Le komatiiti

Le komatiiti sono rocce vulcaniche estremamente affascinanti, sono infatti tra le rocce vulcaniche più antiche che si possano trovare sulla terra (hanno età generalmente Archeane che variano da 3.8-3.5 Ga), hanno poi caratteristiche petrografiche uniche nel loro genere: altissimo contenuto in magnesio, altissimo punto di fusione e bassissima viscosità. Queste particolari caratteristiche le ha rese molto interessanti dal punto di vista geologico, fin dalla loro scoperta. Le komatiiti furono scoperte per la prima volta nel 1969 da Richard e Morris Viljoen, nelle rocce archeane della zona di Barbeton in Sud Africa. Le komatiiti di Barbeton, datate a 3.5 Ga rappresentano le rocce ultramafiche più antiche conosciute. Successivamente vennero scoperte altri affioramenti in Canada, Australia, Africa e Finlandia. La maggior parte delle komatiiti ha un età Paleo-proterozoica, anche se si rinvengono rare komatiiti nel Fanerozoico, come ad esempio le komatiite Permo-Triassiche del Vietnam, e le komatiiti Cretacee dell’isola di Gorgona in Colombia.

Nella classificazione ufficiale della IUGS, le komatiiti sono classificate come "rocce ultramafiche ricche in Mg con quantitativi di SiO₂ compresi tra 52% e il 30%, MgO >18%, (Na₂O + K₂O) < 2% e TiO₂ < 1%". Le Bas 2000, Le Maitre et al. 2002. Kerr e Arndt (2001) hanno inoltre sottolineato che le komatiiti dovrebbero presentare particolari caratteristiche tessiturali, come la tipica tessitura spinifex (costituita da cristalli aciculari di olivine e/o pirosseno). Tuttavia, dato che alcune komatiiti non presentano tale tessitura, Arndt e Fowler (2004) hanno definito le komatiiti come rocce ultramafiche a tessitura spinifex, o che sono legate a rocce in cui sia presente.

Assetto geologico e caratteristiche tessiturali

Tutte le komatiiti archeane note sono rappresentate da colate laviche all’interno di successioni vulcano-sedimentarie note come "greenstone belts", o come intrusioni nella sottostante crosta. Le colate komatiitiche furono, con molta probabilità, eruttate in ambienti subaerei o di mare poco profondo. Le successioni komatiitiche hanno uno spessore che varia da alcuni metri fono ad alcune centinaia di metri, con un estensione areale che può arrivare fino a diverse decine di km; questo indica che le eruzioni komatiitiche nell’Archeano erano eventi molto importanti. Le komatiiti sono famose per la loro tipica tessitura spinifex e per il fatto che ogni colata presenta costantemente tessiture cumulitiche.

Una tipica colata komatiitica (Fig.1) è costituita da varie zone (Arndt et al., 1977):

Zona A: caratterizzata dalla presenza di tessiture spinifex.
Zona B: caratterizzata da tessiture cumulitiche.

Entrambe queste zone possono essere ulteriormente suddivise in sottozone, ognuna con caratteristiche diverse; tuttavia le singole sottozone possono non essere continue in tutta la colata, oppure occasionalmente non essere presenti.

A1: la zona sommitale delle colate è caratterizzata da un margine di raffreddamento (chilled margin) a grana molto fine, con spessore da pochi mm fino a qualche cm.
A2: al di sotto del margine di raffreddamento si ha una zona caratterizzata da tessitura spinifex in cui i cristalli sono disposti in maniera casuale; la dimensione dei cristalli (da pochi mm fino a qualche cm) tende ad aumentare verso il basso.
A3: è la zona che meglio caratterizza le komatiiti. In questa zona si ha la presenza di una tessitura spinifex ben sviluppata. I cristalli di olivina hanno un’orientazione generalmente verticale e tendono a sovrapporsi o compenetrarsi, dando luogo a strutture a "ventaglio". Anche in questo caso la loro dimensione aumenta verso il basso, e possono variare da alcuni cm fino addirittura da alcuni metri in lunghezza. la base di questa zona ha un contatto netto, generalmente con andamento planare o leggermente ondulato.
B1: questa zona varia da pochi cm fino ad alcune decine di cm. È costituita da cristalli scheletrici, generalmente con disposizione orizzontale.
B2: zona cumulitica massiva a grana medio-fine.
B3: Zona cumulitica a grana grossa.
B4: zona cumulitica a grana grossa, con alla base un chilled margin.

Le lave komatiitiche data la loro bassa viscosità e il loro alto punto di fusione, sono estremamente fluide, e possono estendersi a grandi distanza dal centro eruttivo. Le spesse colate laviche (fino a centinaia di metri) sono probabilmente i resti di laghi di lava, o si sono formate a seguito di ripetute colate sovrapposte, come succede anche oggi nelle colate basaltiche delle Hawaii.

Fig.1: Rappresentazione schematica di una tipica colata komatiitica. Immagine modificata da Dostal, J. (2008).

Mineralogia e petrologia

Le Komatiiti, e le rocce associate, data la loro età, sono spesso state interessate da più o meno intensi processi metamorfici, idrotermali e di alterazione, che hanno totalmente o in parte, obliterato le originali strutture e le mineralogia originaria. Quindi le Komatiiti contengono generalmente minerali metamorfici al posto degli originali minerali magmatici, i cui relitti spesso sono preservati in rari casi. Il metamorfismo di basso grado delle Komatiiti ha prodotto una paragenesi mineralogica caratterizzata da serpentino-antigorite, clorite, talco, tremolite, magnesite-dolomite e magnetite. A gradi metamorfici più alti si ha lo sviluppo di antofillite, enstatite, olivina metamorfica e diopside.

La mineralogia primaria delle komatiiti è molto semplice: sono costituite da fenocristalli di olivina e spinello (cromite e/o ilmenite) immersi in una pasta di fondo composta da vetro, pirosseno calcico e talvolta ortopirosseno. Nelle porzioni con tessitura spinifex, i cristalli scheletrici di olivina (o pirosseno nelle komatiiti basaltiche) variano da pochi mm fono a decine di centimetri, fino in alcuni casi, ad alcuni metri.

Origine della tessitura spinifex

Il termine spinifex fu formalmente introdotto da Nesbitt (1971), per indicare i cristalli scheletrici di olivina, che rinvenne nelle komatiiti Australiane. Il termine deriva dalla pianta spinosa australiana, Triodia spinifex.

I geologi che per primi studiarono la tessitura spinifex, notarono che la morfologia dei cristalli scheletrici di olivina, ricordavano quelli che si formavano negli esperimenti in cui liquidi magmatici venivano raffreddati rapidamente. La solidificazione dei liquidi in condizioni di velocissimo raffreddamento (quenching) produce grandi cristalli con morfologia scheletrica. Tuttavia, questo modello non può essere applicato alla tessitura spinifex, in quanto i cristalli scheletrici non sono confinati alle zona di chilled margin, ma si sviluppano nelle zona centrali delle colate laviche dove i tassi di raffreddamento sono decisamente minori.

Nesbitt fu il primo che sollevò questo problema, che definì come "paradosso spinifex": la tessitura spinifex è tipica delle zone interne della colata lavica, ben al disotto (fino a decine di metri) del margine di raffreddamento. In queste zone la dispersione termica è molto bassa. Ad esempio, in una colata komatiitica spessa 2 m, il tasso di raffreddamento è di circa 1-3 °C per ora, nelle colate molto spesse questo valore è ancora più basso. La morfologia scheletrica, dei cristalli di olivina o pirosseno, invece indicherebbe tassi di raffreddamento maggiori di 30°C/h.

Dato che la tessitura spinifex è confinata a rocce ad alto contenuto in MgO, una parziale spiegazione alla genesi di questa particolare tessitura, potrebbe essere legata alla differenza di temperatura tra il liquidus e il solidus di queste rocce (Fig.2). Nelle rocce komatiitiche, questa differenza è molto ampia (400-500°C) mentre nelle rocce basaltiche la differenza è decisamente minore (circa 100 °C).

Fig.2: Diagramma %liquido vs temperatura in cui è evidenziata la differenza di temperatura tra il liquidus e il solidus komatiitico e basaltico. Immagine modificata da Arndt, N., & Fowler, A. (2004).

Un fattore spesso menzionato in molti lavori, ma che non ha ricevuto sufficiente attenzione, è il ruolo della così detta "cristallizzazione forzata" (constrained crystal growth) durante la solidificazione della colata komatiitica. Durante il raffreddamento della colata, i cristalli di olivina, o pirosseno, competono gli uni con gli altri per i componenti necessari alla loro crescita (Fig.3).

Le komatiiti appena eruttate contengono pochi cristalli di olivina, formatisi durante la risalita del magma, e durante il raffreddamento, alcuni di questi cristalli possono rimanere intrappolati nella crosta di raffreddamento in formazione. Successivamente si ha l’inizio della nucleazione dei cristalli di olivina al di sotto della crosta di raffreddamento, questi cristalli sviluppano morfologie scheletriche (dato il veloce raffreddamento della parte sommitale della colata) e orientazione casuale. Al procedere della cristallizzazione, i cristalli con orientazione verticale, hanno maggiori possibilità di accrescersi, in quanto sono a contatto con il magma più ricco in componenti necessari alla crescita. I cristalli con orientazione orizzontale invece si troveranno immersi in un liquido via via più povero in nutrienti, e non si svilupperanno molto. La cristallizzazione dei cristalli di olivina determina la formazione di una zona di liquido impoverito (la zona gialla di Fig.3) con una composizione differente dal liquido komatiitico originale. La densità di questo liquido impoverito è molto minore di quello non impoverito, e tende ad accumularsi lungo il fronte di cristallizzazione (Turner et al., 1986). La crescita dei cristalli è quindi "forzata" in quanto devono continuamente cercare di superare questa zona impoverita per poter crescere.

Fig.3: Rappresentazione schematica di una colata komatiitica in raffreddamento con lo sviluppo di cristalli scheletrici (tessitura spinifex) a causa della cristallizzazione forzata. Immagine modificata da Arndt, N., & Fowler, A. (2004).

Origine delle komatiiti

Fin dalla scoperta di questa rocce, il dibattito sulla genesi delle komatiiti, non si è mai fermata. Si ipotizza che le queste rocce, rappresentino liquidi primitivi, formatisi a seguito di estesi processi di fusione parziale (fino al 50%) del mantello, Nesbitt & Sun 1976, Sun & Nesbitt 1978. La formazione delle komatiiti è generalmente attribuita alla risalita di plume mantelliche durante l’Archeano e il Proterozoico. L’abbondanza di rocce komatiitiche nell’Archeano, e la loro diminuzione nel Proterozoico, è generalmente attribuita al raffreddamento del mantello, fino a 400°C dall’Archeano ad oggi. Dato che il contenuto in MgO dei magmi anidri, è strettamente legato alla temperatura di fusione del mantello (alti livelli di MgO indicano alte temperature di fusione), le komatiiti necessitano di temperature di fusione molto alte rispetto ai 1250-1350°C necessarie alla formazione di magmi basaltici MORB. È largamente accettato che durante l’Archeano e il Paleo-proterozoico la temperatura del mantello fosse molto più alta, e che le Komatiiti si siano formate a temperature di circa 1600-1900°C, probabilmente a circa 150-200 Km di profondità.

Dato che il rapporto CaO/Al₂O₃ è fortemente dipendente dalla pressione, Herzberg (1995) ha utilizzato un diagramma Al₂O₃-Cao/Al₂O₃ per stimare la profondità di formazione delle Komatiiti (Fig.4). Da tale diagramma si evince che le Komatiiti Paleo-Archeane, con basso Al2O3 e alto CaO/Al₂O₃, si sono formate a profondità stimate di circa 300-450 Km (9-14 GPa), le komatiiti Neo-Archeane a circa 150-200 Km km (5-6.5 GPa) e le komatiiti più giovani (< 100 Ma) a profondità di 100-130 Km (3-4 GPa).

Fig.4: Diagramma Al₂O₃ (wt.%) vs. CaO/Al₂O₃ in cui è rappresentata la distribuzione delle komatiiti, relativa al solidus mantellico (linea scura), che è rappresentato come una funzione della variazione di pressione (in GPa). Le komatiiti sono suddivise in base alla loro età. Immagine modificata da Dostal, J. (2008).

Komatiite con tessitura spinifex. Komati River Valley, Sud Africa. Immagine tratta da Large igneous provinces.

Komatiite con tessitura spinifex. Komati River Valley, Sud Africa. Immagine tratta da James St. John.

Sill komatitiico con tessitura spinifex, all'interno della zona cumulitica (con struttura massiva). Immagine tratta da James St. John.

Komatiite con tessitura spinifex. Kidd-Munro Assemblage, Timmins, Ontario, Canada. Immagine tratta da James St. John.

Komatiite con tessitura spinifex. Kidd-Munro Assemblage, Timmins, Ontario, Canada. Immagine tratta da James St. John.

Komatiite con tessitura spinifex. Kidd-Munro Assemblage, Timmins, Ontario, Canada. Immagine tratta da Craig Scott.

Komatiite con tessitura spinifex. Abitibi greenstone belt, Canada. Immagine tratta da Reddit.

Bibliografia

Le informazioni contenute in questa pagina sono tratte da:
• Arndt, N. T., & Lesher, C. M. (2016). IGNEOUS ROCKS| Komatiite.
• Arndt, N., & Fowler, A. (2004). Textures in komatiites and variolitic basalts.
• Dostal, J. (2008). Igneous rock associations 10. Komatiites. Geoscience Canada.
• Höytiä, H. (2019). Komatiites of eastern Lapland and their Ni-Cu-PGE potential.
• Nna-Mvondo, D., & Martinez-Frias, J. (2007). Review komatiites: from Earth’s geological settings to planetary and astrobiological contexts. Earth, moon, and planets, 100(3-4), 157-179.
• Viljoen, M., & Viljoen, R. (2019). Discovery and significance of komatiite: 50th Anniversary. South African Journal of Science, 115(11-12), 1-2.