3) composizione chimica del magma

Il magma
Il processo magmatico
comprende la formazione di tutte le rocce la cui genesi è guidata dal raffreddamento di masse di materiale fuso a profondità massime di 30‐40 km.
I magmi possono provenire dal sottostante mantello oppure si possono formare direttamente nella crosta per fenomeni di anatessi (=fusione) crostale.
I magmi sono materiali naturali allo stato fuso che possono contenere una quantità variabile di componenti volatili e cristalli.
Magma = liquido + solido + fluido
Per oltre il 99,99% in volume, i fusi sono a composizione allumino‐silicatica e raggiungono temperature massime di circa 1250 ºC.
Quando il magma raggiunge la superficie terrestre si verifica un’eruzione vulcanica. Il magma perde gran parte dei volatili e si trasforma in lava (se l’eruzione è effusiva) o piroclastite (se l’eruzione è esplosiva).
Il magma può anche non raggiungere mai la superficie.
Velocità di risalita dei magmi?
~100 km/h
~0.02‐4 km/h
0 km/h
il magma non raggiunge la superficie
Solo il 10‐20% del magma raggiunge la superficie
Magmi a bassa viscosità e alto contenuto di CO2
Ogni anno sono prodotte ~70‐90*109 tonnellate di magma (~25‐35 km3)
Nei magmi sono presenti pressoché tutti gli elementi esistenti nella Terra. Alcuni di questi rappresentano la cosiddetta componente volatile, vale a dire i gas disciolti nella fase fusa.
I magmi, dopo la solidificazione, daranno origine a rocce:
Ultrabasiche SiO2 <45%
Basiche
45% <SiO2 <52%
Intermedie 52% <SiO2 <63%
Acide SiO2 >63%
Nell’analisi chimica di una roccia, gli elementi più abbondanti vengono espressi in ossidi:
Si ‐> SiO2
Ti ‐> TiO2
Al ‐> Al2O3
Fe ‐> FeO oppure Fe2O3
Mn ‐> MnO
Mg ‐> MgO
Ca ‐> CaO
Na ‐> Na2O
K ‐> K2O
P ‐> P2O5
Questi sono i principali costituenti del magma in termini di elementi maggiori espressi in percento in peso (wt.%).
La componente volatile del magma (oppure i volatili del La componente volatile del magma (oppure magma) sono costituiti per la massima parte (>95%) da:
H2O (acqua), CO2 (anidride carbonica), CO (monossido di carbonio), SO2 (anidride solforosa), H2S (acido solfidrico),
H2 (idrogeno), S (zolfo), O (ossigeno) Le abbondanze di questi gas cambiano in funzione della composizione chimica del magma in termini di elementi maggiori.
L’ H2O (wt.%) e la CO2 (ppm = 0.00001 wt.%) sono di gran lunga i volatili più abbondanti disciolti nei magmi.
Mole fraction (frazione molare) =
Mole di un gas di interesse diviso la somma delle moli totali di tutti i gas considerati (H2O + CO2 + CO + H2S + S2 + SO2 + H2)
La COMPONENTE VOLATILE dei magmi
I volatili esercitano un ruolo fondamentale nella generazione, evoluzione ed modalità eruttiva dei magmi.
In particolare l’H2O influisce su:
1. Temperatura alla quale una roccia comincia a fondere;
2. Temperatura alla quale un magma comincia a formare cristalli;
3. Viscosità dei magmi;
4. Tipi di minerali che si formano dai magmi;
5. Tipo di eruzione magmatica (quindi pericolosità di un vulcano).
Ad elevate pressioni i volatili possono essere disciolti nella fase fusa dei magmi.
Quando la pressione diminuisce (es. quando il magma si avvicina alla superficie), i volatili essolvono dal magma (si liberano formando una fase separata).
ATTENZIONE: l’acqua è un fluido, invece il magma è un fuso. L’acqua interagisce con il magma in 2 modi: 1) Resta disciolta nel magma. Il magma è sottosaturo di H2O. Pmagma > PH2O
2) Si essolve dal magma e forma bolle di gas. Il magma è saturo o sovrasaturo di H2O. Pmagma = PH2O Tonnellate di CO2/giorno
Etna
Solfatara
>44mila Solfatara
Ischia
Ton/giorno!
Stromboli
Pantelleria
(15 milioni di Ustica
Vulcano automobili)
Colli Albani
La concentrazione di H2O in un magma è
funzione di:
% CO2 in fuso riolitico
La solubilità di H2O è la concentrazione di acqua in assenza di altri volatili.
% H O in fuso riolitico
2
Da: De Vivo et al., 2005 (Episodes, 1, 19
‐24)
1. Pressione;
2. Composizione del magma;
3. Composizione dei minerali che si formano;
4. Temperatura;
5. Presenza di un altro volatile.
STRUTTURA DEI FUSI SILICATICI
I silicati sono minerali costruiti dall’unione di unità tetraedriche [SiO4]4‐ che rappresentano
i mattoni delle strutture.
Silicio
Ossigeno
Si = 4+
O = 2‐ (quindi 4 ossigeni = 8‐)
Sommando (4+) con (8‐) si ottiene una valenza del gruppo anionico = 4‐
Struttura fuso silicatico vs. Struttura minerale di quarzo Un fuso silicatico è organizzato, come i minerali, in una sequenza di strutture ordinate, come per esempio tetraedri di silice).
A differenza dei minerali, nei fusi silicatici queste strutture ordinate non si ripetono regolarmente nello spazio.
Un fuso che possiede unità tetraedriche collegate tra loro dagli ossigeni ponte si dice fuso polimerizzato. Queste singole unità non si muovono liberamente perché soggette ad un notevole attrito interno.
L’attrito tra le singole unità tetraedriche rende il magma molto VISCOSO. Ovvero, il magma ha una elevata resistenza allo scorrimento inteso come una variazione di pressione interna nel tempo (Pressione*tempo = Pa*s = Poise). H2O (vapore) + O (fuso) = 2OH‐ (fuso)
questa è una reazione di idrolisi che spiega la dissoluzione dell’acqua nei fusi.
Il gruppo ossidrile OH‐ ha una sola valenza negativa e non due come l’ossigeno ponte.
Questo permette il distacco di due tetraedri adiacenti (effetto de‐
polimerizzante).
Ossigeno
ponte
La viscosità aumenta se:
1‐ Aumenta la silice 2‐ Aumenta la pressione
3‐ Diminuisce la temperatura
4‐ Diminuisce l’acqua
Alla fine di un processo di raffreddamento i magmi possono:
VETRIFICARE
Trasformarsi in vetri
= masse solide amorfe senza fasi cristalline.
CRISTALLIZZARE
Formare cristalli = sostanze che hanno un preciso ordinamento strutturale. I cristalli possono avere dimensioni anche molto variabili.
CRISTALLIZZARE e VETRIFICARE
Solidificare formando sia cristalli che vetro.
Parametro che fa la differenza:
Sottoffreddamento
Questo parametro rappresenta la differenza tra la temperatura di inizio solidificazione di una sostanza (detta anche temperatura di LIQUIDUS) e una qualunque temperatura inferiore a quella di liquidus.
La solubilità dell’acqua in un magma diminuisce con la pressione
A pressione costante, se l’acqua in un magma aumenta, la regione di “melt o fuso” aumenta.
A temperatura costante, se la pressione diminuisce, il contenuto di acqua diminuisce, la regione di “melt o fuso”
diminuisce. H2O
P
Il magma può ristagnare in superficie all’interno di rocce incassanti (rocce che ospitano il magma nelle loro fratture e/o pori).
Le porzioni di magma al contatto con la roccia incassante si raffreddano più
velocemente delle porzioni di magma lontane dall’incassante.
Il raffreddamento del magma è veloce al momento del contatto tra magma e roccia incassante.
Ma nel tempo il raffreddamento del magma diventa sempre più lento perchè parte del calore del magma si trasferisce alla roccia incassante.
Un magma che arriva in superficie come lava si raffredda molto più
velocemente di un magma che ristagna in profondità
all’interno di una roccia incassante.
Ma sotto la crosta superficiale, la lava può rimanere fusa e fluire per chilometri
La lava può continuare a fluire in canali sotterranei per giorni, mesi e anni!!!
Ristagno del magma in superficie, oppure eruzione di lava, oppure contatto con le rocce incassanti = Scambio di calore = Sottoraffreddamento per diminuzione di temperatura!!!
Se il sottoraffreddamento aumenta, allora la cristallizzazione avviene ad una temperatura sempre più bassa rispetto alla temperatura di liquidus. Anche il momento in cui avviene la cristallizzazione è
ritardato (posticipato) nel tempo.
Increasing
ΔT and t
La NUCLEAZIONE è il passaggio iniziale critico nello sviluppo di un cristallo.
Per una certo valore di pressione, ci sarà una temperatura alla quale cominceranno a formarsi i primi proto‐nuclei (aggregati di atomi ordinati nello spazio). I proto‐nuclei possono diventare un nucleo di un cristallo che poi inizia a crescere.
Proto-nucleo
Nucleo
Crescita di un
cristallo
Energia della nucleazione
Il sottoraffreddamento abbassa la soglia minima di energia richiesta per formare dei proto‐nuclei. In altre parole, il sottoraffreddamento favorisce la nucleazione.
Sottoraffreddamento (°C)
Un magma può quindi dare origine ad una roccia con (1) xls solo piccoli (microliti), (2) xls solo grandi (fenocristalli), (3) xls grandi, medi (microfenocristalli) e piccoli, e (4) senza xls ma una roccia che è un vetro amorfo.
Spesso i magmi si raffreddano secondo due o più velocità di sottoraffreddamento che, in natura, non diminuisce linearmente nel tempo.
4
1 = fenocristalli (L > 0.3 mm);
2 = fenocristalli e microfenocristalli (0.1 < L < 0.3 mm);
3 = fenocristalli, microfenocristalli e microliti (L < 0.1 mm);
4 = vetro
Caso 1 (sottoraffreddamento lento) = Ambiente plutonico (intrusivo)
4
Caso2 (sottoraffreddamento intermedio) = Ambiente ipoabissale Caso3 (sottoraffreddamento veloce) = Ambiente vulcanico
Caso4 (sottoraffreddamento veloce) = Ambiente vulcanico
1 = fenocristalli (L > 0.3 mm);
2 = fenocristalli e microfenocristalli (0.1 < L < 0.3 mm);
3 = fenocristalli, microfenocristalli e microliti (L < 0.1 mm);
4 = vetro
Caso 1 (sottoraffreddamento lento) = Ambiente plutonico o intrusivo.
Caso2 (sottoraffreddamento intermedio) = Ambiente ipoabissale Caso3 (sottoraffreddamento veloce) = Ambiente vulcanico
Caso4 (sottoraffreddamento veloce) = Ambiente vulcanico
La cristallizzazione di un magma è controllata da 5 parametri fondamentali 1)TEMPERATURA (T)
2) PRESSIONE (P)
3) COMPOSIZIONE CHIMICA DEL MAGMA (X)
(espressa come frazione molare dei suoi componenti, ad esempio XSiO2 = (wt.% SiO2) / (wt.% SiO2 + Al2O3 + FeO + MnO + MgO + CaO + Na2O + K2O + P2O5)
4) CONTENUTO DI VOLATILI (XH2O)
(espressa come frazione molare del singolo gas diviso la somma dei gas totali presenti nel sistema, ad esempio XH2O = (wt.% H2O) / (wt.% H2O +CO2 + CO + H2S + H2 + S2 + SO2)
5) FUGACITA’ DI OSSIGENO (fO2)
(ovvero la pressione parziale prodotta dalle molecole di ossigeno, O2, che reagiscono chimicamente con il fuso silicatico, il minerale che cristallizza ed i volatili che sono disciolti nel magma)
T , P, X, XH2O, fO2 si definiscono variabili INTENSIVE perchè sono indipendenti dalle dimensioni del sistema chimico in cui avviene la cristallizzazione del magma
Massa (m) e volume (V) si definiscono variabili ESTENSIVE perchè dipendono dalle dimensioni del sistema chimico in cui avviene la cristallizzazione del magma
Anche la densità () è una variabile INTENSIVA perchè è il rapporto di 2 variabili estensive (massa/volume)
2 camere magmatiche di dimensioni diverse possono esistere alle stesse condizioni di P e T. Le camere magmatiche possono contenere diverse quantità di magma in termini di m e V. Ma la  del magma può rimanere la stessa.
m1
V1

m2
V2

Camera magmatica = Sistema chimico