CAPITOLO 1

Quando la velocità di flusso è maggiore della velocità delle reazioni, né risulterà una situazione di equilibrio parziale e locale, in un regime che si dirà dominato dal fluido: sarà il chimismo del fluido a predominare nella cristallizzazione e a determinare i prodotti.

Se invece la velocità di flusso del fluido è inferiore a quella delle reazioni metamorfiche, i minerali della roccia potranno facilmente influire sulla composizione del fluido, nel senso che potranno tamponare le attività delle specie chimiche nella fase fluida in tal caso , questa fase sarà dominata dalla roccia.

La causa del metamorfismo è, sostanzialmente, un apporto di energia termica adeguato, tale cioè da determinare l’indebolimento e la rottura dei legami reticolari di certe fasi mineralogiche, che quindi scompaiono. Per effetto di questa fornitura di calore, le oscillazioni delle particelle costituenti i reticoli cristallini diventano più ampie, fino a che dette particelle non sono più in grado di permanere intorno alle loro posizioni medie, e si svincolano man mano dall’impalcatura reticolare. I reticoli cristallini si disgregano gradualmente, ed i loro costituenti chimici si rendono man mano disponibili per la costruzione di nuovi reticoli cristallini stabili nelle nuove condizioni ambientali, in posizioni e con orientazioni regolate da queste. Quindi le parti di crosta terrestre coinvolte in un processo metamorfico in atto sono sottoposte a temperature più alte del normale, circostanza che può verificarsi sia su scala locale che regionale. Nel primo caso, si tratta di riscaldamento locale legato all’intrusione di fusi magmatici. Nel secondo caso, si tratta di riscaldamento regionale, strettamente legato a perturbazioni del regime termico crostale.

La conduzione implica trasferimento di calore fra due corpi in contatto fisico reciproco aventi diversa temperatura: la differenza di temperatura iniziale viene gradualmente diminuita e virtualmente annullata.

La convenzione implica, nel contesto di nostro interesse, migrazioni di fluidi caldi i quali, avendo assorbito calore per qualche causa ed in qualche luogo, si mescolano altrove con fluidi freddi cedendo loro calore. Detta circolazione può essere attivata da differenze di densità associate ad espansione differenziale del fluido alle varie temperature: si parla allora di convezione naturale. Quando invece sono forze esterne che determinano la migrazione della fase fluida si parla di convezione forzata. Si parla infine di convezione penetrativa quando un fluido caldo cede calore man mano che si sposta.

Le condizioni di pressione vigenti durante il metamorfismo dipendono, da un lato, dal carico delle rocce soprastanti, dall’altro dalla pressione fluida. La pressione causata dal peso delle rocce soprastanti è chiamata pressione di carico o pressione litostatica. La pressione esercitata dalla fase fluida contro le pareti delle fasi cristalline che ne limitano i volumi è un altro importante parametro ambientale da prendere in considerazione. Tale pressione l fluido (P_f) è uguale alla somma delle pressioni parziali dei componenti volatili (P_f = P_H2O + P_CO2 +…..): ne consegue che solo i componenti volatili più abbondanti daranno contributi significativi al valore di P_f .

Va ora considerato un altro aspetto della pressione agente durante il metamorfismo, e precisamente il suo carattere idrostatico oppure orientato. Si tratta di un aspetto molto importante, dato che tale carattere ha una influenza notevole sulla struttura che si svilupperà nelle rocce. L’effetto di una pressione idrostatica è una pura compressione delle rocce in un volume minore, mentre quello di una pressione orientata implica effetti più complessi.

Un altro parametro molto importante è il tempo. Generalmente è possibile stabilire i tempi delle trasformazioni metamorfiche: A = 0.01D² , D è la dimensione del corpo magmatico o sedimentario (parallelepipedo). Naturalmente vi sono delle differenze tra i diversi processi metamorfici. Il metamorfismo alpino (eo-alpino, alpino propriamente detto e tardo alpino) si sono avuti a partire da 200 mln di anni fa fino a 4 mln di anni fa. Tanto più sono lunghi questi periodi tanto è possibile la formazione della strutture più stabili.

In ogni reazione metamorfica l’associazione mineralogica prodotta è più stabile di quella reagente, e quindi ha un’energia libera minore di quest’ultima nelle nuove condizioni ambientali. Tuttavia, le reazioni metamorfiche, in quanto c’è una barriera energetica che si oppone alle variazioni nel sistema. La formazione dei prodotti più stabili può avvenire solo se questa barriera energetica viene superata. Ciò si realizza mediante l’apporto, al sistema roccioso considerato, di un’energia di attivazione. Solo allora il sistema roccioso diventa sistema attivato. Questo apporto energetico è sostanzialmente apporto di energia termica. L’energia di attivazione è la quantità di energia che il complesso attivato ha in più rispetto ai materiali reagenti. Rappresenta la soglia al di sotto della quale i processi fisici e chimici del metamorfismo hanno velocità praticamente nulla. Alcuni fattori possono diminuire l’energia termica necessaria per attivare un sistema roccioso. Essi comprendono:

- la presenza di una fase fluida interstiziale;

- la presenza di deformazioni;

- la presenza di catalizzatori che abbassando l’energia di attivazione, determinano un aumento della    velocità di reazione.

Un altro particolare processo che caratterizza il metamorfismo è la migrazione. Nei sistemi chiusi, nei quali la fase fluida è controllata dall’interno del sistema, il meccanismo di migrazione possibile è la diffusione. Si tratta di un processo naturale spontaneo, che si verifica in seno ad una fase gassosa, liquida o solida a causa di una distribuzione non omogenea delle caratteristiche fisiche o dei comportamenti chimici. All’equilibrio, il potenziale chimico di ciascun componente di un sistema deve essere uguali in tutte le fasi presenti. Se così non è, il sistema è instabile, e i componenti migrano in modo da rendere uguali i valori dei potenziali chimici: la migrazione avviene lungo i gradienti dei potenziali chimici, col risultato di annullarli. Per ogni processo di diffusione si può definire la velocità, che è funzione diretta del gradiente che lo ha generato, e che dipende anche da un coefficiente di diffusione. Questo è controllato sia da parametri relativi al mezzo in cui avviene la diffusione sia da parametri relativi alle varie specie chimiche in migrazione. Infine, per ogni processo di diffusione si può definire la distanza massima che una data specie chimica può percorrere nel dato ambiente. Tale distanza è non solo funzione del tempo, ma anche del coefficiente di diffusione prima menzionato. Durante il metamorfismo la migrazione delle specie chimiche per diffusione potrà avvenire:

a) in seno alla fase fluida stagnante negli spazi intergranulari;

b) in assenza di fase fluida;

c) attraverso i reticoli cristallini.

Durante il metamorfismo la migrazione delle specie chimiche avverrà prevalentemente lungo i limiti cristallini disordinati,  specialmente se e dove esiste un film di fluido, e soprattutto in seno alla fase fluida interstiziale. Le rocce a grana fine, avendo molti limiti intergranulari, saranno sede di maggiore mobilità del materiale chimico.

La nucleazione consiste nella comparsa di nuclei di cristalli, cioè di minutissimi corpi costituiti dall’assemblaggio di un numero piccolo di atomi disposti secondo una configurazione corrispondente, dai punti di vista chimico e strutturale, ad una specie mineralogica stabile nelle nuove condizioni ambientali. I nuclei si formano lungo i limiti granulari di altre specie mineralogiche, o lungo le discontinuità interne a cristalli pre-esistenti , quali dislocazioni del reticolo cristallino, bande di deformazione ecc. per effetto della migrazione, materiali chimici derivanti da disgregazione di fasi mineralogiche si mescolano tra di loro negli spazi intergranulari, formando una popolazione mista che è sede di fluttuazioni sia di composizione che di localizzazione delle singole particelle componenti. Nell’ambito di questa popolazione, per effetto delle citate fluttuazioni si realizzano locali radunamenti di atomi. Si tratta di situazioni locali e transitorie, dette pre-nuclei o embrioni o germi di cristalli che hanno dimensioni piccolissime. La stabilizzazione dei nuclei avviene mediante aumento di dimensioni, cioè per estensione del particolare ordinamento spaziale ad un numero maggiore di particelle circostanti appropriate. Si ha così la formazione di cristalli, le cui  dimensioni hanno superato un valore minimo, denominato raggio critico con riferimento a modelli sferici. Il valore di tale raggio è, per molti materiali artificiali, dell’ordine dei 10 A.

Il processo che determina la formazione di cristalli a partire da nuclei stabili della stessa fase mineralogica è detto accrescimento dei cristalli.