Geologia fisica

Tutti gli importanti processi di metamorfismo che conosciamo possono essere direttamente correlati ai processi geologici causati dalla tettonica a placche. Le relazioni tra tettonica a placche e metamorfismo sono riassunte nella Figura 7.14 e più in dettaglio nelle Figure 7.15, 7.16, 7.17 e 7.19.

La maggior parte del metamorfismo regionale avviene all’interno della crosta continentale. Mentre le rocce possono essere metamorfosate in profondità nella maggior parte delle aree, il potenziale di metamorfismo è maggiore nelle radici delle catene montuose dove c’è una forte probabilità di sepoltura di roccia sedimentaria relativamente giovane a grandi profondità, come illustrato nella Figura 7.15. Un esempio potrebbe essere la catena dell’Himalaya. A questo confine convergente continente-continente, le rocce sedimentarie sono state sia spinte fino a grandi altezze (quasi 9.000 m sul livello del mare) sia sepolte a grandi profondità. Considerando che il normale gradiente geotermico (il tasso di aumento della temperatura con la profondità) è di circa 30°C per chilometro, rock sepolto a 9 km sotto il livello del mare in questa situazione potrebbe essere vicina a 18 km sotto la superficie della terra, ed è ragionevole aspettarsi temperature fino a 500°C. Metamorfiche rocce formatesi ci sono probabilità di essere numerati, a causa del forte direzionale pressione della convergenza di piastre.

A una cresta oceanica che si sta diffondendo, la crosta oceanica di gabbro e basalto di recente formazione si sta lentamente allontanando dal confine della placca (Figura 7.16). L’acqua all’interno della crosta è costretta a salire nell’area vicino alla fonte di calore vulcanico, e questo attira più acqua da più lontano, che alla fine crea un sistema convettivo in cui l’acqua di mare fredda viene aspirata nella crosta e poi di nuovo sul fondo del mare vicino alla cresta. Il passaggio di quest’acqua attraverso la crosta oceanica a 200° a 300 ° C promuove reazioni metamorfiche che cambiano il pirosseno originale nella roccia in clorite e serpentina. Poiché questo metamorfismo avviene a temperature ben al di sotto della temperatura alla quale la roccia originariamente formata (~1200°C), è noto come metamorfismo retrogrado. La roccia che si forma in questo modo è conosciuta come greenstone se non è foliata, o greenschist se lo è. Il clorito ((Mg5Al) (AlSi3)O10 (OH) 8)e la serpentina ((Mg, Fe)3Si2O5 (OH) 4) sono entrambi “minerali idratati” che significano che hanno acqua (come OH) nelle loro formule chimiche. Quando la crosta oceanica metamorfosata viene successivamente subdotta, il clorito e la serpentina vengono convertiti in nuovi minerali non idrosi (ad es., granato e pirosseno) e l’acqua che viene rilasciata migra nel mantello sovrastante, dove contribuisce alla fusione del flusso (Capitolo 3, sezione 3.2).

In una zona di subduzione, la crosta oceanica viene forzata nel mantello caldo. Ma poiché la crosta oceanica è ora relativamente fresca, specialmente lungo la sua superficie superiore del fondo marino, non si riscalda rapidamente e la roccia subduttrice rimane diverse centinaia di gradi più fredda del mantello circostante (Figura 7.17). Un tipo speciale di metamorfismo avviene in queste condizioni di altissima pressione ma relativamente bassa temperatura, producendo un minerale anfibolo noto come glaucofano (Na2 (Mg3Al2)Si8O22(OH) 2), che è di colore blu ed è un componente importante di una roccia nota come blueschist.

Se non hai mai visto o addirittura sentito parlare di blueschist, non è sorprendente. Ciò che sorprende è che qualcuno l’abbia visto! La maggior parte delle forme blueschist in zone di subduzione, continua ad essere subdotta, si trasforma in eclogite a circa 35 km di profondità, e poi alla fine affonda in profondità nel mantello — per non essere mai più visto. In pochi luoghi del mondo, dove il processo di subduzione è stato interrotto da qualche processo tettonico, è parzialmente subdotta roccia blueschist tornato in superficie. Uno di questi luoghi è l’area intorno a San Francisco; la roccia è conosciuta come il Complesso francescano (Figura 7.18).

Il magma è prodotto a confini convergenti e sale verso la superficie, dove può formare corpi magmatici nella parte superiore della crosta. Tali corpi magmatici, a temperature di circa 1000°C, riscaldano la roccia circostante, portando al metamorfismo di contatto (Figura 7.19). Poiché ciò accade a profondità relativamente basse, in assenza di pressione diretta, la roccia risultante normalmente non sviluppa foliazione. La zona di metamorfismo di contatto intorno a un’intrusione è molto piccola (tipicamente da metri a decine di metri) rispetto all’estensione del metamorfismo regionale in altri contesti (decine di migliaia di chilometri quadrati).

metamorfismo Regionale, inoltre, si svolge all’interno vulcanica ad arco catene montuose, e a causa del calore associato con il vulcanismo, il gradiente geotermico è in genere un po ‘ più ripido, in queste impostazioni (da qualche parte tra i 40° e i 50°C/km). Di conseguenza, gradi più elevati di metamorfismo possono avvenire più vicino alla superficie rispetto ad altre aree (Figura 7.19).

Un altro modo per capire il metamorfismo è usando un diagramma che mostra la temperatura su un asse e la profondità (che è equivalente alla pressione) sull’altro (Figura 7.20). Le tre linee tratteggiate pesanti su questo diagramma rappresentano gradienti geotermici della Terra in condizioni diverse. Nella maggior parte delle aree, il tasso di aumento della temperatura con profondità è di 30°C/km. In altre parole, se si scende di 1.000 m in una miniera, la temperatura sarà di circa 30°C più calda della temperatura media in superficie. Nella maggior parte del sud del Canada, la temperatura media superficiale è di circa 10°C, quindi a 1.000 m di profondità, sarà di circa 40°C. Questo è scomodamente caldo, quindi le miniere profonde devono avere sistemi di ventilazione efficaci. Questo tipico gradiente geotermico è mostrato dalla linea tratteggiata verde nella Figura 7.20. A 10 km di profondità, la temperatura è di circa 300 ° C e a 20 km è di circa 600°C.

Nelle aree vulcaniche, il gradiente geotermico è più simile a 40° a 50°C/km, quindi la temperatura a 10 km di profondità è compresa tra 400° e 500°C. Lungo le zone di subduzione, come descritto sopra, la crosta oceanica fredda mantiene basse le temperature, quindi il gradiente è tipicamente inferiore a 10°C/km. I vari tipi di metamorfismo sopra descritti sono rappresentati nella Figura 7.20 con le stesse lettere (da a a e) utilizzate nelle figure da 7.14 a 7.17 e 7.19.

A titolo di esempio, se osserviamo il metamorfismo regionale in aree con gradienti geotermici tipici, possiamo vedere che la sepoltura nella gamma da 5 km a 10 km ci pone nella zona minerale di zeolite e argilla (vedi Figura 7.20), che è equivalente alla formazione di ardesia. A 10 km a 15 km, siamo nella zona di greenschist (dove la clorite si formerebbe nella roccia vulcanica mafica) e le miche molto fini si formano nel mudrock, per produrre la fillite. A 15 km a 20 km, più grandi micas forma per produrre scisto, e a 20 km a 25 km anfibolo, feldspato, e quarzo forma per produrre gneiss. Oltre i 25 km di profondità in questo ambiente, attraversiamo la linea di fusione parziale per granito (o gneiss) con acqua presente, e quindi possiamo aspettarci che si formi la migmatite.