sempre

Riassunto della puntata precedente:
• Origine ed evoluzione dei magmi.
-Fusione per decompressione
-Fusione per aumento di temperatura
-Fusione per aggiunta di volatili
-Fusione per aumento di pressione
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Passiamo ora ad un altro argomento.
Vedremo come una roccia si
comporta alla fusione e come un
fuso si comporta quando cristallizza.
*****
I SISTEMI
MAGMATICI
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COMPORTAMENTO dei MAGMI
INTERROGATIVI:
• Come
e perché si formano i magmi
•Come evolvono
•Perché si verificano le eruzioni vulcaniche
RISPOSTE:
1. Analisi dettagliata dei prodotti naturali
2. Studio di sistemi semplici in laboratorio
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SISTEMI MONOCOMPONENTI
Liquido
Temperatura
Sistemi semplici
Tf
Es. Ghiaccio-Acqua
Diopside cristallo – fuso di diopside
Solido
X
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TUTTO
FUSO
Temperatura di
LIQUIDUS
CRISTALLI
T alla quale scompare
l’ultimo cristallo
T alla quale compare il
primo cristallo
+
FUSO
Temperatura di
SOLIDUS
TUTTO
SOLIDO
Fusione
TEMPERATURA
(liquido)
Cristallizzazione
SISTEMI MULTICOMPONENTI
T alla quale compare la
prima goccia di fuso
T alla quale scompare
l’ultima goccia di fuso
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Ora parleremo dei due processi più importanti da un
punto di vista petrogenetico:
Cristallizzazione
Fusione parziale
Da un punto di vista molto generale, con questi
due processi si può spiegare il perché esistono
rocce ignee con composizioni tanto diverse.
Ognuno di questi due processi può avvenire in
condizioni di equilibrio o disequilibrio.
Faremo una serie di esempi utilizzando l’esempio
naturale più semplice (sistema a due componenti
con eutettico = Anortite-Diopside).
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Lo studio di queste problematiche in questo
corso è trattato a livello molto generale.
Questo vuol dire che esistono molte eccezioni e
che i sistemi naturali (multicomponenti) sono
molto più complessi dei sistemi sintetici di
laboratorio.
L’aggiunta di un nuovo componente (es. un nuovo
minerale) può inibire la formazione di un particolare
tipo di liquido o di cristallo e favorirne altre.
L’influenza dei vari elementi chimici nell’evoluzione
di un magma e il ruolo dei vari minerali è ancora
lontano dall’essere decifrato.
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SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO
PROCESSI di CRISTALLIZZAZIONE
Il raffreddamento di un magma con la formazione di cristalli
può avvenire secondo due modalità estreme:
C. all’EQUILIBRIO
C. FRAZIONATA
I cristalli rimangono in
contatto chimico con il
fuso fino alla sua
completa
cristallizzazione.
I cristalli si separano (si
frazionano) dal fuso e sono
soggetti ad una sorte diversa
da quella del liquido (ad
esempio a causa della loro
differente densità possono
allontanarsi dal fuso residuo e
concentrarsi nelle parti basse
della camera magmatica).
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1600
Temperatura
1500
1400
1300
1200
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
Undici composizioni di partenza diverse.
Sette temperature.
Un totale di 77 esperimenti.
Risultati?
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% Anortite
Temp
(°C)
1600
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
95
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq+An
Liq+An
Liq+An
1400
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
1350
Liq+Di
Liq+Di
Liq+Di
Liq
Liq
Liq
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
1300
Liq+Di
Liq+Di
Liq+Di
Liq+Di
Liq
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Liq+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
Di+An
1550
1500
1450
1250
1200
1150
1100
1050
1000
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1
Mix 1
Mix 2
Mix 3
Mix 4
Mix 5
2
1600
Temperatura
1500
1400
1300
1200
1100
10
Diopside C1
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Immaginiamo di avere un fuso L0 ad una T = 1600 °C
ed una composizione = C0
(Qual è la percentuale di Anortite di questo fuso?)
Fuso + Di
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Partiamo ora da una diversa composizione: Fuso L1
ad una T = 1600 °C ed una composizione = C1
L1
1600
Temperatura
1500
1400
T1
T2
TE
1300
1200
1100
10
Diopside C1
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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L’intervallo termico di cristallizzazione, per il fuso L0, va da T1
(temperatura di liquidus) a TE (temperatura di solidus).
Dal fuso L0 si ottengono cristalli euedrali (idiomorfi) di
Anortite da T1 a TE
Ad una temperatura corrispondente a TE insieme ad Anortite
inizia la cristallizzazione di Diopside, dando origine ad un
insieme di cristalli non euedrali (allotriomorfi).
Fuso + Di
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Un’eruzione che avviene con una temperatura T del magma
>T1 che tipo di lava origina?
Se il raffreddamento è molto rapido si avrà una
roccia completamente vetrosa.
Per T <T1 la lava avrà una microstruttura porfirica o
vitrofirica (cristalli più grandi immersi in una pasta di
fondo a grana minuta o del tutto vetrosa).
Fuso + Di
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Un magma di partenza a composizione eutettica (CE) in
ambiente intrusivo origina una roccia con microstruttura
AUTOALLOTRIOMORFA = nessun cristallo ha abito
proprio.
(Perché?)
Fuso + Di
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Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con
eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale
0,5 mm
In questo caso si nota un fenocristallo
e una serie di microfenocristalli di
plagioclasio immersi in una pasta di
fondo vetroso-microcristallina
marrone-nera.
In quale situazione ci troviamo?
T0 - T1 - T2 - T3 - TE
A temperature più basse di
T1 ma più alte diTE (prima
della cristallizzazione del
clinopirosseno (Di)
Fuso + Di
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Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con
eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale
In questo caso oltre ai
plagioclasi euedrali-subedrali
(con colore di interferenza
bianco-grigio) si notano anche
una serie di microliti anedrali di
clinopirosseno (Di) (con colori di
interferenza brillanti).
0,5 mm
In quale situazione ci troviamo?
Alla temperatura TE
(insieme al plagioclasio ha
iniziato a cristallizzare
anche il clinopirosseno (Di)
Fuso + Di
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Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con
eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale
Il grosso cristallo di plagioclasio
(Anortite) si è formato
essenzialmente prima dell’arrivo
del liquido al punto eutettico.
In seguito è cresciuto di poco e
si sono formati tutti gli altri
cristalli (altri plagioclasi ed il
clinopirosseno).
0,5 mm
Alla temperatura TE
(insieme al plagioclasio ha
iniziato a cristallizzare
anche il clinopirosseno (Di)
Fuso + Di
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Altri esempi naturali di cristallizzazione:
L’augite (cpx) si forma prima del plagioclasio
Aug
Aug
Aug
Pl
Aug
Aug
Questo è quello che si forma partendo dal lato
sinistro dell’eutettico visto in precedenza
Gabbro proveniente
dallo Stillwater
Complex, Montana
(da J. Winter, 1999)
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Altri esempi naturali di cristallizzazione:
Il plagioclasio si forma prima dell’augite (cpx)
Tessitura ofitica
Dicco di
diabase
(basalto)
Questo è quello che si forma partendo dal lato destro
dell’eutettico visto in precedenza
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
1600
T1
Temperatura
1500
1400
1300
1200
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
1600
1500
Temperatura
T2
1400
1300
Perché il numero di cristalli negli
esperimenti più ricchi in An è
superiore agli altri?
1200
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
T3
1300
1200
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
1300
T4
1200
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Durante la diminuzione di
1600 temperatura da T a T3 (e da T a
2
3
T4) la composizione del liquido
1500 residuo cambia di continuo, mentre
la composizione del solido frazionato
(cristalli formati) resta costante.
T1
Temperatura
T2
1400
T3
TE
1300
Queste frecce gialle indicano come
1200 cambia la composizione del fuso
residuo durante la cristallizzazione.
1100
Diopside
10
30
50
% in peso di Anortite
T4
70
90
Anortite
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura di Liquidus (T1).
Comincia a cristallizzare An.
Temperatura
T1
TE
Da T1 a TE. Cristallizza solo An.
Termina l’ultima goccia di
fuso. Tutto il sistema è
cristallizzato.
TE
Cominciano a
cristallizzare Di +
An
Tempo trascorso dall’inizio del
raffreddamento
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Composizione del solido
(% Plagioclasio)
100% An
75% An
+
25% Di
TE.
Insieme all’An
comincia a
cristallizzare
anche il Di.
Scompare l’ultima goccia
di fuso e la composizione
del solido cristallizato
non varia più.
Tempo trascorso dall’inizio della
cristallizzazione
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CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
L2
LE
Composizione del
Liquido Residuo (%An)
L0 = L 1
Durante il processo di
cristallizzazione il fuso
residuo cambia
continuamente
composizione
Prima dell’inizio
Si raggiunge il
della
punto
cristallizzazione di
eutettico
An, la composizione
del fuso non cambia.
Semplicemente si
raffredda.
Siamo in condizioni di???
Scompare l’ultima
goccia di fuso
Tempo trascorso dall’inizio del
raffreddamento
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Continuamo il discorso sulla cristallizzazione e parliamo della:
CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA
X
Composizione
del liquido
residuo
a T2
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Lustrino.
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La composizione dei liquidi varia con continuità
come nella cristallizzazione all’equilibrio
FRAZIONAMENTO
Il frazionamento (l’allontanamento) dei cristalli che si formano
per temperature decrescenti origina, in questo esempio
semplificato, due tipi di rocce differenti:
- Anortosite (sola anortite)
(in questo esempio roccia con diopside ed anortite)
- Gabbro (o basalto)
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
Immaginiamo di avere un volume iniziale di 100 m3 di
un liquido di partenza a composizione L1.
FRAZIONAMENTO
A T2 avremo ~59 m3 di liquido L2 + ~41 m3 di cristalli
cumulati di anortite.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
Questi 59 m3 di liquido “evoluto” L2 (diverso da L1)
possono solidificare in tre modi:
FRAZIONAMENTO
1) Cristallizzazione perfettamente frazionata; 2) C.
completamente all’equilibrio; 3) entrambe i tipi.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
FRAZIONAMENTO
Perché si verifichi il terzo caso (crist. frazionata +
equilibrio), i 59 m3 di liquido L2 devono essere
separati. Questo può avvenire in camere crostali a
varie profondità nelle quali si raccolgono varie sacche
di magma che possono evolvere in modi diversi.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
La porzione di liquido L2 che solidifica all’equilibrio
avrà una composizione uguale a quella di partenza (L2)
FRAZIONAMENTO
La porzione che solidifica in modo perfettamente
frazionato avrà una composizione LE (+ Anortite pura).
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
Alla fine di questo processo, partendo da un’unica
composizione di partenza (L1) avremo tre rocce:
FRAZIONAMENTO
1) Roccia solo di anortite; 2) Roccia a composizione C2;
3) Roccia a composizione CE.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
FRAZIONAMENTO
Incrementando il numero di passaggi intermedi (es.
L2, L3, L4, LN) potremo avere N rocce, tutte diverse,
formate partendo da un unico “liquido o magma
genitore” + la roccia composta dai cristalli cumulati.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
FRAZIONAMENTO
In pratica i vari tipi di roccia formati saranno in
qualche modo legati ad un unico magma di partenza.
Questa associazione di rocce “legate geneticamente”
è definita SERIE MAGMATICA.
X
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Cerchiamo di capire bene l’importanza del
processo di cristallizzazione frazionata:
In pratica a partire da un solo tipo di magma si
possono ottenere 5 diversi tipi di rocce ignee e 4
diversi tipi di cumulati.
Nove tipi di rocce a partire da un unico magma.
ATTTENZIONE: Ovviamene questo è solo un esempio
altamente semplificativo di processi naturali
estremamente più complessi.
Queste modificazioni nella composizione dei magmi via
via più freddi sono tutte legate a processi di
CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA.
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IN NATURA LA CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA
PREVALE NETTAMENTE SU QUELLA all’EQUILIBRIO
Ad esempio, rimuovendo (frazionando) clinopirosseno,
plagioclasio, olivina e magnetite da un fuso basaltico,
si possono generare tutti i tipi di roccia appartenenti
alla serie tholeiitica:
Serie tholeiitica
picrite tholeiitica
olivin tholeiite
Fonolite
13
11
tholeiite
9
quarzo tholeiite
7
andesite tholeiitica
5
(islandite)
dacite
riolite
Tefrifonolite
3
1
Diagramma
TAS
Trachite
Fonotefrite
Trachi- Trachidacite
andesite
trachiandesite
Tefrite/
BasaniteTrachi-basaltica
Dacite
basalto
AndesiteAndesite
Basaltica
Basalto
Picrobasalto
Foidite
Riolite
SiO2
61
41
57
65
69
73
37
45
49
53
77
Petrografia (Scienze
Geologiche) Michele
Lustrino.
Univ. La Sapienza
A.A. 2016/2017
45 BASICHE
63 Roma
52 INTERMEDIE
ULTRABASICHE
ACIDE
REGOLA della LEVA
- Permette di eseguire una trattazione
quantitativa dei processi.
- Si può conoscere la percentuale del
fuso residuo e, ovviamente, quella del
solido alle varie temperature.
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Durante un processo di cristallizzazione di un liquido L0 , ad una
temperatura leggermente superiore a T1 il sistema è tutto liquido
Il tratto L1 – T1, a destra dell’isopleta, è proporzionale alla quantità di
liquido; a T1 inizia la cristallizzazione (quindi è tutto fuso)
A T2 il solido vale L2 – P (tratto a sinistra dell’isopleta)
1600
Temperatura
1500
@ T2 il solido = 3,9/(3,9 + 5,5) = 41 %
@ T3 il solido = 7,0/(7,0 + 5,5) = 56 %
@ TE il solido = 10,0/(10,0 + 5,5) = 65 %
Solido
L1
Fuso
5,5 cm
3,9 cm
1400
Solido
Solido
TE
10,0 cm
1200
1100
Diopside
T2
T3
7,0 cm
1300
T1
@ TE, il la % di liquido = 100 – 65 = 35%
10
30
50
% in peso di Anortite
70
90
Anortite
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Ora passiamo ad un caso leggermente
più complesso
Sistema Nefelina-Silice
Se si aggiunge SiO2 alla nefelina
cosa si ottiene?
Quindi tra Ne e Qz avremo la formazione di
un minerale intermedio: Ab
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1
23
Composizione
sistema 4 a Tx?
Composizione
sistema 1 a Tz?
Tx
Composizione
sistema 4 a Tz?
Composizione
sistema 2 a Tz?
Composizione
sistema 3 a Tz?
Composizione
sistema 1 a TY?
Composizione
sistema 4 a TY?
TY
TZ Ne + L
Tr + L
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ne
4
Liq1 @TY
Liq1 @Tz
Liq2 @Tz
Ab + Tr
Ab
Liq4 @Tx
Liq3 @Tz
Liq4 @TY
Liq4 @Tz
SiO2
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1
23
4
Evoluzione del
liq1 da T0 a Tz?
Evoluzione del
liq3 da T0 a Tz?
Evoluzione del
liq2 da T0 a Tz?
Evoluzione del
liq4 da T0 a Tz?
TZ Ne + L
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ne
Tr + L
Ab + Tr
Ab
SiO2
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1
4
Composizione
sistema 1 a Tw?
Composizione
sistema 3 a Tw?
Composizione
sistema 2 a Tw?
Composizione
sistema 4 a Tw?
TZ Ne + L
Tw
Ne
23
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ab + Tr
Tutto solido
Ne+Ab
Tr + L
SiO2
Ab
Ab+Ne Ab+Qz
Qz+Ab
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23
Due fusi a composizione simile (liq 2 e 3)
formeranno rocce completamente diverse
Tutti i fusi in questo Tutti i fusi in questo
campo avranno
campo avranno
Ne+Ab
Qz+Ab
Barriera Termica
(insuperabile)
Ne + L
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ne
Tr + L
Cambierebbe qualcosa nella
composizione del fuso
residuo finale in condizione
di frazionamento perfetto?
Ab + Tr
Ab
SiO2
Ab+Ne Ab+Qz
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SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO
PROCESSI di FUSIONE
Come visto nel caso della cristallizzazione, anche il
processo di fusione può avvenire secondo due
modalità estreme:
Fusione
all’EQUILIBRIO
Fusione
FRAZIONATA
(Batch Melting)
(Rayleigh Melting)
Il fuso rimane in
contatto chimico e
fisico con il solido
sorgente per tutto
l’intervallo di fusione.
Il fuso si separa (si
fraziona) dal solido ed è
soggetto ad una sorte
diversa da quella del
solido sorgente.
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
SEMPRE
ATTENZIONE!
Questo è un processo attraverso il
quale da una roccia di partenza (C0)
si produce un liquido a
composizione diversa (CE)
TE
1300
1200
1100
Diopside
Aumento della
temperatura
10
30
CE
50
% in peso di Anortite
70
C0
90
Anortite
Roccia di
partenza
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
SEMPRE
ATTENZIONE!
Questo è un processo attraverso il
quale da una roccia di partenza (C0)
si produce un liquido a
composizione diversa (CE)
TE
1300
1200
1100
Diopside
Aumento della
temperatura
10
30
CE
C0
50
% in peso di Anortite
70
Altra roccia di
partenza
90
Anortite
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
SEMPRE
ATTENZIONE!
Questo è un processo attraverso il
quale da una roccia di partenza (C0)
si produce un liquido a
composizione diversa (CE)
TE
1300
1200
1100
Diopside
Aumento della
temperatura
C0
10
30
CE
50
% in peso di Anortite
Altra roccia
di partenza
70
90
Anortite
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
SEMPRE
ATTENZIONE!
Questo
è uncaso,
processo
attraverso
In questo
le prime
gocce diil
quale
dadi
una
roccia
fuso
tre
roccedidipartenza
partenza(C0)
si produce
un la
liquido
a
diverse
hanno
stessa
composizione
diversa
composizione
(CE) (CE)
TE
1300
1200
1100
Diopside
Aumento della
temperatura
10
30
Aumento della
temperatura
CE
50
% in peso di Anortite
70
Aumento della
temperatura
90
Anortite
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
SEMPRE
All’aumentare della temperatura
cominciano a fondere entrambe i
minerali. Uno dei due scomparirà per
prima. In questo caso il primo minerale
a scomparire è il Diopside.
TE
1300
1200
1100X
Diopside
Aumento della
temperatura
10
30
CE
50
% in peso di Anortite
70
C0
90
Anortite
Roccia di
Solo una volta scomparso tutto il diopside, la
partenza
temperatura del sistema
ricomincerà
a
salire.
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
Dal momento che, una volta scomparso
La prima goccia tutto il diopside, alla composizione del
di fuso di un
fuso contribuisce solo l’anortite, la
solido C0 ha
composizione del fuso comincia a
composizione =
variare e si arricchisce sempre di più in
CE
An.
SEMPRE
TE
1300
1200
1100X
Diopside
T1
Aumento della
temperatura
10
30
CE
50
% in peso di Anortite
70
C0
90
Anortite
Roccia di
Solo una volta scomparso tutto il diopside, la
partenza
temperatura del sistema
ricomincerà
a
salire.
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
1600
Temperatura
1500
1400
Quale sarà la composizione del
liquido a T1?
La prima goccia
di fuso di un
solido C0 ha
composizione =
CE
Quale sarà la composizione del
solido residuo a T1?
SEMPRE
T1
TE
1300
1200
1100X
Diopside
T2
Aumento della
temperatura
10
30
CE
50 C
1
% in peso di Anortite
70
C0
90
Anortite
Roccia di
Solo una volta scomparso tutto il diopside, la
partenza
temperatura del sistema
ricomincerà
a
salire.
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FUSIONE all’EQUILIBRIO
Quale sarà la composizione del liquido a T2?
A T2 il fuso avrà la stessa
composizione della roccia di
partenza C0.
Temperatura
Lacondizioni
prima goccia
In
di equilibrio,
1600
di fuso di di
un fusione
il processo
solido C0 ha
termina
(è totale) quando
composizione =
la
1500 il fuso raggiunge
CE
composizione del solido di
SEMPRE
partenza.
T2
1400
T1
1300
TE
1200
1100X
Diopside
Aumento della
temperatura
10
30
CE
50 C
1
% in peso di Anortite
70
C0
90
Anortite
Roccia di
Solo una volta scomparso tutto il diopside, la
partenza
temperatura del sistema
ricomincerà
a
salire.
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2016/2017
Fusione parziale
Esempio di
fusione parziale
di una sorgente
bi-mineralica.
Fuso parziale
Anortite
Diopside
(solo Anortite) Solido
residuo
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Tutti i sistemi iniziano a fondere alla temperatura TE del loro
minimo termico: l’EUTETTICO
Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica CE
La fusione termina a T = T2 (Fusione del 100% della
roccia di partenza) quando il liquido raggiunge la
composizione del solido iniziale C0
ATTENZIONE:
1600
Temperatura
1500
In natura non avviene mai la fusione totale di
un protolito (roccia di partenza).
1400
1300
1200
1100
Diopside
Le percentuali di fusione massima sono
~40%.
genere
NotateInbene
chenon
in superano il 10-15%.
natura non si verificano
mai fusioni del 100% !!!
Al massimo si verificano
fusioni dell’ordine del 2030%. Solo raramente si
raggiunge il 40-50%
10
30
50
C
C1
% in pesoEdi Anortite
70
C0
T2
T1
TE
90
Anortite
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Facciamo un altro esempio:
1600
Temperatura
1500
1400
Questa volta la prima fase a scomparire è
l’anortite.
Scomparsa l’anortite, il fuso prodotto
comincia a cambiare di composizione e si
sposta in direzione di C0.
1300
1200
1100
Diopside
(La prima goccia di fuso ha
sempre una composizione CE)
Aumento della
temperatura
10
Roccia di
partenza
C0
30
CE
50
% in peso di Anortite
70
TE
X
Anortite
90
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Facciamo un altro esempio:
1600
Temperatura
1500
Quando il fuso avrà raggiunto la
composizione del solido iniziale allora il
processo di fusione TOTALE sarà
terminato.
1400
1300
1200
1100
Diopside
(La prima goccia di fuso ha
sempre una composizione CE)
Aumento della
temperatura
10
Roccia di
partenza
C0
30
CE
50
% in peso di Anortite
70
TE
X
Anortite
90
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Partiamo da una roccia composta al 90% da
plagioclasio e 10% di clinopirosseno.
1600
Temperatura
1500
Qual è la composizione del fuso prodotto a TE?
Qual è la composizione del fuso prodotto a T1?
Qual è la composizione del fuso prodotto a T2?
T2
1400
T1
1300
TE
1200
1100
Diopside
10
30
CE
50
C1
% in peso di Anortite
70
C2
90
Anortite
Roccia di
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. partenza
La Sapienza Roma A.A. 2016/2017
Due rocce a composizione simile (1 e 2)
formeranno le prime gocce di fuso a
composizione completamente diverse
Tutti i fusi in
questo campo
saranno sottosaturi
in SiO2
Ne + L
Tutti i fusi in
questo campo
saranno sovrasaturi
in SiO2
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ne
Tr + L
Ab + Tr
Ab
SiO2
12
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Le temperature di eutettico dei due
sottosistemi sono diverse
Sistema Ne-Ab
Sistema Ab-SiO2
Tr + L
Ne + L
Ab + L Ab + L
Ne + Ab
Ne
Ab + Tr
Ab
SiO2
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FUSIONE FRAZIONATA
La roccia di partenza Una volta scomparso il
continua a fondere
diopside, cosa resta da
(fondono entrambe,
far fondere?
sia il diopside che l’anortite).
Ad un certo punto una delle
due fasi finirà.
A che Temperatura fonde l’Anortite?
Il fuso scompare. Se la T aumenta, il fuso
ricompare solo a TAn.
X
Che composizione avrà questo fuso?
Questo fuso CE lascia il sistema.
Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà
generare
un solido della stessa composizione (CE).Roma A.A. 2016/2017
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FUSIONE FRAZIONATA
Alla fine del processo di fusione frazionata
avremo due fusi completamente diversi:
Uno a composizione CE ed un altro di
Anortite pura.
X
Questo fuso CE lascia il sistema.
Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà
generare
un solido della stessa composizione (CE).Roma A.A. 2016/2017
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In natura la fusione parziale è di tipo
intermedio tra quella all’equilibrio e quella
frazionata.
Il fuso, più leggero del solido, tende a risalire
spontaneamente e quindi tende a frazionare
(allontanarsi) dal solido. Questo
allontanamento, tuttavia, non si verifica se il
quantitativo di fuso è molto basso (<<1%).
In genere le rocce alcaline sono generate per
gradi di fusione parziale di 1-5% da un
mantello peridotitico, mentre per le rocce
subalcaline (es. MORB) f può arrivare a 10-20%
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Fusione parziale
In natura è molto comune che solo l’1-20% di una
roccia fonda, questo perchè il processo di fusione
richiede molta energia.
Il risultato è che i minerali che fondono sono
soprattutto quelli che hanno un punto di fusione più
basso.
Ad esempio, in una peridotite [roccia composta da olivina
(forsterite), ortopirosseno (enstatite), clinopirosseno
(diopside) e plagioclasio/spinello/granato], i minerali a
più basso grado di fusione sono (in ordine di Tf
crescenti): clinopirosseno, plagioclasio/spinello/granato,
ortopirosseno, olivina.
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Fusione parziale
Questo vuol dire che la parte della
roccia che fonde non rappresenta tutta
la roccia. Il risultato è che i fusi parziali
hanno composizioni differenti rispetto
alle sorgenti.
Questo equivale a dire che la
fusione parziale è un processo
di differenziazione.
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Fusione parziale
Sia che avvenga in condizioni di equilibrio,
che in condizioni di disequilibrio, il processo
di fusione parziale è un processo di
differenziazione (produce un fuso a
composizione diversa dal solido di
partenza).
Questo equivale a dire che la
fusione parziale è un processo
di differenziazione.
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Ritorniamo all’esempio visto in precedenza:
Temperatura
A partire da un certo solido si formano tre tipi di fusi a tre
temperature diverse (CE, C1 e C2)
1600 Questi tre fusi possono parzialmente abbandonare il
sistema. A seconda del tipo di raffreddamento,
potranno generare tre tipi di rocce diverse (per
1500
T2
cristallizzazione all’equilibrio) oppure un numero
molto elevato di rocce (per cristallizzazione
1400
frazionata).
T1
TE
1300
1200
1100
Diopside
10
30
CE
50
C1
% in peso di Anortite
70
C2
90
Anortite
Roccia di
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. partenza
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Quindi è possibile dire che:
Partendo da una roccia, i processi di fusione
(parziale) e di successiva cristallizzazione
(frazionata) possono portare ad un numero molto
1600
elevato di diversi tipi di rocce ignee.
Temperatura
1500
Da una sola roccia sorgente si possono
ottenere molte rocce derivate.
T2
1400
T1
1300
TE
1200
1100
Diopside
10
30
CE
50
C1
% in peso di Anortite
70
C2
90
Anortite
Roccia di
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. partenza
La Sapienza Roma A.A. 2016/2017
1600
Cosa succede se
aumenta la pressione?
1 GPa (pressione secca)
1500
Ci vorrà più o meno
energia per far
fondere una roccia?
1400
T (°C)
1300
1200
1100
1000
Di
1 atm (0,1 MPa)
Non cambia solo la
temperatura di
fusione, ma varia
anche il campo di
stabilità dei minerali.
20
40
60
80
La temperatura di
eutettico sarà quindi
più alta o più bassa
rispetto ad 1 atm?
Con l’aumentare della P
il campo di stabilità del
plagioclasio aumenta o
diminuisce?
An
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1600
1 GPa (pressione secca)
1500
1400
1300
T (°C)
1 atm (0,1 MPa)
Se il campo di stabilità
di una fase diminuisce,
allora la composizione
del fuso si arricchisce
in quel componente.
1200
1100
1000
Di
La composizione di un
fuso parziale ad elevate
pressioni sarà più ricca
o più povera nella
componente anortitica
rispetto ad un fuso
generato ad 1 atm?
20
40
60
80
An
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1600
…E cosa succede se
aumenta il contenuto
d’acqua nel sistema?
1 GPa (pressione secca)
1500
1400
1300
T (°C)
1 atm (0,1 MPa)
1200
1100
1000
Di
1 GPa (pressione H2O)
20
40
60
80
Ci vorrà più o meno
energia per far
fondere una roccia?
In condizioni di elevata
PH2O il campo di stabilità
del plagioclasio aumenta
o diminuisce?
Cosa succede ad un
fuso che si raffredda a
differenti pressioni e
An contenuti di volatili?
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1600
Ad elevate P anidre
quale sarà la fase di
liquidus di questo fuso?
1 GPa (pressione secca)
1500
1400
1300
T (°C)
1 atm (0,1 MPa)
A basse P quale sarà la
fase di liquidus di
questo fuso?
1200
1100
1000
Di
1 GPa (pressione H2O)
20
40
60
80
Ad elevate P idrate
quale sarà la fase di
liquidus di questo fuso?
An
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1600
In quali casi geologici si
possono verificare
condizioni di elevata
pressione d’H2O?
1 GPa (pressione secca)
1500
1400
1300
T (°C)
1 atm (0,1 MPa)
1200
1100
1000
Di
1 GPa (pressione H2O)
20
40
60
80
In condizioni di elevata
pressione d’H2O il fuso
residuo si arricchirà o
impoverirà in Al2O3?
Gli HAB (High-Alumina
Basalts) si formano in
zone di subduzione.
An
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2016/2017
Fusione parziale
I fusi parziali sono sempre più acidi (più ricchi
in SiO2) e meno femici (più poveri in MgO)
delle loro sorgenti:
Una peridotite di mantello (SiO2 ~40%; MgO
~40%) può fondere generando basalti (SiO2
~50%; MgO ~10%);
Un basalto può fondere generando daciti
(SiO2 ~60%; MgO ~2%) e rioliti (SiO2 ~70%;
MgO ~0,5%).
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Credits
Alcune figure e schemi da:
J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous Petrology
Press, Siever, Grotzinger, Jordan – Understanting
Earth
Tarbuck e Lutgens – An introduction to physical
geology
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Ogni anno cerco di migliorare la qualità della presentazione ed aggiungo
nuove informazioni. Cercate quindi su internet di scaricare sempre la
versione più aggiornata di queste slides.
Per commenti, chiarimenti o informazioni su queste slides:
[email protected]
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2016/2017