La Terra Solida II: geologia della crosta continentale e oceanica

Outline

• crosta continentale
• subduzione
• crosta oceanica

Accretionary prism
Volcanic arc
Ocean trench
Oceanic crust
Continental
crust
Moho
discontinuity
Solid
uppermost
mantle
Lithosphere
Magma
chamber
Rising
diapirs
Asthenosphere
Subduction zone
Wiki.org

La crosta continentale

• Crosta continentale: fornisce la maggior parte dei campioni -> rivela storia della Terra!

e' probabilmente la parte piu' variabile ed interessante della Terra
e' molto eterogenea
difficile determinare la sua composizione
Inoltre, solo la parte superiore e' esposta direttamente e la possiamo campionare
Il 'buco scientifico' piu' profondo mai fatto e' in Russia, nella penisola di Kola: arriva a
'soli' 12 km, rispetto allo spessore medio di ~35km.
Kola superdeep borehole
КОЛЬСКАЯ
сверхглубокая
скважина
1987
ПОЧТА СССР
10%
Wiki.org

Divisione della crosta continentale

Geofisica: misure di seismic velocities e heat flow indicano che la crosta continentale e'
stratificata composizionalmente, con la parte inferiore piu' densa e mafica - ricca in Mg e Fe e
piu' povera in Si e elementi incompatibili, includendo K, U e Th
Quindi possiamo dividere il problema di stimare la composizione della crosta continent. in 2 parti:

• "upper", la parte accessibile di crosta. Osservazioni
  complete ci forniscono informazioni/vincoli sulla
  composizione di questa parte della crosta
• 'lower' (a volte divisa ulteriormente tra "middle" e "lower"),
  non accessibile direttamente. Xenoliti, porzioni
  tettonicamente imposte, velocita' sismiche e dati di heat flow
  danno informazioni. La divisione della crosta continentale in
  diversi strati e' fatta per convenienza. La crosta continentale
  non ha una struttura stratificata sistematica che risulta dalla
  sua formazione (come funziona per la crosta oceanica)
  continental area
  near surface rocks
  oceanic area
  Upper Crust
  Lower Crust
  CONRAD discontinuity
  MOHO discontinuity
  Mantle
  Clearias.com

La crosta continentale superiore

Diversi approcci sono stati seguiti per stimare la composizione della crosta continentale superiore:

• analisi media di campioni che comprendono un' area molto grande (1ª volta fatto da F.W. Clarke
  nel 1889).
• studio di mix di campioni (in polvere) che formano i composites di diversi tipi di rocce, e quindi
  ridurre il numero di analisi necessario.
• un terzo approccio, che vede come pioniere V. Goldschmidt, e' quello di lasciare la natura
  seguire il suo corso, e dare un velore 'medio' che si concentra sui sedimenti
  Sandatlas.com

La crosta continentale superiore - medie e composites

O Shaw et al.
1.4
Concentration relative to
Rudnick & Gao (2003)
* Taylor and McLennan
4 Borodin
1.2
· Gao et al.
O
1
1.0
0.8
0.6
Si
Al
Fe
Mg Ca Na
K
Figure 11.32 Estimates of major element
concentrations in the upper continental crust by
studies mentioned in the text, derived from
analysis of crustal composites, compared with
the estimated upper crustal composition of
Rudnick and Gao (2014). Modified from
Rudnick and Gao (2014).
. I primi due approcci che abbiamo
descritto (valori medi e composti)
producono una composizione
media della crosta superiore
simile a quella di una granodiorite,
con la concentrazione degli ossidi
maggiori in accordo entro valori
del ±10-20%.
· Questa osservazione e'
incoraggiante visto che la
granodiorite e' la roccia ignea piu'
comune nella crosta terrestre

La crosta continentale superiore - composizione dai Löss

1
AL O
2
3
SiO
10
Na,O FeO
2
CaO
K,O
2
MgO
1.0
TiO2
2
1000
Mn -
Ba
Sr
-
Zr
100
-/Rb
V
Cr / Zn
Cu
-Ni
10
Co 7Th
Hf
Sn7
U
/W
10
100
1000
1.0
10
ppm
Loess
· Löss: sedimenti eolici a grana molto fine di eta'
pleistocenica
· Il problema principale con i sedimenti e' il fatto che
includono frazionamento chimico durante la loro
formazione dalle rocce di partenza.
· Loess glaciali sono meno suscettibili a questo tipo
di frazionamento chimico, anche se comunque del
frazionamento avviene
· Loess sono arricchiti in SiO2, Hf e Zr in seguito ad
un arricchimento meccanico e chimico di minerali
stabili, tipo quarzo e zircone. Questo risulta dalle
argille che vengono trasportate dal loro sito di
origine da vento e acqua. I Loess sono anche
impoveriti in Na, Mg e Ca, riflettendo una perdita
da leaching
Upper Continental Crust
Ga Pb
Cs
%

La crosta superiore - composizione

Oxide
(%)

T & M
Wedepohl
R & G
Normative mineralogy
(T & M)
SiO2
66.0
64.9
66.6
Quartz
15.7
TiO2
0.5
0.52
0.64
Orthoclase
20.1
Al2O3
15.2
14.6
15.4
Albite
13.6
FeO
4.5
3.97
5.04
Diopside
6.1
MnO
0.07
0.07
0.10
Hypersthene
9.9
MgO
2.2
2.24
2.48
Ilmenite
0.95
CaO
4.2
4.12
3.59
Na2O
3.9
3.46
3.27
K2O
3.4
4.04
2.80
P205
0.20
0.15
0.15
Dati da:
Taylor & McLennan 1985, 1995;
Wedephol 1995;
Rudnick & Gao 2014
Le stime della composizione della crosta piu' recenti si basano su una combinazione di entrambi i
metodi, combinati anche a delle assunzioni considerando il rapporto tra elementi

La crosta continentale media e inferiore

Rocce dalla crosta middle e lower sono tipicamente nelle facies
metamorfiche delle amphibolite e granulite

• Anfiboliti: dal nome, ricche in anfibolo, che contiene meno H2O delle miche
• Granuliti: sono anidre, con il pirosseno che rimpiazza anfibolo e biotite
  Queste rocce si trovano a volte esposte (tettonicamente) e alle volte come
  xenoliti
• I granulite terranes hanno spesso subito metamorfismo retrogrado -> alterazione
  · ci si e' chiesto quanto tipiche questi domini siano della cc profonda, visto che i
  granulite terranes sono generalmente molto meno mafici degli xenoliti dalla crosta
  profonda
• Xenoliti sono forse I migliori capioni della lower crust, ma sono molto rari
  Ogni stima della composizione della crosta middle e lower dipende si da
  analisi di campioni dalla crosta media e profonda ma anche da
  informazioni indirette come i vincoli geofisici ...
  14
  Yumpu.com
  Eclogite
  12
  10
  P kbar
  Not realized on Earth
  Blueschist
  Epidote
  Amphibolite
  Amphibolite -
  30°C/km
  6
  Prehnite-
  _ Model Geotherm
  Granulite
  4
  Sil
  -
  -
  And
  2-
  Zeolite
  Granite minimum
  or
  200
  400
  600
  800
  1000
  T ℃
  (modified from Spear, 1993)
  Alexstrekeisen.it
  Greenschist
  Pumpellyite
  8
  --

La crosta continentale media e inferiore - composizione

Heat flow

una porzione del calore che fuoriesce dalla crosta viene prodotto per decadimento radioattivo di K, U e Th
presenti nela crosta. Inoltre, calore proviene dal mantello che contribuisce pure. Come anche il raffreddamento
(crosta + vecchia e' + fredda).
K, U e Th non uniformi sulla crosta e da heat flow deduciamo che la crosta inferiore piu povera in K, U e Th
rispetto la crosta superiore
questo pure indica crosta continentale profonda piu' mafica

Seismic velocities

Velocita sismiche dipendono dalla densita', compressibilita' e shear modulus -> analisi in lab. su minerali con
composizioni note

Igneous rock type

U
(ppm)
Th
(ppm)
K
%
Th/U
K/U
Density
g/cm3
Heat
uW/m3
Granite/rhyolite
3.9
16.0
3.6
4.1
0.9×104
2.67
2.5
Granodiorite/dacite
2.3
9.0
2.6
3.9
1.1x104
2.72
1.5
Diorite/andesite
1.7
7.0
1.1
4.1
0.7×104
2.82
1.1
Gabbro/basalt
0.5
1.6
0.4
3.2
0.8×104
2.98< 0.3
Peridotite
0.02
0.06
0.006
3.0
0.3×104
3.28
0.01
Continental crust
1.25
4.8
1.25
3.8
1.0×104
-
0.8

La crosta continentale media e inferiore - composizione

Paleozoic Paleozoic
Shields & Orogens:
Platforms European
Orogens: Mes./Cen.
other Extensional Arcs
Rifted
Mes./Cen.
ForeArcs Margins Contractional Active Rifts
6.3±0.2
- 10
6,5±0,3
6;5±0.2
6.5+0.1.
6.4±0.1
6.6±0:4
7.2±0.3
6:5+0.1.
7.0±0.4
6.9±0.2
6.9±0.1
7.0±0.2
7.1±0.1
n =14
n = 30
n =8
6.9±0.3
- 40
km
n = 30
Key to Velocities
n =10
≤ 6.2 km/s
6.2-6.9 km/s
≥ 6.9 km/s
Figure 11.34 Seismic velocity structure of the continental crust, illustrating its three-layered nature.
Velocity structure falls into nine types. The number of profiles used to construct each type is shown
below each type. After Rudnick and Fountain (1995).
Velocita' sismiche che aumentano suggeriscono composizioni piu' mafiche in profondita':
rocce mafiche sono meno compressibili (onde veloci)
crosta profonda + mafica
10 -
6.5±0.4
.6.7±0.2
20 -
-20
6.6+0.1
30-
-30
n = 10
n = 8
7.1±0.1
40 -
n = 19
n = 5
km
7.1±0.1

La crosta continentale media e inferiore - composizione

8.0
· Felsic granulite
30
Felsic amphibolite
Intermediate granulite
Mafic granulite
7.5
AA
D Intermediate amphibolite
A Mafic amphibolite
Vp (km s-1)
7.0
0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
7.6
7.8
15
Felsic granulite
Mafic granulite
10
O
6.0-
0
frequency
5
0
40
50
60
70
80
SiO2 (wt. %)
6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8
Vp (km s-1)
Rudnick (2017)
(a) Correlazione tra contenuto in SiO2 e velocita' misurate in laboratorio con ultrasuoni, a T
ambiente, di rocce a facies granulitiche e anfibolitiche di composizione diversa
(b) Istogrammi degli stessi dati
T
A
A
.
6.5
D
D
1
frequency
Mafic amphibolite
Felsic amphibolite
20
10
A
A40

La crosta continentale media e inferiore - composizione

R & G
Middle
Wedepohl
Lower
R & G
Lower
SiO2
63.5
59.0
53.4
TiO2
069
0.85
0.82
Al2O3
15.0
15.8
16.9
FeO
6.0
7.47
8.57
MnO
0.10
0.12
0.10
MgO
3.59
5.32
7.24
CaO
5.25
6.92
9.59< Na2O
3.39
2.91
2.65
K2O
2.30
1.61
0.61
P2O5
0.15
0.20
0.10
· Stime di composizioni crostali sono state assegnate a
velocita' sismiche
composizioni sono poi state
ottenute studiando le misure sismiche della crosta
· Rudnick & Gao hanno stimato composizioni della
crosta profonda che corrispondono a quelle di basalti
tholeitici; in termini metamorfici, significa una granulite
mafica
· La composizionde della crosta media corrisponde a
quella di un' andesite. Alle pressioni e temperature
prevalenti, questa roccia sarebbe un' anfibolite, che
consiste praticamente in anfibolo e plagioclasio

La crosta continentale media e inferiore - composizione

500
Chondrite normalized concentration
Upper crust
- Middle crust
- Lower crust
100
10
5
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Figure 11.36 Comparison of chondrite-normalized rare earth patterns in upper, middle, and lower
crust. Data of Rudnick and Gao (2014).
400
Bulk silicate Earth normalized concentration
Upper Crust
Middle Crust
- Lower Crust
100
10
3
Cs Rb Ba Th U Nb Ta K La Ce Pb Pr Sr Nd Sm Zr Hf Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu
Figure 11.37 Enrichment ofi ncompatible elements relative to bulk silicate Earth (Table 11.3) in the
upper, middle, and lower crust. Data from Rudnick and Gao (2014).
· Anomalia negativa Eu in upper crust, e leggermente positiva in
middle e lower (tipico di granuliti)
· Eu va nel plagioclasio: quindi se plag. rimane nel residuo
solido, ci sara' anomalia negativa nel fuso (positiva nel residuo)
· queste anomalie suggeriscono che crosta, almeno in parte, si
e' differenziata via fusione parziale a formare strati diversi: fusi
granitici a formare upper, residui granulitici da composizioni
gabbroiche a formare la lower
· Composizione lower e' molto piu' complessa: fusi basaltici
intrusi dal mantello probabilmente hanno influito sulla
composizione mafica profonda
· Spider diagram sotto: crosta media e profonda meno ricca in
incompatibili: consistente con evoluzione magmatica a creare
layers di crosta a composizione diversa