Cosa è un vulcano? Un vulcano è una spaccatura sulla superficie della Terra attraverso la quale sono emessi magma, gas ad esso associato e la cenere ( frammenti piroclastici). Per vulcano si intende la zona da cui il magma fuoriesce, non dove si forma, quindi il vulcano ha profondità variabile. La camera magmatica, oppure “reservoir” è un insieme di fratture riempite di magma. Struttura Interna ο· Zona di Accumulo del magma ( reservoir o camera magmatica) ο· Zona di risalita ( condotto vulcanico) ο· Punto di uscita del magma ( bocca eruttiva) Le forme dei vulcani La forma di un vulcano è condizionata dallo stile e dal numero delle sue eruzioni, da fenomeni dovuti a instabilità gravitative ( frane o crolli) e a fenomeni erosivi. La pendenza è indice del tipo di attività: -Pendenza Dolce, indice di attività effusiva -Pendenza Acclive, indice di attività esplosiva ( specie nelle depressioni e nelle caldere) La caldera ( ampia conca / depressione) è generata dal collasso a seguito dell’eruzione e dello svuotamento della camera magmatica: la roccia collassa verso l’interno grazie a un sistema di faglie. Cos’è il magma? Roccia fusa o in fusione parziale per fenomeni naturali. Capace di intrudersi per formare plutoni o estrudere per generare eruzioni. Può contenere fasi solide e/ o gas. Ha la stessa composizione delle rocce che conosciamo ed è capace di scorrere, intrudersi od estrudersi. Spesso la fase solida è costituita da frammenti delle rocce incassanti Dove si trovano i Vulcani? La maggior parte dei vulcani sono di tipo fessurale e sono sommersi ( trattasi delle dorsali oceaniche) Si trovano ai bordi delle placche: - Divergenti: formano dorsali medio oceaniche e rift oceanici - Convergenti: formano archi vulcanici - Trasformi Si trovano anche all’interno delle placche: vulcani ad Hotspot. Come si forma il magma? Si forma per diminuzione di pressione, aumento della temperatura, variazioni di composizione. Ad ogni composizione corrisponde un punto sulla curva di Liquidus/Solidus. Il modo più semplice per facilitare il processo di fusione di una roccia è intrudere un fluido, come l’acqua, che ha la caratteristica di abbassarne il punto di fusione. Il processo è descritto dall’equazione di Claypero: π βπ» = π πβπ In cui T= temperatura, P= pressione, H=entalpia, V= volume. A temperatura costante la variazione di entalpia è sempre maggiore di zero. - Se T/P è >0, allora βπ è positivo: La sostanza fondendo aumenta di volume, come nel caso del magma. Infatti la densità del magma è minore di quella della roccia e tende a risalire in superficie per galleggiamento generando l’eruzione. - Se T/P è <0 allora βπ è negativo: la sostanza fondendo diminuisce di volume come nel caso dell’acqua. Curve di solidus e geoterma La geoterma è la curva che illustra come P e T cambiano in funzione alla profondità. La peridotite anidra rappresenta la composizione media del mantello, in quanto non contiene acqua. Per cui se vi sono condizioni particolari, cambia la curva di solidus Fusione per decompressioneο T=costante Se il magma risale molto velocemente, quindi in maniera adiabatica, si avrà variazione di P e il magma salirà per moti convettivi Effetto delle specie volatiliο idratazione Se dei fluidi attraversano una roccia all’equilibrio, essa varia la composizione e si abbassa il punto di fusione, quindi fonde, modificandone la curva di liquidus/ solidus Fusione per trasferimento di caloreο P=costante Se aumento la temperatura della roccia, ovvero la scaldo, essa interseca la curva di solidus e fonde. Processi di fusione e ambienti tettonici ο· Situazione normale: nessuna fusione ο· Dorsale medio oceanica: fusione per riscaldamento+decompressione; se per processi covettivi essa risale in superficie in maniere adiabatica essa fonde. ο· Hotspot: fusione per riscaldamento; per scaldare la roccia posso parlare di anatessi, che porta alla formazione di plutoni in zone continentali di hotspot. L’anatessi è la risalita di magmi molto profondi, detti diapiri, che scaldano e fondono la roccia. Processo che riguarda solo il magma della crosta. ο· Arco vulcanico: fusione per riscaldamento+idratazione. Essendo in una zona di subduzione, in caso di idratazione la crosta oceanica (pesante) ricca di acqua subduce al di sotto quella continentale. Man mano che la SLAB scende aumenta la pressione ed essa perde i fluidi, che risalgono e idratano le rocce, causandone la fusione. La fusione di un corpo roccioso La migmatite è una roccia ibrida, in parte ignea e in parte metamorfica. Si forma a grande profondità nella crosta terrestre, quando la temperatura delle rocce metamorfiche qui esistenti è così alta da innescare il processo di fusione parziale, detto anatessi. La roccia fonde a contatto tra minerali diversi, quindi punti in cui la fusione è minima. I minerali puri ( molto rari) hanno temperature di fusione altissime. Una roccia è permeabile se il fluido ( magma) occupa il 20% e riesce a scorrere e uscire dalla roccia. La restante parte 80% è composta da roccia solida (cristalli) Proprietà dei magmi Il magma è una roccia fusa con composizione spesso silicatica o raramente carbonatica. La natura multifase del magma Le rocce vulcaniche ci aiutano a comprendere la natura del magma. Il magma spesso è costituito da più fasi: - Una fase liquida: di composizione silicatica o carbonatica. È sempre presente ed è roccia silicatica o carbonatica fusa. - Una o più fasi cristalline. - Una fase gassosa: bolle di gas. La porzione tra le fasi è estremamente variabile. La scoria è un frammento di roccia raffreddatasi velcemente. Porzione vetrosa con cristalli e cavità al suo interno. Si genera per effetto dell’esplosione della bolla di gas che risale ( regime di slug flow) e frantuma la porzione di magma sommitale che si stava raffreddando. Proprietà dei magmi e composizione La composizione del magma corrisponde a quella della roccia totale La roccia totale è formata da: - Cristalli - Massa fondamentale: è la matrice, che può essere vetrosa o microcristallina - Vetro Per analizzare la composizione di una roccia effusiva non si osservano cristalli ma la roccia viene sbriciolata e analizzata dal punto di vista chimico. Si utilizza il diagramma TAS, che ha come variabili la percentuale in alcali e in silice. La silice ha un tenore dal 37% a oltre il 70%. Non sempre è possibile utilizzare la composizione mineralogica per analizzare una roccia perché spesso le rocce sono totalmente o parzialmente vetrose. A volte la roccia contiene piccoli cristalli che si sono formati ma che non si trovano, dopo l’eruzione, in condizione di equilibrio. I componenti volatili Sono molecole che si trovano in condizione gassosa, solo a pressioni atmosferiche. Esse sono in ordine di abbondanza: H2O, CO2, SO2, HS, floruri, cloruri e gas nobili. Possono restare disciolti nel magma (le molecole sono disperse nella fase liquida), entrare nella struttura cristallina o formare bolle di gas. Tali gas provengono da rocce incassanti o dalla zona di subduzione. Specie volatili nei magmi basaltici I magmi basaltici sono primitivi per cui sono poveri in silice. La composizione varia in base alle caratteristiche tettoniche della zona di formazione. Notare che il 7% di H2O è un valore altissimo. La percentuale di cloro Cl è ancora più bassa di quella dell’acqua. Il cloro è derivato dalla crosta, e nei MORB ( basalto delle dorsali) la percentuale è veramente minima in quanto nelle dorsali non è praticamente presente la crosta oceanica. Specie volatili nei magmi sialici ( vulcani ad arco) In genere l’H2O va da un minimo del 3% della percentuale in peso, la CO2 risulta essere pochissima. Caratteristiche opposte a quelle dei MORB. Variazione del contenuto in S (zolfo) in funzione di H2O e CO2. I magmi silicei sono meno ricchi in zolfo dei basaltici. Prorpietà dei magmi: temperatura La temperatura eruttiva è molto variabile in base alla composizione chimica. Basalti: 950/1250 ο· Temperatura di liquidus: 1200/ 1250, al di sopra è tutto liquido ο· Temperatura di solidus: 950/1000 al di sotto è tutto solido Rioliti: 650/1050 ο· Temperatura di liquidus: 1050 ο· Temperatura di liquidus: 650/750 Proprietà dei magmi: densità Dipende dalla composizione, dalla pressione e dalla temperatura: - Se aumento la temperatura, la densità diminuisce - Se aumento la pressione la densità aumenta Il gas non è incluso nel calcolo della densità. Se aumento il contenuto di H2O la densità diminuisce. I magmi risalgono nella crosta perché sono meno densi del mantello e della crosta stessa. La tettonica agevola l’eruzione. La risalita è più veloce nel mantello, perché la differenza di densità è più alta. Proprietà dei magmi: diffusività La diffusività è la velocità con cui le molecole di gas si movono nel magma. Reologia dei magmi La viscosità è la misura della resistenza di un fluido alla deformazione. Il magma è molto viscoso: la densità è mille volte maggiore di quella dell’acqua. La velocità di scorrimento è influenzata dalla densità che dipende dalla struttura interna del magma. Se un fluido poco viscoso viene sottoposto a stress di taglio, esso si deforma molto facilmente. Esistono dei fluidi come l’acqua in cui la deformazione di taglio è costante nel tempo: essi sono detti fluidi Newtoniani, come l’acqua. Gli altri fluidi, detti non Newtoniani, hanno come viscosità una curva con pendenza variabile come il dentifricio o l’amido di mais. Ricapitolando I magmi si classificano in base al contenuto di ossidi: - Maggiori (wt>1): SiO2, MgO, CaO, FeO, Fe2O3, Na2O, K2O, TiO2, TiO2, P2O3, H2O. - In tracce (wt<1): CO2, S, St, PbO. Per la classificazione si usano SiO2 e K2O+Na2O ( elementi TAS). La cristallizzazione avviene attraverso la serie di Bowen: - Basalto: ricco di olivina e pirosseno. - Riolite: ricca in quarzo e sanidino. L’anfibolo per cristallizzare necessita della presenza di H2O nel magma dato che nella struttura troviamo lo ione ossidrile OH-. Viscosità dei magmi Controllata dalla temperatura (inversamente proporzionale); contenuto in silice (direttamente proporzionale); contenuto di H2O ( inversamente proporzionale); contenuto in alcali ( inversamente proporzionale); pressione ( direttamente proporzionale). I magmi sono viscosi perché contengono legami in silice anche allo stato liquido. L’H2O e il Ca rompono tali legami, rendendo il magma meno viscoso e più fluido. Quindi: - Basalto: poca SiO2, quindi poco viscoso. - Riolite: molta SiO2, quindi molto viscoso. οΆ La temperatura abbassa l viscosità perché allontana gli atomi dalle molecole οΆ L’acqua nella catena silicatica forma ioni OH- e fa diminuire la viscosità, la viscosità aumenta in maniera non lineare con la perdita di H2O. A poca SIO2 corrispondono pochi legami da rompere, quindi: - Nel basalto basta poca acqua - La riolite necessita di molta H2O a causa del contenuto in SIO2 e quindi dell’elevato numero di legami οΆ In un fuso magmatico la viscosità si misura con una relazione del tipo: π΅ ππππ = π΄ + π(πΎ ) − πΆ Dove B e C sono parametri che dipendono dalla composizione del fuso e A rappresenta la viscosità minima del fuso, se la temperatura è altissima la viscosità è pari alla viscosità minima A. Viscosità dei magmi: contributo dei cristalli La viscosità aumenta con la presenza dei solidi. Valore soglia: il magma ha comportamento solido, quindi vi è presenza di cristalli tra il 60% e l’80%, questo porterà alla formazione di dicchi. La relazione è complessa: la viscosità cambia con la concentrazione, la forma, la distribuzione e il tasso di shear: - Con cristalli grandi - Con cristalli piccoli Il magma con un contenuto in cristalli inferiore del 20% è in fluido Newtoniano, caratterizzato quindi da un grafico lineare: questo perché i cristalli non entrano in contatto. Viscosità nei magmi: contributo delle bolle Il contributo delle bolle diminuisce se aumenta la pressione. Le bolle hanno una loro energia interna di equilibrio, quindi in assenza di stress sono tonde. Se il magma e quindi le bolle, sono sottoposte a stress, esse si deformano in funzione del numero di capillarità: - Raggio piccolo: capillarità bassa, le bolle restano sferiche avendo comportamento solido e aumentando la densità; - Raggio grande: le bolle sono facilmente deformabili e la viscosità diminuisce. ππΆπ = π ππ πΎ π π = π‘πππ ππππ π π’ππππππππππ π = ππππππ πππππ πππππ πΎ = π‘ππ π π ππ π βπππ ( π‘πππππ) π = ππ’ππππ π£ππ πππ ππ‘à La viscosità relativa è pari a: π πππππ‘ππ£π = π πππ πππππ π π πππ§π πππππ La vescicolarità è la percentuale in volume delle bolle nel fluido. Risalita e accumulo dei magmi Risalita dei magmi Durante la loro risalita (risalgono per km, man mano cambiano le loro proprietà) i magmi sono soggetti a raffreddamento, cristallizzazione e degassamento. Possono stazionare nei reservoir( camere magmatiche). Durante la risalita generano onde sismiche nelle rocce incassanti. Il raffreddamento fa aumentare la viscosità, la cristallizzazione fa aumentare fa aumentare la densità e la viscosità, mentre il degassamento fa diminuire la viscosità e i volatili formano fasi proprie. Processo di fusione rocciosa La roccia fonde solo nei contratti rocciosi tra cristalli: ci devono essere almeno due fasi, la fusione avviene quindi solo in presenza di fasi diverse. Notare che il 20% in fuso è il limite minimo per cui un magma risalga il condotto. Accumulo e migrazione - Fase 1: il magma inizia a formarsi; - Fase 2: il magma inizia a migrare; - Fase 3: il magma tenderà sempre alla parte alta; Legge di Darcy (flusso permeabile) π π = πππ’π π π πππ πππππ P= pressione = πΎ ππ π ππ₯ π = π£ππ πππ ππ‘à K= costante, dipende dal tipo di roccia X= distanza, direzione del gradiente di pressione Carbonatite: roccia vulcanica derivata dal tipo di magma meno viscoso, molto raro. In Italia questo magma veniva eruttato dal M. Volture Formazione di Dicchi Il magma risale, è fuori dalla roccia di partenza, sale per differenza di pressione e densità. La roccia si frattura per azione dello stress, che si propaga dal punto in cui quest’ultimo si concentra. Il magma risale per delle fessure dette “tasche”. Macroscopicamente il dicco è una frattura in una roccia incassante fine ed allungata riempita da magma. Zone di stoccaggio Zone in cui il magma si mischia e si raffredda, e in cui il magma sosta per un determinato periodo. Hanno profondità dai 3 ai 5 kmsotto i vulcani. La forma del deposito dipende dalle caratteristiche tettoniche della zona in cui si va a formare. Sill: camera magmatica che segue le discontinuità rocciose, forma alta lunga ma non alta. Studio del vulcanismo di Yellowstone: Area vulcanica nel Wyoming, nota per la sua grandezza e bellezza naturale e per i sui Geyser, getti d’acqua e vapore che si presentano periodicamente lì dove è presente una massa magmatica in profondità. Il vulcano è stato attivo per milioni di anni, ed è famoso per la sua la sua complessità e per la sua varietà di magmi. Tutta la zona di Yellowstone fa parte di una gigantesca caldera. Se un giorno dovesse esplodere comporterebbe ricadute per l’intero pianeta, a causa delle enormi esalazioni di gas. I timori riguardanti sono cresciuti perché alimentati dalla serie di lievi terremoti nell’ultimo periodo; proprio questi sismi hanno permesso ai geologi di affermare che i l vulcano è in buona salute, la situazione del sottosuolo è costantemente monitorata dalla propagazione delle onde sismiche con la quale si riesce a capire se il magma sta risalendo o meno, gli indizi di una violenta eruzione sarebbero visibili con grande anticipo, addirittura secoli. Roccia Incassante Ha un comportamento fragile, tende a spaccarsi e quindi generare molti sismi. Camera magmatica È fluida, quindi ha una scarsa capacità di trasmettere le onde di conseguenza sarà caratterizzata da pochi sismi. Processi di differenziazione Differenziazione magmatica: la composizione del magma cambia nel tempo a causa della miscelazione e della cristallizzazione. Inoltre porzioni di roccia possono rompersi e miscelarsi nel magma. FRAZIONAMENTO ο ASSIMILAZIONE ο MISCELAMENTO Il mescolamento è di due tipi: -Chimico (mixing): composizione media di due magmi porta alla formazione di un magma ibrido. -Fisico (mingling): non avviene mescolamento, quindi avremo la formazione di fasi magmatiche distinte. Il mescolamento non coinvolge la roccia incassante bensì un magma (es basaltico) con un secondo magma più antico (es riolitico). Questo processo, a causa dell’aumento della pressione nella camera magmatica, porta spesso a eruzioni. Spesso all’interno della camera magmatica avviene un processo di differenziazione dei cristalli, sulla base del peso ( differenziazione per gravità) e delle diverse temperature di cristallizzazione. Zonatura dei cristalli: Santorini La zonatura è il cambio di composizione chimica di un crisallo. Il vulcano di Santorini è un vulcano sottomarino a circa 6,5 km dalla costa. Nell’eruzione del 1925 avremo un eruzione di un magma ibrido, dove appunto, in una camera magmatica dacitica entra dell’andesite basaltica, che conteneva cristalli di olivina, questi ultimi hanno caratterizzato i bordi della struttura ricchi in ferro. Osservando i cristalli si nota che la variazione di colore, che varia in base al contenuto in ferro, è uniforme. Il cristallo differenzia fino a quando non raggiunge l’equilibrio. Trasporto di Xenoliti La xenolite è una porzione di roccia estranea al magma, derivata dalle rocce incassanti. Le xenoliti del mantello possono essere portate in superficie dai magmi, benchè la loro densità sia superiore rispetto ad essi, infatti il fluido magmatico dovrà scorrere abbastanza velocemente, prima che il materiale xenolitico “cada” dal magma. In base alla dimensione delle xenoliti si può calcolare le profondità di sprofondamento, quindi la velocità minima per l’eruzione. Risalita Magma dimensioni componenti Fenocristalli: cristalli di grandi dimensioni formati in condizioni tranquille in camera magmatica. Vetro: matrice vetrosa, si forma col raffreddamento veloce del magma Microliti: piccoli cristalli formati nel condotto , un numero alto di microliti indica velocità di risalita alta. Duomi: fenomeno di estrusione, lento, forma bubbonica Migrazione degli ipocentri La propagazione degli ipocentri (punti dalla quale si propagano le fratture, terremoti) indica la direzione e il senso di migrazione del magma, che formerà i dicchi, il tutto è accompagnato da una serie di sismi correlati, i cui ipocentri sono localizzati nelle rocce incasanti. Tramite lo studio di questi movimenti si possono prevedere per esempio le zone di eruzione o zone di collasso. Si nota nel grafico i pallini più blu sono gli ipocentri di una serie di sismi che man mano che passano i giorni si spostano dalla camera magmatica originale verso NE, diventando rossi, proprio dove avviene l eruzione, questo sta a dimostrare la correlazione tra la migrazione dei magmi connessa a quella degli ipocentri. Risalita dei magmi nei condotti vulcanici Il magma liquido si forma per fusione della roccia Raffreddandosi si iniziano a formare i primi cristalli Abbiamo anche la formazione delle prime bolle di gas, che prima erano disciolte nel fuso, ora formano una fase indipendente a causa della pressione; Si forma quindi una roccia vescicolata ( le bolle sono derivate dalla presenza del gas e danno informazioni sul magma) e cristalli, importanti soprattutto se vetrosi. I magmi possono essere saturi, sovrasaturi o insaturi in H2O. Questi valori sono leggibili attraverso la curva di solubilità, che è la quantità massima di acqua ( in wt%) che può essere accolta dal magma. I processi di condotto: il ruolo dei gas vulcanici I gas vulcanici ( H2O, CO2, Cl e composti del F) sono dissolti nel magma ad alte pressioni. Durante la loro risalita essolvono secondo le loro possibilità: ο· Se la maggior parte del gas lascia il sistema vulcanico prima della risalita del magma, allora l’eruzione sarà effusiva e porterà la formazione di flussi lavici o duomi. ο· Se la decompressione del gas avverrà in maniera violenta e quindi in un lasso di tempo ristretto avremo un’eruzione esplosiva, con la frammentazione del magma. Nucleazione: formazione di bolle Coalescenza: unione delle bolle Condotto Vulcanico: frattura o sistema di fratture che collegano i reservoir con il cratere. Processi di condotto La viscosità è importante per la formazione delle bolle: - Viscosità basse favoriscono la crescita delle bolle, quindi favoriscono il degasamento delle eruzioni effusive. - Alte viscosità comportano eruzioni fortemente esplosive, grazie alla capacità del magma di trattenere i gas Il gas infatti è importante perché influenza la risalita. Degasamento Processo di essoluzoone che porta alla formazione di bolle gassose , quindi comportando la perdita di gas dalla soluzione di magma. Outgassing Fuoriuscita dal sistema magmatico da parte del gas: il processo di outgassing porta all’esalazione di gas, senza causare un’eruzione. L’outgassing può avvenire in maniera: - Intrusiva, il gas fuoriesce attraverso delle fratture - Effusiva, il gas esce fuori dal cratere La CO2 forma bolle in profondità, quindi filtra lateralmente a causa della bassa solubilità, spesso i magmi ricchi in CO2 sono i magmi mantellici, detti kimberlitici (diamanti) con elevata esplosività.
