Cumuliti

La cristallizzazione frazionata è uno dei principali processi che governano la formazione dei magmi all’interno della crosta terrestre e del mantello. È il processo nel quale i cristalli che si formano via via in un magma in raffreddamento si separano dal liquido. Le rocce che si formano per tale processo vengono dette cumuliti (dal latino cumulus, accumulo, pila di materiale).

Meccanismi responsabili della cristallizzazione frazionata

• Differenziazione gravitativa:
In generale i cristalli che si formano nel magma hanno densità diverse a seconda della loro composizione. Si ha quindi un contrasto di densità tra cristalli e magma.

1) Cristalli che sono meno densi del magma (come i feldspati) tendono a risalire (flottare) nelle parti più alte della camera magmatica. Il primo accumulo di cristalli rimarrà in contatto con il magma, ma in breve tempo, l’accumulo di ulteriori cristalli farà si che i primi cristalli accumulatisi vengano isolati dal resto del magma.

2) Cristalli più densi del magma (come olivina, pirosseni e spinelli) tendono ad affondare man mano nel magma fino a raggiungere le parti basali della camera magmatica. Anche in questo caso, il primo accumulo di cristalli rimarrà in contatto con il magma fino a che l’accumulo di ulteriori non li ricoprirà isolandoli dal resto del magma.

$crystals_fraction2020.png$

Rappresentazione schematica di una camera magmatica in cui i cristalli più densi del magma affondano verso le parti basali, e cristalli meno densi del magma flottano verso l’alto. Immagine modificata da Prof. Stephen A. Nelson

• Differenziazione per Filtro-pressa
Se il magma migra attraverso piccole fessure (di dimensioni più piccole o simili ai cristalli) questo provocherà una sorta di effetto filtro, che lascerà passare il magma fuso e arresterà, facendoli accumulare, i cristalli che si separeranno dal magma.

$crystals_fraction2020(3).png$

Cristalli di olivina (verde) e plagioclasio (azzurro) che tengono ad accumularsi in prossimità di piccole fratture in cui fluisce il magma (evidenziato della frecce nere). Immagine modificata da da Università degli studi di Padova

• Differenziazione per flusso
Se un magma è costretto a fluire in stretti passaggi (ad es. fratture tabulari), le porzioni solide tenderanno a concentrarsi nella parte centrale del fuso in movimento, lontano dalle pareti, per effetto del carattere laminare del flusso. Si può quindi sviluppare una porzione centrale cumulitica (in genere più basica) e una porzione vicina alle pareti normalmente più acida.

$crystals_fraction2020(2).png$

Formazione di una zona cumulitica centrale ad un canale in cui scorre il magma. Immagine modificata da Università degli studi di Padova

Rappresentazione schematica di una camera magmatica soggetta a cristallizzazione frazionata. Man mano che il magma raffredda cambia progressivamente composizione in quanto in cristalli in formazione vengono rimossi. 1 Cristallizzazione di olivina (in verde) che tende a depositarsi sul fondo della camera magmatica. 2. Cristallizzazione di pirosseno (in marrone) e olivina. 3. Cristallizzazione di pirosseno e inizio della cristallizzazione di plagioclasio (in bianco). 4 cristallizzazione di plagioclasio (in bianco). Immagine tratta da Wikipedia

Classificazione

Le rocce cumulitiche possono essere suddivise in base alle proporzioni di cristalli di cumulo e cristalli formatisi dal liquido residuale (liquido intercumulo) (Hall, 1996)

Adcumuliti: contengono dal 100% al 95% di cristalli di cumulo immersi in una matrice a grana fine costituita da cristalli formatisi dal liquido intercumulo.
Mesocumuliti: contengono tra il 95% e l’85% di cristalli di cumulo.
Ortocumuliti: contengono dall’85% al 75% di cristalli di cumulo. Comunemente queste rocce presentano una tessitura pecilitica.

Layering magmatico

Numerose intrusioni basiche e ultrabasiche presentano strutture di layering magmatico. In generale, il layering magmatico è la ripetizione di strati planari (o arcuati), che possono variare da pochi centimetri fino a qualche metro di spessore, a composizione mineralogica diversa. Gli strati possono presentare una semplice alternanza di bande ricche in minerali ferromagnesiaci e minerali sialici, oppure presentare complesse strutture gradate (simi a quelle delle rocce sedimentarie), con porzioni melanocratiche (alla base dello strato) che via via divengono più leucocratiche verso le zone sommitali.

Nelle rocce ignee la mineralogia è indicativa, e determinata, dalla composizione del magma. Questo non vale in generale per le rocce cumulitiche, in quanto originatesi per complesso processi di cumulo. La composizione del magma da cui si sono originate può essere indagata solamente nelle zone di contatto con le rocce incassanti, la dove si sviluppano i chilled margins (margini di raffreddamento. In queste zone infatti il rapido raffreddamento del magma impedisce la cristallizzazione e lo sviluppo di fenomeni di cumulo.

Tipologie di layering magmatico

• Uniform layering: ogni strato è mineralogicamente e tessituralmente omogeneo.
• Modal layering: layering definito dalla graduale variazione dell’abbondanza di determinati minerali, che generalmente sono plagioclasi e pirosseni (strati noritici e gabbronoritici) o plagioclasi e olivine (strati troctolitici).
• Phase layering: layering definito dalla comparsa, o scomparsa di determinati minerali nella sequenza di cristallizzazione.
• Cryptic layering: layering definito dalla sistematica variazione nella composizione chimica dei minerali di cumulo) pirosseni, olivine, plagioclasi ecc.) verso le parti sommitali dello strato.
• Rhythmic layering: layering definito dalla continua ripetizione di strati simili. Questo tipo di layering può presentare strati che variano da diversi metri di spessore (macro-ritmico) fino a pochi centimetri o millimetri (micro-ritmico).
• Size graded layering: layering definito dalla variazione di dimensioni dei cristalli, con cristalli più grandi alla base dello strato che via via diminuiscono di dimensione verso la parte alta. Questa tipologia è estremamente rara, eccetto che nell’intrusione di Duke Island in Alaska.
• Intermittent layering: layering definito dalla ripetizione di strati omogenei, alternati a strati internamente gradati.

Formazione del layering magmatico

Nonostante esitano moltissime intrusioni mafiche stratificate, quelle realmente affioranti, in cui sia possibile osservare nel complesso la loro struttura, sono poche. Tra queste le più famose e studiate sono: Skaergaard, Bushveld, Great Dyke, Kiglapait, Stillwater, Rum e Duke island. Queste intrusioni hanno rappresentato, e rappresentano tutt’ora dei laboratori naturali di enorme interesse geologico. Ma nonostante più di un secolo di approfonditi studi, la formazione del layering magmatico in queste intrusioni, è tuttora molto dibattuta e poco compresa.

1) Cumulus theory o teoria cumulitica: questa teoria fu proposta da Wager e Brown nel 1968; Il principio fondamentale alla base di questa teoria è l’accumulo di cristalli governato prevalentemente dalla gravità. Secondo Wager e Brown questo processo di sedimentazione magmatica spiegherebbe la maggior parte delle strutture che si rinvengono in moltissime intrusioni basiche. La continua ripetizione di strati simili (rhythmic layering) può essere spiegata dall’accumulo gravitativo di cristalli, interrotto da periodici movimenti convettivi; invece la variazione spesso sistematica della composizione mineralogica (cryptic layering) può essere spiegata da ripetute iniezioni di nuovo magma caldo all’interno dell’intrusione in raffreddamento.

2) Processi in-situ: Con il termine processi in-situ si intende la nucleazione e la crescita di cristalli all’interno di sottili strati di magma stagnante (in cui non si hanno movimenti convettivi). Campbell 1978; Mc Birney and Noyes 1979.

3) Double-diffusive convection (o convezione doppio diffusa): Una importante proprietà che caratterizza i fluidi (e i magmi) multicomponenti (per componente si intende composizione, densità, viscosità, calore) è che ogni componente (anche il calore) può avere diverso grado di diffusione. Di conseguenza questi fluidi possono stratificarsi verticalmente rispetto alla densità, alla composizione e alla temperatura.

Se si hanno sistemi (in questo caso magmi) con due o più componenti (composizione, densità o temperatura) con diversi tassi di diffusione, il sistema si separa naturalmente in una serie di strati convettivi indipendenti tra loro, separati da nette superfici. Questo fenomeno può verificarsi quando uno strato di magma caldo e denso viene ricoperto da uno strato di magma più freddo e meno denso. Questa situazione si può verificare quando un nuovo impulso di magma denso e caldo è iniettato al di sotto del magma meno denso e più freddo in progressivo raffreddamento. Il calore ha un tasso di diffusione maggiore rispetto a quello della composizione; questo determina la formazione di moti convettivi all’interno dei singoli strati. Si innescano così processi di cristallizzazione frazionata nei singoli strati.

layering2019(10).jpg

Distribuzione della variazione di densità in funzione della composizione e della temperatura in uno strato liquido multi-componente prima che si verifichi la separazione in singoli strati per diffusione-doppio diffusa. Immagine modificata da Turner and Campbell 1986.

Double-diffusive convection (o convezione doppio diffusa): ρ composition è la variazione di densità nel sistema dovuta ai gradienti di composizione. ρ temperature è la variazione di densità nel sistema dovuta ai gradienti di temperatura. Immagine modificata da Turner and Campbell 1986.

Uniform Layering: livelli ricchi in pirosseno, alternati a livelli ricchi in plagioclasio. Complesso mafico di Giles, Australia. Immagine tratta da Jim Talbot

Uniform Layering: livelli cromititici (neri) alternati a livelli anortositici (bianchi). Zona UG1, intrusione magmatica del Bushveld, S. Africa. Immagine tratta da Kevin Walsh

Size graded layering: variazione di dimensioni dei cristalli, con cristalli più grandi alla base dello strato. Duke Island, Alaska. Immagine tratta da Richard Arculus

Size graded layering: variazione di dimensioni dei cristalli, con cristalli più grandi alla base dello strato. Duke Island, Alaska. Immagine tratta da Richard Arculus

Modal and graded layering (rhythmic): alternanza di spessi strati gradati, separati da sottili livelli ricchi in plagioclasio. Skaergaard, Groenlandia. Immagine tratta da Union College, Schenectady, NY

Graded layering (rhythmic): alternanza di sottili strati gradati, ricchi in pirosseno alla base e ricchi in plagioclasio al tetto. Skaergaard, Groenlandia. Immagine tratta da Union College, Schenectady, NY

Rhythmic layering: alternanza di sottili strati anortositici (bianchi) separati da sottili livelli a pirosseno (neri). Stillwater, Montana, Usa. Immagine tratta da Union College, Schenectady, NY

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.