Lezione sulle rocce metamorfiche. Classificazione, descrizione dei meccanismi genetici, mappa concettuale conclusiva.

1. 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

2. 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

3. §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.

4. • 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

5. 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

6. §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

7. 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.
§1.2 Tipi di metamorfismo
L’intrusione di un magma
provoca la «cottura» della
roccia incassante.

8. 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.
§1.2 Tipi di metamorfismo

9. 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.
§1.2 Tipi di metamorfismo
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.

10. • 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.
§1.3 Condizioni di formazione delle rocce metamorfiche

11. §1.3 Condizioni di formazione delle rocce metamorfiche
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.

12. §1.3 Condizioni di formazione delle rocce metamorfiche
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.

13. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

14. Azione della temperatura
La maggiore temperatura favorisce la mobilità degli atomi e degli
ioni che formano i cristalli.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

15. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

16. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

17. 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».
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

18. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

19. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

20. 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.
§1.4 La ricristallizzazione dei minerali

21. §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.

22. §1.5 Struttura delle rocce metamorfiche
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.

23. §1.5 Struttura delle rocce metamorfiche
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.

24. §1.5 Struttura delle rocce metamorfiche
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

25. §1.5 Struttura delle rocce metamorfiche
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.

26. §1.5 Struttura delle rocce metamorfiche
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)

27. §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.

28. §1.6 Classificazione delle rocce metamorfiche
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.

29. §1.6 Classificazione delle rocce metamorfiche
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

30. §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.

31. 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

32. MAPPA