La zonatura

La zonatura corrisponde a variazioni composizionali riscontrabili all’interno dei cristalli.
Minerali appartenenti ad una soluzione solida continua come ad esempio: plagioclasi, olivine, clinopirosseni, anfiboli, sviluppano tipicamente una zonatura composizionale durante la crescita, che si manifesta nella variazione delle proprietà fisiche (ottiche) dei cristalli.

La zonatura può essere inoltre identificata considerando:
1) Angoli di estinzione.
2) Pleocroismo.
3) Birifrangenza.
4) Orientazione preferenziale di impurità.
5) Alterazione sericitica nelle porzioni più calciche dei plagioclasi.

Composizionalmente la zonatura viene suddivisa in diretta e inversa, mentre in base alla variazione della composizione all’interno del cristallo può essere divisa in concentrica, che può essere continua, discontinua o oscillante;
La forma delle varie zone concentriche può ricalcare l'abito esterno del cristallo, ed essere quindi generalmente euedrale o subedrale, oppure può presentare andamenti più o meno irregolari con evidenti rientranze, nel qual caso è detta convoluta.

In alcune casi si osservano, in genere nei nuclei, delle zone anedrali a composizione contrastante e separate tra loro a dare un’estinzione a chiazze (patch zoning).
Talvolta la zonatura composizionale, anziché disporsi secondo zone concentriche, può essere distribuita a settori, generalmente di forma triangolare; quando i settori triangolari appaiono leggermente bombati, la zonatura è detta a clessidra.

Molte fasi sono zonate composizionalmente, ma non sempre la zonatura è ben visibile e determinabile al microscopio;
talvolta la zonatura non è osservabile data la facile riequilibratura del cristallo col liquido, a seguito del facile interscambio tra i cationi coinvolti (es. interscambio Fe-Mg nell'olivina).
In altri casi la simmetria del cristallo permette la variazione con la composizione soltanto di alcune proprietà ottiche meno appariscenti: es. la zonatura dell'olivina e dell'ortopirosseno -rombici- si manifesta soltanto attraverso la variazione di colore e birifrangenza, e non dell'angolo di estinzione come avviene nei plagioclasi.

Zonatura diretta la zonatura diretta è il caso più comune e risulta da un progressivo e continuo cambio di composizione (%An decrescente) all’abbassarsi della temperatura. Si ha quindi una variazione composizionale da un nucleo ricco in anortite fino ad un nucleo ricco in albite.

Zonatura inversa la zonatura inversa è l’opposto della diretta e si rinviene comunemente associata alla zonatura oscillatoria.

Zonatura oscillatoria Le due caratteristiche principale della zonatura oscillatoria sono:
1) Bruschi cambi di composizione che marcano improvvisi incrementi di anortite verso l’esterno.
2) Graduali cambiamenti (diretti o inversi) nella percentuale di anortite del cristallo posto tra due porzioni con cambiamento brusco.

Zonatura a settori La zonatura a settori è determinata dalla crescita contemporanea di diverse facce del cristallo con composizioni leggermente diverse. Questo può avvenire in quanto facce diverse espongono diversi aspetti della struttura cristallina, in grado di attrarre cationi diversi.

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Diagramma 1: Schema riassuntivo dei vari tipi di zonatura presenti



Formazione della zonatura

La zonatura rappresenta l’evidenza del mancato raggiungimento dell’equilibrio durante la cristallizzazione.
Questo si verifica soprattutto durante la rapida cristallizzazione delle rocce vulcaniche, ma i minerali appartenenti a una soluzione solida continua tendono a reagire continuamente con il liquido durante il raffreddamento e l’equilibrio tra un cristallo e il liquido, produrrebbe un cristallo composizionalmente uniforme.

Tuttavia la diffusione e lo scambio di ioni in molti minerali risulta troppo lento affinché si possa avere una riequilibratura completa al variare delle condizioni di temperatura, pressione e composizione del liquido; si può cosi verificare soltanto un parziale riequilibrio composizionale del bordo del cristallo con il liquido. Il risultato è una zonatura composizionale.
La zonatura può svilupparsi come un cambiamento composizionale e/o strutturale in maniera progressiva, o in maniera repentina.

La fase che più si presta alla determinazione quantitativa al microscopio è il plagioclasio. Infatti la riequilibratura dei cristalli di plagioclasio col liquido risulta difficoltosa in quanto implica anche l'interscambio di Al e Si, componenti dell'impalcatura tettosilicatica, e la zonatura è quindi piuttosto comune e cospicua. Inoltre i plagioclasi sono triclini e la posizione dell'indicatrice ottica varia (anche notevolmente) con la composizione, fornendo angoli di estinzione fortemente e regolarmente variabili. I salti composizionali possono essere evidenziati da allineamenti di inclusioni cristalline e/o vetrose, particolarmente frequenti nei plagioclasi.

Per comprendere meglio lo sviluppo della zonatura nei plagioclasi si deve far riferimento al diagramma albite-anortite.

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Diagramma 2: Diagramma Ab-An ad 1atm (modificato da Bowen,1913)



Consideriamo un liquido di composizione An40-Ab60 (Punto "start")
Un liquido di tale composizione comincerà a cristallizzare non appena intersecherà la curva di liquidus nel punto A. La composizione del primo cristallo (B) risulterà molto più calcica del liquido iniziale (A) come si osserva dall’intersezione tra la linea orizzontale e la curva di solidus. Al procedere della cristallizzazione il liquido diventerà via via progressivamente più ricco nel componente albitico, e la sua composizione si sposterà verso Ab muovendosi lungo la curva di liquidus.

In una situazione di perfetto equilibrio i cristalli, più calcici, precedentemente formatisi reagiranno progressivamente con il liquido formando cristalli di composizione più sodica. Se tutto il processo di cristallizzazione avviene in condizioni di equilibrio i cristalli finali di plagioclasio risulteranno non zonati e con una composizione (E) identica a quella del liquido iniziale (A).
Tuttavia questo non avviene quasi mai nei sistemi ignei naturali in quanto la continua reazione tra cristalli precedentemente formatisi e il liquido è ostacolata dagli strati di neoformazione che sono stabili con la composizione del liquido ad una data T.

Per spiegare i bruschi e graduali cambiamenti di composizione che caratterizzano la zonatura oscillante si deve tener conto di due fenomeni molto importanti:
La pressione di H2O e l’undercoolnig.

Pressione di H2O La PH2O gioca un ruolo molto importante durante la cristallizzazione magmatica in quanto è capace di far deprimere le curve di liquidus e solidus e di modificarne la forma.
Durante la cristallizzazione la porzione di liquido attorno ai cristalli tenderà ad essere via via sempre più concentrata in componenti non necessari alla crescita del cristallo, tra i vari componenti non necessari può essere presente H2O. le curve di liquidus e solidus verranno depresse nelle immediate vicinanze del cristallo.
Alla temperatura T1 la composizione del plagioclasio si sposterà da A ad B (andando verso il termine anortitico).

Undercooling L’aumento del grado di sottoraffreddamento può portare a variazioni composizionali; se ad esempio il sottoraffreddamento aumenta da T1 a T2 (vedi diagramma 3) la composizione del plagioclasio si sposterà da A a C Porzioni a zonatura inversa si formano quando il sottoraffreddamento diminuisce o la concentrazione di componenti residui aumenta nelle immediate vicinanze del cristallo. Porzioni a zonatura diretta si formano se l’undercooling aumenta o la concentrazione dei componenti residui diminuisce.

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Diagramma 3: Diagramma Ab-An al variare della PH2O



Bibliografia



Le informazioni contenute in questa pagina sono tratte da:
• David Shelley (1983): Igneous and metamorphic rocks under the microscope. Campman & Hall editori.
• Rocchi S. (1993): Meccanismi di cristallizzazione e strutture delle rocce ignee. SEU Pisa
• M. J. Hibbard (1994): Petrography to Petrogenesis. Prentice Hall editore


Foto
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 20x (lato lungo = 1mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 20x (lato lungo = 1mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di plagioclasio in una riolite. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristalli zonati di orneblenda in un'andesite. Immagine a N//, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di orneblenda in un'andesite. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di orneblenda in un'andesite. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di orneblenda verde in un'andesite. Immagine a N//, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di orneblenda verde in un'andesite. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di orneblenda verde in un'andesite. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di orneblenda verde in un'andesite. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di olivina in un basalto. Immagine a NX, 2x (lato lungo = 7mm)
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Cristallo zonato di granato melanite in una tefrite del Vesuvio. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)
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Cristallo zonato di granato melanite in una tefrite del Vesuvio. Immagine a N//, 10x (lato lungo = 2mm)