Aula 1

Programa aulas teóricas 1) Estrutura da terra. Dados sísmicos. Descontinuidades principais: Moho, Gutenberg. Distribuição da densidade na Terra. Variações composicionais e reológicas. Crosta, Manto e Núcleo. Litosfera, Astenosfera. Variação da temperatura com a profundidade. Gradiente geotérmico. Geoterma. Mecanismo de transferência do calor. Mecanismos de convecção no manto. 2) Composição química e mineralógica do manto superior. Evidencias indiretas: estudo dos basaltos e dos meteoritos; evidencias direitas: estudo das rochas ultramáficas, tipo ofiolitos alpinos, e dos xenólitos mantélicos nos kimberlitas e nos basaltos alcalinos. Estudos de petrologia experimental: pyrolito.

3) Os processos de fusão parcial no manto. As causas do processo de fusão parcial no manto: descompressão adiabática, perturbação da geoterma, abatimento do solidus por adição de voláteis. Os processos de fusão parcial na crosta. A formação dos granitos. 4) Tectônica de placas. Ambientes tectônicos e geração dos magmas: margens de placa divergentes e convergentes. 5) Parâmetros físicos e químicos do magma. Mudanças composicionais nos magmas. Processos de diferenciação dos magmas. Cristalização fracionada: seqüência de cristalização; serie de reação. Mixing. Assimilação.

6) Diagramas binarios e ternarios. Sistema Ab-Na. Sistema Fo-SiO2. Sistema An-Di-Fo. Tetraedro basáltico. Diagrama petrogenético residual. Diagrama granítico. 7) Ascensão e intrusão dos magmas na crosta. Os principais tipos de corpos Intrusivos. Vulcanismo, Formas e estruturas vulcânicas. Mecanismos de erupção. Processos efusivos e explosivos. Mecanismos deposicionais. 8) Classificação das rochas magmáticas. Classificação mineralógica; sistema QAPF, rochas gabroicas, rochas ultramáficas. Classificação química: norma CIPW, diagramas AFM, TAS, etc. Classificação tectônica: diagramas para basaltos e para granitos.

9) Elemento maiores e menores. Elementos traços e Terras Raras (ETR). Os elementos traço compatíveis e incompatíveis e seu comportamento nos processos de fusão parcial e cristalização fracionada. 10) Conceito de serie magmática. Serie toleítica, cálcioalcalina, alcalina. Rochas ultrapotássicas. Magmatismo nos diferentes ambientes tectônicos: •Margens divergentes: dorsais meso-oceánicas (MORB). •Margens convergentes: magmatismo de arco de ilhas e de arco de margem continental ativa. •Ambiente de intraplaca: oceânico (OIB) e continental (flood basalts). •Ambiente de Rift. •Kimberlitos.

Critérios de Avaliação

1ª Prova Teórica 2ª Prova Teórica 3ª Prova Teórica 1ª Prova Prática 2ª Prova Prática

(15%) (20%) (25%) (20%) (20%)

A menção final será de acordo com os critérios da UnB: SS (9-10); MS (7.0-8.9); MM (5-6.9); MI (3-4.9); II (> 3); SR (sem redimento).

Saída de campo: (Região de Iporá-Go)

De 4/06/2007 (segunda) a 8/06/2007 (sexta) Apresentação relatório de campo obligatorio

Bibliografia Básica - ROCHAS MAGMÁTICAS EBERHARD WERNICK

- IGNEOUS AND METAMORPHIC PETROLOGY MYRON G. BEST

- IGNEOUS PETROGENESIS MARJORIE WILSON

- ATLAS OF IGNEOUS ROCKS AND THEIR TEXTURES MACKENZIE, DONALDSON E GUILFORD

- OPTICAL MINERALOGY KERR

Instituto de Geociências Universidade de Brasília

Petrologia Ígnea

Aula 1: Estrutura da Terra

Prof. Massimo Matteini

M a n to S u p e r io r M a n t o S u p e r io r

670

M a n to I n f e r io r

M a n to I n fe r io r

N ú cle o E x ter n o

2900 N ú c le o in t e r n o

N ú cleo E x te r n o

5200

N ú cleo in te r n o 6370

onda P [Sin. onda primária; onda compressional] Onda sísmica de grande velocidade com deslocamento de partículas comprimindo-se e expandindo-se no sentido da propagação sísmica no interior da Terra. onda S [Sin.onda secundária; onda cisalhante] Onda sísmica de velocidade mais baixa do que a onda P e resultante de deslocamentos das partículas perpendicularmente à direção da propagação sísmica no interior da Terra. As ondas S não se propagam em meio líquido como o núcleo externo da Terra.

V s (k m /s e g ) 3 ,0

4 ,0

5 ,0

6 ,0

Low Velocity Zone

L ito s fe ra

100

A ste n o sfe ra

P ro fu n d id a d e (k m )

200

300

400

500

T r a n s iç ã o d e fa s e

M e so sfera

600

700

T r a n s iç ã o d e fa s e

0 C ro sta

Estrutura da Terra Moho

100 M a n to lito s fé ric o

P ro fu n d id a d e ( k m )

200

300

400

A s te n o s fe ra

M a n to S u p e r io r

T r a n s i ç ã o e s t r u t u r a o l i v i n a - e s t r u t u r a e s p i n é lio

500

600 T r a n s iç ã o e s tru tu ra e s p in é lio -e s tru tu ra p e r o v sk ita

700

M a n to I n fe r io r

Crosta: região da Terra delimitada na base por a discontunidade Moho (espessura variável entre 5 y 80 km) Manto superior: região da Terra que se estende desde a Moho ate a descontinuidade dos 670 km (limite manto-nucleo)

Estrutura da Terra C ro s ta

100 M a n to lito s fé r ic o

P ro fu n d id a d e ( k m )

200

A ste n o sfe r a

300

400

500

T r a n s i ç ã o e s t r u t u r a o l i v i n a - e s t r u t u r a e s p i n é li o

M e so sfe r a

L ito s fe r a

0

Litosfera:

Geosfera rochosa rígida, de espessura variável entre 50 e 200 km, que capeia a Terra e que inclui a crosta e a porção superior do manto (manto litosférico)

Astenosfera:

Geosfera que se estende desde a base da litosfera ate 250 km Faz parte do manto superior, tem características reológicas plásticas distintas da litosfera acima que é rígida e rúptil e dela está separada pela zona de baixa velocidade sísmica onde se verifica um salto no gradiente térmico (>1.000o C). A astenosfera é a fonte principal de magma juvenil que vai ser acrescido à crosta acima, principalmente na formação continuada de crosta oceânica e em arcos magmáticos acima de planos de subducção.

600 T r a n s iç ã o e s tru tu ra e s p in é lio -e s tru tu ra p e r o v sk ite

700

zona de baixa velocidade Zona sísmica de baixa velocidade situada entre 60 e 250 km, dentro do manto superior, e que possivelmente congrega vênulas de material fundido, entre a litosfera e a astenosfera.

0 C ro sta

C ro s ta

100

100 M a n to lito s fé ric o

300

400

A s te n o s f e ra

M a n to S u p e r io r

T r a n s iç ã o e s tru tu ra o liv in a - e s tru tu ra e s p in é lio

200 P ro fu n d id a d e ( k m )

P ro fu n d id a d e ( k m )

200

M a n to lito s fé r ic o

300

400

500

500

600

600 T r a n s iç ã o e s tru tu ra e s p in é lio - e s tru tu ra p e r o v sk ita

700

M a n to I n fe r io r

A ste n o sfe r a

T r a n s iç ã o e s tru tu ra o liv in a - e s tru tu ra e s p in é lio

M e so sfe r a

T r a n s iç ã o e s tru tu ra e s p in é lio - e s tru tu ra p e r o v sk ita

700

L ito s fe r a

0

0

1000

2000

3000

L h e rz . a p la g .

L h e r z o l i to a p la g io c la s o

200

400

600

P ro fu n d id a d e (k m )

150

F a s e s d e a lta p re s sã o

200 id u s L iq u

s a te r m G eo

100

L h e rz . a e s p .

L h e r z o l i to a e s p in e la

id u

50

L h e rz o lito a g ra n a d a

Sol

P re ssã o (k b a r)

T e m p e ra tu ra (° C )

L h e rz o lito a g ra n a d a

F a s e s d e a lta p re s sã o

Fontes de calor na Terra 1. Calor dos estágios de acreção e diferenciação da Terra 2. Calor produzido por decaimento dos elementos radioativos (U, Th, K, Rb...) Modo de transferência de calor na Terra

3. 4.

Condução Convecção

Condução è um dos meios de transferência de calor que geralmente ocorre em materiais sólidos, ela é a propagação do calor por meio do contato de moléculas de duas ou mais substâncias com temperaturas diferentes. A convecção è um processo de transferência de calor devido a movimento de material a diferentes temperaturas de um lugar a outro. O movimento é causado por diferencia em densidade das partes em movimento.

Condução è um dos meios de transferência de calor que geralmente ocorre em materiais sólidos, ela é a propagação do calor por meio do contato de moléculas de duas ou mais substâncias com temperaturas diferentes.

Gradiente geotérmico é a taxa de variação da temperatura no interior da Terra com a profundidade. ∆T/∆z varia entre 200°/km nas áreas de dorsal oceânica até 20-30°/km nas áreas orogênicas. Pode chegar a °/km nas áreas de fossas oceânicas Este gradiente varia de local para local, dependendo do fluxo regional de calor e da condutividade térmica das rochas.

Gradiente geotérmico Geotermas continental e oceânica estimadas até os 100 km de profundidade. De Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269311.

A geoterma extrapolada aos 200km de profundidade chegaria a 4000° C

http://www.smu.edu/geothermal/

Mapa do fluxo de calor

Fluxo de calor= Gradiente térmico X Condutividade Mapa do gradiente térmico

Mapa do gradiente térmico da Islandia

Modelos de convecção no manto A convecção è um processo de transferência de calor devido a movimento de material a diferentes temperaturas de um lugar a outro. O movimento é causado por diferencia em densidade das partes em movimento. Importância manto.

da

viscosidade

M a n to s u p e rio r

M a n to In fe rio r

N ú c le o

do

A convecção è um processo de transferência mais efetivo das condução (evidencias dos “slabs”).

N ú c le o

Tomographic image of aspherical variations in P-wave velocity in the mantle below northern Tonga. The complex morphology of the subducting Tonga slab is seen. (From R. van der Hilst, Nature, Vol. 374, 1995.)

Slab subduction through a phase boundary computed from a geodynamical model showing similar morphology. (U. Christensen, Earth and Planetary Science Letters, Vol. 140, 1996.)

A tomografia sísmica usa registros sísmicos digitais para a construção de imagens do interior da Terra. Basicamente este processo inicia-se com a localização e caracterização de um conjunto de sismos significativos. Considera-se que estes sismos iluminam o interior da Terra com ondas sísmicas. O tempo que as ondas sísmicas levam até chegarem a determinadas estações sismográficas pode então ser utilizado para determinar a velocidade destas ondas através da Terra. Ao combinar análises de muitos sismos, localizados em vários locais espalhados pelo globo, pode construirse um mapa tridimensional de velocidades das ondas sísmicas no interior da Terra.

Outro estilo de convecção: PLUMA MANTÉLICA Modelo de anomalia térmica relacionada a reações cristaloquímicas e a correntes de convecções que ocorrem na base do manto, junto ao núcleo líquido, e que desencadeiam a formação de coluna térmica que ascende promovendo mudanças de fases cristalinas metaestáveis e espraiando-se sob a litosfera onde o calor gera hot spots. As plumas, com a forma de um guarda chuva de fluxo térmico com diâmetros de até centena de quilômetros, aquecem a base da litosfera com temperaturas de até 200o acima da isoterma regional (Condie,1989) e desencadeiam tectônica de ascensão e extensão crustal com ponto central de energia térmica, hot spot, que promove fusão "puntual" profunda, gerando magmatismo de tipo alcalino das áreas estáveis continentais e oceânicas. A tectônica extensional evolui com uma junção tríplice e formação de rifts das áreas continentais, quebrando os continentes e gerando novos oceanos.

Existem dois tipod de PLUME: •uma profunda, gerada na camada D” •uma mais superficial, gerada em correspondência da descontinuidade de 670 km

At the core-mantle boundary, the structure of the mysterious D" layer region becomes clearer 07/97 At roughly 2,900 km below the earth's surface, a thin layer (only 200 - 300 km thick), known by geophysicists as the D" layer, provides a buffer between the Earth's lower mantle and the core. This layer has intrigued scientists for a dozen years because, according to available data, it is heterogeneous. Moreover, energy and mass transfers and kinetic moments between the core and the mantle appear to take place in this region, and scientists would like to be able to quantify these occurrences. For the time being, seismology provides the only direct method of investigating this deeply-buried region. By analyzing the way in which seismic waves released by violent earthquakes behave as they pass through the D" region, seismologists can map certain of its properties. A team at the "Terrestrial and Planetary Dynamics" Laboratory (CNRS-University of Toulouse 3) recently conducted a series of studies which confirm the presence of areas with greater travelling velocities. According to their interpretation, these areas are the remains of old immersed plates pulled to the base of the lower mantle by the phenomenon of subduction. Their research also reveals that at the base of the D" region there is a very thin layer which may correspond to iron seeping from the core. Thanks to the method used they used - comparing the travelling time of two seismic waves, with one passing through the D" layer and the other serving as a control - the researchers were able to characterize heterogeneities with greater precision.

http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/en345a2.html

Composição do manto superior

Lerzholítica : OL + CPX + OPX ± ESP ± GRA ± PLAG Evidencias : 4) Rochas ultramáficas de provável derivação mantélica, expostas na superfície terrestre 5) Xenólitos de rochas ultramáficas encontrado nos kimberlitos e nos basaltos 6) Magmas basálticos gerados no manto superior 7) Composição dos meteoritos 8) Dados sísmicos

1) Rochas ultramáficas de provável derivação mantélica, expostas na superfície terrestre Ofiolitos: Conjunto litológico ou sequência típica de crosta oceânica, apresentando rochas máfico-ultramáficas serpentinizadas originadas nas zonas de ridges das cadeias meso-oceânicas em um edifício pluto-vulcânicosedimentar. Restos de edifícios ofiolíticos, notadamente de massas serpentiníticas (ofis=serpente; litos=rocha) alçadas, seja por diapirismo seja por processos tectônicos como a obducção, muitas vezes a grandes altitudes no meio de cadeias montanhosas, são comuns em zonas de suturas orogênicas como corpos alóctones aí posicionados

Seqüência ofiolítica típica

Lavas almofadadas (ofiolitos de Omán)

ofiolitos de Omán

Ofiolitos dos Alpes, Europa

Lavas almofadadas (Pillow lavas)

2) Xenólitos de rochas ultramáficas encontrado nos kimberlitos e nos basaltos -

Os magmas kimberlíticos contem abundantes xenólitos:

b) Composição lherzolitica (>40% olivina) com granada c)

Composição hartzburgítica com granada

d) Composição hartzburgítica e)

Composição dunítica

-

Os magmas basálticos contem xenólitos:

b) Composição lherzolitica (>40% olivina) com espinélio c)

Composição hartzburgítica com espinélio

d) Composição hartzburgítica e)

Composição dunítica

3) Magmas basálticos gerados no manto superior -Os basaltos representam o tipo de magma mais difuso na Terra -Os basaltos derivam da fusão parcial do manto de composição peridotitica o lherzolitica (dados experimentais)

Manto superior

Fusão parcial

Magma basálticos Resíduo sólido lherzolítico

Pirolito: Composição teórica do manto (Ringwood 1975) calculada combinando, em proporção 1:3, a composição de uma fase líquida basáltica (basalto de Havaí) com a composição de uma rochas ultramáfica estéril, assumida como representante de um sólido resíduo de um processo de fusão parcial no manto.

4) Composição dos meteoritos -Os meteoritos metálicos e os condritos -Os chondritos têm abundancia relativas dos elementos não voláteis (Mg, Fe, Si, Al, Ca...) muito similar a do Sol -Um dos tipos de condritos (carbonosos, C1), contendo fase hidratada e componentes carbonosos (C, H2O...) representa, provavelmente, a matéria de condensação da nebulosa solar da qual se originou nosso sistema solar. A sua composição representa a composição da Terra. -Cálculos petrológicos a partir dessa composição condrítica permitem calcular a composição do manto primordial.

SiO2+MgO+FeO = 90% em peso do manto Al2O3+CaO+Na2O= 5-8% Entre as rochas encontradas na crosta, só as lherzolitas correspondem a esta composição do manto

condrito carbonoso

Murchison, Australia, carbonaceous chondrite

Meteorito metálico (Fe-Ni)

Porque funde o manto? 3) Anomalia térmica que modifica a geoterma 4) Abatimento do “solidus” por adição de voláteis no sistema 5) Descompressão adiabática do manto

ol olivine

100 % olivine

DUNITE

Average mantle HARZBURGITE

ol     ­ 64 % opx  ­ 27% cpx  ­   3 % plus ­   6% garnet/spinel

LHERZOLITE (peridotite) orthopyroxene opx

0 % olivine

clinopyroxene cpx

Exemplo de fusão por descompressão adiabática (caso do ascenso do manto nas cadeia meso-oceânicas e nas zonas de rift)

0

500

1000

T (°C )

1500

50 %

S o li dus

GE OT ER M A

L iq u id u s

15 %

50

A’

km 100 A

150

2000

Anomalia térmica que modifica a geoterma (caso do ascenso de uma pluma mantelica)

0

500

1000

T (°C )

100

150

dus

km

S o li

50

GE OT ER M A

2000

50 % L iq u id u s

15 %

1500

Abatimento do solidus por adição de voláteis no sistema (caso da cuña astenosferica acima duma placa em subducção)

0

1500

2000

50 % L iq u id u s

150

dus

100

GE OT ER M A

15 %

S o li

km

T (°C )

1000

Solidus

50

500

Parâmetros que controlam a composição dum magma primário num processo de fusão parcial do manto superior: -

Mineralogia do manto

-

Composição do manto

-

Profundidade (pressão)

-

Grau de fusão parcial

-

Conteúdo de voláteis (H2O, CO2)

Tipos de fusões do manto e magmas associados

Grid showing the melting products as a function of pressure and % partial melting of model pyrolite mantle with 0.1% H2O. Dashed curves are the stability limits of the minerals indicated. After Green (1970), Phys. Earth Planet. Inter., 3, 221-235. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Os magmas geram-se por um processo de fusão parcial duma rochas pre-existente. A fusão parcial pode acontecer no manto superior o na crosta.

Os magmas que são gerados por fusão parcial do manto chamam-se magmas primários.

Quais são as características distintivas dos magmas primários?

Os magmas primários acham-se inicialmente em equilíbrio com o a mineralogia típica do manto superior (olivino+opx+cpx± granada ±espinela), e deveriam se caracterizar por: -

alto Mg# (>0.7)

-

Alto conteúdo de Ni (>400-500 ppm)

-

Alto conteúdo de Cr (>100 ppm)

-

SiO2 < 50%

Esses critérios no são mais valido em quanto os magmas primários derivaram de um manto superior metasomatizado.

Onde se geram os magmas?

Os vulcões localizam-se quase correspondência dos limites de placas

sempre

em

OS TERREMOTOS TENDEM A SE CONCENTRAREM EM CERTAS ZONAS, AS QUAIS COINCIDEM COM TRENDS OCEÂNICOS E CADEIAS EM EXPANSÃO

Tipos de limites de placas

AMBIENTE TECTÔNICO MARGENS DE PLACAS

Divergente (Construtivo)

Dorsais Meso-Oceânicas Centros de Expansão de Retro-arco

Convergente (Destrutivo)

Arcos de Ilhas Margens Continentais Ativas

Intraplaca Oceânica INTRAPLACA Intraplaca Continental

Ilhas Oceânicas Plateaus Oceânicos Províncias Basálticas Continentais Zonas de Rift Continental Magmatismo de Intraplaca Potássico

LIMITES DIVERGENTES

DORSAIS MESOOCEÂNICAS

Exemplo de fusão por descompressão adiabática (caso do ascenso do manto nas cadeia meso-oceânicas e nas zonas de rift)

0

500

1000

T (°C )

1500

50 %

S o li dus

GE OT ER M A

L iq u id u s

15 %

50

A’

km 100 A

150

2000

Tipos de fusões do manto e magmas associados

Grid showing the melting products as a function of pressure and % partial melting of model pyrolite mantle with 0.1% H2O. Dashed curves are the stability limits of the minerals indicated. After Green (1970), Phys. Earth Planet. Inter., 3, 221-235. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Expansão de fundos oceânicosdorsais oceânicas

Fluxo de calor mais elevado no centro da Cadeia MesoOceânica



Final dos anos 50 e década de 60 ⇒ obtenção de idades das rochas do fundo oceânico ⇒ rochas mais jovens que 200 Ma.



Datação da Cadeia Meso-Oceânica do Atlântico

Formação de células de convecção abaixo das dorsais oceânicas

LIMITES CONVERGENTES

MARG EN S CO NTIN EN TAI S ATI VAS

Abatimento do solidus por adição de voláteis no sistema (caso da cuña astenosferica acima duma placa em subducção)

0

500

1000

T (°C )

100

150

dus

km

S o li

50

GE OT ER M A

2000

50 % L iq u id u s

15 %

1500

Limites Convergentes:Modelos Ideais

•

Exemplos Modernos: Cordilheira dos Andes na América do Sul

•

Maior cadeia de montanha contínua do mundo Subducçãoteve início durante o Mesozóico (~200 ma) Cinturão de montanhas move-se progressivamente para o continente

• •

Pachapaqui Mining, Peru 

DOMÍNIOS METAMÓRFICOS EM RELAÇÃO A AMBIENTES GEODINÂMICOS

As montanhas dos Himalaias constituem numa cadeia que tem comprimento de 3000km desde Afganistão até Burma, sua largura varia de 250 a 350 km e está constituída por uma série de unidades litológicas e tectônicas que ocorrem paralelas ao cinturão de montanhas por grandes distâncias. A rápida migração da Índia durante o Terciário, que finalizou com a colisão da Índia contra o Tibet, começou entre 50 e 60 Ma.

LIMITES TRANSFORMANTES

• Transformante

Traço da falha de Santo André (Califór

Falha de Santo André

Intraplaca continental RIFTS CONTINENTAIS

VULCANISMO ASSOCIADO A RIFT CONTINENTAL SÉRIES ALCALINAS

EXEMPLO DE RIFTS CONTINENTAL E MAGMATISMO ALCALINO ASSOCIADO

INTRAPLACA OCEÂNICA

ILHAS OCEÂNICAS HOT SPOTS

Anomalia térmica que modifica a geoterma (caso do ascenso de uma pluma mantelica)

0

500

1000

T (°C )

100

150

dus

km

S o li

50

GE OT ER M A

2000

50 % L iq u id u s

15 %

1500

Exemplo de fusão por descompressão adiabática (caso do ascenso do manto nas cadeia meso-oceânicas e nas zonas de rift)

0

500

1000

T (°C )

1500

50 %

S o li dus

GE OT ER M A

L iq u id u s

15 %

50

A’

km 100 A

150

2000

MARGEN PASIVO

DORSAL

MARGEN ACTIVO

ISLAS VOLCANICAS

PUNTO CALIENTE

Vulcanismo intraplaca Isla más joven

Ilhas vulcânicas do Hawai Punto caliente fijo

Formação de ilhas vulcânicas a partir de Hot spots: a) O Hot Spot produz a primeira Ilha Vulcânica; b) com o movimento da placa e o Hot Spot fixo a Ilha Vulcânica 2 irá se formar em outro lugar; c) as ilhas 1 e 2 se deslocam e a ilha vulcânica 3 se forma; d) Arquipélago do Havaí formado por ação de Hot Spot desde 5,6 milhões de anos atrás.

As montanhas dos Himalaias constituem numa cadeia que tem comprimento de 3000km desde Afganistão até Burma, sua largura varia de 250 a 350 km e está constituída por uma série de unidades litológicas e tectônicas que ocorrem paralelas ao cinturão de montanhas por grandes distâncias. A rápida migração da Índia durante o Terciário, que finalizou com a colisão da Índia contra o Tibet, começou entre 50 e 60 Ma.