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Grain Boundary Migration recrystallization

amoeboid quartz grains
Classica microstruttura ameboide nel quarzo (cristalli a grana grossa con bordi dei grani fortemente lobati/interdigitati): risultato della rapida migrazione dei bordi dei grani cristallini durante il processo di ricristallizzazione. NX. Larghezza: 1,2 mm. Pegmatite milonitica, Calamita, Isola d'Elba, Italia.

La ricristallizzazione per grain boundary migration, termine che si può rendere in Italiano come 'migrazione dei bordi dei grani cristallini' e che viene comunemente abbreviato come GBM-recrystallization, è un meccanismo di ricristallizzazione di alta temperatura osservato nel quarzo e in altri minerali in rocce metamorfiche di alto grado. La ricristallizzazione per GBM è un processo caratterizzato da un'elevata mobilità dei bordi dei grani, che migrano da grani meno deformati, ovvero con minor densità di dislocazioni nel loro reticolo cristallino, verso grani maggiormente deformati, con più elevata densità di dislocazioni al loro interno, che sono progressivamente consumati e sostituiti da grani meno deformati. Questo processo produce bordi di grani fortemente lobati e interdigitati, generalmente associati ad aggregati a grana grossa.

Microstrutture associate alla ricristallizzazione per GBM
Il processo di ricristallizzazione per GBM è dettato dalla migrazione rapida dei bordi dei grani, che possono spazzare interi cristalli producendo contorni dei grani molto irregolari, caratterizzati da lobi e protrusioni fortemente suturate. La microstruttura che ne risulta è definita essere interlobata o addirittura ameboide (ovvero con contorni dei grani così irregolari da ricordare delle amebe). In generale, la ricristallizzazione per grain boundary migration avviene a temperature elevate ed è quindi spesso associata a cristalli a grana grossa (sopra i 100 μm, generalmente attorno ai 500 μm). La ricristallizzazione per GBM è così efficiente che cristalli deformati vengono rimossi rapidamente e rimpiazzati da cristalli quasi privi di deformazione interna. Subgrain boundaries (contorni intracristallini) possono nucleare durante la ricristallizzazione per GBM ed evolvere rapidamente fino a diventare grani indipendenti dal cristallo di partenza, con dei propri contorni lobati. Per queste ragioni, non è immediato riuscire a distinguere grani di neoformazione dagli old grains, i grani preesistenti, in un aggregato di cristalli prodotti da ricristallizzazione per GBM, eccetto nel caso in cui ci siano degli oggetti, come treni di inclusioni, che delineano la forma dei grani di partenza.

grain boundary migration recrystallization
Durante la ricristallizzazione per GBM, i bordi dei grani migrano nel tempo e possono spazzare interi cristalli, divenendo fortemente lobati nel processo. Modificato da Microtectonics.

Island grains. In aggregati cristallini prodotti da ricristallizzazione per GBM, è comune trovare grani relativamente piccoli ed isolati circondati da cristalli a grana più grossa e che possono essere in continuità ottica (ovvero estinguere allo stesso tempo) di altri grani nelle vicinanze. Questi 'island grains', letteralmente 'grani isola', sono solo un effetto della forma fortemente lobata/ameboide dei contorni dei grani e sono di fatto uniti a grani più grandi al di fuori del piano bidimensionale della sezione sottile. Infatti, questa microstruttura è stata anche chiamata da Urai et al. (1986) 'dissection microstructure', microstruttura da dissezione, proprio per il fatto che gli island grains non sono realmente grani più piccoli, bensì un artefatto dovuto al sezionamento di granuli con contorni molto irregolari.

CPL + λ
CPL + λ
NX + λ
CPL
NX

⇔ slider. Aggregato di quarzo con cristalli dai contorni lobati prodotti da ricristallizzazione per GBM. La lamina ausiliaria evidenzia la presenza di piccoli 'island grains' in continuità ottica con altri grani nelle vicinanze (notare i grani gialli in quelli blu e viceversa). La maggior parte dei bordi dei grani sono organizzati in una struttura a mosaico incrociato 'a scacchiera' (vedi sotto). Larghezza: 1,2 mm. Leucogranito milonitico, Calamita, Isola d'Elba, Italia.

Pinning microstructures. Queste strutture si formano quando la ricristallizzazione per GBM avviene in presenza di fasi secondarie, come miche dall'abito tabulare, incluse nel quarzo. In questo caso, le fasi secondarie possono 'pizzicare', ostacolare la migrazione dei bordi dei grani, producendo dei lobi arcuati attorno ad esse, note come 'pinning microstructures' (dal verbo inglese pin, fissare, appuntare, spillare). Jessel (1987) identificò molti tipi di queste microstrutture (figura in basso). Per esempio, nel caso di inclusioni orientate di miche appiattite nel quarzo, le miche possono agire da diga, interrompendo la migrazione libera dei limiti dei grani. Ciononostante, se un 'buchetto' è presente in questa 'diga di mica' i limiti dei grani possono migrarvi attraverso, producendo delle piccole microstrutture da pinning, note come 'window microstructure' (microstruttura a finestra). Un altro effetto comune legato a inclusioni di miche è quello legato al 'dragging' (trascinamento) di un bordo cristallino in migrazione lungo un'inclusione ('dragging microstructure').

Left-over grains. La migrazione dei contorni dei grani può cancellare quasi completamente un cristallo di partenza, lasciandosi alle spalle solo dei piccoli grani avanzati (left-over grains) in continuità ottica. Questi sono diversi dagli 'island grains', nel senso che si tratta effettivamente di piccoli grani che non sono più in continuità tra di loro. Tuttavia, considerando che i contorni dei grani sono spesso molto lobati in aggregati ricristallizzati per GBM, è piuttosto arduo riuscire a definire con sicurezza se questi cristalli sono uniti al di fuori del piano della sezione sottile oppure no.

Pinning microstructures - GBM recrystallization
Quattro tipi di microstrutture indicative di contorni dei grani mobili. Dall'alto al basso: pinning microstructure, window microstructure, dragging microstructure e left-over grains. Da Jessel (1987). Schema modificato da Microtectonics.
quartz GBM recrystallization
Aggregato di quarzo ricristallizzato per grain boundary migration, associato ad inclusioni orientate di biotite in uno scisto. La forma dei grani di quarzo è controllata dalla presenza di inclusioni di biotite che ostacolano la migrazione libera dei grain boundaries attraverso la foliazione (ad esempio notare i contorni dei grani più scuri). NX. Larghezza: 4.8 mm. Scisti migmatitici, Calamita, Isola d'Elba.

Interpreted
Interpreted
Interpreted
CPL
NX

⇔ slider. Piccole 'finestre' fra cristalli orientati di biotite permettono la migrazione dei grain boundaries in aggregati di quarzo prodotti da ricristallizzazione per grain boundary migration. Scorri per evidenziare le window microstructures presenti (frecce gialle). NX. Larghezza: 1,2 mm. Scisto migmatitico, Calamita, Isola d'Elba, Italia.

Microstrutture a mosaico incrociato. Anche nota come grani a reticolo (reticular grains), è una microstruttura peculiare che si trova comunemente in aggregati di quarzo ricristallizzati per GBM a temperature elevate. È descritta come una tendenza dei bordi dei grani ad intersecarsi a 90° gli uni rispetto agli altri, producendo un mosaico incrociato 'a scacchiera' (cross-hatched mosaic microstructure). La ragione per cui questo avviene non è attualmente nota. Lister & Dornsiepen (1982) ipotizzarono che i grain boundaries migrassero lungo sistemi ortogonali di micro zone di taglio, ma questa struttura potrebbe anche essere legata a ricristallizzazione in un aggregato che si deforma grazie a due sistemi di slip perpendicolari tra loro, come lo slip basale lungo l'asse a e il prisma lungo l'asse c, come del resto avviene per i subgrain a scacchiera.

Cross-hatched mosaic microstructure in quartz
Microstrutture a mosaico incrociato in quarzo ricristallizzato per grain boundary migration. Sia i bordi dei grani che i subgrain boundaries tendono ad intersecarsi ortogonalmente, formando un mosaico a scacchiera. NX. Larghezza: 1,2 mm. Calamita, Isola d'Elba, Italia.

Condizioni della ricristallizzazione per GBM
La ricristallizzazione per GBM è un processo di ricristallizzazione di alta temperatura. Nel quarzo, la transizione da ricristallizzazione per subgrain rotation a grain boundary migration è stata stimata da Stipp et al. (2002) a temperature sopra i 500 °C nell'aureola sincinematica dell'intrusione dell'Adamello (Alpi Italiane) e, in generale, la ricristallizzazione per GBM è il meccanismo deformativo tipico di rocce di facies metamorfica anfibolitica superiore e granulitica. Nei feldspati, l'attivazione della ricristallizzazione per GBM richiede temperature ancora più elevate (T > 850 °C), che sono raramente raggiunte in rocce comuni. Tuttavia, la temperatura non è l'unico fattore che controlla i meccanismi di ricristallizzazione: nel quarzo, elevati tassi di deformazione e bassi contenuti d'acqua favoriscono altri meccanismi deformativi che normalmente avvengono a temperature più basse. Rocce deformate a temperature molto alte ma ricristallizzate per bulging e subgrain rotation sono state infatti riportate in diversi terreni metamorfici granulitici (es. Menegon et al., 2011). Di conseguenza, non esiste una temperatura a cui il quarzo si deforma unicamente per GBM e le condizioni fisiche della ricristallizzazione per GBM devono essere valutate caso per caso in natura basandosi su stime indipendenti della temperatura ottenute da geotermometria o dalle paragenesi metamorfiche. 

Esempi di microstrutture da GBM

Island grains e microstrutture a mosaico incrociato
Questa pegmatite è stata deformata in una zona di taglio dopo la sua cristallizzazione, probabilmente a temperature tra 500 e 700 °C. Il quarzo è ricristallizzato per grain boundary migration e mostra un abbondanza di grain boundaries lobati/interdigitati fino ad ameboidi che formano strutture a scacchiera, che si intersecano ad angolo retto (cross-hatched mosaic microstructures o grani reticolari). Molti grani più piccoli, circondati da grani più grossi, sono in continuità ottica con grani più grandi (island grains).
Campione: pegmatite milonitica
Associazione mineralogica: muscovite, quarzo, feldspato alcalino, tormalina, andalusite
Località: Fosso del Pontimento, Calamita, Isola d'Elba, Italia
Per gentile concessione di Giovanni Musumeci


Video. NX. Larghezza: 1,2 mm.

Drury, M. R., & Urai, J. L. (1990). Deformation-related recrystallization processes. Tectonophysics172(3-4), 235-253.
Jessell, M. W. (1987). Grain-boundary migration microstructures in a naturally deformed quartzite. Journal of Structural Geology9(8), 1007-1014.
Law, R. D. (2014). Deformation thermometry based on quartz c-axis fabrics and recrystallization microstructures: A review. Journal of structural Geology66, 129-161.
Lister, G. S., & Dornsiepen, U. F. (1982). Fabric transitions in the Saxony granulite terrain. Journal of Structural Geology4(1), 81-92.
Mainprice, D., Bouchez, J. L., Blumenfeld, P., & Tubià, J. M. (1986). Dominant c slip in naturally deformed quartz: Implications for dramatic plastic softening at high temperature. Geologia14(10), 819-822.
Menegon, L., Nasipuri, P., Stünitz, H., Behrens, H., & Ravna, E. (2011). Dry and strong quartz during deformation of the lower crust in the presence of melt. Journal of Geophysical Research: Solid Earth116(B10).
Poirier, J. P. (1985). Creep of crystals: high-temperature deformation processes in metals, ceramics and minerals. Cambridge University Press.
Stipp, M., Stünitz, H., Heilbronner, R., & Schmid, S. M. (2002). Dynamic recrystallization of quartz: correlation between natural and experimental conditions. Geological Society, London, Special Publications, 200(1), 171-190.
Stipp, M., Stünitz, H., Heilbronner, R., & Schmid, S. M. (2002). The eastern Tonale fault zone: a ‘natural laboratory’for crystal plastic deformation of quartz over a temperature range from 250 to 700 C. Journal of structural geology24(12), 1861-1884.
Urai, J. L., Means, W. D., & Lister, G. S. (1986). Dynamic recrystallization of minerals. Mineral and rock deformation: laboratory studies36, 161-199.

Risorse

     

Mesostructures
Microstrutture
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