Le rocce metamorfiche

Rocce metamorfiche

Aronta è quel che’al ventre li s’atterga che ne’ monti di Luni, dove ronca lo Carrarese che di sotto alberga, ebbe tra’ bianchi marmi la spelonca per sua dimora; onde a guardar le stelle e ‘l mar non gli era la veduta tronca.

Dante Alighieri Inferno XX

Rocce metamorfiche

§1.1 Introduzione

§1.2 I tipi di metamorfismo

§1.3 Condizioni di formazione delle rocce metamorfiche

§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

§1.5 La struttura delle rocce metamorfiche

§1.6 La classificazione delle rocce metamorfiche

§1.7 La classificazione delle rocce metamorfiche

MAPPA

§1.1 Introduzione

Le rocce, quando vengono sottoposte a temperature elevate o a forti pressioni (o ad entrambi i processi), pur rimanendo allo stato solido possono subire dei cambiamenti nella loro composizione mineralogica (cioè del tipo di minerali di cui sono costituite) e nella struttura (cioè nella disposizione dei minerali al loro interno). Questo processo di trasformazione mineralogica e strutturale è detto metamorfismo e le rocce che ne derivano sono chiamate rocce metamorfiche. Il metamorfismo è quindi un processo che avviene in profondità, all’interno della crosta terrestre, senza che si arrivi alla fusione del materiale coinvolto (se ciò avviene, si origina un magma e si possono formare rocce magmatiche). Le rocce metamorfiche sono una traccia vistosa delle trasformazioni che coinvolgono l’intera crosta terrestre: rocce oggi affioranti possono, con il tempo, scendere a profondità di decine di kilometri, mentre via via si trasformano; rocce profonde possono essere spinte e affiorare in superficie, portando con sé le «prove» delle vicende subìte.

• I minerali e le rocce sono stabili solo nelle condizioni in cui si formano.

• Ai cambiamenti di temperatura e pressione corrispondono cambiamenti mineralogici e di struttura nelle rocce, che si adattano alle nuove condizioni.

• Tutto ciò avviene in tempi molto lunghi mentre la roccia resta allo stato solido.

• Le nuove condizioni di temperatura e pressione determinano il fenomeno della ricristallizzazione.

§1.1 Introduzione

Quali sono le condizioni nelle quali si verificano le trasformazioni metamorfiche?

• Questi processi avvengono all’interno della crosta terrestre, a una profondità compresa tra i 10 e i 30 km, dove le pressioni aumentano e le temperature diventano sufficientemente elevate, ma non a tal punto da provocare la fusione delle rocce (se non localmente e in modesti volumi).

• Il metamorfismo riguarda quindi le rocce che, per i continui movimenti della crosta terrestre, vengono trasportate a profondità maggiori rispetto alla loro posizione iniziale

• La temperatura e la pressione che innescano il metamorfismo sono conseguenze del calore interno della Terra e del peso delle rocce sovrastanti (pressione litostatica). A 15 km di profondità la pressione è infatti circa 4000 volte superiore a quella esistente sulla superficie terrestre.

§1.1 Introduzione

§1.2 Tipi di metamorfismo

Le rocce metamorfiche possono derivare oltre che da altre rocce metamorfiche, anche da rocce sedimentarie (para-metamorfiti) e da rocce ignee (orto-metamorfiti). Si distinguono 4 tipi di metamorfismo: di contatto (o termico), regionale, di carico, dinamico (o cataclastico). Metamorfismo termico, di carico e dinamico sono fenomeni molto frequenti, ma quantitativamente poco significativi. Essi generano infatti solo una piccola percentuale delle rocce metamorfiche, la gran parte delle quali si produce invece in conseguenza dei fenomeni tettonici collegati al metamorfismo regionale.

metamorfismo regionale

metamorfismo di contatto

Metamorfismo di contatto o termico Si produce quando le rocce si trovano in contatto con intrusioni magmatiche. Le rocce circostanti (rocce incassanti) subiscono un aumento di temperatura a causa del calore emanato dal magma che si raffredda. In tal modo le intrusioni ignee sono sempre circondate da aureole di rocce metamorfiche (contattiti) il cui grado metamorfico diminuisce man mano che ci allontaniamo dal corpo magmatico. Si tratta, quindi, di un fenomeno localizzato.


L’intrusione di un magma provoca la «cottura» della roccia incassante.

Metamorfismo regionale La collisione tra masse rocciose, dovuta a movimenti tettonici, provoca lo sprofondamento di grandi volumi di rocce che, sottoposte a condizioni di temperatura e pressione sempre più intense, subiscono processi metamorfici di grado crescente, indicati col termine di metamorfismo regionale.


Metamorfismo di carico Si produce quando masse rocciose sprofondano entro la crosta terrestre subendo un aumento di pressione per il peso dei sedimenti sovrastanti e di temperatura che cresce con la profondità, secondo il gradiente geotermico (3° ogni 100 m). Se le rocce che sprofondano sono sedimentarie, si passa gradualmente dalla diagenesi al metamorfismo di basso grado e non sempre è possibile fare una distinzione netta tra i due fenomeni.


Metamorfismo dinamico o cataclastico Si produce in corrispondenza di grandi fratture della crosta terrestre (faglie), dove due frammenti crostali si spostano parallelamente con verso opposto. Lungo la superficie di contatto (superficie di faglia) tra le due masse rocciose in scorrimento reciproco l'attrito libera enormi quantità di calore. Le rocce vengono frantumate e profondamente alterate. Si formano rocce metamorfiche tipiche chiamate miloniti.

• Quando prevale l’azione di forti pressioni rispetto a quella della temperatura (a profondità relativamente basse), si formano di preferenza minerali appiattiti o lamellari, come le miche, orientati tutti perpendicolarmente alla direzione della pressione. Le rocce che ne derivano presentano una tipica scistosità, cioè la proprietà di dividersi facilmente in lastre su piani paralleli.

• Con l’aumentare della temperatura e della profondità, la formazione di minerali lamellari diventa più difficile e prevalgono minerali di aspetto granulare: si perde così la scistosità e si formano rocce più massicce, anche se ancora divisibili in grossi banchi.

I minerali di una roccia che sprofonda nella crosta terrestre sono sottoposti, quindi, a continua trasformazione e il tipo di metamorfismo finale dipende dal punto in cui si è arrestato il processo di sprofondamento. Rocce in partenza uguali possono originare tipi diversi di rocce metamorfiche, a seconda delle pressioni e delle temperature cui sono sottoposte.



L’entità delle trasformazioni subite dalle rocce è definita grado metamorfico. Esso diventa sempre più accentuato con la profondità:

si passa da un grado metamorfico basso a uno intermedio e infine a uno elevato al cambiare delle condizioni fisiche. Il metamorfismo di grado bassissimo non è molto diverso da un processo di diagenesi: gli effetti sulle rocce possono essere del tutto simili.

Temperatura pressione e metamorfismo In un grafico temperatura-pressione, il processo metamorfico occupa un’area compresa tra processo sedimentario e processo magmatico sfumando in questi.


Nel metamorfismo di altissimo grado o ultrametamorfismo le variazioni di temperatura e pressione sono tali da arrivare alla fusione parziale della roccia. In questo caso la frazione mineralogica più acida della roccia metamorfica fonde per prima con formazione di un fuso acido che contiene frammenti solidi più basici della roccia di partenza.

Se, come spesso accade, il fuso acido che si forma raffredda in loco, si produce una roccia formata da porzioni di roccia metamorfica rimasta solida (paleosoma) e porzioni di roccia ignea appena formatasi (neosoma). A tali rocce miste si è dato il nome di migmatiti. Esse presentano spesso venature bianche parallele o chiazze bianche di neosoma sul paleosoma più scuro.

L'ultrametamorfismo sfocia nell'anatessi, con formazione di un magma anatettico e non è sempre facile distinguere nettamente i due fenomeni.

Quando è trascinata in profondità dai movimenti della crosta terrestre, una roccia si adatta alle nuove temperature e pressioni: gli atomi diventano più mobili, abbandonano le posizioni occupate nei reticoli cristallini e si legano secondo nuove disposizioni, creando, così, una nuova associazione mineralogica in equilibrio con le nuove condizioni di temperatura e pressione. Questo fenomeno viene detto ricristallizzazione dei minerali. A volte, cristalli già presenti si ingrandiscono, assorbendone altri dello stesso tipo (V. Figure). Tutte queste modificazioni avvengono però senza che la roccia passi allo stato fuso, nel qual caso si produrrebbe una nuova roccia magmatica. Tuttavia, la ricristallizzazione metamorfica è facilitata dalla presenza di acqua e di composti allo stato aeriforme in genere.

Un calcare (a sinistra), formato da minuscoli cristalli di calcite, può essere trasformato – attraverso un processo metamorfico – in un marmo (a destra), costituito da un mosaico di cristalli di calcite di dimensioni maggiori, proprio per questo la struttura del marmo viene detta saccaroide.


Azione della temperatura La maggiore temperatura favorisce la mobilità degli atomi e degli ioni che formano i cristalli.


I fenomeni metamorfici richiedono che la roccia raggiunga temperature minime di 100° - 150°C. All'aumentare della temperatura aumenta anche il grado metamorfico e, naturalmente, il grado di ricristallizzazione della roccia.

Bassissimo grado 200 - 350°C Basso grado 350 - 500°C Medio grado 500 - 650°C Alto grado 650 - 800°C Altissimo grado > 800 °C

Occorre, tuttavia, sottolineare, ancora una volta, che il grado di metamorfismo è correlato, non solo, con le variazioni di temperatura ma anche di pressione.


Azione della pressione La pressione modifica in vari modi la composizione mineralogica e la struttura di una roccia. In ogni caso, però, la maggiore pressione genera nuove strutture cristalline più stabili di quelle preesistenti.

La pressione che agisce sulle rocce può presentare due componenti:

• Una pressione di carico o litostatica o omogenea.

• Una pressione orientata.


Azione della pressione La pressione di carico o litostatica è esercitata dal peso delle rocce sovrastanti, il cui valore dipende naturalmente dalla densità delle rocce. Si assume in genere per il gradiente barico un valore intorno a 25 - 30 Kg/cm2 ogni 100 m di profondità. La pressione di carico è di tipo idrostatico. Ciò significa che essa agisce con la stessa intensità in tutte le direzioni (principio di Pascal), non provocando deformazione delle rocce.

Le pressioni omogenee, che agiscono in modo uniforme in tutte le direzioni, fanno avvicinare fra loro gli atomi dei minerali, che assumono così strutture cristalline più «compatte».


Azione della pressione La pressione orientata è esercitata dai movimenti crostali orizzontali responsabili dei fenomeni orogenetici.

La pressione orientata agisce lungo una direzione prevalente e determina di conseguenza deformazione delle rocce.


La scistosità Tale pressione, agendo in una direzione determinata, è in grado di condizionare la tessitura della roccia metamorfica che si sta formando.

Questo avviene quando la roccia di partenza è costituita da minerali come le miche, gli anfiboli ed i pirosseni che possono cristallizzare in lamine o aghetti. Durante il processo di cristallizzazione di tali minerali, questi si dispongono prevalentemente in direzioni ortogonali al vettore pressione cui sono sottoposti e tra loro paralleli. Si formano così delle striature colorate (superfici di scistosità) che danno un aspetto caratteristico a molte rocce metamorfiche. La roccia assume in tal caso una tipica struttura scistosa.


Il fattore composizione

L’associazione di minerali in una roccia metamorfica dipende anche dalla composizione della roccia originaria. I minerali più abbondanti nelle rocce metamorfiche sono i silicati, dato che esse derivano da altre rocce ricche di silicati. Tra i minerali caratteristici di questa categoria di rocce alcuni, come il quarzo e le miche, sono presenti anche nelle rocce magmatiche; altri invece (come il granato) sono tipici delle sole rocce metamorfiche.


§1.5 Struttura delle rocce metamorfiche

• Il metamorfismo conferisce nuove strutture alle rocce che modifica.

• I cristalli possono essere di dimensioni assai variabili, ma in genere

sono distinguibili a occhio nudo. • La struttura di una roccia metamorfica è determinata dalla

dimensione, dalla forma e dalla disposizione dei cristalli.


Se i piani che caratterizzano la roccia metamorfica sono sottili, la roccia ha struttura foliata. La scistosità è evidente e la roccia si sfalda in sottili lamine

Un campione di fillade.

Esempio di fillade, roccia metamorfica di basso grado. La fillade deriva dal metamorfismo di rocce argillose e argillo-sabbiose, contenenti spesso residui di materiale organico (soprattutto vegetale) che, trasformato in grafite, conferisce un colore scuro alla roccia.


La struttura scistosa è caratterizzata dalla disposizione dei cristalli per bande grossolanamente parallele, più o meno ondulate. La scistosità è molto evidente.

Un campione di scisto.

I micascisti (metamorfismo di grado da medio ad alto) sono formati da letti alterni di quarzo, in granuli o lenticelle, e di miche. Le dimensioni delle lamelle di mica sono tali che si distinguono a occhio nudo (sono le aree scure) nelle filladi, invece, le miche si distinguono solo al microscopio.


Quando, come accade spesso nel metamorfismo di grado elevato, lo spessore dei piani è considerevole, si parla di struttura zonata. Gli gneiss presentano in genere modesta scistosità.

Un campione di gneiss


Gneiss occhiadino, tipica roccia di alto grado di metamorfismo. (Da A. Mottana, R. Crespi, G. Liborio, Minerali e rocce, A. Mondadori). Le macchie chiare (simili a occhi) sono cristalli di feldspato potassico (ortoclasio o microclino); i sottili veli scuri che circondano gli occhi sono letti di mica. La scistosità è poco sviluppata.

Alcune rocce metamorfiche, come gli gneiss, hanno la struttura occhiadina, caratterizzata da noduli cristallini chiari circondati da sottili bande scure. In primo piano i cosiddetti «occhi».

Un campione di gneiss occhiadino.


Le rocce metamorfiche formate da cristalli compatti, privi di un orientamento preferenziale, sono caratterizzate da una struttura granulare. Forte metamorfismo dovuto a temperatura molto elevata.

Un campione di marmo.

Un esempio di marmo, formato per contatto tra calcari e un magma granitico. La massa chiara è formata da cristalli di calcite, mentre le macchie tondeggianti scure sono cristalli di granato (un nesosilicato). (Da Foto-atlante dei minerali e rocce, Zanichelli, 1984)

§1.6 Classificazione delle rocce metamorfiche

La classificazione delle rocce metamorfiche è piuttosto complessa e non ha trovato ancora l'accordo di tutti gli specialisti. In generale essa tiene conto sia del tipo di rocce di partenza che delle condizioni termobariche raggiunte. La classificazione è complicata dal fatto che rocce diverse possono trasformarsi in una stessa roccia metamorfica. Una classificazione ancora molto usata è quella proposta dal petrologo finlandese Penti Eskola (1915) che raggruppa insieme in una stessa facies metamorfica rocce diverse per composizione chimica e mineralogica, ma formatesi all'interno di un medesimo intervallo termobarico. Ciascuna facies è definita da particolari e caratteristiche associazioni di minerali (paragenesi), detti minerali-indice. All'interno di ciascuna facies si esegue poi una classificazione in base alle caratteristiche mineralogiche della roccia, che viene detta serie metamorfica.


I minerali indice si formano solo in un limitato intervallo di temperatura e pressione. La presenza dei minerali indice testimonia le condizioni in cui è avvenuto il processo metamorfico.


Ciascuna facies prende il nome da una roccia particolarmente rappresentativa, ma comprende naturalmente rocce molto diverse per composizione chimica e mineralogica. Ad esempio la facies delle anfiboliti comprende l’anfibolite (che deriva dai basalti) e i micascisti (che derivano dalle argille).

SEDIM.

MAGMATISMO DA

ANATESSI

M E T A M O R F I S M O

M E T A M O R F I S M O

§1.7 Le serie metamorfica delle argille

Una stessa roccia originaria può formare rocce metamorfiche diverse a seconda del grado di metamorfismo cui è sottoposta. Queste rocce di diverso grado che hanno origine dalla stessa roccia formano una serie metamorfica. A titolo esemplificativo consideriamo la sequenze di trasformazioni metamorfiche che costituisce la serie metamorfica delle argille, che sono rocce di partenza particolarmente diffuse.

Le rocce sedimentarie costituite da argilla che subiscono un metamorfismo di basso grado si trasformano in argilloscisti. I cristalli degli argilloscisti (soprattutto silicati) si ricristallizzano, trasformandosi in mica e conferiscono alla roccia un aspetto foliato. Se le miche continuano a ricristallizzarsi le rocce si trasformano in filladi. Ulteriori reazioni di ricristallizzazione portano alla formazione di grossi cristalli di mica, di quarzo e di feldspati e la roccia diventa uno scisto. A temperature e pressioni più elevate si formano minerali come il granato e i feldspati e le rocce si trasformano in gneiss. Sottoposti a condizioni di temperatura e di pressione molto elevate, alcuni gneiss si trasformano in migmatiti. In generale si può dire che, nelle rocce, al crescere del grado di metamorfismo, aumenta la dimensione dei cristalli e aumenta lo spessore della foliazione, fino a creare bande di un certo spessore.

§1.7 Le serie metamorfica delle argille

Le rocce metamorfiche

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