mantello, senza superare i 200 Ma di età.

2) La crosta continentale ha una densità media di 2,7 g/cm³ e conserva rocce di più di 3800 Ma.

3) Nelle catene di collisione attive, il tasso di denudazione erosiva può raggiungere da 2 a 5 mm/anno.

1. a) A partire da questi dati, giustifica perché la crosta continentale agisce come un serbatoio cumulativo e subisce una differenziazione geochimica irreversibile verso composizioni più ricche di silice e di elementi incompatibili nel corso del tempo geologico, invece di essere distrutta nel mantello.
2. b) Modella il meccanismo di retroazione accoppiata tra orogenesi, clima e ciclo litologico: spiega come l'alterazione chimica dei silicati negli orogeni recenti modifica la composizione atmosferica globale e come lo scarico dovuto all'erosione superficiale innesca il sollevamento isostatico e l'esumazione di rocce della crosta profonda.
3. c) In una faglia trasforme continentale pura (senza componente di convergenza né di divergenza), prevedi quali trasformazioni litologiche del ciclo saranno dominanti (in termini di tipo di metamorfismo e deformazione delle rocce) e quali saranno praticamente assenti rispetto a un margine convergente, giustificando la risposta in base al regime termico e di sforzi esistente.