Zonatura

La zonatura è una caratteristica tipica di tutti quei minerali che formano una soluzione solida completa. Otticamente è caratterizzata da cambiamenti di colore e negli angoli di estinzione, dal centro al bordo del cristallo; queste caratteristiche riflettono cambiamenti nella composizione chimica del cristallo. La zonatura testimonia l’incompleto riequilibrio tra magma e cristalli; ciò è dovuto generalmente a rapidi cambiamenti delle condizioni del magma (contenuto in acqua, pressione, composizione ecc.), cambiamenti più rapidi della velocità di riequilibrio dei cristalli.

I minerali ignei che più tipicamente presentano vistose zonature sono i plagioclasi. I plagioclasi, per mantenere un costante equilibrio con il magma, devono continuamente scambiare coppie di ioni Na⁺ ↔ Si²⁺ e Ca²⁺ ↔ Al³⁺ tra il magma e l’interfaccia del cristallo appena formato; questo implica che il raggiungimento dell’equilibrio tra magma e cristalli è abbastanza difficoltoso. Ovviamente, più grande è il cristallo, o più viscoso è il magma (che rende meno mobili gli ioni), o più veloci sono i cambiamenti del sistema, meno sarà possibile per i cristalli potersi riequilibrare con il magma. Tutto questo porta allo sviluppo di zonature ben evidenti.

La zonatura può essere suddivisa in quattro tipologie: Zonatura diretta (normale o continua); zonatura inversa, zonatura a macchie e zonatura ritmica (o oscillante).

Zonatura diretta (normale o continua): zonatura in cui le parti esterne del cristallo hanno una composizione tipica di bassa temperatura (ad esempio Na per i plagioclasi e Fe per le olivine) mentre la zona centrale ha composizione tipica di alta temperatura (ad esempio Ca per i plagioclasi, Mg per le olivine). La zonatura diretta testimonia il progressivo e graduale cambiamento della composizione del magma durante la cristallizzazione.

Zonatura inversa: zonatura in cui le parti esterne del cristallo hanno una composizione tipica di alta temperatura (ad esempio Ca per i plagioclasi, Mg per le olivine) mentre la zona centrale ha composizione tipica di bassa temperatura (ad esempio Na per i plagioclasi e Fe per le olivine). È generalmente interpretata come il risultato di processi di mixing tra due magmi (Un magma più caldo e poco evoluto e uno più freddo e evoluto) durante la crescita dei cristalli.

Zonatura a macchie (Patchy): In molte rocce ignee i cristalli di plagioclasio presentano una zonatura a "macchie". I cristalli che presentano questa zonatura sono caratterizzati da una nucleo corroso, ricco in sodio, circondato da una zona più ricca in calcio, in continuità ottica con il nucleo. Questo tipo di zonatura è interpretata come il risultato del riassorbimento parziale dei cristalli da parte del magma, a seguito della variazione delle condizioni bariche. In magmi con basso contenuto in acqua, o sottosaturi in acqua, l’abbassamento della pressione (durante la risalita) causa un abbassamento delle curve di solidus e liquidus. Questo porta i cristalli ad essere in disequilibrio con il magma, e quindi ad essere parzialmente riassorbiti, e ricoperti da uno strato di feldspato stabile alle nuove condizioni.

Zonatura ritmica (o oscillante): zonatura caratterizzata dalla ripetizione ritmica di zone a composizione diversa dal centro del cristallo fino al bordo. Tra le varie tipologie di zonatura, quella ritmica è quella che più di tutte richiede maggior attenzione. La sua formazione non è del tutto chiara e nel tempo sono state proposte varie teorie. Secondo Bowen (1928), questa zonatura è il risultato di movimenti convettivi all’interno della camera magmatica, dove i cristalli precedentemente formatisi vengono riciclati, e tentano di equilibrarsi, a seguito dell’arrivo di magma più caldo e primitivo.

Secondo molti autori invece la zonatura ritmica può essere spiegata in termini di fattori locali. Durante la cristallizzazione, i componenti non necessari alla formazione dei cristalli tendono ad accumularsi nelle loro immediate vicinanze. Tra questi componenti c’è soprattutto l’acqua. La presenza di acqua nel sistema Ab-An (ma anche in altri sistemi) tende a far abbassare, anche notevolmente, le curve di liquidus e solidus (Fig.1). In queste circostanze, ad esempio, un cristallo di plagioclasio che sta cristallizzando alla temperatura di 1400°C, a causa dell’aumento dei componenti non necessari alla sua crescita, si troverà in un sistema via via più ricco in calcio, e quindi reagirà con il liquido nelle sue immediate vicinanze (Fig.1).

Fig.1: Rappresentazione schematica del sistema Ab-An. All’aumentare del contenuto in acqua, la composizione dei cristalli tenderà man mano a divenire più calcica. Immagine modificata da Bennett et., al (2019).

Formazione della zonatura

Per comprendere meglio lo sviluppo della zonatura nei plagioclasi (così come in altri cristalli) si devono considerare due situazioni diametralmente opposte ovvero, la cristallizzazione all’equilibrio e la cristallizzazione frazionata.

Cristallizzazione all’equilibrio: in un contesto di cristallizzazione all’equilibrio, i cristalli rimangono costantemente a contatto con il magma; la cristallizzazione e il progressivo raffreddamento sono sufficientemente lenti da permettere ai cristalli di reagire continuamente con il magma e quindi modificare gradualmente la loro composizione. In questo processo, alla fine della cristallizzazione, avremo cristalli omogenei, non zonati, con una composizione identica a quella iniziale del magma.

Consideriamo il sistema Ab-An (Fig.2) e la cristallizzazione di un ipotetico magma di composizione start (An₄₀ - Ab₆₀). La cristallizzazione di questo magma inia attorno a 1400°C con la formazione dei primi cristalli di composizione B (An₈₀ - Ab₂₀). Al procedere della cristallizzazione, il liquido si arricchisce costantemente in Na (Ca viene rimosso per la formazione dei cristalli). In condizioni di equilibrio, i cristalli rimangono costantemente a contatto con il magma, reagendo con esso, e diventano di conseguenza anche loro sempre più ricchi in Na (la freccia rossa indica il cambiamento composizionale del liquido, e quella blu quella dei cristalli). Raggiunta la temperatura di circa 1230°C, i plagioclasi raggiungono la composizione D (An₄₀ - Ab₆₀), composizione che riflette quella del liquido di partenza. In questo processo quindi si formano cristalli di plagioclasio composizionalmente omogenei e privi di zonature.

Fig.2: Diagramma Ab-An in cui è rappresentata la cristallizzazione di un ipotetico magma con composizione start (An₄₀ - Ab₆₀) in condizioni di cristallizzazione all’equilibrio. Modificato da Bowen, 1913.

Cristallizzazione frazionata: In questo processo i cristalli vengono rimossi costantemente dal liquido (per processi di filtro-pressa, o per flottazione o per altri fenomeni), impedendo la loro reazione con il magma.

Consideriamo ancora il sistema Ab-An (Fig.3), e la cristallizzazione di un ipotetico magma di composizione start (An₄₀ - Ab₆₀). La cristallizzazione anche in questo caso inizia attorno a 1400°C con la formazione dei primi cristalli di composizione B (An₈₀ - Ab₂₀). A differenza di prima però i cristalli sono rimossi dal magma. Come conseguenza il magma si arricchisce progressivamente in Na, così come i cristalli che man mano si formano. In questo processo, la composizione del magma e dei cristalli tende progressivamente ad avvicinarsi al termine pure Ab₀ (vedi le frecce blu e rossa). Alla fine del processo di cristallizzazione avremo cristalli la cui composizione spazia da B (An₈₀ - Ab₂₀) fino ad An₀.

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Fig.3: Diagramma Ab-An in cui è rappresentata la cristallizzazione di un ipotetico magma con composizione start (An₄₀ - Ab₆₀) in condizioni di cristallizzazione frazionata. Modificato da Bowen, 1913.

Bibliografia

Le informazioni contenute in questa pagina sono tratte da:
• Howie, R. A., Zussman, J., & Deer, W. (1992). An introduction to the rock-forming minerals (p. 696). Longman.
• Le Maitre, R. W., Streckeisen, A., Zanettin, B., Le Bas, M. J., Bonin, B., Bateman, P., & Lameyre, J. (2002). Igneous rocks. A classification and glossary of terms, 2. Cambridge University Press.
• Middlemost, E. A. (1986). Magmas and magmatic rocks: an introduction to igneous petrology.
• Shelley, D. (1993). Igneous and metamorphic rocks under the microscope: classification, textures, microstructures and mineral preferred-orientations.
• Vernon, R. H. & Clarke, G. L. (2008): Principles of Metamorphic Petrology. Cambridge University Press.

Ortoclasio
Cristallo di plagioclasio con zonatura concentrica. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristallo di plagioclasio zonato. la zona centrale (più ricca in calcio) è alterata in sericite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristalli di plagioclasio zonati in una tonalite, Halkidiki, grecia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
Cristalli di plagioclasio zonati in una diorite, Boemia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristalli di plagioclasio zonati in una diorite, Boemia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristalli di plagioclasio zonati in una diorite, Boemia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
Cristalli di plagioclasio zonati in una diorite, Boemia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristalli di plagioclasio zonati in una diorite, Boemia. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)	Cristallo di plagioclasio zonato, incluso in microclino, in un granito. Antartide. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)