Fluidi naturali

Fase 1: il degassamento magmatico I gas nel magma sono detti componenti volatili o anche “elementi fuggitivi”

I componenti volatili sono disciolti nei magmi Concetto chiave I componenti volatili sono disciolti nei magmi o Essolvono (bubbling)

Fasi magmatiche- I

Fasi magmatiche- II

Modelli conettuali di melt silicatici From Carmichael et al. 1974

Masaya, Nicaragua; 1972

Le emissioni vulcaniche come espressione di rilascio di fluidi profondi William I Rose Geological Engineering & Sciences Michigan Tech University Fall AGU, San Francisco 8 December 2003, paper V12E-08 15:25

White Island, NZ measured Rose, Chuan, Giggenbach, Kyle & Symonds, 1986, Bull Volcanol 48: 181-188

Tipologie composizionali di gas magmatici

Specie volatili I volatili sono definiti come quelle specie chimiche che a condizioni P-T proprie dei magmi (P atmosferica e alte T) esistono cime fasi gassose o vapore. Includono: H2O (steam), CO2, H2, HCl, HF, F, Cl, SO2, H2S, CO, CH4, O2, NH3, S2, e gas nobili He e Ar. H2O e CO2 dominano! Consistono di specie a basso numero atomico: H, C, O, S, Cl e F.

Stato dei volatili nei magmi Punto critico: per specie volatili definisce condizioni T, P alle quali non c’è distinzione fisica tra liquido e gas Volatili essolti oltre il pyunto critico sono detti fluidi supercritici

Diagramma di fase dell’acqua H2O

Fluidi supercritici……. Le caratteristiche includono: Densità maggiore del liquido Solubilità simile al liquido Diffusività simile a gas Viscosità simile a gas

Fluidi supercritici in magmi Densità molto bassa Volume specifico (volume/massa) molto grnade 10-10,000 cm3/gm Perchè è importante ?

Volume specifico dell’acqua vs. Pressione specific volume = 1 / r 0.1 g/cm3 rmagma = 2.2 g/cm3

Quali sono le specie volatili dei magmi più importanti? H2O e CO2 S in forma di SO2 e H2S Cl, F

Abbondanze di volatili disciolti nei magmi

Esempio di volatili da vulcani attivi: Merapi, Indonesia In tons 3000 CO2 400 SO2 250 HCl 50 HF

Perchè studiare I composti volatili in vulcanologia? Giocano un ruolo fondamentale nell’ascesa dei magmi (eruzioni), Una percentuale in volatili di 0.1% in peso; equivale a 90% di bolle in magma!

Aumento di volume al diminuire della pressione Exsolved volatile species

Depolimerizzazione del melt silicatico

Solubilità dei volatili nei magmi La solubilità misura la quantità di un volatile che può essere disciolto (accomodato nella struttura del melt silicatico) in un magma Si definisce e determinate condizioni T, P, x

Parametri che regolano la solubilità dei volatili nei magmi: P, T, X—ma i più importanti sono compositione dei magmi e pressione

Solubilità in funzione della pressione Volume di melt con volatili disciolti<< volume di melt + fase volatile libera (bubbles) Che succede con aumento di P? Il volume si deve ridurre Quindi la solubilità aumenta con l’aumentare della pressione

Esempi su dufferenti melt From Moore et al., 1998

Interpretazione di diagrammi disolubilità Definizioni Sottosaturo Saturo Soprassaturo

Speciazione dell’acqua in magmi silicatici H2O + O2- = 2OH- in melt in melt From Silver et al., 1990

Solubilità di CO2 in magmi silicatici aSiO2

Solubilità di più fasi volatili coesistenti

Vescicolazione Bubble Nucleation Froth Saturation New Nucleii and Growth Fragmentation From: Sparks (1978)

Durante l’ascesa dei magmi Raffreddamento di magma Saturazione e supersaturazione Formazioni di nuclei di bolle Aumento dimensione bolle Formazione di nuclei di fasi solide Crescita dei cristalli tessitura

Raffreddamento di magma Mentre un magma risale, le rocce incassanti (più fredde) lo raffreddano. Il contrasto tra temperatura del magma e delle rocce incassanti aumenta al diminuire della profondità La geometria dei condotti di alimentazione influenza la perdita di calore dei magmi in ascesa. La relazione tra viscosità iniziale e T determina il cambiamento di fviscosità in risalita.

Saturazione e supersaturazione La disponibilità di H2O e altri volatili nella zona sorgente e il grado di melting parziale determina il grado di saturazione. Magmi sottosaturi, per circa <1-7 % volatiles. L’effetto della dissoluzione di volatili nei magmi è la depolimerizzazione con conseguente diminuzione della viscosità. Duriante l’ascesa la solubilità dei volatili diminuisce e il magma tende a diventare saturo, quindi soprassaturo, ma l’essoluzione di bolle può tardare in dipendenza di nucleazione e viscosità residua.

Nucleazione bolle volatili La formazione di un nucleo è la più importante barriera di energia per la formazione di bolle. L’unione di più molecole di volatile tende a contrastare il riassorbimento del volatile nel magma Esiste un valore critico minimo di nucleazione (forse un micron in diametro) In senso probabilistico, un nucleo ha il 50% di possibilità di non essere riassorbito. Solo quando un nucleo raggiunge il valore critico di dimensione, può diventare bolla, per questo occorre supersaturazione.

Crescita di bolle I nucleo che si evolvono in bolle migrano in alto attraverso i magmi, quindi, in caso di sistema aperto, possono essolvere come fase gassosa libera. In magmi viscosi tale migrazione non può avvenire o avviene in modo estremamente lento, cosa che limita la crescita delle bolle. La copresenza di bolle ne inibisce la crescita, perciò la dimensione delle bolle dipende dalla formazione di foam (schiuma).

Perchè le bolel di volatili crescono ? Supersaturazione procede per: decompressione = first boiling cristallizzazione = second boiling

Crescita di bolle di volatili Prima fase: nucleazione Ritmo di crescita legato a: Concentrazione di volatili Diffusività dei volatili Densità e viscosità del magma Tensione superficiale delle bolle La dimensioen delle bolle risulta dalla competizione tra nucleazione e crescita

Crescita bolle: sistemi Basaltici vs. Silicicatici In magmi silicatici si formano bolle di dimensioni minori (0.001-0.1 cm) rispetto a quelle che si formano nei magmi basaltici (0.1-5 cm). perchè? La diffusività è minore e la viscosità è più alta nei magmi silicatici

Reologia dei magmi F/A = µ (V/2h) m - shear viscosity La Viscosità dipende da: Composizione chimica- more SiO2 - more viscous Temperatura - higher temperature - less viscous Contenuto in acqua- higher water content - less viscous Contenuto in cristalli- higher crystal content - more viscous

Domande tipiche su un magma in ascesa: A. Fromazione di bolle ? B. Si produce gas libero? C. In caso di A e B negativo, si va verso condizioni di sovrappressione e conseguente esplosione? D. Conil raffreddaemnte, degassamento e cristallizzazione, il magma continua a fluire? E. Se il flusso ristagna, che succede ?

Volatili ed eruzioni

Eruzioni esplosive

Eruzioni vulcaniche esplosive Strombolian Vulcanian Plinian

Struttura del flusso durante eruzioni esplosive

Distribuzione delle dimensioni di eruzioni esplosive

Indice di esplosività volcanica (VEI)