Capitolo 8
Analisi dell’orientazione cristallografica
preferenziale del quarzo.
8.1 Analisi dell’asse c del quarzo.
L’analisi dell’orientazione dell’asse c del quarzo è uno strumento utile per vincolare l’evoluzione strutturale e cinematica di zone deformate. Grazie alla geometria delle proiezioni degli assi c è possibile ricavare il tipo di ellissoide della deformazione, la componente di taglio dominante, il senso di taglio, la vorticità cinematica (capitolo 9) e la temperatura di deformazione.
8.2 Metodologia.
Questa metodologia permette di ottenere risultati significativi solo se applicata a quarziti o a nastri di quarzo caratterizzati da un’orientazione cristallografica preferenziale (CPO).
Per ricavare l’orientazione dell’asse c del quarzo viene utilizzata una piattaforma universale (Universal stageU-stage) montata sul piatto del microscopio ottico. che permette la rotazione della sezione sottile intorno ad un asse verticale e a due assi orizzontali (est-ovest e nord-sud) (fig. 2). L’obiettivo di queste rotazioni è far coincidere l’asse c di ciascun cristallo analizzato, con l’asse ottico del microscopio in modo da misurare l’inclinazione, la direzione e l’immersione sugli appositi assi di riferimento.
Il procedimento si svolge in 7 punti:
1. la sezione viene collocata tra le due semisfere come in figura 1 utilizzando un olio a birifrangenza nulla che permette lo scorrimento fluido della sezione;
2. il cristallo di quarzo selezionato viene posizionato esattamente nel centro del reticolo impresso negli oculari del microscopio;
3. con tutte le ghiere in posizione iniziale, viene inserita la bietta per valutare il segno ottico del cristallo: se positivo (il cristallo tende a una colorazione blu), l’asse c è parallelo alla
Fig. 2 U-stage montato sul piatto del microscopio ottico. Si notano le ghiere che permettono di ruotare il macchinario sull’asse est –ovest (3), sull’asse nord-sud (2) e sull’asse verticale (1), sul quale si rileva la direzione dell’asse c. Sono indicate le barre graduate che permettono di rilevare l’immersione dell’asse c (4) e la semisfera superiore (5). (foto da www.modernmicroscopy.com)
lamina ausiliaria, quindi, estraendola si porta in estinzione il cristallo ruotando in senso orario il piatto interno della piattaforma intorno all’asse verticale; se negativo (il cristallo tende a una colorazione gialla) l’asse c è ortogonale alla lamina e si ruota in senso antiorario. Adesso l’asse c giace in un piano est-ovest con inclinazioni variabili da 0° (orizzontale) a 90° (verticale);
4. il grano viene tolto dall’estinzione ruotando l’asse est-ovest, senza riguardo alla direzione di rotazione;
5. il cristallo viene portato nuovamente in estinzione ruotando intorno all’asse nord-sud. In questa posizione l’asse c giace nel piano nord-sud con inclinazioni variabili;
6. ruotando l’asse est-ovest, il piatto interno della piattaforma viene riportato a 0°. In questa configurazione finale l’asse c può essere vicino all’asse verticale, coincidente con l’asse ottico del microscopio, o vicino all’asse nord-sud orizzontale, in entrambi i casi, il cristallo si presenta estinto (è sempre contenuto nel piano verticale nord-sud del polarizzatore). Per discriminare quale sia la sua posizione, si ruota il piatto del microscopio: se il grano rimane estinto significa che l’asse c è verticale, se entra ed esce dall’estinzione, l’asse c è orizzontale;
7. si procede alla misura dell’asse c: la direzione viene letta sulla ghiera verticale del piatto esterno della piattaforma mentre l’immersione sulle barre graduate verticali (4 in fig. 2). I dati così elaborati possono essere proiettati su un reticolo di proiezione, nel quale la foliazione principale del campione è rappresentata da un piano N090° verticale e la lineazione di estensione da una linea est-ovest orizzontale.
Una volta proiettati un numero ragionevole di punti (>200-300) il fabric dell’asse c risulta essere generalmente abbastanza ben definito.
8.3 Parametri che controllano l’orientazione dell’asse c del quarzo.
I fattori che controllano il fabric dell’asse c sono: 1) l’intensità e la simmetria dello strain (Grenn et al.,1970; Tullis et al., 1973; Lister, 1974, 1977, 1979; Marjoribanks, 1976; Etchecopar, 1977; Lister et al., 1978; Lister e Paterson, 1979; Lister e Hobbs, 1980; Etchecopar e Visseur, 1987), 2) lo strain path (Lister e Williams, 1979; Lister e Hobbs, 1980; Garcia-Celma, 1982; Carreras e Garcia-Celma, 1982; Bouchez e Duval, 1982, Law et al., 1984, 1986; Schimd e Casey, 1986; Law, 1987, 1990) e 3) la combinazione degli slip sistems attivi durante la deformazione (Nicolas e Poirier, 1976; Lister 1974, 1977, 1979; Lister et al.,1978; Lister e Paterson, 1979; Lister e Hobbs, 1980; Hobbs, 1985; Law et al., 1990). La presenza sia di una preesistente orientazione cristallografica preferenziale, sia
di fasi mineralogiche secondarie (es. fillosilicati) complica ulteriormente l’interpretazione della geometria del fabric.
Dati sperimentali (Green et al., 1970; Tullis et al., 1973) e studi effettuati su campioni naturali (Bouchez, 1977; Marjoribanks, 1976) e simulazioni numeriche (Lister et al., 1978; Etchecopar, 1977) hanno evidenziato una stretta relazione fra il tipo di ellissoide della deformazione e l’andamento del fabric skeleton (fig. 3). A metà degli anni settanta, infatti, le tecnologie permettevano di effettuare solo esperimenti in condizioni di flattening strain, riproducendo strain path semplici e fabric simmetrici. In queste condizioni di strain (k=0), gli assi c si distribuiscono sui piccoli cerchi del reticolo di proiezione (Tullis et al., 1973; Marjoribanks, 1976) mentre nel plane strain (k=1) assumono una distribuzione definita Type 1 cross girdle (Lister, 1974). In condizioni di constrictional strain (k=∞) invece, la distribuzione degli assi c forma piccoli cerchi centrati sulla lineazione di estensione (cleft girdle). Il Type 2 cross girdle (Lister et al., 1978) è una situazione intermedia tra il Type 1 e il constrictional strain.
Fig. 3 Diagramma di Flinn che mostra le relazioni tra il tipo di ellissoide della deformazione e la geometria del fabric dell’asse c e dell’asse a del quarzo (modificato da Twiss e Moore, 1992).
Per attivare un determinato piano cristallografico (fig. 4) di scivolamento deve essere applicato un determinato stress chiamato Critical Resolved Shear Stress (CRSS). Il CRSS è caratteristico per ogni slip plane e il suo valore è funzione della temperatura (Blacic, 1975; Hobbs et al., 1972; Hobbs 1985) (fig. 5).
A basse temperature il basal slip ha valori bassi di CRSS e si attiva più facilmente mentre a temperature più elevate si attiva più agevolmente il prism plane.
a b
Fig. 4 Facce ed orientazioni cristallografiche preferenziali (a) e relative proiezioni stereografiche (proiezione isogona, emisfero superiore) (b) (modificato da Twiss e Moore, 1992).
Dalla proiezione degli assi c del quarzo si riesce a risalire a quale dei piano cristallografici è stato maggiormente attivo durante la deformazione dalla concentrazione dei punti: i punti al centro dello stereonet rappresentano il prism plane, quelli ai lati dello stereonet rappresentano il basal plane, quelli intermedi rappresentano il rhomb plane.
All’inizio degli anni ottanta si è riuscito a riprodurre condizioni sperimentali in cui è stata introdotta una componente di taglio semplice (Lister e Hobbs, 1980; Lister e Williams, 1983). La geometria dell’asse c assunse una forma asimmetrica con il braccio principale, chiamato leading edge, obliquo rispetto alla foliazione E-W e piccoli bracci chiamati trailing edge (fig. 6).
Dalle simulazioni emergono delle relazioni fra il tasso di deformazione non coassiale e la geometria del fabric (Lister 1974, 1977, 1979; Lister e Paterson, 1979; Lister et al., 1978; Lister e Williams, 1979; Lister e Hobbs, 1980) (fig. 7).
Fig. 6 Rappresentazione grafica della proiezione stereografica dell’asse c del quarzo. Il fabric skeleton evidenzia la geometria del fabric nei diagrammi di densità.
Fig. 7 La variazione da un fabric skeleton di tipo II ad uno con ad una sola direzione di orientazione (single girdle), viene interpretata sia come il risultato di un aumento della componente non-coassiale della deformazione sia come un aumento dell’intensità della deformazione per taglio semplice (modificato da Schmid e Casey, 1986).
8.4 Dati.
I fabric skeleton ottenuti dalle nove sezioni sottili mostrano una simmetria nelle prime cinque sezioni, mentre nelle restanti quattro l’asimmetria è più evidente, indicando che la componente non coassiale è in aumento da ros1 a ros9. Le relazioni tra il tipo di ellissoide della deformazione e la geometria del fabric dell’asse c del quarzo mostrano che tutti i fabric ricavati sono compresi tra il constrictional strain e il plane strain (fig. 3).
Fig. 8 Orientazione cristallografica preferenziale dell’asse c del quarzo. Nelle figure sono rappresentati i fabric skeleton delle sezioni analizzate.
Attraverso lo studio di questo fabric è stato possibile ricavare la vorticità cinematica istantanea Wk applicando la formula Wk = sin 2θ (capitolo 9), con il 2θ che è legato all’angolo che la foliazione forma con il piano di flusso.
8.5 Geotermobarometro di Kruhl
Sono state ottenute le stime della temperatura di deformazione mediante l’utilizzo del geotermobarometro di Kruhl (1998), che mette in relazione l’angolo di apertura del fabric skeleton con la temperatura di deformazione con un errore stimato in ±50° (tab. 1 e fig. 9).
Tabella 1 Angoli ricavati dal fabric skeleton dell’asse c del quarzo e temperatura di deformazione ricavata dal geotermobarometro di Kruhl (1998).
Sezione ros1 ros2 ros3 ros4 ros5 ros6 ros7 ros8 ros9
Angolo 46° 71° 48° 51° 41° 44° 42° 40° 36°
T °C 360±50 550±50 375±50 400± 50 320±50 345±50 330±50 310±50 280±50
I valori ottenuti sono coerenti sia con le T del metamorfismo in facies scisti verdi che ha interessato la roccia, sia con i CRSS dei piani cristallografici del quarzo, ma sono un po’ più basse del il range di temperature all’interno del quale agiscono i meccanismi di deformazione cristalloplastica nei nastri di quarzo SGR (400-500°C) (dominante nelle sezioni) e GBM (poco superiori a 500°C); l’unico dato fuori dal range è quello ricavato da ros2.
