Para que serve estudar rochas metamórficas? 18/05/20 PT-62-F. Definições, agentes físicos, tipos e divisões do metamorfismo.

Definições, agentes físicos, tipos e

divisões do metamorfismo

Prof. Renato de Moraes 0440100 - Geologia Geral rmoraes@usp.br

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Grt

Bt

Bt

PT-62-F

Para que serve estudar rochas

metamórficas?

• Metálicos: Au, Zn, Cu

•  Metamorfismo inclui todas as mudanças pelas quais as rochas passam após a diagênese e antes da fusão

•  As tranformações que a rocha sofre ocorrem em resposta às mudanças no ambiente geológico, tais como mudanças de temperatura (T), pressão litostática (P), composição dos fluidos e pressão dirigida (ou tensão deviatória, σ)

•  As transformações do metamorfismo ocorrem no estado sólido, sem que haja fusão ou dissolução completa do protolito

•  Metamofismo é o conjunto de transformações que as rochas sofrem em virtude de mudanças de temperatura e pressão, a que são submetidas após sua formação

•  Metamorfismo ocorre essencialmente no estado sólido, embora fluidos (H2O e CO2) e fundido silicático possam estar presentes

•  As transformações que ocorrem no metamorfismo são:

• de fase (mineralógicas)

• estruturais (textura e estrutura)

• composicionais (des-hidratação, des-carbonatação ou hidrotermalismo)

•  As mudanças ocorrem em intervalos de tempo que podem ser medidos, tempo específico (idade) ou variações temporais (taxa de aquecimento, resfriamento, exumação)

•  Apesar de ocorrem minerais neo-formados no metamorfismo, diz-se que a rocha sofreu recristalização

•  Recristalização pode ser dividida em dois tipos:

• recristalização – quando nenhum mineral novo é formado, mas

o quartzo que já estava na rocha, por exemplo, tem a forma (ou limites) do grão modificada, ficando maior com aumento da temperatura (↑T) ou menor quando submetido à deformação (σ)

• cristalização no estado sólido – quando a rocha cruza reação

metamórfica e os minerais presentes reagem para produzir associação mineral mais estável (com novos cristais) nas novas condições P-T

cristalização no

estado sólido

recristalização

do quartzo

•  Qualquer rocha pode sofrer metamorfismo e a rocha original é o

protolito

•  O protolito pode ser rocha ígnea, sedimentar ou mesmo metamórfica

• ígnea – rocha máfica (basalto), rocha ultramáfica (komatiito), rocha félsica (granítica)

• sedimentar – argilitos (pelitos), calcáreos, arenitos (psamitos) •  A composição da rocha é quem define os minerais que vão ou

não surgir pelo metamorfismo

1 cm

meta basalto no núcleo do boudin da região de Acaiaca, MG textura ígnea preservada

foto de Caio Arthur Santos

1 cm

anfibolito cisalhado na borda do boudin da região de Acaiaca, MG textura metamórfica desenvolvida (orientação preferencial dos minerais novos) foto de Caio Arthur Santos

•  O metamorfismo afeta boa parte da crosta continental nas regiões tectonicamente ativas

• ~ 30% da crosta continental é formada por rochas metamórficas •  Parte da crosta oceânica que sofre alteração hidrotermal ou

deformação e metamorfismo em zonas de falhas

•  O manto da Terra sofre deformação e transformações no estado sólido, portanto é formado por rochas metamórficas

•  Metamofismo é o conjunto de transformações que as rochas sofrem em virtude de mudanças de temperatura e pressão a que são submetidas após sua formação

•  Metamorfismo ocorre essencialmente no estado sólido, embora fluidos (H2O e CO2) e fundido silicático possam estar presentes

•  A rocha não funde! As transformações ocorrem no estado sólido através das reações metamórficas

•  As reações metamórficas ocorrem através da difusão

• Difusão – movimento de átomos individuais através de grupo de

átomos. Os átomos movem-se através dos defeitos dos cristais no estado sólido

•  Difusão é dependente da temperatura (T)

•  Como as transformações ocorrem no estado sólido é possível que características da rocha original sejam preservadas (textura e estrutura ígnea ou sedimentar)

Os cristais são imperfeitos, apresentam vacâncias no retículo, que são usadas para a movimentação dos átomos

A difusão permite o rearranjo dos átomos sem destruir o retículo cristalino

Os átomos escuros agora estão mais próximos e podem começar a se reagrupar para formar novos minerais

ardósia com clivagem ardosiana perpendicular ao acamento sedimentar, ainda preservado Presse & Siever

anfibolito emigmatitos intercalados em Acaiaca, MG e relações de intrusão de dique ainda preservada foto Renato de Moraes

1 cm

meta basalto no núcleo do boudin da região de Acaiaca, MG textura ígnea preservada

foto de Caio Arthur Santos

•  James Hutton (1726-1797) foi o primeiro a reconhecer que certas rochas tinham origem sedimentar, mas haviam sido transformadas por calor subterrâneo •  Charles Lyell (1797-1855) em seu trabalho Principles

of Geology (1833) elucidou as ideias de Hutton e propôs o nome rochas metamórficas para as rochas transformadas

•  George Barrow (1893, 1912) caracterizou o

metamorfismo nos Highlands da Escócia com zonas de minerais índices

Ø  Primeiros estudos de metamorfismo progressivo foram feitos

por George Barrow (1893, 1912) nas terras altas (highlands) da Escócia

Ø  Barrow identificou zonas metamórficas, caracterizadas por

minerais índices, inicialmente atribuídas ao metamorfismo de

contato em torno de granito

Ø clorita Ø biotita Ø granada Ø estaurolita Ø cianita (+biotita) Ø sillimanita (+biotita) Barrow (1893) Barrow, 1912

•

  As reações metamórficas são responsáveis pela

formação das associações minerais

•

Uma rocha de

composição fixa

, quando submetida a

diversas condições de T e P, apresenta

diversas

associações minerais, as quais são típicas e

diagnósticas para intervalos diferentes de P e T

•

As associações metamórficas podem ser previstas, desde

que sejam conhecidas a composição da rocha e as

condições de P e T (ou

vice-versa

)

•  A nova associação mineral é quimicamente equivalente à

associação antiga

• quartzo + muscovita = ortoclásio + sillimanita + H2O

• SiO2 + KAl3Si3O10(OH) 2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O

•  Quando a rocha sofre metamorfismo com aquecimento (aumento progressivo de T), diz-se que o metamorfismo é

progressivo

•  A condição de T mais elevada que a rocha experimenta é o

pico metamórfico

•  A associação mineral estável quando o pico metamórfico é alcançado é denominada de paragênese

•  Para que ocorra metamorfismo é preciso fonte de calor

• corpos ígneos: metamorfismo de contato

• calor da radioatividade: metamorfismo regional

•  T – temperatura •  P – pressão litostática •  deformação •  composição da rocha •  t - tempo

•  presença e composição de fluídos

•  Temperatura (T em o_{C ou K)}

• O agente mais importante do metamorfismo •  Fontes de Calor

• Decaimento radioativo dos elementos

• Magma

• Manto (Astenosfera) •  T K = o_{C + 273,15}

•  Limite inferior T > 200 o_{C - diagênese} • caolinita + quartzo → pirofilia

•  Limite superior – embora a maior parte das rochas entrem em fusão a pressões crustais entre 850 e 900 o_{C, (granitos mínimos}

em torno de 600 – 650 o_{C), algumas rochas podem se manter}

no estado sólido até temperaturas > 1100 o_{C (Harley &}

Motoyoshi, 2000; Moraes, et al., 2002)

•  Linha (ou superfície) que descreve a variação de T com a profundidade (ou P) na Terra

•  Pressão é a segunda variável intensiva mais importante do

metamorfismo. Proveniente do peso da coluna de rochas sobrejacente à rocha que esta sendo metamorfizada. Depende

da densidade média das rochas da porção da crosta envolvida. •  P em kbar ou GPa

•  1 baria = 105 _Pa •  1 kbar = 0,1 GPa

rocha

densidade g/cm

_{densidade kg/m}

granito

2,7

2700

basalto

3,0

3000

peridotito

3,3

3300

rocha

P em bars

P em kbar

granito

264

0,264

basalto

294

0,294

peridotito

323

0,323

H

O mar

(fossa das Filipinas)

9 – 10 km

rocha

profundidade

granito

3,8 km

basalto

3,4 km

Crosta oceânica

5 – 10 km

1,5 a 3 kbar

Crosta continental

35 – 40 km

10 kbar

orógenos

70 – 80 km

20 kbar

•  Tensão deviatória (stress) - pressão litostática (P) é confinante e semelhante à pressão hidrostática, igual em todas as direções. Quando as rochas são submetidas à tensão deviatória (stress), o esforço pode ser diferente em pelo menos uma das direções, causando a deformação da rocha

•  Valores de σ variam entre 5 e 10 bars, podendo atingir 100 bars

•  Valores dessa ordem são muito baixos e não afetam o campo de estabilidade dos minerais

•  A tensão deviatória só é responsável pelo crescimento orientado dos minerais (dobras, foliação, lineação)

•

Fluidos – ocorrem nos minerais hidratados e nos

interstícios dos grãos

• Espécies principais: H2O, CO2, CH4, S (O2, N, H).

•

Atuação

• estabilidade da associação mineral

• aporte de calor por advecção

• transferência de massa – alteram a composição da rocha

• deposição de minério

• inclusões fluidas indicam composição do fluido e condições P-T de aprisionamento

•  O fluido é supercrítico, está em T acima de sua temperatura de ebulição, mas as P são altas o suficiente para impedir essa mudança de estado. É um fluido não compressível e de alta densidade e sua T e P são mais altas que o ponto crítico •  P fluido = P_H2O

•  P fluido = P_H2O + P_CO2 + P_CH4 •  Normalmente PTotal >> Pfluido

•  Composição da rocha – determina os minerais que podem ser

“vistos” pela rocha dependendo das condições de P e T do metamorfismo

• Pelito – sistema modelo KFMASH (NaCaMnKFMASTO)

• Rocha máfica – NCFMASH

• Rocha ultramáfica – CMSH(-CO2)

• Calcáreo impuro – CMSH-CO2

• Gnaisse - NCKASH

•  O metamorfismo pode ocorrer com sistema químico

fechado, quando só há troca de calor e H2O (perda) com o ambiente.

•  O metamorfismo pode ocorrer com sistema químico aberto, quando a composição da rocha sofre modificações

• O hidrotermalismo é o caso específico quando o volume de H2O é muito grande em relação ao da rocha e as modificações

químicas podem ser drásticas

• Depósitos minerais podem ser gerados

•  Metamorfismo de contato – ocorre pelo calor oriundo

de intrusões

• Forma auréola de contato ao redor da intrusão

• Minerais de T mais alta mais próximos da intrusão

•  Paragêneses anidras (e de alta T) próximas da intrusão

•

Metamorfismo de choque (impacto) – causado

pelo impacto de meteoritos

•  Metamorfismo Regional – ocorre em ampla região geográfica

•  Ocorrem três tipos principais

• metamorfismo de carga ou de soterramento

• metamorfismo de fundo oceânico

• metamorfismo de subducção

• metamorfismo orogenético (regional)

•  Ocorre em bacias profundas sem muita deformação associada

•  Minerais típicos são: zeólitas, prehnita e pumpellyita •  Esse tipo de metamorfismo é o “passo seguinte” da

diagênese

•  As rochas em geral não perdem sua estrutura original

• Wackes, tufos e rochas vulcânicas do Jurássico foram metamorfizadas pela carga da bacia no Cretáceo

• A granulometria fina e a alta instabilidade do material (vidro) torna as rochas suscetíveis à alteração e ao metamorfismo, mesmo em T muito baixa

Geologic sketch map of the South Island of New Zealand showing the Mesozoic metamorphic rocks east of the older Tasman Belt and the Alpine Fault. The Torlese Group is metamorphosed predominantly in the prehnite-pumpellyite zone, and the Otago Schist in higher grade zones. X-Y is the Haast River Section of Figure 21-11. From Turner (1981) Metamorphic Petrology: Mineralogical, Field, and Tectonic Aspects. McGraw-Hill.

Zonas minerais:

1) zeólita

2) prehnita-pumpellyita

3) pumpellyita (-actinolita)

4) clorita (-clinozoisita)

5) biotita

6) granada (almandina)

7) oligoclásio (albita das rochas de baixa T é

substituída)

•  Afeta as rochas do assoalho oceânico

•  Várias temperaturas e baixa pressão

•  Funciona como hidrotermalismo e está associado, em geral, à fraturas e falhas

•  Ocorre perda de Ca e Si e ganho de Mg e Na •  Ocorrem reações com a água do mar

•  Ocorre nas zonas de subducção, em que rochas da crosta oceânica são submetidas a altas pressões •  ocorre formação de xisto azul e eclogito

“cold” subduction

Site do Prof. Bradley Hacker

•  O metamorfismo regional é o mais comum, ocorre formando

cinturões de rochas metamórficas de centenas de quilômetros, com intrusões graníticas e as vezes de magmas basálticos; as rochas apresentam foliações, lineações e dobras; a distribuição dos minerais metamórficos ocorre em zonas que se distribuem ao longo de todo o cinturão e há boa diversidade de associações minerais

•

Interior das placas – metamorfismo de contato,

metamorfismo de soterramento e talvez

metamorfismo regional na base da crosta

continental em regiôes de riftes

•

Limites divergentes – metamorfismo de fundo

oceânico

•

Limites transformantes – metamorfismo

dinâmico e de fundo oceânico

•

Limites convergentes – metamorfismo regional,

orogênico ou dínamo-termal; metamorfismo de

contato e dinâmico

•  Pico metamórfico – ponto no espaço P-T que indica o

ponto máximo de T e P associada

•  Reações podem não proceder até o fim pelo isolamento de uma fase e reações retrometamórficas podem não consumir toda a associação do pico metamórfico •  É possível inferir a trajetória P-T pelas reações cruzadas

pela rocha durante soterramento, aquecimento, resfriamento e exumação

Fig. 9.9 Fig. 9.9

Fig. 9.10 _{Fig. 9.10}

Fig. 9.10

Ø  Cecil .F. Tilley (1924, 1925) confirmou e estendeu as zonas de

Barrow por toda a região do Dalradiano

Ø  O limite de cada zona mineral é marcado por isógradas - linha

que marca o primeiro aparecimento ou desaparecimento do mineral

Ø isógrada da biotita (Bt in)

Ø isógrada do desaparecimento da muscovita (Ms out) Ø  O termo isógrada foi cunhado por Tilley

Área em que Barrow trabalhou

Mapa metamórfico

de Tilley

Ø  Barrow percebeu que entre as isógradas da clorita e da

sillimanita é observado aumento do tamanho do grão; ele associou o fato ao efeito do aumento de temperatura – daí a idéia de metamorfismo progressivo

Ø  O tipo de metamorfismo que gera a sequência de minerais

índices Chl, Bt, Grt, St, Ky, Sil é conhecido como

metamorfismo barroviano

Ø  Paragênese é a associação mineral estável na rocha durante o

pico do metamorfismo

Ø  Victor Moritz Goldschmidt (1911, 1912a) foi o primeiro petrólogo a

ver as rochas como sistemas químicos e aplicar os conceitos da termodinâmica às rochas, principalmente o conceito de equilíbrio

químico e a regra das fases

Ø  Ele estudou a auréola de metamorfismo de contato na região de Oslo,

Noruéga. No contato são observadas paragêneses em rochas pelíticas, calcáreas e psamíticas

Ø  Cada porção da auréola de contato é caracterizada por paragêneses

diferentes em cada uma das rochas

Ø  Em cada rocha, a paragênese que ocorre em cada porção da auréola de

contato é quimicamente equivalente à paragênese da outra porção

Ø  A paragênese (associação mineral) reflete condições de equilíbrio e

está relacionada a P, T e a composição da rocha

•  Pentii Eskola (1914, 1915) estudou a auréola da região de

Orijärvi, Finlândia

•  Em Oslo foram observadas rochas com K-feldspato + cordierita,

mas em Orijärvi ocorre o par equivalente biotita + muscovita

•  Através da comparação das várias associações minerais, Eskola

concluiu que as diferenças devem refletir condições físicas (P-T) diferentes durante a formação das auréolas de contato, já que as composições das rochas são semelhantes

•  Concluiu ainda que as rochas da Finlândia, que apresentam

associação hidratada e de menor volume molar, foram formadas em condições de T mais baixa e P mais alta do que as rochas da Noruéga

•  2 KMg3AlSi3O10(OH)2 + 6 KAl2AlSi3O10(OH)2 + 15 SiO2

•  Bt Ms Qtz

• 

Oslo

Orijärvi

Kfs + And

Ms + Qtz

Kfs + Crd

Bt + Ms

Kfs + Opx + Pl

Bt + Hbl

Opx

Ath

Ø  Baseado nas observações das duas auréolas de contato e depois de ter estudado com Goldschmidt , Eskola (1920) desenvolveu o conceito de fácies metamórfica:

•  Duas rochas de composições semelhantes produzem sequências de

associações metamórficas diferentes se submetidas a condições P-T diferentes

•  ou… se duas rochas iguais são submetidas as mesmas condições P-T as paragêneses geradas são as mesmas

•  A evolução para a petrologia metamórfica é o entendimento da

associação mineral (paragênese) como resultado do metamorfismo, ao invés de considerar só os minerais índices

• 

Nome das fácies é proveniente do nome da rocha máfica

característica daquelas condições

P-T

(ex: xisto verde,

xisto azul, eclogito, anfibolito)

• os limites das fácies são definidos por mudanças marcantes na química

dos minerais das rochas máficas

• os limites das fácies não são absolutos pois dependem de H2O/CO2 e

da composição da rocha

• 

Nome das zonas é proveniente dos minerias índices

típicos de rochas pelíticas

• 

A fácies metamórfica é dada pela associação mineral

formada no pico do metamorfismo (T

)

Ø 

Eskola (1920) propôs 5 fácies:

Ø  xisto verde Ø  anfibolito Ø  hornfels Ø  sanidinito Ø  eclogito

Ø 

Depois Eskola (1939) adicionou:

Ø  granulito Ø  epidoto-anfibolito

Ø  glaucofanio-xisto (agora xisto azul)

Ø 

... mudou o nome da facies hornfels para piroxênio

hornfels

Formation of Zeolites Temperature P re ssu re Greenschist Facies Epidote-Amphibolite Facies Amphibolite Facies Pyroxene-Hornfels Facies

Glaucophane-Schist Facies Eclogite Facies Granulite

Facies Sanadinite

Facies

Ø  Outras fácies foram propostas

Ø  zeolita

Ø  prehnita-pumpellyita

Ø  ...resultado dos trabalhos de Coombs sobre metamorfismo de

soterramento na Nova Zelândia

Ø  Fyfe et al. (1958) propôs:

Ø  albita-epidoto hornfels

Ø  hornblenda hornfels

Definição apresentada por Turner (1981):

A fácies metamórfica é o conjunto de associações de minerais

metamórficos, que ocorrem repetidamente no espaço e no tempo, de modo que exista relação constante e predizível entre a composição mineral, a composição da rocha (e condições P-T)

e a epidote amphibolite

•  Fácies metamórfica é definida por grupos de paragêneses que

ocorrem em rochas diferentes e que definem um espaço P-T

•  Dada uma composição de rocha, paragêneses diferentes implicam em condições P-T diferentes

•  A mudança de paragênese é controlada pela composição da rocha e pelas condições P-T

•  Winkler no final da década de 1960 descontente com variações no crescente número de sub-fácies, propôs que as fácies metamórficas fossem substituídas por 4 subdivisões de grau metamórfico

•  grau muito baixo (ou incipiente) •  grau baixo

•  grau médio •  grau alto

•  Ainda propôs o conceito de iso-reação, em que devemos mapear reações e não isógradas