Riassunto della puntata precedente: Diagrammi Ternari

Ora accenneremo al comportamento degli elementi chimici durante i processi di formazione di una roccia ignea: durante la PETROGENESI

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? - Si sceglie l’area da investigare (es. Etna, Plutoni alpini, rocce leucititiche del Mediterraneo, etc.). - Si raccolgono campioni di rocce in un areale grande a piacimento (a seconda del grado di dettaglio dello studio). - Si producono sezioni sottili di ogni campione e le si studia. I campioni più interessanti (e quelli meno alterati) vengono poi granigliati, polverizzati ed infine analizzati mediante varie tecniche analitiche (XRF, AAS, INAA, ICP-AES, ICP-MS, etc).

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? - Per ogni campione si ottiene un set di dati che comprende gli elementi maggiori (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P; espressi in ossidi) e una parte degli elementi in traccia (non si analizzano tutti gli elementi presenti in natura, ma solo quelli utili per la geochimica e petrologia, ossia meno di una trentina in totale). - Si costruiscono diagrammi con ascissa ed ordinata e si studia il comportamento reciproco di questi elementi.

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Facciamo un esempio: Ognuno di questi puntini neri rappresenta un’analisi di un campione di roccia. In particolare, in questo diagramma sono rappresentate le composizioni di soli due ossidi di tutti i campioni: SiO2 e CaO. 5 10 15 CaO 45 50 55 60 65 70 75 SiO2 Si può facilmente vedere che rocce con più elevato contenuto in SiO2 (rocce acide) hanno bassi valori di CaO, mentre rocce con più bassi valori di SiO2 (rocce basiche) hanno valori più elevati in CaO.

Questo tipo di correlazione si chiama Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Facciamo un esempio: Questo tipo di correlazione si chiama CORRELAZIONE NEGATIVA Il parametro che si usa come ascissa è il parametro di riferimento contro il quale si raffrontano altri parametri. 5 10 15 CaO 45 50 55 60 65 70 75 SiO2

INDICE DI DIFFERENZIAZIONE Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? E’ molto comune l’utilizzo della SiO2 come ascissa Questo perché la SiO2 è considerata un INDICE DI DIFFERENZIAZIONE 5 10 15 CaO 45 50 55 60 65 70 75 SiO2 Ossia la SiO2 in genere aumenta sempre durante i processi di cristallizzazione frazionata.

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? (Questo è vero solo se 1) si parla di un certo tipo di rocce, 2) se frazionano un certo tipo di minerali e 3) se le rocce appartengono ad una certa serie magmatica. Diagrammi con SiO2 come ascissa vengono chiamati DIAGRAMMI HARKER (dal nome del primo ricercatore che ha proposto tale schema) 5 10 15 CaO 45 50 55 60 65 70 75 SiO2

Perché? Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Anche il diagramma classificativo TAS (Total Alkali vs, Silica) ha come ascissa la SiO2 5 10 15 CaO 45 50 55 60 65 70 75 SiO2 La cristallizzazione frazionata porta in genere alla formazione di fusi residuali più ricchi in SiO2. Perché?

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Tutte le fasi che iniziano a cristallizzare da un fuso basaltico (es. olivina, pirosseni, plagioclasi, magnetite, etc.) hanno un contenuto in SiO2 generalmente più basso del liquido da cui cristallizzano. 10 20 30 CaO 35 40 45 50 55 60 65 SiO2 Immaginiamo che il primo cristallo che si formi da un fuso basaltico sia di clinopirosseno: Augite: Ca (Mg,Fe)Si2O6)

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Ovviamente, il fuso residuale sarà più ricco in SiO2 e più povero in CaO. La sua composizione dipende da quanto cpx ha frazionato! 10 20 30 CaO 35 40 45 50 55 60 65 SiO2 Liquido di partenza (basalto) Minerale che cristallizza (cpx) Liquido residuale (basalto-clinopirosseno)

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Si può quantificare la % di una o più fasi che sono state frazionate per passare da un fuso ad un altro. Come? Regola della leva! % di frazionato per passare da ad = (6/7)*100 = 85,7% 10 20 30 CaO 35 40 45 50 55 60 65 SiO2 Liquido di partenza (basalto) 7 cm 1 cm Minerale che cristallizza (cpx) 6 cm Liquido residuale (basalto-clinopirosseno)

Attenzione alla correlazioni spurie… Non sempre due parametri correlati sono gli effetti della stessa causa…

Attenzione alla correlazioni spurie… Non sempre due parametri correlati sono gli effetti della stessa causa…

Attenzione alla correlazioni spurie… Non sempre due parametri correlati sono gli effetti della stessa causa…

Attenzione alla correlazioni spurie… Non sempre due parametri correlati sono gli effetti della stessa causa…

Attenzione alla correlazioni spurie… Non sempre due parametri correlati sono gli effetti della stessa causa…

Facciamo un esempio pratico Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Facciamo un esempio pratico B Cpx 47,57 2,81 5,78 7,59 0,09 13,02 22,48 0,52 0,10 0,05 100,00 C Magma -10% Cpx A Magma D C normalizz. a 100% SiO2 51,30 TiO2 1,75 Al2O3 15,99 Fe2O3 11,97 MnO 0,13 MgO 5,95 CaO 8,54 Na2O 3,57 K2O 0,70 P2O5 0,10 TOT. 100,00 46,54 1,47 15,41 11,21 0,12 4,65 6,29 3,52 0,69 0,10 90,00 51,71 1,63 17,12 12,46 0,13 5,16 6,99 3,91 0,77 0,11 100,00 Cosa possiamo dire?

Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Facciamo un esempio pratico In pratica, in termini assoluti il fuso residuo (quello che resta dopo una certa percentuale di frazionamento di minerali vari) avrà SEMPRE un contenuto degli elementi più basso o al massimo uguale rispetto al liquido iniziale. Tuttavia, in termini relativi, alcuni elementi saranno impoveriti mentre altri saranno arricchiti (si dovrebbe dire che sono impoveriti di meno rispetto ad altri).

Facciamo un esempio pratico Come si gestiscono le analisi chimiche di una roccia? Facciamo un esempio pratico B Cpx 47,57 2,81 5,78 7,59 0,09 13,02 22,48 0,52 0,10 0,05 100,00 C Magma -30% Cpx A Magma D C normalizz. a 100% SiO2 51,30 TiO2 1,75 Al2O3 15,99 Fe2O3 11,97 MnO 0,13 MgO 5,95 CaO 8,54 Na2O 3,57 K2O 0,70 P2O5 0,10 TOT. 100,00 37,03 0,91 14,26 9,69 0,10 2,05 1,80 3,41 0,67 0,09 70,00 52,90 1,30 20,37 13,85 0,15 2,92 2,57 4,88 0,96 0,12 100,00 Cosa possiamo dire? Proviamo a diagrammare questi risultati

Due “momenti” dell’evoluzione Isola di Sant’Elena (Oceano Atlantico meridionale) Grande intervallo di SiO2 Grande variazione di TiO2 Due “momenti” dell’evoluzione Grande variazione di TiO2 Piccolo intervallo di SiO2

Due “momenti” dell’evoluzione Grande intervallo di SiO2 Piccola variazione di Al2O3 Grande variazione di Al2O3 Due “momenti” dell’evoluzione Piccolo intervallo di SiO2

Due “momenti” dell’evoluzione Piccolo intervallo di SiO2 Due “momenti” dell’evoluzione Grande variazione di MgO Piccole variazione di MgO Grande intervallo di SiO2

Si vedono i due “momenti” dell’evoluzione?

Si vedono i due “momenti” dell’evoluzione?

Anche qui non si vedono i due “momenti” dell’evoluzione

Liquid Line of Descent (Linea di discesa dei liquidi o Traiettoria di evoluzione dei liquidi residui)

Variazione del TiO2 rispetto al MgO ? (degli stessi campioni, ovviamente) Cosa succede quando il MgO raggiunge circa il 5% in peso? Variazione del TiO2 rispetto alla SiO2 Quale diagramma fornisce più informazioni?

Ovviamente tutto dipende dal tipo di minerali che frazionano. Quali minerali possono comparire come fasi di liquidus in un fuso basaltico? Come varia il contenuto di MgO nei liquidi residui durante il processo di cristallizzazione frazionata? Olivine, Pirosseni, Plagioclasi, Magnetite e pochi altri.

2 In che zona potrebbe trovarsi il fuso più primitivo (chiamato anche fuso parentale o fuso genitore) di questa serie di rocce? 1 3 Un fuso basaltico (in generale un fuso primitivo, ossia in equilibrio con una sorgente di mantello) è caratterizzato da elevato o basso contenuto in MgO?

Variazione dell’ Al2O3 rispetto alla SiO2 Quale diagramma fornisce più informazioni? Variazione dell’Al2O3 rispetto al MgO

Dove si trova il fuso parentale basaltico in questo diagramma? E qui?

Perché? Variazione della SiO2 rispetto al MgO Durante le prime fasi di evoluzione di un fuso basaltico la SiO2 aumenta sempre? Perché? Variazione del MgO rispetto alla SiO2

Minerale SiO2 TiO2 Al2O3 FeOtot MnO MgO CaO Na2O K2O 67.84 0.00 19.65 Subtotale H2O Totale con H2O e Fe3+ Albite 67.84 0.00 19.65 0.05   0.04 11.07 0.29 98.94 0.86 99.80 Andesina 58.10 26.44 0.19 0.03 7.84 6.48 1.10 100.18 0.09 100.27 Labradorite 52.42 29.70 0.45 0.08 12.65 4.01 0.21 99.61 99.65 Bytownite 49.06 32.14 0.24 0.20 15.38 2.57 0.17 99.76 0.16 99.95 Anortite 44.17 34.95 0.58 18.63 0.79 99.17 1.01 100.24 Sanidino 67.27 18.35 0.83 0.15 6.45 7.05 100.10 100.35 Nefelina 44.65 32.03 0.53 0.71 17.25 3.66 98.83 1.17 100.06 Leucite 54.66 23.15 0.43 0.01 0.11 0.63 20.04 99.24 0.41 99.69 Kalsilite 38.48 31.01 0.30 28.33 99.21 0.67 99.99 Enstatite 57.10 0.70 5.75 34.52 0.62 0.07 99.13 100.16 Diopside 0.68 0.02 18.78 25.85 0.22 Augite 52.70 0.34 1.84 7.33 15.15 21.58 0.49 99.60 99.81 Egirina 51.64 1.05 29.82 0.26 0.38 0.60 12.21 0.06 96.06 Flogopite 40.95 0.82 17.28 2.77 22.95 9.80 94.73 4.71 99.22 Biotite 34.73 2.83 16.67 24.85 1.21 5.95 9.35 96.00 3.08 99.04 Muscovite 48.42 0.87 27.16 6.72 0.35 11.23 94.75 4.50 99.91 Forsterite 41.85 2.05 56.17 158.78 Fayalite 30.09 69.42 0.28 0.91 100.78 171.47 Monticellite 36.63 8.59 0.44 19.69 34.17 99.59 162.55 Piropo 41.33 21.83 10.30 19.60 4.40 98.18 100.05 Magnetite 0.27 92.73 93.21 100.11 Ilmenite 0.18 55.83 37.66 6.10 100.37 100.49

Qual è il liquido più primitivo? Spinello? Qual è il liquido più primitivo? Plagioclasio? Olivina? Clinopirosseno?

Vettori di cristallizzazione Spinello? Vettori di cristallizzazione Cpx Olivina Plagioclasio Spinello Plagioclasio? Olivina? Clinopirosseno?

Cosa probabilmente fraziona in questa fase dell’evoluzione? Vettori di cristallizzazione Plagioclasio Olivina Cpx Spinello Solo olivina? Oppure olivina+clinopirosseno? Cosa probabilmente fraziona in questa fase dell’evoluzione?

Spinello? Plagioclasio Cpx Olivina Spinello Plagioclasio? Olivina? Vettori di cristallizzazione a partire da questo nuovo fuso? Spinello? Olivina Cpx Spinello Plagioclasio? Olivina? Clinopirosseno?

Da cosa è composto l’assemblaggio frazionato responsabile per il vettore di cristallizzazione? 2 1 = Cpx+Sp 3 2 = Ol+Sp 1 3 = Ol+cpx+Sp

Sicuramente possiamo escludere il coinvolgimento del plagioclasio. Da cosa è composto l’assemblaggio frazionato responsabile per il vettore di cristallizzazione? ? 2 3 Sicuramente possiamo escludere il coinvolgimento del plagioclasio. 1

Bisogna allora costruire altri diagrammi con altre coppie di elementi (o ossidi) per capire quale possa essere la composizione del solido frazionato. ? 2 3 1

Direzione dell’evoluzione?

Direzione dell’evoluzione?

Cosa fraziona per spiegare questa prima fase di evoluzione? Clinopirosseno? Plagioclasio? 1 Cosa fraziona per spiegare questa prima fase di evoluzione? Olivina? Spinello?

Cosa fraziona per spiegare questa prima fase di evoluzione? Clinopirosseno? Olivina Cpx Plagioclasio? 1 Cosa fraziona per spiegare questa prima fase di evoluzione? Olivina? Spinello?

Direzione dell’evoluzione?

Plagioclasio Cosa dovremmo aspettarci se comparisse il plagioclasio come fase di liquidus? Spinello Olivina Clinopirosseno

Massiccio Boemo Sant’Elena Salina

Salina

Salina

E’ possibile stabilire quali fasi frazionano tramite questo diagramma? Vettore dell’olivina? e del plagioclasio? e del sanidino? e del cpx? 1 2 3 e della magnetite? 8 4 7 6 5 E’ possibile stabilire quali fasi frazionano tramite questo diagramma?

Come cambia il rapporto CaO/Al2O3? Problemi con il CaO/Al2O3 (o altri rapporti)? A Magma B Ol 40,38 0,00 16,42* 0,31 43,49 100,0 Come cambia il rapporto CaO/Al2O3? C Magma -10% Ol D C norm. a 100% SiO2 51,30 TiO2 1,75 Al2O3 15,99 Fe2O3 11,97 MnO 0,13 MgO 5,95 CaO 8,54 Na2O 3,57 K2O 0,70 P2O5 0,10 TOT. 100,0 47,26 1,75 15,99 10,38 0,10 1,61 8,52 3,57 0,70 90,00 52,51 1,94 17,77 15,53 0,11 1,78 9,47 3,97 0,78 100,00 In termini relativi (rispetto agli altri ossidi) sia l’ Al2O3 che il CaO aumentano. In termini assoluti il rapporto CaO/Al2O3 non varia. CaO/Al2O3 0,53 0,00 0,53 0,53

Vettore dell’olivina? e del plagioclasio? e del sanidino? e del cpx? e della magnetite? 1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8 e della magnetite? e del cpx? e del sanidino? e del plagioclasio? Vettore dell’olivina?

Cosa succede @ SiO2 55-60%? El Hierro (Is. Canarie) Fuerteventura (Is. Canarie)

Uno studio dettagliato della concentrazione e variazione degli ossidi degli elementi maggiori può fornire importanti informazioni sulle principali fasi coinvolte in un processo di cristallizzazione frazionata. Questo tipo di approccio viene definito Bilancio di Massa (tra fuso iniziale e solido frazionato). Il bilancio di massa può essere di tipo qualitativo (variazione reciproca di due ossidi di elementi maggiori) o quantitativo (tramite software specifici o routine macro di Excel).

Quali sono gli elementi in traccia? Il processo di cristallizzazione frazionata può essere investigato anche studiando gli elementi in traccia. Quali sono gli elementi in traccia? Gli elementi presenti in percentuali in genere inferiori allo 0,1%. A quante ppm corrisponde un’abbondanza di 0,1%? A quanto equivale in percentuale 1 milione di ppm? E 100mila ppm? E 10mila ppm? E 1000 ppm?

Gli elementi in traccia si comportano come gli elementi maggiori. Alcuni elementi preferiranno inserirsi nei reticoli dei cristalli che via via si solidificano da un fuso. Altri preferiranno restare nel fuso (perché magari con un raggio troppo grande o troppo piccolo o perché dotati di una valenza non utilizzabile in quel certo minerale). Es. Olivina. Formula? A parte il silicio e l’ossigeno qual è la valenza degli altri cationi? E’ possibile che nel reticolo dell’olivina venga inserito un elemento trivalente?

Esistono elementi SEMPRE compatibili o SEMPRE incompatibili? Gli elementi che, in un processo di cristallizzazione, si concentrano nel solido che via via si forma sono definiti Elementi Compatibili. Gli elementi che, in un processo di cristallizzazione, preferiscono restare nel fuso residuo sono definiti Elementi Incompatibili. Esistono elementi SEMPRE compatibili o SEMPRE incompatibili? La compatibilità/incompatibilità di un elemento si esprime SEMPRE rispetto ad un certo minerale IN EQUILIBRIO con un certo fuso.

Esistono elementi SEMPRE compatibili o SEMPRE incompatibili? Allo stesso modo, gli elementi che, in un processo di fusione parziale, si concentrano nel fuso sono definiti Elementi Incompatibili. Gli elementi che, in un processo di fusione parziale, preferiscono restare nel solido residuo sono definiti Elementi Compatibili. Esistono elementi SEMPRE compatibili o SEMPRE incompatibili? In questo caso la compatibilità/incompatibilità di un elemento si esprime rispetto a quali minerali?

Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione) La compatibilità o meno di un elemento in un minerale si esprime tramite un numero che va a ~0 a >10. CS CL KD = i S Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione) CS i = Concentrazione di un elemento i nel minerale S. = Concentrazione dell’elemento i nel fuso (liquido) L in equilibrio con quel certo minerale. CL i

La compatibilità o meno di un elemento in un minerale si esprime tramite un numero che va a ~0 a >10. CS CL KD = i S Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione) Un certo elemento può avere differenti Kd in vari minerali. (es. KdLaCpx ≠ KdLaOl ≠ KdLaPl) Un certo minerale può avere differenti Kd per vari elementi. (es. KdLaCpx ≠ KdNiCpx ≠ KdScCpx)

Se il solido che fraziona è mono-minerale, allora il Coefficiente di Distribuzione Totale del solido (D) = KD. Più comunemente i minerali che cristallizzano (e frazionano) sono più di uno. In quel caso come si calcola il D? D = S%KD D rappresenta la media pesata dei coefficienti di distribuzione individuali delle singole fasi.

D? Esercizio: KDOl KDPl KDCpx KDMt 3 0,001 0,8 0,5 Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Immaginiamo che da un fuso basaltico cristallizzino insieme Ol, Pl e Cpx in rapporto 50:20:30 D? 0,50*3 + 0,20*0,001 + 0,30*0,8 = 1,74 Il Ni è un elemento compatibile o incompatibile in questo tipo di assemblaggio? compatibile

D? Esercizio: KDOl KDPl KDCpx KDMt 3 0,001 0,8 0,5 Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Immaginiamo ora che da un fuso basaltico cristallizzino insieme Ol, Pl e Cpx in rapporto 10:50:40 D? 0,10*3 + 0,50*0,001 + 0,40*0,8 = 0,62 Il Ni è un elemento compatibile o incompatibile in questo tipo di assemblaggio? incompatibile

I valori dei KD si ottengono sperimentalmente. http://earthref.org/KDD/

KD per sistemi basaltici

Equazione di Shaw (1970) per Cristallizzazione in disequilibrio: Ma come si possono utilizzare i valori dei KD per stabilire le fasi che hanno frazionato? Equazione di Shaw (1970) per Cristallizzazione in disequilibrio: CL = C0*F(D-1) CL = Concentrazione nel fuso residuo C0 = Concentrazione nel liquido iniziale F = Frazione di fuso residuo D = Coefficiente di distribuzione totale

Esercizio: 500*0,7(1,74-1) = 384 ppm Dati a disposizione: KDOl KDPl Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Concentrazione di Ni nel fuso primitivo: 500 ppm Percentuale di solido frazionato: 30% Composizione del solido frazionato: 50% Ol, 20% Pl, 30% Cpx. Calcolare la concentrazione di Ni nel fuso residuo 500*0,7(1,74-1) = 384 ppm

Esercizio: 500*0,7(0,62-1) = 573 ppm Dati a disposizione: KDOl KDPl Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Concentrazione di Ni nel fuso primitivo: 500 ppm Percentuale di solido frazionato: 30% Composizione del solido frazionato: 10% Ol, 50% Pl, 40% Cpx. Calcolare la concentrazione di Ni nel fuso residuo 500*0,7(0,62-1) = 573 ppm

CL = C0*F(D-1) Cosa vuol dire questo? Come varia la concentrazione in un fuso residuo dopo il frazionamento di un cumulato con D = 1? CL = C0*F(D-1) Partendo da un fuso con 500 ppm di Ni cosa avremo se frazioniamo il 10% di solido con D = 1? …E se facciamo frazionare il 50% dello stesso cumulato, sempre con D = 1? Cosa vuol dire questo?

A cosa si riduce l’equazione di Shaw per elementi fortemente incompatibili? CL = C0*F(D-1) Quanto vale il D per gli elementi fortemente incompatibili? ≈0 CL = C0/F Cosa vuol dire questo? La concentrazione degli elementi fortemente incompatibili nei fusi residui è inversamente proporzionale al quantitativo di fuso residuo.

CL = C0/[D+F*(1-P)] CL = Concentrazione nel fuso generato E’ possibile modellizzare il comportamento degli elementi in traccia anche durante i processi di fusione parziale: CL = C0/[D+F*(1-P)] CL = Concentrazione nel fuso generato C0 = Concentrazione nel solido di partenza F = Frazione di fuso generato D = Coefficiente di distribuzione totale nella sorgente P = Coefficiente di distribuzione totale nelle fasi che partecipano alla fusione

Qual è la differenza tra D e P? CL = C0/[D+F*(1-P)] D = Si calcola la “moda” dei minerali effettivamente presente nella roccia di partenza. (Qual è la “moda” di una peridotite-tipo?) P = Si calcola la percentuale dei minerali che partecipano alla fusione. (La fusione delle rocce è di tipo modale?)

CL = C0/[D+F*(1-P)] Ol Cpx Opx Lherzolite Harzburgite Wehrlite Websterite Ortopirossenite Clinopirossenite Websterite ad olivina 90 40 10 Dunite Quale % di minerali dovremo utilizzare per calcolare D? E per calcolare P?

Con questo argomento si conclude la parte di programma relativa alle rocce ignee. Nella prossima lezione studieremo i principali vulcani recenti italiani. Gli argomenti trattati fino a questo punto (incluso il magmatismo italiano) saranno oggetto del primo esonero. Nella restante parte del corso tratteremo le rocce e gli ambienti e metamorfici.

Sito dove trovare altre decine di correlazioni spurie www.tylervigen.com Sito dove trovare altre decine di correlazioni spurie

Per commenti, chiarimenti o informazioni su queste slides: 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: michele.lustrino@uniroma1.it