Il metasomatismo è un processo metamorfico per cui una roccia o porzione di essa, permanendo allo stato solido, è alterata in modo pervasivo attraverso l'introduzione o rimozione di componenti chimici come risultato della sua interazione con fluidi acquosi (soluzioni). Metasomatismo, processo metasomatico e metasomatosi sono sinonimi, sebbene alcuni autori usino metasomatosi per specifiche varietà di metasomatismo (ad es. Na-metasomatosi, Mg-metasomatosi ecc.).Zharikov V.A., Pertsev N.N.,. Rusinov V.L., Callegari E., Fettes D.J. - Metasomatism and metasomatic rocks. Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks - Web version (01.02.2007) Nel processo metasomatico i "vecchi" minerali vengono sostituiti parzialmente o totalmente da nuovi minerali di chimismo differente ed in equilibrio con le nuove condizioni chimico-fisiche in cui si trova la roccia.
Etimologia Il termine deriva dal greco μετά (meta = oltre, al di là) e σώματος (somatos = corpo), cioè oltre il corpo, nel senso di fenomeno che si sovrappone ad un corpo roccioso preesistente. È stato introdotto nel 1826 dal mineralogista tedesco Carl Naumann.
Aspetti chimico-fisici del metasomatismo I meccanismi di questo processo hanno analogie con quelli del metamorfismo, ma con un ruolo chiave della fase fluida. Essa diviene la causa prima delle reazioni e non più solamente sede delle reazioni. Il fluido, infatti, è responsabile dell'apporto delle nuove specie chimiche e della dissociazione e rimozione delle fasi che divengono instabili a contatto con il fluido. Ne consegue che maggiore sarà l'apporto di fluidi, in termini di quantità e di tempo, maggiore sarà la trasformazione della roccia.Questi fluidi possono essere di origine magmatica o metamorfica. Nel primo caso si tratta di fluidi ricchi in volatili o di liquidi residuali; nel secondo di fluidi interstiziali prodotti da altri processi metamorfici. L'efficacia del metasomatismo è legata alla reattività ed alla permeabilità delle rocce coinvolte. Così per alte reattività e basse permeabilità il fronte metasomatico avanzerà lentamente, producendo una banda stretta con trasformazioni molto spinte; al contrario si produrrà una fascia molto ampia e con leggere trasformazioni se le rocce saranno altamente permeabili e poco reattiveMyron G. Best, Igneous and metamorphic petrology, 2nd edition (2003) - Blackwell, pag. 423. Il metasomatismo è distinto dagli altri processi endogeni per i seguenti aspetti (Zharikov et al., 1998)Zharikov V.A., Rusinov V.L., & Marakushev A.A., et a.l. - Metasomatism and metasomatic rocks (1998) - Nauchnyi Mir, Moscow:
la sostituzione ione-per-ione nei minerali attraverso meccanismi nei quali la dissoluzione di un minerale avviene in sincrono con la precipitazione di un nuovo minerale, in modo da mantenere un volume costante, in conformità con la regola di Lindgren (1925)Lindgren W. - Metasomatism (1925) - Bull. Geol. Soc. Amer., 36. pp. 1-114 del volume costante durante il metasomatismo. Un buon esempio di metasomatismo è la sostituzione pseudomorfica di un cristallo di un minerale da parte di un altro minerale (o una miscela di altri minerali), con la conservazione dell'originale forma e volume; un gruppo di processi che includono il riempimento di cavità o fratture, la cristallizzazione del magma e l'interazione magma-roccia adiacente, con la conservazione della roccia allo stato solido durante la sostituzione (il volume della soluzione che riempie i pori è trascurabile in confronto al volume totale della roccia). La composizione chimica e mineralogica delle rocce magmatiche è uniforme attraverso gran parte del corpo magmatico, in contrasto con le rocce metasomatiche che presentano una tipica zonatura; la trasformazione isochimicaI processi che danno origine alle rocce metamorfiche sono più o meno strettamente isochimici, ossia cambia la composizione dei minerali costituenti la roccia attraverso la migrazione di ioni tra cristallo e cristallo, ma la composizione chimica complessiva resta invariata e corrisponde a quella della roccia di partenza o protolito. o da sostanziali cambiamenti nella composizione chimica per addizione o sottrazione di elementi maggiori diversi da H2O e CO2. Cambiamenti nella concentrazione dell'acqua e/o del diossido di carbonio sono normali nel metamorfismo isochimico, così le reazioni di idratazione/deidratazione o di carbonatazione/decarbonatazione non sono specifiche del metasomatismo e termini come metasomatismo carbonatico o idrometasomatismo sono da abbandonare. Durante il processo metamorfico solo H2O e CO2 sono perfettamente mobili (in senso termodinamico), mentre durante le reazioni metasomatiche altri componenti delle rocce o dei minerali possono essere perfettamente mobili. Il numero di minerali coesistenti nelle zone metasomatiche è normalmente minore che nelle rocce sostituite, a meno che la roccia di partenza non fosse monomineralica; la formazione di un insieme regolare di zone. Queste zone formano un caratteristico pattern (colonna metasomatica) attraverso il corpo metasomatico. Il pattern zonale rappresenta la riequilibrazione chimica tra due rocce o tra una roccia e un fluido filtrante (soluzione). Nel caso del metasomatismo di diffusione (vedi più avanti) i cambiamenti attraverso le zone sono transizionali mentre nel caso del metamorfismo di infiltrazione i cambiamenti avvengono a salti. Il numero di zone metasomatiche nella colonna dipende dalle condizioni fisicochimiche dei mezzi che interagiscono. Nel caso più semplice può essere rappresentata da una singola zona. Tutte le zone di una colonna metasomatica sono generate e crescono contemporaneamente, aumentando il loro spessore lungo la direzione del trasporto di massa.
Una colonna metasomatica (o pattern di zone metasomatiche) è la sequenza completa di zone metasomatiche che caratterizzano una facies metasomatica individuale. Le rocce metasomatiche generalmente hanno una tessitura granofelsica o granoblastica. Possono essere a grana fine o grossolana ed esibire talvolta una zonatura che può essere ritmica.
Tipi di processi metasomatici La principale distinzione si basa sulla natura prevalente del trasporto in massa; in questo senso esistono due tipi principali di metasomatismo, di diffusione e di infiltrazione, definiti come segue:
Metasomatismo di diffusione o diffusionale: è quello che avviene per diffusione di un soluto attraverso una soluzione stagnante (fluido). La forza che guida la diffusione è il gradiente chimico potenziale nel sistema roccia-pori; Metasomatismo di infiltrazione o infiltrazionale: è quello che avviene per trasferimento di materiale in soluzione che si infiltra attraverso la roccia ospite. Le forze che agiscono sono la pressione e il gradiente di concentrazione tra la soluzione filtrante e la soluzione nei pori della roccia.
Le rocce metasomatiche diffusionali tendono a formare corpi sottilmente zonati (orli) attorno a fratture, vene, superfici di contatto e la composizione dei minerali può variare gradualmente attraverso ciascuna zona metasomatica. Le rocce metasomatiche infiltrazionali occupano volumi molto più grandi e la composizione dei minerali è costante attraverso ciascuna delle zone metasomatiche. Un metasomatismo infiltrazionale a scala globale opera nelle dorsali medio-oceaniche, dove è l'acqua marina, ricca di sodio, a fluire per gravità all'interno dei basalti altamente fratturati e ancora bollenti, trasformandoli in parte in rocce metasomatiche note con il nome di spiliti.
Il termine metasomatismo è convenzionalmente limitato alle condizioni idrotermali (sia sub- che super-criticheSub- e super- significano sopra o sotto il punto critico dell'acqua, ovvero quella temperatura (373,936 °C) e pressione (22,064 kPa) al di sopra delle quali scompare la distinzione tra vapore, gas e liquido. In queste condizioni il fluido ha la densità del liquido, diventa estremamente reattivo e diffonde nella materia come un gas, ma con le capacità di trasporto di massa di un liquido.) collegate a processi endogeni. L'alterazione delle rocce in ambiente esogeno è fortemente dipendente dalle cinetiche chimiche, dalle forze superficiali e dall'attività microbiologica, forze che non si manifestano negli ambienti idrotermali. Pertanto i processi esogeni devono essere collegati a un particolare metasomatismo detto ipergenico. Le alterazioni ad alta temperatura e pressione nel mantello sono connesse a liquidi concentrati le cui proprietà sono intermedie tra quelle dei fluidi e quelle dei magmi. Qui i processi sono piuttosto specifici, sebbene i meccanismi non siano del tutto chiariti. Questi processi prendono il nome di metasomatismo mantellico e producono le rocce madri di magmi particolari come quelli lamprofirici, lamproitici e kimberlitici.
Korzhinskii (1953) ha sottolineato le relazioni del metasomatismo con il magmatismo e distinto due stadi: metasomatismo dello stadio magmatico e metasomatismo dello stadio postmagmatico. Il primo stadio è connesso con i fluidi emanati da un corpo magmatico liquido che metasomatizza le rocce solide circostanti. I processi metasomatici dello stadio postmagmatico sono regressivi e connessi con soluzioni idrotermali emanate dal magma in via di raffreddamento e/o da altre sorgenti esogene, a causa per esempio di mescolamento di acqua juvenile con acqua meteoricaKorzhinskii D.S. - Outline of metasomatic processes. In: Main problems on the science of magmatogenic ore deposits (1953) - Acad. Sci. Publishing, Moscow. pp. 334-456, (in russo). Edizione in tedesco - Abriss der metasomatischen Prozesse (1965) - Akad. Verl., Berlin.
Relativamente alla loro posizione geologica si possono riconoscere i seguenti tipi di metasomatismo:
autometasomatismo: è quello che avviene al tetto di un corpo magmatico all'inizio dello stadio postmagmatico. Tipici processi autometasomatici sono, per esempio, l'albitizzazione nei plutoni granitici e la serpentinizzazione delle rocce ultramafiche;
metasomatismo di confine: è il tipo di metasomatismo che avviene a contatto tra due rocce; metasomatismo di contatto: è il tipo di metasomatismo che avviene al (o vicino al) contatto di un corpo magmatico con un'altra roccia. Può verificarsi a vari stadi dell'evoluzione magmatica. Le zone di endocontatto si sviluppano per sostituzione delle rocce magmatiche e le zone di esocontatto per sostituzione delle rocce contigue; bimetasomatismo: è una varietà di metasomatismo di contatto che causa la sostituzione di entrambe le rocce a contatto a causa di una diffusione nelle due direzioni di componenti diversi attraverso il contatto; metasomatismo presso vene: è un tipo di metasomatismo diffusionale che forma una zonazione simmetrica su entrambi i lati di una vena metasomatica infiltrazionale (o vena di riempimento); metasomatismo regionale: è il metasomatismo che interessa grandi aree e si sviluppa in diverse situazioni geologiche. Comunemente forma rocce metasomatiche alcaline durante gli stadi magmatico e postmagmatico iniziale. Le rocce del metasomatismo regionale a scarsa profondità o anche vicino alla superficie formano la zona più esterna delle associazioni di rocce metasomatiche che accompagnano i depositi minerari, come i greisen, le rocce a quarzo-sericite, le propiliti e alcune altre. Le zone più interne, colpite da un più intenso metasomatismo, sono comunemente orlate da zone di debole alterazione che si estendono su grandi aree. Queste zone possono essere a loro volta inglobate nelle rocce del metamorfismo regionale essenzialmente perché i processi di metamorfismo, metasomatismo e magmatismo sono intimamente correlati.
Classificazione delle rocce metasomatiche