Riassunto della puntata precedente: Sistemi binari con eutettico Cristallizzazione all’equilibrio e frazionata Fusione all’equilibrio e fusione frazionata

FUSIONE dei minerali Qual è la composizione del fuso di un cristallo di quarzo? SiO2 Qual è la composizione del fuso di un cristallo di olivina? (Mg,Fe) 2SiO4 Questi sono due dei tanti minerali caratterizzati da FUSIONE CONGRUENTE La composizione del fuso è “congruente” [= uguale] alla composizione del solido

...In realtà questo non è del tutto vero. FUSIONE dei minerali Qual è la composizione del fuso di un cristallo di quarzo? SiO2 Qual è la composizione del fuso di un cristallo di olivina? (Mg,Fe) 2SiO4 ...In realtà questo non è del tutto vero. Ogni minerale costituito da una s.s. parteciperà al fuso cedendo un elemento preferenzialmente rispetto a un altro. Ad esempio, fondendo, l’olivina rilascerà nel fuso maggiormente Fe rispetto a Mg.

E se fonde nefelina? O Quarzo? FUSIONE dei minerali L’albite è un minerale a fusione congruente o incongruente? Cosa succede se proviamo a far fondere un cristallo di Albite? Ne Ab SiO2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L Che composizione avrà il fuso? E se fonde nefelina? O Quarzo?

L’albite è un minerale a fusione congruente o incongruente? FUSIONE dei minerali L’albite è un minerale a fusione congruente o incongruente? Ne Ab SiO2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L Questi sono TUTTI minerali a fusione CONGRUENTE (fuso = stessa composizione del solido di partenza)

FUSIONE dei minerali Alcuni minerali fondono producendo fusi a composizione diversa da quella del solido. Questo tipo di minerali è caratterizzato da quella che viene definita: FUSIONE INCONGRUENTE La composizione del fuso è “incongruente” [= diversa] dalla composizione del solido.

Enstatite Feld. Potassico Mg2Si2O6 KAlSi3O8 FUSIONE dei minerali Due sono i minerali più comuni caratterizzati da Fusione Incongruente: Enstatite Feld. Potassico Formula? Formula? Mg2Si2O6 KAlSi3O8 In quale tipo di rocce l’enstatite è particolarmente abbondante? E il feldspato potassico?

Sistema binario con formazione di Punto Peritettico Sistema Olivina-SiO2 Se aggiungiamo SiO2 all’olivina quale minerale intermedio si formerà?

Vediamo cosa succede con l’Enstatite 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 1 7 6 5 4 3 2 Minerali alla fine? Minerali alla fine? Forsterite + Enstatite Enstatite + Tridimite

Vediamo cosa succede con l’Enstatite 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 1 Due Liquidi (immiscibili) Punto PERITETTICO

P = Punto Peritettico P k d c 1557 oC: isoterma con presenza di Fo-En-Fuso P Avviene una reazione: Fo + Fuso P (ricco in SiO2) = En Olivina e fuso vengono consumati c d P k Fo 1557 °C 1 En Fo + Liq Fo + En En+Liq SiO2 + Liq En + SiO2 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Fusi (immiscibili) 1

P = Punto Peritettico P k d c Quando finirà la reazione? Come si fa a sapere se resterà ancora olivina o tutta sarà trasformata in ortopirosseno? c d P k Fo 1557 °C 1 En Fo + Liq Fo + En En+Liq SiO2 + Liq En + SiO2 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Fusi (immiscibili) 1

Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 2 T1 T2 TL T3 T4 TE

Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 2 Questa parte del sistema si comporta come un sistema normale con eutettico

Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 3 T1 T2 TL T3 T4 TE

Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 4 TL T1 TE

Quale fase cristallizzerà a TL? Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 5 Quale fase cristallizzerà a TL? TL TE

Assemblaggio finale: Enstatite + Quarzo 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) TUTTA la forsterite si trasforma in enstatite. 6 Ma la cristallizzazione termina qui? TL TP

Quale fase cristallizzerà a TL? Assemblaggio finale: Sola Enstatite 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 7 Quale fase cristallizzerà a TL? TL TP

Assemblaggio Finale: T oC Mg2SiO4 SiO2 Mg2Si2O6 Enstatite + Tridimite 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) Enstatite + Tridimite Y X Forsterite + Enstatite

Bella animazione: http://www.uwgb.edu/dutchs/JavaScriptInProg/Incongruent.htm

L’En fonde formando Fo + un liquido “P” Fusione incongruente dell’Enstatite Il liquido prodotto dalla fusione dell’Enstatite non ha la stessa composizione del solido. L’En fonde formando Fo + un liquido “P” Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Fusi (immiscibili) 1543 P Fo En

Fusione incongruente dell’Enstatite … Cosa succede se una roccia costituita da Forsterite ed Enstatite comincia a fondere? Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Fusi (immiscibili) … Ma una roccia di questo tipo esiste? HARZBURGITE

Fusione incongruente dell’Enstatite Ol Cpx Opx Lherzolite Harzburgite Wehrlite Websterite Ortopirossenite Clinopirossenite Websterite ad olivina Peridotiti Pirosseniti 90 40 10 Dunite … Ma una roccia di questo tipo esiste? HARZBURGITE

Fusione incongruente dell’Enstatite 1557 Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 1713 T oC Mg2Si2O6 1543 1470 Forsterite + Enstatite Fuso + 1695 Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) La composizione della prima goccia di fuso a partire da una sorgente harzburgitica sarà…

Enstatite + Cristobalite Mg2SiO4 20 40 60 SiO2 1400 1600 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite 2 Liquidi 5 4 3 2 1

Enstatite + Cristobalite Mg2SiO4 20 40 60 SiO2 1400 1600 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite 2 Liquidi 5 4 3 2 1

Enstatite + Cristobalite Mg2SiO4 20 40 60 SiO2 1400 1600 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite 2 Liquidi 5 4 3 2 1

Enstatite + Cristobalite Mg2SiO4 20 40 60 SiO2 1400 1600 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite 2 Liquidi 5 4 3 2 1

Se aggiungiamo SiO2 alla leucite quale minerale intermedio si formerà? Vediamo ora un altro sistema binario con formazione di Punto Peritettico Sistema Leucite-SiO2 Se aggiungiamo SiO2 alla leucite quale minerale intermedio si formerà?

Sistema Leucite-Silice SiO2 KAlSi2O6 KAlSi3O8 1000 1200 1400 1600 1800 Temperatura (°C) 20 40 60 80 Sistema Leucite-Silice 4 4 4 4 3 3 3 2 3 4 2 2 3 2 2 1 1 1 1 1

Sistema Forsterite-Silice Ritorniamo al Sistema Forsterite-Silice 1 atm 3 kb 7 kb Con l’aumento della P: L’En fonde in modo congruente Scompare l’immiscibilità dei liquidi Il campo di stabilità della Fo diminuisce

Sistema Forsterite-Silice 1 atm 3 kb 7 kb Ritorniamo al Sistema Forsterite-Silice Prima goccia di fuso da questa sorgente? Prima goccia di fuso da questa sorgente? Prima goccia di fuso da questa sorgente? Un fuso generato ad alte P sarà più o meno ricco in SiO2 di un fuso a basse pressioni?

Sistema Forsterite-Silice 1 atm 3 kb 7 kb Ritorniamo al Sistema Forsterite-Silice Prima goccia di fuso da questa sorgente? Prima goccia di fuso da questa sorgente? Prima goccia di fuso da questa sorgente? Con l’aumento della P il campo di stabilità dell’olivina si riduce ed i fusi diventano più pover in SiO2 (e più ricchi in MgO).

Fusione per decompressione P0>P1>P2>P3 R0 Res0 P0 Fusione per decompressione P/E E P Ol+L Ol+Opx SiO2+L Opx+L Ol Opx SiO2 T Opx+SiO2 P1 P2 P3 P0 Opx = Ol + SiO2 R1 Res1 P1 R2 Res2 P2 R3 Res3 P3 Ol Opx SiO2

Composizioni dei fusi a R1, R2 e R3 a pressioni P1 > P2 > P3 Fusione per decompressione Cpx Ol Opx R3 R2 R1 Volume di fase dell’Olivina Volume di fase del Cpx Volume di fase dell’Opx R1 Res1 P1 R2 Res2 P2 R3 Res3 P3 Ol Opx SiO2

Vengono prodotti fusi con un minore contenuto di SiO2 Partendo da un mantello impoverito: Magmi Tholeiitici possono essere generati con 10-30% di fusione parziale 1100 1200 1300 1400 1500 1600 5 10 15 20 25 30 10% 15% 20% 30% 40% % di olivina normativa nel fuso Quarzo Tholeiite O% Tholeiite 1O% Cosa succede con l’aumento della Pressione? 15% 20% Olivin Tholeiite Vengono prodotti fusi con un minore contenuto di SiO2 Picrite tholeiitica Solidus Opx out Cpx out

Basalto alcalino con olivina Partendo da un mantello non impoverito: 1100 1200 1300 1400 1500 1600 5 10 15 20 25 30 Il campo di stabilità dei magmi tholeiitici si sposta fino a pressioni più elevate 20% 30% 40% 50% % di olivina normativa nel fuso Quarzo Tholeiite O% Tholeiite 15% Si formano magmi alcalini a gradi di fusione bassi e a pressioni elevate Olivin Tholeiite 20% Basalto alcalino con olivina 25% Picrite Tholeiitica Picrite alcalina Opx out Solidus Cpx out

Nessuna relazione con la P Cosa succede con la diminuzione della pressione? Perchè? 15 kb Perchè? 25 kb 20 kb 20 kb 25 kb 15 kb Nessuna relazione con la P 25 kb Il contenuto di Na2O è funzione solo del grado di fusione parziale Perchè? 20 kb 15 kb Perchè? % di Fusione % di Fusione

…Ebbene a volte non è vero… Ricordate quanto vi ho detto prima? Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) Enstatite + Tridimite Forsterite + Enstatite …Ebbene a volte non è vero…

X T oC Cosa succede se la cristallizzazione è frazionata? Se la cristallizzazione è perfettamente frazionata, quale sarà la composizione del Sistema arrivati al Punto Peritettico? Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 1 Quindi l’ultima goccia di fuso avrà la composizione dell’Eutettico En-SiO2 X

X T oC Cosa succede se la cristallizzazione è frazionata? In altri termini: Il Punto Peritettico può essere superato nel caso della cristallizzazione frazionata. Mg2SiO4 20 40 60 80 SiO2 1400 1600 1800 2000 T oC Mg2Si2O6 Forsterite + Enstatite Fuso + Enstatite + Tridimite Enstatite + Cristobalite Fuso + Cristobalite Due Liquidi (immiscibili) 1 X

1 2 3 4 Differenza tra diagramma Ne-SiO2 e Fo-SiO2: Ab SiO2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L Da un fuso a composizione 1 non potrà mai cristallizzare quarzo, neanche in condizioni di cristallizzazione frazionata. 1 2 Da un fuso a composizione 2 non potrà mai cristallizzare nefelina, neanche in condizioni di cristallizzazione frazionata. Ol SiO2 En Fo+ En Fo + L En + Tr En + Cr Fuso + Cr Due Liquidi (immiscibili) 3 4 Da un fuso a composizione 3 potrà cristallizare quarzo, ma solo in condizioni di cristallizzazione frazionata. Da un fuso a composizione 4 non potrà mai cristallizzare olivina, neanche in condizioni di cristallizzazione frazionata.

Credits Alcune figure e schemi da: J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous Petrology

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