Le Carbonatiti

“The so-called Carbonatites present more questions than answers” R. A. Daly 1933.

Una carbonatite è una roccia ignea formata da più del 50% in volume di minerali carbonatici con una paragenesi tipica composta da:

clinopirosseno, anfibolo alcalino, olivina, monticellite, flogopite, melilite, nefelina, apatite, pirocloro, perovskite.

Spesso le carbonatiti hanno delle concentrazioni anomale di REE, P, Nb, U, Th, Cu, Fe, Ti, Ba, F, Zr, ecc. tali da essere economicamente sfruttabili come giacimenti minerari (Mabouniè, Gabon; Catalã o e Araxà, Brasile; Phalaborwa, Sud Africa; Chicoutimi e Oka, Canada, ecc.).

La prima descrizione di rocce carbonatitiche, affioranti nella Lower Narbada Valley in India, risale al 1884 ad opera di Bose che ne riconobbe le caratteristiche ma non ne ipotizzo un'origine ignea. Le prime ipotesi sull’origine primaria per queste particolari tipi di rocce vennero proposte da Högbohm (1895) e da Brøgger (1921) che studiarono rispettivamente gli affioramenti di Alnö in Svezia e di Fen in Norvegia, dove queste rocce carbonatitiche si rinvengono correlate a prodotti ultralcalini.

L' ipotesi che queste rocce fossero dei prodotti ignei, paragonabili a basalti, foiditi, andesiti, ecc., non venne accettata dalla comunità scientifica che vedeva questi prodotti come semplici megaxenoliti sedimentari (Daly, 1933; Shand, 1943).

Altro fatto molto significativo è che Johannsen, nel suo glossario "A Descriptive Petrography of Igneous Rocks" del 1938, non includa le carbonatiti come rocce ignee, asserendo inoltre che queste rocce ricche in carbonati, andrebbero come "non ignee" (Johannsen, 1938).

La tesi che rocce così ricche in carbonati potessero avere un’origine ignea ricevette nuova linfa negli anni '60 sia quando vennero pubblicati lavori di petrologia sperimentale che dimostravano inequivocabilmente che la calcite poteva fondere a temperatura inferiori a 650°C a pressioni dell’ordine di 0.1 GPa (Wyllie et al., 1960), sia quando si assistette alla messa in posto dei prodotti natrocarbonatitici dell’Oldoinyo Lengai in Tanzania del 1958 (Dawson, 1962- 1966).

Proprietà e caratteristiche dei magmi carbonatitici

I fusi carbonatitici sono dei liquidi composti da anioni e cationi che instaurano tra di loro legami di tipo ionico (Kleppa , 1981);
le bassissime viscosità e densità proprie dei fusi carbonatitici sono legate alla composizione chimica del liquido; la bassa concentrazione di cationi come Si e Al ("network forming cations") correlata ad un’alta concentrazione di Ca, K, Na, Fe, Mg, ecc., ("network modifying cations") fanno sì che il liquido risulti poco polimerizzato. Queste caratteristiche determinano altre peculiari proprietà fisiche.

Proprietà liquidi Carbonatitici:

Densità (kg/m3) 2.2
Temperatura Solidus (K) 760
Temperatura Liquidus (K) 1000

le temperature di liquidus e di solidus sono più basse rispetto ai fusi silicatici, sull'Oldoinyo Lengai sono state misurate temperature di fuoriuscita dell’ordine di 850- 866 K

La classificazione delle carbonatiti

La "Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks" della IUGS (Streckeisen, 1980), ha proposto per la classificazione delle rocce ad affinità carbonatitica, le seguenti linee guida:

• Si definisce carbonatite una roccia ignea, sia essa intrusiva o estrusiva, che contenga più del 50% in volume di minerali carbonatici;

• Vengono definite le seguenti classi di carbonatiti:

1) Calciocarbonatite (sövite se a grana grossa, alvikite se a grana medio fine);
2) Dolomite- carbonatite (beforsite o rauhaugite);
3) Ferrocarbonatite (composte da minerali carbonatici ricchi in ferro);
4) Natrocarbonatite (composte da carbonati di sodio, potassio e calcio); ad oggi le uniche natrocarbonatiti conosciute sono quelle prodotte dall'Oldoinyo Lengai in Tanzania;

• Le carbonatiti contenenti più di un carbonato, ad esempio calcite e dolomite, devono essere indicate tramite prefissi in accordo con le regole definite dai limiti del 10%- 50%- 90% in volume dei diagrammi classificativi ternari;
• Rocce ignee contenenti meno del 10% in volume di carbonati devono essere identificate con l’apposito prefisso: ad esempio calcite- ijolite, dolomite- peridotite, ecc.;
• Rocce ignee contenenti dal 10% al 50% in volume di minerali carbonatici devono essere identificate con l’apposito suffiso: come ijolite carbonatitica, peridotite carbonatitica, ecc.;
• Il contenuto di eventuali altre altri minerali deve essere indicato da prefissi (apatitepirocloro carbonatite, ecc.).

La classificazione proposta dalla IUGS presenta però alcune difficoltà nell’essere applicata in quanto:

• Molte carbonatiti contengono due o più fasi carbonatiche, che spesso non è facile discernere in quanto possono essere intercresciute;
determinare così la moda delle fasi è estremamente difficile;
• Spesso oltre alla calcite e alla dolomite, si rinviene l’ankerite che forma una soluzione solida con la dolomite;
quest’ulteriore complicazione non viene presa in considerazione dalla classificazione IUGS;
• La grana delle rocce carbonatitiche varia; in quelle a grana grossa è abbastanza facile fare una moda delle fasi presenti, in quelle a grana fine è impossibile o quantomeno difficile.

In seguito a queste osservazioni Woolley (1982) propone un altro criterio di classificazione delle rocce carbonatitiche basato sia sulle % in volume delle fasi carbonatiche presenti (seguendo i dettami della IUGS), sia sulle analisi chimiche;
egli suggerisce l'utilizzo di un digramma ternario con le percentuali in peso di CaO, MgO e (FeO+ Fe2O3+ MnO).

Secondo questo schema, vengono considerate calciocarbonatiti quelle rocce ignee che hanno:

(CaO/(CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO))> 0.8, al di sotto di tale valore, si hanno le magnesiocarbonatiti (MgO/ (CaO+ MgO+FeO+ Fe2O3+ MnO)> 0.5) e le ferrocarbonatiti ((FeO+ Fe2O3+ MnO)/(CaO+ MgO+FeO+ Fe2O3+ MnO) > 0.5).



carbonatite.jpg

Immagine 1: Diagramma classificativo delle Carbonatiti.



Recentemente la IUGS (2002) ha corretto la definizione di carbonatite, definendola come una roccia ignea composta da più del 50% modale di carbonati primari e contenente meno del 20 wt.% di SiO2 (Le Maitre et al., 2002). Anche dopo questa recente ridefinizione, molti autori propongono diverse tipologie di classificazione poiché quella della IUGS risulta ancora troppo generalista.

Osservazioni aggiuntive (osservazioni di campagna e sul campione a mano, sia su analisi chimiche ed isotopiche) alla classificazione di Woolley utili al riconoscimento di una carbonatite sono:

Rocce associate alle carbonatiti:

• Foiditi (nefeliniti, fonoliti, nefelin-sieniti e rocce della serie urtite- ijolite- melteigite);
• Melilititoliti ("melilititi", okaiti, turjaiti, ecc.);
• Kimberliti;
• Feniti (rocce incassanti metasomaticamente arricchite in FeO e alcali, e in genere impoverite in SiO2).

Distribuzione degli elementi:

• Si; le carbonatiti, per definizione, sono rocce fortemente sottosature in silice, molto spesso con tenori di SiO2 <4 wt. %;
• Ba; caratteristica delle carbonatiti è un arricchimento in BaO che può raggiungere nelle ferrocarbonatiti valori superiori al 20 wt.%. Spesso sono ricche anche in SO3, non a caso frequentemente vi si rinviene come minerale primario la barite;
• Sr; elemento abbondante nelle carbonatiti, si raggiungono infatti valori di SrO >5 wt.%. Generalmente l’SrO è più abbondante nelle calciocarbonatiti rispetto che nelle magnesio e ferrocarbonatiti;
• Co, Cr, Ni, V; aumentano nella serie calciocarbonatite - magnesiocarbonatiteferrocarbonatite;
• Nb; è un altro degli elementi caratterizzanti nelle carbonatiti, ed è essenzialmente contenuto nel pirocloro. I tenori presenti variano da 600 ppm fino ad oltre 1200 ppm;
• Th, U; in molte località il rapporto Th/U è in genere maggiore di 16. Varia da circa 6 nelle calciocarbonatiti fino ad oltre 40 nelle ferrocarbonatiti;
• REE; le carbonatiti sono le rocce che hanno contenuti in REE e rapporto LREE/HREE (La/Lu) più alti di tutte le altre rocce. La e Ce aumentano dalle calcio alle ferrocarbonatiti, che di fatti hanno un contenuto maggiore di REE.

Colate laviche:

• Le colate si presentano con morfologia pahoehoe e aa (Dawson, 1962- 1966; von Knorring et al., 1961, ecc.).

La genesi delle carbonatiti I processi che vengono chiamati in causa per spiegare la genesi e la messa in posto dei prodotti carbonatitici sono raggruppabili in due grandi categorie:

una prima, nella quale si hanno tutti quei processi legati alla formazione di un fuso carbonatitico "primario", che sono:

1) Fusione parziale di un mantello carbonatato;
2) Cristallizzazione frazionata di un magma alcalino carbonatato;
3) Immiscibilità di liquidi;

e una seconda, legata invece ad eventi di anatessi/ assimilazione di materiale crostale:

4) Fusione di carbonati sedimentari o metamorfici.

Fusione parziale di un mantello carbonatato

La fusione parziale di una peridotite carbonatata può generare fusi carbonatitici; le reazioni di carbonatazione a pressioni e temperature tipiche del mantello e la fusione di carbonati che interessano olivine e clinopirosseni, vennero investigate a partire dagli anni '60 con gli studi di Wyllie et al. (1960).

La CO2 non si rinviene in fase gassosa a pressioni superiori a 27 Kb ) in quanto in queste condizioni avvengono una serie di reazioni di carbonatazione e de carbonatazione che sono in grado di generare soluzioni solide di calcite, dolomite e magnesite.

Le più importanti sono:

• Fo+ Cpx+ CO2= 3 Opx+ Cal
• 2 Fo+ Cpx+ 2 CO2= 4 Opx + Dol

Le fasi carbonatiche prodotte devono essere in equilibrio con la composizione dell’olivina e del clinopirosseno mantellico, devono quindi avere un elevato mg# (composizione dolomitica) Se tutte le carbonatiti si generassero da questo processo, non si spiegherebbe la notevole prevalenza dei prodotti calciocarbonatitici rispetto a quelli sulle magnesiocarbonatitici. Ulteriori esperimenti effettuati a pressioni più basse hanno messo in evidenza che questi fusi caratterizzati da fasi carbonatiche con alto rapporto Mg/Ca, risalendo possono reagire con le peridotiti mantelliche generando delle wherliti e causando quindi una drastica diminuzione del rapporto Mg/Ca producendo liquidi calciocarbonatitici.

Cristallizzazione frazionata di un magma alcalino carbonatato

La genesi delle carbonatiti secondo processi di cristallizzazione frazionata a partire da un magma nefelinitico carbonatato è stata una delle prime ipotesi proposte in letteratura. Quest’ipotesi nasce dall’osservazione che la cristallizzazione frazionata di un magma ricco in alcali e CO2 può permettere la stabilizzazione e cristallizzazione della calcite. Anche per questo modello vi sono dei problemi:

• Non vi è ragione per la quale la concentrazione della CO2 in magmi nefelinitici a pressioni crostali possa favorire la cristallizzazione di carbonati di Fe e Ca a discapito dei silicati degli stessi elementi (olivine e clinopirosseni);
• La cristallizzazione di fasi come il clinopirosseno riduce drasticamente le concentrazioni di CaO e di MgO invece di aumentarle, quindi si ottengono fusi più poveri in questi due componenti;
• La cristallizzazione frazionata implicherebbe la presenza di rocce a chimismo intermedio tra carbonatitico e nefelinitico, ma queste non sono mai state rinvenute;
• Gli alti tenori in Nb e REE tipici delle carbonatiti non possono essere generati esclusivamente da processi di cristallizzazione frazionata a partire da fusi nefelinitici (Gittins et al., 1989);
• Dati gli alti tenori in CO2 che dovrebbe avere la nefelinite di partenza, questa dovrebbe derivare direttamente da una sorgente fortemente carbonatata; quindi non si spiega come mai questa sorgente, fondendo, non generi direttamente un fuso carbonatitico (Gittins et al., 1989).

Immiscibilità di liquidi

La scoperta di una lacuna di miscibilità nel sistema NaAlSi3O8- CaAl2Si2O8- Na2CO3- H2O da Wyllie et al., (1960), ha permesso di invocare questo particolare processo per la genesi delle natrocarbonatiti dell’ Oldoinyo Lengai.

Esperimenti di petrologia sperimentale hanno messo in luce che effettivamente coesistono due differenti liquidi al di sopra della temperatura di liquidus, sottoforma di blebs di un fuso all’interno dell’altro; Freestone et al. (1980) hanno fuso e successivamente raffreddato miscele variabili di polveri di nefelinite e di carbonatite, documentando, in base alla tessitura ad ocelli del campione che al di sopra della temperatura di liquidus dei due componenti hanno coesistito separatamente due liquidi.
Dagli esperimenti effettuati si è riusciti ad ottenere liquidi carbonatitici fortemente alcalini.

Fusione di carbonati sedimentari o metamorfici

Questo processo è stato uno dei primi ad essere chiamato in causa per la genesi delle carbonatiti, sia come fusione di carbonati/ marmi (Daly, 1933), o come assimilazione degli stessi da parte di fusi silicatici (Pecora, 1956). Lo studio del sistema CaO-CO2-H2O da parte di Wyllie et al. (1960) ha messo in evidenza come sia possibile fondere la calcite a temperature di 740°C con pressioni di 1 Kb; ovvero a condizioni che comunemente si rinvengono a contatto tra rocce incassanti e corpi ignei.

La fusione di rocce carbonatiche da parte di fusi silicatici può generare rocce fortemente arricchite in CaO e povere in SiO2, che possono mantenere una composizione isotopica molto simile (se non identica) alle rocce silicatiche associate in quanto queste ultime molto ricche (rispetto ai carbonati sedimentari) di Nd, Sm, Rb, ecc. Ovviamente la fusione di carbonati sedimentari genera liquidi generalmente più impoveriti in molti elementi in traccia del magma silicatico che li fonde.

Bibliografia



Le informazioni contenute in questa pagina sono tratte da:
- La genesi delle carbonatiti del Vulture: "Informazioni dallo studio dell’associazione di xenoliti mafici ed ultramafici delle carbonatiti di Vallone Toppo di Lupo, Monte Vulture, Basilicata, Italia" (Rolando Matteoni lavoro di tesi A.A 2008/2009)