Diapositiva 1

DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA
Rock Suites
Rocce ignee eruttate nell’ambito di una
data regione geologica e durante un
breve lasso di tempo geologico sono
probabilmente correlate allo stesso
evento magmatico.
Poiché la SiO2 solitamente
mostra
la
maggiore
variazione entro una data
suite rocciosa, la maggior
parte dei diagrammi di
variazione plottano la silice
vs qualunque altro ossido.
Quando gli andamenti di
variazione sono piuttosto
piatti
le
rocce
molto
probabilmente
sono
collegate
allo
stesso
evento/processo magmatico.
Qualsiasi processo che provoca cambiamenti nella composizione del
magma è chiamato DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA. Nel corso degli anni,
sono state invocate varie cause per spiegare la variazione delle composizioni di
magma osservata all'interno di piccole regioni. Tra queste:
(1) Fusione parziale (progressiva) della stessa sorgente.
(2) Cristallizzazione frazionata.
(3) Miscelazione di 2 o più magmi (Magma Mixing).
(4) Assimilazione/contaminazione da parte del magma di rocce crostali.
Inizialmente, i ricercatori tentarono di mostrare che uno o l'altro di questi
processi possano agire esclusivamente nel causare la differenziazione
magmatica. Con le successive esperienze sul campo si è compreso che uno o
tutti questi processi potrebbero agire allo stesso tempo nel produrre
cambiamenti chimici (combinazioni dei processi).
(1) Fusione parziale
Quando una data roccia fonde, a meno che non abbia la composizione dell'eutettico, la
fusione avviene in un intervallo di temperature (a parità di pressione), e durante questa
fusione, si verificano delle modifiche della composizione del liquido. Così, un
cambiamento nella composizione dei fusi potrebbe essere causata da vari gradi di
fusione parziale della sorgente.
Sistema Fo - Di - SiO2.
Immaginiamo la fusione di una peridotite di mantello
(miscela di Ol, Cpx e Opx). Questa roccia inizierebbe a
sciogliersi alla temperatura peritettica.
Le composizioni del fuso variano con
continuità lungo la curva del liquidus. Tali
liquidi possono essere estratti in
qualsiasi momento durante l'evento
vulcanico e sono caratterizzati da
composizioni che sono riferite ad un
range compreso tra lo 0% di fusione ed il
100% di fusione. (da notare che le
composizioni comprese tra lo 0% di
fusione e la composizione dell’ En sono
sovrassature in silice, mentre quelle da
questo punto fino al 100% di fusione
sono sottosature in SiO2).
(1a) Elementi in tracce come indicatori di processi
di fusione frazionata
Se durante il processo di fusione parziale della sorgente visto sopra tutto il
liquido viene rimosso, allora abbiamo il caso di una fusione frazionata.
Le terre rare (REE) sono elementi che si ritrovano nelle rocce in basse
concentrazioni, di solito meno dello 0,1% (solitamente ppm). In generale si parla di
elementi incompatibili, cioè quelli che non entrano facilmente nella struttura cristallina
dei minerali del mantello, ed elementi compatibili, quelli che invece entrano facilmente
nella struttura cristallina dei minerali del mantello.
Elementi incompatibili - questi sono elementi come K, Rb, Cs, Ta, Nb, U, Th, Y, Hf,
Zr e gli elementi di Terre Rare (REE) - La Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, UE, Gd, Tb, Dy, Ho, Er,
Tm, Yb e Lu. La maggior parte di loro ha un grande raggio ionico. Minerali di
mantello come olivine, pirosseni, spinello, e granato sono caratterizzati da siti
cristallografici non idonei per gli ioni di grandi dimensioni.
Elementi compatibili - questi sono elementi come Ni, Cr, Co, V e Sc, che hanno più
piccoli raggi ionici e si adattano più facilmente ai siti cristallografici che
normalmente ospitano Mg e Fe.
Quando una roccia di mantello comincia a sciogliersi, gli elementi incompatibili
saranno espulsi preferenzialmente dal solido e immessi nel liquido.
Questo perché questi elementi pur non presenti in siti cristallografici dei cristalli,
sono tuttavia presenti nell’insieme roccioso. Così, un basso grado di fusione di
una roccia mantellica avrà alte concentrazioni di elementi incompatibili. Per alti
gradi di fusione parziale la concentrazione di questi elementi incompatibili
diminuirà perché:
le loro concentrazioni diventeranno più diluite una volta che altri elementi entrano
in fusione.
Così, le concentrazioni degli elementi incompatibili diminuiranno con l'aumentare
della fusione parziale.
Le Terre rare sono particolarmente utili in questo senso. Questi elementi, con
l'eccezione dell’ Eu (europio), hanno una carica + 3, ma i loro raggi ionici diminuiscono
con l'aumentare del numero atomico. Vale a dire il La (lantanio) è il più grande, il Lu
(lutezio) è il più piccolo. Così il grado di incompatibilità diminuisce da La a Lu.
Le concentrazioni delle REE sono state normalizzate dividendo la
concentrazione di ciascun elemento per la concentrazione dello stesso
elemento ritrovata nelle meteoriti condritiche.
Si ottiene un Pattern REE.
Si noti che bassi gradi di fusione parziale sono caratterizzati da pattern
arricchiti in REE, questo perché le REE leggere (La-Eu) sono arricchite
rispetto alle REE pesanti.
Si rappresenta il rapporto tra un elemento altamente incompatibile, come il La,
rispetto ad un elemento meno incompatibile, come il Sm (Samario), contro la
concentrazione dell'elemento altamente incompatibile.
Si noti la forte pendenza della retta che collega i vari punti di fusione parziale.
I rapporti fra gli elementi incompatibili non cambiano molto con i processi di
cristallizzazione frazionata e quindi producono trend meno ripidi. Questo ci dà un
metodo per distinguere tra fusione parziale e cristallizzazione frazionata.
(2) CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA
La composizione dei liquidi può cambiare a causa della rimozione di cristalli
dal liquido stesso (soluzioni solide e sistemi eutettici). In tutti i casi, tranne che
per composizioni eutettiche dei fusi, la cristallizzazione provoca una variazione
nella composizione del fuso stesso; se i cristalli formatisi vengono allontanati
per qualche processo, anche la composizione del fuso residuo muta.
In questo caso magmi di differente composizione possono essere generati dal
liquido primario iniziale.
Serie di reazione di Bowen
Bowen ha realizzato la sua omonima serie a partire dallo studio dei
sistemi chimico-fisici a due e tre componenti.
Egli propose che se in un magma basaltico iniziale si verifica la rimozione
dei cristalli prima che essi possano reagire con il liquido, si produce una
comune suite rocciosa che va dal basalto alle rioliti.
-La serie continua di reazione è composta dalle soluzioni solide dei plagioclasi.
Un magma basaltico dovrebbe inizialmente cristallizzare una plagioclasio ricco in
Ca e via via più ricco in Na. Se vengono rimossi i primi plagioclasi formati, le
composizioni dei liquidi alla fine potrebbero evolvere verso quelle che vedrebbero
cristallizzare una plagioclasio ricco in sodio, come nei liquidi riolitici.
-La serie di reazione discontinua è costituita da minerali che nel raffreddamento
reagiscono con il liquido per produrre una nuova fase (rx peritettica dell’olivina
forsteritica con la silice per formare pyx rombico enstatitico). Bowen postulò che
con un ulteriore raffreddamento il pirosseno rombico reagisce con il liquido, nel
frattempo più ricco H2O, per produrre orneblenda. L'orneblenda reagirebbe poi
con il liquido per produrre biotite. Se tutte queste fasi vengono rimosse prima che
le reazioni possono aver luogo, allora verrebbero ad essere prodotti fusi via via
più ricchi in silice.
Questa idea è coerente con le temperature osservate nei magmi e con le
associazioni mineralogiche rinvenute nelle rocce.
-Ci aspetteremmo che con l'aumento di SiO2 ossidi come MgO, e CaO
dovrebbero viceversa diminuire con il procedere della cristallizzazione
frazionata, perché entrano nelle prime fasi di cristallizzazione, come olivine e
pirosseni.
-Ossidi come H2O, K2O e Na2O, invece, dovrebbero aumentare con il procedere
della cristallizzazione frazionata, perché non entrano nelle prime fasi di
cristallizzazione.
-Le concentrazioni degli elementi incompatibili aumentino con il procedere della
cristallizzazione frazionata, mentre
-le concentrazioni dei compatibili diminuiscano parallelalmente.
Questo è generalmente quello che si osserva nelle suite di rocce ignee.
(3a) Rappresentazione grafica della cristallizzazione frazionata
Immaginiamo di avere un fuso A con la sua concentrazione di SiO2 e MgO, come
indicato nel diagramma. E’ riportata anche la composizione dell’ olivina segregata da
A. La rimozione di olivina dal fuso A genera una variazione di composizione del fuso
iniziale da A a B lungo la linea di coniugazione olivina-A.
Possiamo applicare la regola della leva per determinare quanta l'olivina è necessario
frazionare da un magma con composizione A per produrre B:
% Olivina frazionata = [y /(x + y)] * 100
In un caso più
complicato,
immaginiamo cosa
accade se due fasi
di differente
composizione
vengono coinvolte
nella
cristallizzazione
frazionata. Si
applica sempre la
regola della leva.
In questo caso, una miscela di olivina 50% e 50% pirosseno è stata rimossa
dal magma C per produrre il magma D. Da notare che la composizione del
liquido deve cambiare lungo una linea che unisca il liquido originale (magma
C) con il punto a metà tra olivina e pirosseno. Ancora una volta la regola della
leva ci dice che la percentuale di solidi frazionati sarebbe:
% solidi frazionati = [z /(w + z)] * 100
(3b) Meccanismi della cristallizzazione frazionata
Affinché la cristallizzazione frazionata operi, è necessario che i cristalli vengano
rimossi o separati prima che possano reagire con il fuso. In natura esistono vari
meccanismi.
(a) Crystal Settling/Floating - In generale, cristalli che si
generano da un magma avranno diverse densità
rispetto al liquido.
-Se i cristalli hanno una densità maggiore rispetto il
liquido, tendono ad affondare o a stabilirsi al pavimento
della camera magmatica. Il primo strato che si deposita
sarà ancora in contatto con il magma, ma in seguito
sarà sepolto dai vari strati di cristalli in modo che
effettivamente venga rimosso dal liquido.
-Se i cristalli hanno una densità inferiore al magma,
tenderanno a galleggiare o salire verso l'alto. Ancora
una volta il primo strato che si accumula nella parte
superiore sarà inizialmente in contatto con il liquido, ma
alla fine sarà completamente rimosso.
(b) Cristallizzazione periferica
Visto che un corpo magmatico
è caldo rispetto alle pareti
incassanti, il calore si sposta
verso l'esterno della camera
magmatica. Così, le pareti
saranno più fredde e ci si
aspetta che la cristallizzazione
avverrà prima in questa
porzione vicino alle pareti. Il
magma quindi cristallizza
preferenzialmente dall’esterno
verso l’interno della camera.
Proprio come nell'esempio
precedente, il primo strato di
cristalli precipitato sarà ancora
in contatto con il liquido, ma
alla fine sarà sepolto da
cristallizzazioni successive e
quindi rimosso dal liquido.
(c ) Filter pressing - Dove c'è un'alta concentrazione di cristalli, il liquido
potrebbe essere costretto fuori dagli spazi tra i cristalli da una sorta di
spremitura tettonica che fa muovere il liquido in una frattura o altro
spazio libero. Sarebbe come spremere l'acqua da una spugna. Questo
meccanismo è difficile da immaginare in natura perché:
(1) a differenza di una spugna la matrice dei cristalli è fragile e non si
deforma facilmente
(2) le fratture richieste per veicolare il liquido sono provocate da forze
estensionali mentre il meccanismo che consente di ottenere una
“spremitura” implica forze compressionali. La Filter Pressing è un
metodo comune utilizzato per separare i cristalli dal liquido nei
processi industriali, ma non si è dimostrato verificabile in natura.
(4) Magma mixing
Se due o più magmi con diverse composizioni chimiche vengono in contatto con un altro
magma al di sotto della superficie terrestre, è possibile che essi si mescolino l’uno con
l'altro per produrre composizioni intermedie tra gli “end members”.
Se le composizioni del magma sono notevolmente diverse (tipo cioè basalto e riolite), ci
sono diversi fattori che tenderebbero a inibirne la miscelazione:
Contrasto di temperatura – i magmi basaltici (circa 1200°C ad 1atm) e quelli riolitici
(920-940°C ad 1atm) hanno temperature molto diverse. Se un fuso basaltico venisse a
contatto con un magma riolitico tenderebbe a raffreddarsi o addirittura a cristallizzare
mentre il magma riolitico a sua volta tenderebbe a riscaldarsi e a cominciare a
sciogliersi, senza possibilità alcuna di mixing.
Contrasto di densità – i magmi basaltici hanno densità dell'ordine di 2,6 - 2,7 g/cm3,
mentre le rioliti di 2,3 – 2,5 g/cm3. Questo contrasto di densità farebbe sì che il magma
più leggero tenderebbe a galleggiare sul magma basaltico più pesante, inibendo la
miscelazione.
Contrasto di viscosità - molto diverse sono anche le viscosità. Così, sarebbe
necessaria una sorta di improbabile agitazione vigorosa per ottenere il miscelamento.
Nonostante questi fattori di inibizione, vi sono evidenze di processi di mixing tra fusi. Più
piccola è la differenza nella composizione chimica tra due magmi, più piccoli saranno i
contrasti in temperatura, densità e viscosità.
(5) Assimilazione crostale/contaminazione
Poiché in generale la composizione della crosta è generalmente diversa dalla
composizione del magma che la attraversa per raggiungere la superficie, c’è
sempre la possibilità che avvengano reazioni tra la crosta ed il magma in
risalita. Se pezzi di rocce crostali vengono incorporate nel magma e sciolto
diventando parte del magma, diciamo che le rocce della crosta terrestre sono
state assimilate dal magma. Quindi il magma è stato contaminato dalla crosta.
Questi processi producono un cambiamento nella composizione chimica del
magma, a meno che il materiale aggiunto abbia la stessa composizione chimica
del magma.
In un certo senso, l’ assimilazione produce alcuni tra gli stessi effetti del mixing,
ma è un processo più complicato della miscelazione a causa dell'equilibrio
termico coinvolto. Al fine di assimilare la crosta deve essere infatti fornito calore
a sufficienza per elevare la temperatura della crosta sopra al solidus dove
comincerà a sciogliersi.
L'unica fonte di questo calore, naturalmente, è il magma stesso.
(5a) Evidenze dell’ Assimilazione crostale/contaminazione
Un magma in risalita verso l'alto può assimilare brandelli di crosta.
Forse la migliore prova di assimilazione/contaminazione proviene dagli studi degli
isotopi radiogenici. Qui diamo alcuni esempi:
-Sistema Rb - Sr.
Il 87Rb è un isotopo radioattivo che decade in 87Sr con un tempo di dimezzamento di 47
miliardi di anni.
Poiché il Rb è un elemento incompatibile, viene estratto dal mantello e veicolato dal
magma e quindi poi aggiunto alla crosta. Così la concentrazione di Rb nella crosta
terrestre (circa 100 ppm) è molto più elevata di quella nel mantello (circa 4 ppm).
-Rapporto 87Sr / 86Sr
Lo 86Sr è un isotopo stabile, non radiogenico la cui concentrazione non cambia con il
tempo.
Poiché lo 87Rb decade producendo 87Sr e poiché c'è più Rb nella crosta terrestre
rispetto al mantello, il rapporto 87Sr / 86Sr della crosta ha subito un aumento nel corso del
tempo, rispetto al rapporto 87Sr / 86Sr del mantello.
Il rapporto 87Sr/86Sr del mantello è generalmente compreso nell'intervallo tra 0.702 0.705. Così, rocce derivate dalla fusione del mantello dovrebbero avere rapporti di
87Sr/86Sr in questa gamma.
Il rapporto 87Sr/86Sr di rocce crostali dipenderà dalla loro età. Le più vecchie avranno alti
valori di 87Sr/86Sr nella gamma 0.705 - 0720, le più giovani avranno rapporti più simili al
mantello.