komatiite (Zimbawe)

Le Komatiiti sono rocce vulcaniche e subvulcaniche ultramafiche che si rinvengono principalmente nelle così dette greenstone belts archeane e paleoproterozoiche. Le Komatiiti vennero scoperte e descritte per la prima volta attorno al 1960, in Sud Africa in un affioramento lungo il corso del fiome Komati (da cui deriva il nome komatiite).

Sebbene la classificazione delle Komatiiti, abbia da sempre generato numerosi dibattiti, queste rocce vengono definite petrologicamente come rocce vulcaniche ultramafiche, derivanti da magmi fortemente arricchiti in MgO. Il loro contenuto in MgO è estremamente altro (supera comunemente il 18 Wt%) se comparato al contenuto del 10-15Wt% della maggior parte delle rocce mafiche. Viljoen and Viljoen (1969) hanno classificato le Komatiiti in due gruppi basandosi principalmente sulla composizione:

• Komatiiti basaltiche (MgO = 18-24wt%)
• Komatiiti Peridotitiche (MgO > 24wt%)

Le Komatiiti sono inoltre distinte dalla altre rocce mafiche-ultramafiche, per la presenza pressoché costante della tessitura Spinifex (caratterizzata dalla presenza di cristalli di Olivina e pirosseno fortemente allungati e disposti generalmente paralleli gli uni agli altri). Il termine Spinifex deriva dal nome di una pinata spinosa australiana (Triodia spinifex).
A pochi anni dalla scoperta delle Komatiiti in Africa, attorno a 1960, in pochi anni vennero descritte rocce simili in numerose parti del mondo (Canada, Australia e Finlandia). Nonostante la maggior parte delle Komatiiti sia di età Archeana e Paleoproterozoica, si hanno anche esempi di komatiiti Fanerozoiche (le Komatiiti Permo-triassiche del Vietnam) e le Komatiiti Cretacee (90Ma) dell’isola di Gorgona (Colombia) (fig.1).

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Fig.1: Distribuzione delle Komatiiti in funzione dell'età. Da Condie (2001).



La predominanza delle Komatiiti nell’Archeano, la loro minor presenza nel Proterozoico e la loro estrema rarità nel Fanerozoico è stata interpretata e relazionata al progressivo raffreddamento del mantello.

Le Komatiiti si rinvengono sia in collate laviche che corpi subvulcanici, e molto raramente come piroclastiti. Le colate laviche Komatiitiche variano da pochi cm fino a oltre 100 di spessore e sono fortemente stratificate. Ogni livello presenta caratteristiche tessiturali diverse. In una colata tipo si hanno (Fig 2):

Zona A: caratterizzata da una tessitura Spinfex.
Zona B: Caratterizzata da abbondanti cristalli Euedrali di olivina, questa zona ha spesso delle caratteristiche simili a rocce cumulitiche dunitiche e peridotitiche.

Le due zone principali (A e B) vengono a loro volta suddivise in sottozone in base alle caratteristiche tessiturali:

Zona A1: Rappresenta il fronte di congelamento (chilled Margin) ed è caratterizzata dalla presenza di rari fenocristalli di olivina euedrale e da cristalli scheletrici di olivina in una matrice vetrosa.
Zona A2: Si ha la presenza di una tessitura Spinifex orientata in modo caotico.
Zona A3: zona a tessitura Spinifex ben sviluppata, con cristalli di olivina e pirosseno fortemente allungati. La disposizione delle tessitura Spinifex forma dei coni con gli apici verso l’alto.

La zona cumulitica sottostante viene suddivisa in 4 zone:

Zona B1: costituita da cristalli di olivina a tramoggia (forme scheletriche a doppio cono) disposti circa parallelamente al contatto tra B1 e B2.
Zona B2 e B4: zone caratterizzate da cristalli poliedrici di olivina immersi in una matrice vetrosa ricca in Augite.
Zona B3: questa zona non è sempre presente; zona comunemente molto alterata, formata da zone ricche in vetro e Pirosseni.

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Fig.2: Variazione della tessitura in una colata Komatiitica ideale.



I vari strati a tessitura diversa si formano durante il raffreddamento della colata lavica; i cristalli euedrali di olivina, presenti prima dell’eruzione o cristallizzati durante l’emissione, si accumulano alla base della colata, formando le varie zone B. allo stesso tempo si sviluppa la tessitura spinifex, che si propaga man mano della sommità della colata, verso le parti più interne. Sin dalla scoperta delle Kimatiiti, sono nate numerose ipotesi e forti dibattiti, in merito alla loro formazione e alle condizioni di fusione del mantello da cui si sono originate.

Dato che il contenuto in MgO dei magmi anidri, è strettamente relazionato 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 per la formazione di magmi MORB. È largamente accettato che durante l’Archeano e il Paleoproterozoico 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.3).

Da tale diagramma si evince che le Komatiiti Paleoarcheane, con basso Al2O3 e alto CaO/Al2O3, si sono formate a profondità stimate di circa 300-450 Km (9-14 GPa), le Komatiiti Neoarcheane a circa 150-200 Km km (5-6.5 GPa) e le Komatiiti più giovani a profondità di 100-130 Km (3-4 GPa).

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Fig.3: Diagramma Al2O3-Cao/Al2O3 mostrante la distrubuzione della Komatiiti (divise per età). Da Herzberg (1995)



Le Komatiiti, 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 dei minerali magmatici, i cui relitti spesso sono preservati in rari casi. Il metamorfismo di basso grado delle Komatiiti produce una paraganesi 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.

komatiite di Belingwe

La Belingwe greenstone belt è situate nella parte sud del Zimbawe (Fig.4; Fig.5), a nord della catena del Limpopo e direttamente ad est del Great Dyke. È suddivisa in due gruppi principali: la lower greenstone belt (Gruppo del Mtshingwe), datata a 2.9Ga e la Upper greenstone belt (Gruppo di Ngezi) datata a 2.7Ga. la Belingwe greenstone belt forma una grande piega sinforme, a scala regionale ed è dislocata da numerose faglie. Nella parte Nord e Sud della Belingwe greenstone belt si hanno batoliti datati a 2.6 Ga.

Le rocce del Gruppo di Ngezi formano una successione spessa da 4 a 6 Km e sono costituite da rocce vulcaniche mafiche e ultramafiche (formazioni di Reliance e Zeederbergs) frapposte a rocce sedimentarie della formazione del Manjeri e del Cheshire. La formazione del Manjeri è costituita da una sottile successione (250m) di rocce sedimentarie.

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Fig.4: Carta geologica semplificata della zona sud dello Zimbawe con la localizzazione della Belingwe greenstone belt



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Fig.5: Carta geologica della Belingwe greenstone belt . Da Nisbet et al. (1977).



Suddivisione stratigrafica della Belingwe greenstone belt

Basamento
Il basamento della Belingwe greenstone belt è costituito da gneiss quarzo feldspatitici, gneiss metapelitici e intrusioni mafiche.

Gruppo di Mtshingwe
Il gruppo di Mtshingwe è costituito da rocce ultramafiche , intermedie e felsiche, depositi piroclasitici e rocce sedimentary delle formazioni di Hokonui, Bend e Koodoovale.

Gruppo del Ngezi
Formazione del Manjeri: La formazione del Manjeri ha uno spessore variabile da 600 a 250 m ed è costituita da conglomerati, arenarie e calcari.

Formazione di Reliance: La formazione di Reliance Formation (2692 Ma) è formata da Komatiiti. Zone di taglio sono comuni nella parte bassa della formazione.

Formazione di Zeederbergs: La formazione di Zeederbergs è formata principalmente da basalti a pillow tholeiitici e da lave massive, con associati basalti komatiitici, tufi e sill diabasici. Lo spessore della sequenza basaltica è stimata in 4 Km, e i contatti con la formazione di Reliance sono netti ma senza discordanze.

Formazione di Cheshire: La formazione di Cheshireè costituita da successioni sedimentarie eterogenee, e forma la parte strutturalmente più alta del gruppo del Ngezi. È spessa circa 2.5 Km ed è formata da conglomerati, arenarie, argilliti, calcari, selci, calcari stromatolitici e rare BIF (banded iron formation).

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Fig.6: Colonna stratigrafica della Belingwe greenstone belt. Da Kusky e Kidd (1992).



Colate Komatiitiche della Belingwe greenstone belt

Le colate Komatiitiche della Belingwe greenstone belt sono costituite da una zona sommitale caratterizzata da tessitura spinifex (zona A) e da una parte inferiore ricca in cristalli cumulitici di olivina (Zona B). Vedi fig.2.
La zona A costituisce un terzo delle coltate ed è composta da cristalli di olivina, a tessitura spinifex, orientati casualmente. La zona B costituisce i due terzi delle coltate ed è ulteriormente suddivisa in due zone: una zona ricca in cristalli scheletrici di olivina (zona B1) e una zona ricca in critalli cumulitici.

Zona A con tessitura Spinifex.
Nella zona a tessitura Spinifex, I cristalli di olivine orientate casualmente, divengono sempre più grandi man mano che si procede verso il centro della colata, con dimensioni che variano da 1cm fino a 5cm fino a raggiungere un massimo di 80cm. Nelle parti centrali della colata i cristalli di olivina si dispongono verticalmente alla colata. Avvicinandosi alla zona B1 le dimensioni dei cristalli diminuiscono e la disposizione diviene nuovamente casuale. La zona A contiene cristalli di olivina a tessitura spinifex, cristalli di pirosseno e Cr-spinello; si hanno fasi secondarie quali: clorite, magnesite, pirite e serpentini.

Zona Cumulitica B1.
La zona B1 è costituita principalmente da cristalli scheletrici di olivina con pirosseni a tessitura piumosa in pasta di fondo. Secondo Renner et al. (1993) e Silva et al. (1997) la zona B1 è l’ultima porzione della colata ad essersi raffreddata.

Zona cumulitica.
In prossimità della base della colata divengono abbondanti i cristalli cumulitici, a grana fine, di olivina. I Pirosseni assumono tessiture colonnari piuttosto che piumose.

Evoluzione Belingwe greenstone belt

Alla base della formazione di Reliance si ha la presenza di basalti impoveriti e contaminati (D-basalt) sormontati da basalti komatiitici estremamente contaminati da materiale crostale. Le rocce komatiitiche, più primitive e meno frazionate, affiorano tra questi basalti contaminati; al di sopra della formazione di Reliance si ha la totale assenza di basalti komatiitici o komatiiti.
Sia i basalti komatiitici che I basalti impoveriti (D-basalt) risultano estremamente impoveriti in elementi in traccia. Le variazioni chimiche delle komatiiti e dei D-basalt sono il risultato di processi di cristallizzazione frazionata di olivina e in minor misura di pirosseno, a partire da un magma a composizione komatiitica. Si hanno inoltre basalti arricchiti (E-basalt) che risultano più ricchi in silice e più radiogenici. La stratigrafia della formazione di Ngezi indica che le komatiiti e i basalti komatiitici sono confinati alla parte bassa della formazione e che le rocce basaltiche sono decisamente più abbondanti.

L’evoluzione della Belingwe greenstone belt è rappresentata schematicamente in Fig.7. Inizialmente si è avuta la formazione di grandi quantità di magmi komatiitici, durante fenomeni di fusione parziale del mantello, in corrispondenza di una Plume. Sono state stimate temperature di circa 1800C e pressioni di 5 GPa (150 km di profondità).

Se la risalita dei magmi komatiitici è avvenuta attraverso una crosta continentale con struttura classica, senza anomalie, allora i magmi komatiitici si sono accumulati in camere magmatiche al limite crosta superiore – inferiore). Questo è dovuto alla differenza di densità tra magmi komatiitici (2.7 g/cm3) che è più bassa di quella della crosta inferiore (3.0 g/cm3) e più alta di quella della crosta superiore (2.65 g/cm3).

Durante tale fase i magmi komatiitici, ad alta temperatura, hanno subito fenomeni di contaminazione assimilando porzioni di crosta superiore, generando eruzione basaltiche komatitiiche (Fig. 7 a). La temperatura della crosta inferiore tuttavia non era ancora sufficientemente alta affinché subisse assimilazione e man mano che il tasso di emissione lavica aumentava vennero eruttate le porzioni di magma komatiitico non contaminato da materiale crostale (Fig. 7 b).

L’attività magmatica raggiunse il culmine durante l’emissione delle colate komatiitiche e al diminuire dell’attività magmatica vennero emessi basalti basalti komatiitici derivanti dall’interazione tra il magma komatiitico stagnante nelle camere magmatiche e il materiale crostale assimilato (Fig. 7 c).

Durante le fasi finali dell’attività magmatica la crosta continentale inferiore, sufficientemente riscaldata dai magmi komatiitici, subì una parziale fusione generando basalti arricchiti (E-basalt); allo stesso tempo i magmi komatiitici subirono estesi processi di cristallizzazione frazionanta, generando basalti impoveriti (D-basalt) Fig.7 d.

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Fig.7: Rappresentazione schematica dell'evoluzione della Belingwe greenstone belt. Da K.Shimizu (2005).



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Fig.8: Campione di Komatiite. Belingwe greenstone belt.



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Fig.8: Campione di Komatiite. Belingwe greenstone belt.



Campione donatomi da Kevin Walsh

Bibliografia



Le informazioni contenute in questa pagina sono tratte da:
• Arndt, N.T. and Fowler, A.D. (2004): Textures in komatiites and variolitic basalts. In: The PreCambrian Earth: Tempos and Events. Pat Eriksson, Wlady Altermann, David Nelson, Wulf Muller, and Octavian Catuneanu (eds.). Developments in Precambrian Geology 12.
• K.Shimizu; E.Nakamura; S.Maruyama (2005): The Geochemistry of Ultramafic to Mafic Volcanics from the Belingwe Greenstone Belt, Zimbabwe: Magmatism in an Archean Continental Large Igneous Province. Journal of Petrology. Vol. 46; N. 11; pp 2367-2394

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Cristalli (Serpentinizzati) di olivina con tessitura spinifex immersi in una pasta di fondo composta da pirosseni scheletrici. Belingwe greenstone belt. Immagine a N//, 2x (lato lungo = 7mm)
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