Orogénese e metamorfismo: O caso da Zona de Ossa- · PDF filea ocorrência de rochas metamórficas e a sua idade e propõe o termo metamorfismo. • UlrichGrubenmann(1850-1924) –Sugere

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Orogénese e metamorfismo:

O caso da Zona de Ossa-Morena

Jorge Pedro

Apoios:Organização:

[email protected]



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• Metamorfismo: conceitos gerais;

VII Encontro de Professores de Geociências do Alentejo e Algarve – Estremoz, 5 e 6 de abril de 2013

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• Metamorfismo: processo dinâmico que evolui no tempo e no espaço;


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• Relacionar o metamorfismo com a génese de cadeias de montanhas;


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• Ilustrar o dinamismo do metamorfismo e as sua relações com a orogénese através de um “case-study”; e


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• Ilustrar o dinamismo do metamorfismo e as sua relações com a orogénese através de um “case-study”; ou seja,

• Metamorfismo de alta pressão no bordo SW da ZOM associado à Orogenia Varisca.


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Metamorfismo

_______________________________________________• Giovanni Arduino (1714-1795) – Transformações de calcários em

mármores.

• James Hutton (1726-1797) – “Theory of the Earth, 1785” interpreta micaxistos como folhetos produzidos em rochas sedimentares modificadas pela T e P no interior da Terra.

• Charles Lyell (1797-1875) – “Principles of Geology, 1833” discute a ocorrência de rochas metamórficas e a sua idade e propõe o termo metamorfismo.

• Ulrich Grubenmann (1850-1924) – Sugere que a crusta em profundidade está dividida em zonas, onde ocorrem diferentes tipos de rochas metamórficas: epizona, mesozona e catazona.


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Metamorfismo

_______________________________________________• Até ao inicio do séc. XX o estudo do metamorfismo era

meramente descritivo e especulativo .

CaCO3 (calcite) + SiO2 (quartzo) = CaSiO3 (wollastonite) + CO2


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• Victor M. Goldschmidt (1888-1947) – Determina que as associações de minerais metamórficos ocorrem segundo as leis da termodinâmica e estabelece a curva de equilíbrio para a reação.

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Metamorfismo

_______________________________________________• Pentti Eskola (1883–1964) – Introduziu o conceito de fácies

metamórfica (1920); durante o metamorfismo qualquer rocha metamórfica que atinja o equilíbrio, a temperatura e pressão constantes, a composição mineralógica depende apenas da composição química.

Fácies metamórfica relaciona:

São definidas com base no equilíbrio mineralógico entre rochas espacialmente associadas, segundo uma visão estática dos processos metamórficos.


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ComposiçãoMineralógica

ComposiçãoQuímica

P

T

Metamorfismo

_______________________________________________• Akiko Miyashiro (1994) – “Metamorphism is a collective name for the

mineralogical, chemical and textural changes of rocks that take place

in an essentially solid state, that is, without substantial melting, in the

deeper parts of the Earth at various temperatures higher than those

encountered on the Earth's surface. A small amount of fluid mainly

composed of H2O and/or CO2 may be present between mineral grains.

These changes usually involve the formations of new minerals by

various mechanisms, including nucleation and growth of metamorphic

minerals at expenses of pre-existing amorphous, submicroscopic

and/or clastic sedimentary materials, as well as of older metamorphic

and igneous minerals. Such changes are collectively called

metamorphic crystallization. Metamorphic crystallization will lead to

the formation of the appropriate equilibrium mineral assemblages

under the pertinent conditions, if those conditions continue for a long

time”.


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Metamorphic Petrology (1994); UCL Press. 404p.

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Metamorfismo

_______________________________________________• International Union of Geological Sciences (IUGS), Subcommission on

the Systematics of Metamorphic Rocks -

“…a process involving changes in the mineral content/composition

and/or microstructure of a rock, dominantly in the solid state. This

process is mainly due to an adjustment of the rock to physical conditions

that differ from those under which the rock originally formed and that

also differ from the physical conditions normally occurring at the

surface of the Earth and in the zone of diagenesis. The process may

coexist with partial melting and may also involve changes in the bulk

chemical composition of the rock.”


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http://www.bgs.ac.uk/scmr/docs/papers/paper_2.pdf

Metamorfismo

_______________________________________________• Processo subsólido (sem fusão significativa) que conduz a

modificações mineralógicas e/ou texturais de rochas pré-existentes (ígneas, sedimentares ou metamórficas).

• Ocorrem como resposta às modificações nas condições de temperatura e pressão, relativamente às condições em que as referidas rochas pré-existentes (protólitos) são estáveis.

• Para além dos referidos fatores que condicionam o metamorfismo (temperatura e pressão) a presença, natureza (essencialmente H2O e/ou CO2) e quantidade de fluidos que circulam pela porosidade das rochas em transformação também potencia as reações metamórficas..


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Metamorfismo

_______________________________________________• Outro fator que condiciona de forma significativa o

metamorfismo é o tempo necessário para a ocorrência das reações metamórficas, regra geral bastante lentas.

• Do tempo depende a extensão das modificações mineralógicas e/ou texturais.

• Ao longo do tempo a temperatura, a pressão, a quantidade e natureza dos fluidos presentes variam e determinam o tipo e a sequência de transformações passíveis de ocorrer, ou seja, os produtos finais – Rochas Metamórficas.


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Limites do Metamorfismo

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?? km

?? km

??o C?? kbar

??o C?? kbar

Diagénese

Metamorfismo

Magmatismo

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• Excetuando casos especiais (metamorfismo impacto, metamorfismo de contato à superfície) é limitado (T e P) inferiormente pela Diagénese e superiormente pelo Magmatismo.

• O limite inferior é subjetivo e variável.

– Os processos de diagénese e meteorização por vezes são indistintos dos processos metamórficos (zeólitos diagenéticos vs. metamórficos).

– Para os protólitos mais instáveis o metamorfismo inicia-se por volta dos 100-150oC podendo chegar aos 300oC.

• Admite-se que o metamorfismo inicia-se com a formação de minerais tais como lawsonite, analcite, heulandite, carpofilite, paragonite, prenite, pumpleíte ou glaucófano.


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• O limite superior é marcado pelos processos de fusão parcial (anatexia).

• Na crusta podem-se gerar líquidos graníticos a temperaturas de 600-650oC, mas rochas mais refratárias podem persistir sem fusão até temperaturas de 1000oC .

• Quando estabelecer o limite superior?

Paleossoma

Migmatitos

NeossomaWinter, 2001

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RochasSedimentares

RochasÍgneas

RochasMetamórficas

Magma

Sedimentos

e

Meteorização

Calor e Pressão

Agentes de Metamorfismo

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ProtólitosRochas

Metamórficas

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Temperatura

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• Principal fonte de calor (excetuando o arrefecimento de corpos ígneos) é o calor interno da Terra.

– Calor remanescente dos processos de acreção e diferenciação;

– Calor produzido decaimento radioativo; e

– Calor produzido pela pressão litostática.

• A transferência de calor faz-se por :

– Radiação;

– Convecção; e

– Condução.

Temperatura

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• Gradiente geotérmico normal 25ºC/km.

• Diferentes materiais a diferentes profundidades dissipam o calor de diferentes formas (conveção vs. condução)

Winter, 2001

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Temperatura

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• O aumento de temperatura nos protólitos:

– Promove a recristalização aumentando a estabilidade das fases minerais;

– “Catalisa” as reações metamórficas que consomem as fases instáveis; e

– Produz novas fases em equilíbrio.

Pressão

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• Em profundidade também se estabelece um gradiente de pressão litostática que depende da coluna de rocha sobrejacente

Dziewonski and Anderson, 1981

(Plit) = ρgz

ρ = densidade das rochas sobrejacentesg = aceleração da gravidadez = profundidade

Rocha: ρ (g/cm3) Plit =1 kbar

granito 2,7 3,8 km basalto 3,0 3,4 km peridotito 3,3 3,1 km

1 GPa = 10kbar

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Pressão

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• Pressão de fluidos é a soma das pressões parciais dos vários componentes da fase fluida.

(Pfl = PH2O + PCO2+ PCH4

+ P....)

• A profundidades em que Plit > Pfl, os contatos entre grãos sólidos começam a dissolver e migrar, diminuindo o espaço intergranular no qual estão os fluidos, até que Plit = Pfl.

Winter, 2001

Pressão

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• Pressão orientada que varia em função de um campo de tensões constituído por 3 componentes ortogonais

• σ1 = direção de maior tensão

• σ2 = direção da tensão intermediária

• σ3 = direção de menor tensão

(Park, 1983)

σ3 σ3 σ1 σ1

σ1

σ1Winter, 2001

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Pressão

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• A pressão orientada é a grande responsável pela deformação dos materiais e pelo desenvolvimento de estruturas lineares (lineações) e planares (xistosidade, foliação).

Best, 2003

Pressão

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• A génese de estruturas planares e lineares é diretamente influenciada pelas características físicas dos protólitos:

• Comportamento reológico (dúctil, dúctil-frágil, frágil);

• Porosidade;

• Geometria;

• Dimensão; etc.

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Fluidos

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• Os fluidos podem ter origem:

• Desidratação da coluna sedimentar;

• Reações metamórficas;

• Fluidos magmáticos;

• Águas oceânicas; ou

• Águas meteóricas.

• Catalisam as reações metamórficas e transportam os seus componentes;

• Transportam calor; e

• Participam nas transferências de massa (metassomatismo) e na deposição de minérios.

Tempo

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• O fator tempo introduz a cinética química no metamorfismo.

• Enquanto a termodinâmica trabalha com as variações de P, T e Xqui necessárias ao equilíbrio químico, a cinética estabelece o tempo necessário para que as reações ocorram.

• As reações metamórficas são bastante lentas. É possível duas ou mais fácies metamórficas geneticamente associadas coexistirem num mesmo terreno metamórfico, bem como observar relíquias minerais e texturas geradas a alta T e P em ambientes de baixa T e P.

• As condições de T e P modificam-se a velocidades superiores à velocidade das reações de equilíbrio metamórfico. Minerais e texturas de alta P e T são preservadas.

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Percursos P-T-tempo

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• O metamorfismo faz-se com diferentes intensidades, em função da T e P, e pode ser subdividido:

Baixo grau; Grau intermédio; e Alto grau.

Percursos P-T-tempo

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• As condições de T e P variam ao longo do tempo, o grau metamórfico vai-se modificando e permite definir os percursos P-T-tempo, que ilustram o dinamismo do processo metamórfico:

Percursos prógrados (cinética mais veloz); retrógrados (cinética mais lenta).

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Orogénese

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• Michael Johnson and Simon Harley (2012) -

“Orogenesis, the process of mountain building, occurs when two

tectonic plates collide – either forcing material upwards to form

mountain belts such as the Alps or Himalayas or causing one plate to

be subducted below the other, resulting in volcanic mountain chains

such as the Andes.”

• Os processos tectónicos atuam à velocidade da tectónica de placas (cm/ano) e produzem, consecutivamente, perturbações térmicas na litosfera (T e P aumentam nos episódios colisionaise diminuem nos pós-colisionais).

• Explicam a génese de terrenos metamórficos associados à orogénese, como consequência dos mecanismos de subducção e colisão continental.

Orogenesis: The Making of Mountains (2012); Cambridge University Press. 398p.

Orogénese

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• A duração do reequilíbrio térmico é superior à duração dos processos. Permite que as condições de recristalização fiquem registadas nas paragéneses e nas texturas das rochas metamórficas.

Gra

uMeta

mórfico

> Profundidade

Alto Grau Metamórfico

< Profundidade

Baixo Grau Metamórfico

Meteorização + Compensação isostática (“uplift”) = < Profundidade

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Orogénese

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• Desta forma nas cadeias de montanhas estabelece-se uma relação genética entre a recristalização metamórfica e a deformação, observável a diferentes escalas, e fundamental na análise da dinâmica crustal.

Tipos de Metamorfismo

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• Baseado nos agentes de metamorfismo:

• Metamorfismo dinâmico (Porientada)

• Metamorfismo térmico (T)

• Metamorfismo dinâmico-térmico (T + P)

• Baseado na ambiência geotectónica:

– Regional: Orogénico, Afundamento, Fundos Oceânicos,

– Local : Hidrotermal, Contacto , Zonas de Falha, Impacto, outros

http://www.bgs.ac.uk/scmr/docs/papers/paper_2.pdf

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Orogénese e metamorfismo

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• Durante a orogénese podem ocorre diferentes tipos de metamorfismo, embora o metamorfismo orogénico seja o mais importante porque está associados à subducção.

http://www.geo.fu-berlin.de


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http://www.geocraft.com

• Envolvimento de diferentes tipos de protólitos sujeitos a diferentes condições metamórficas.

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Séries Metamórficas e Fácies Metamórficas

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• Série Metamórfica - conjunto de rochas metamórficas de idêntica composição química, resultantes da variação das condições T e P que atuam sobre uma mesma tipologia de rocha inicial.


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• Fácies Metamórfica - Conjunto de rochas metamórficas, independentemente da sua natureza (Série) formadas nas mesmas condições de pressão e temperatura (com o mesmo grau metamórfico).

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• Eskola (1920) propôs inicialmente as fácies dos Xistos Verdes, Anfibolítica, Eclogítica, Corneanas e Sanidina.

• Eskola (1939) acrescentou as fácies Granulítica, Epídoto-Anfibolítica e dos Xistos Azuis.

• Outros autores acrescentaram as fácies Zeolítica, Prenite-Pumpleíte, Corneanas Ab-Ep e Corneanas Horneblêndicas.

Winter, 2001


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• A sequência de fácies metamórficas presentes nos terrenos metamórficos dependem do gradiente geotérmico.

• A sequência de fácies metamórficas numa região permite determinar qual o gradiente geotérmico contemporâneo do processo metamórfico.

• Permitem definir 3 grandes tipos de sequências de fácies metamórficas:

• Alta P / Baixa T associadas à subducção onde os gradientes geotérmicos diminuem devido à subducção de litosfera fria.

• Alta T / Baixa P associadas a elevados fluxos térmicos em zonas de rift ou ao metamorfismo de contacto.

• P/T normais (baixa P/T � alta P/T) típicas das cinturas orogénicas com gradientes geotérmicos normais.

Winter, 2001; Nelson 2004

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www.le.ac.uk

Basalto Eclogito


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• De todos os processos metamórficos geneticamente associados com a formação de cadeia de montanhas, o “metamorfismo eclogítico” apresenta-se como o processo metamórfico mais emblemático da orogénese.


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• Ocorre em situações geotectónicas muito específicas.

• Terrenos de alta P nas cinturas metamórficas emparelhadas.

http://www.geo.fu-berlin.de

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Zona de Ossa-Morena

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Zona de Ossa-Morena

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410-390 Ma

390-370 Ma

360-350 Ma

300 Ma

Ribeiro et al, 2007

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Zona de Ossa-Morena

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Eclogitos

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Cox et. al. 1979

IUGS classification

SFAM-1 SFAM-2 SFAM-3 SFAM-4Rock type B B B B

wt. %SiO2 51,91 51,60 48,73 51,02

TiO2 3,01 2,93 2,32 3,09

Al2O3 13,39 11,39 14,09 13,70

Fe2O3tot 17,72 14,90 14,20 16,47

MnO 0,20 0,13 0,23 0,25MgO 3,99 6,14 6,46 4,64CaO 5,60 8,59 10,07 7,36Na2O 4,52 3,14 3,01 4,17

K2O 0,07 0,31 0,49 0,10

P2O5 0,50 0,28 0,21 0,25LOI 0,65 0,84 0,21 0,65

mg # 22,80 35,08 37,37 26,98A.I. 0,09 0,07 0,10 0,09

Outcrop SAFIRA

ECLOGITES

100 x

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Eclogitos

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40 x 40 x

100 x 100 x

Eclogitos

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40 x

100 x

100 x

Anfíbolas sódicas, quartzo, rútilo, esfena e minerais opacos.

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Eclogitos

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100 x

100 x

100 x

100 x 100 x

100 x

Retrogradação

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Blastese de albite que envolve e corrói a onfacite e a granada.

100 x 100 x

100 x

Recristalização de barroisite em torno das anfíbolas sódicas.

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Retrogradação

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Aparecimento de paragonite e fengite (micas).

100 x 100 x 40 x

Desenvolvimento de texturas simplectíticas (Mg-horneblenda + albite) obliteradas por recristalização de actinolite, epídoto e clorite.

100 x

Retrogradação

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• (piroxena + granada) � albite

• anfíbolas Na � barroisite � Mg-horneblenda � actinolite

• paragonite e fengite � epídoto e clorite

40 x 40 x

Eclogitos Xistos anfibólicos Xistos verdes

40 x

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Percurso P-T-tempo

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Percurso P-T-tempo

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• 16 – 18 kbar; 600 – 650ºC; ca. 370 Ma

• Descompressão isotérmica 12 – 10 kbar; ca. 360 Ma

• Arrefecimento final

(< 550ºC - fácies dos xistos verdes).

Moita et al, 2005 360 ±4 Ma (1σ)63.7% of the 39Ar

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Orogénese e Metamorfismo na ZOM

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Moita et al, 2005

Ribeiro et al, 2007

•ZOM - laboratório geológico que ilustra as relações entre a orogénese e o metamorfismo.• Coloca em evidência a dinâmica dos processos geológicos os quais variaram no tempo e no espaço.• Património geológico que importa preservar.

Grato pela Vossa Atenção.

Jorge Pedro

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