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Definições, agentes físicos, tipos e divisões do metamorfismo

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

Opx + Spl Opx + Spl

Opx + Spr Opx + Crd + Pl

Grt

Bt

Bt PT-62-F

Para que serve estudar rochas metamórficas?

•  Entender a formação e evolução das cadeias de montanhas

•  Formação e evolução da crosta terrestre e do manto

•  Depósitos minerais •  Metálicos: Au, Zn, Cu •  Não-metálicos: brita, cimento, pedra ornamental

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•  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

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•  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

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•  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

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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)

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•  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 oC ou K) •  O agente mais importante do metamorfismo

•  Fontes de Calor •  Decaimento radioativo dos elementos •  Magma •  Manto (Astenosfera)

•  T K = oC + 273,15

•  Temperatura é variável intensiva

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•  Limite inferior T > 200 oC - diagênese •  caolinita + quartzo → pirofilia

•  Limite superior – embora a maior parte das rochas entrem em fusão a pressões crustais entre 850 e 900 oC, (granitos mínimos em torno de 600 – 650 oC), algumas rochas podem se manter no estado sólido até temperaturas > 1100 oC (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/cm3 densidade kg/m3

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

H2O mar (fossa das Filipinas)

9 – 10 km

rocha profundidade

granito 3,8 km

basalto 3,4 km

peridotito 3,1 km

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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 = PH2O

•  P fluido = PH2O + PCO2 + PCH4

•  Normalmente PTotal >> Pfluido

•  Em alguns casos PTotal < Pfluido – fraturamento hidrostático

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•  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 •  Paragêneses hidratadas (e de baixa T) distantes da intrusão

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•  Metamorfismo de choque (impacto) – causado pelo impacto de meteoritos

•  Observado nas crateras de impacto

•  Forma brechas polimíticas com matriz de vidro e polimorfos de Qtz de alta P

•  coesita e stishovita

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http://www.impact-structures.com/

•  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

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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

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“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

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•  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. 9.9 Fig. 9.10

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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

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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

•  = 3 Mg2Al4Si5O18 + 8 KAlSi3O8 + 8 H2O

•  Crd Kfs

Oslo Orijärvi Kfs + And Ms + Qtz Kfs + Crd Bt + Ms

Kfs + Opx + Pl Bt + Hbl Opx Ath

Orijärji

Oslo

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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 (Tmax)

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 •  Fig. 25-1 The metamorphic facies proposed by Eskola and their relative temperature-pressure

relationships. After Eskola (1939) Die Entstehung der Gesteine. Julius Springer. Berlin.

Formation of Zeolites

Temperature

Pres

sure Greenschist

Facies

Epidote-Amphibolite

Facies

AmphiboliteFacies

Pyroxene-HornfelsFacies

Glaucophane-Schist Facies Eclogite

Facies

GranuliteFacies

SanadiniteFacies

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)

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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