Composizione, caratteristiche fisiche e origine dei magmi Vulcanologia Composizione, caratteristiche fisiche e origine dei magmi Lezione del 7 marzo 2012

Basalto Subalcalino Alcalino Andesite Riolite SiO2 peso % 48.10 46.01 57.41 70.14 TiO2 1.08 1.81 0.79 0.41 Al2O3 17.40 14.00 19.47 14.67 Fe2O3 3.39 2.11 6.17 2.12 FeO 7.90 7.22 0.00 MnO 0.19 0.13 MgO 7.10 7.00 1.73 0.40 CaO 10.41 10.13 7.58 1.48 Na2O 2.89 4.72 4.52 4.17 K2O 0.70 1.37 4.02 P2O5 0.17 0.50 0.26 0.09 H2O variabile

MgO Al2O3 15 CaO 10 FeOt peso % ossidi K2O Na2O 5 P2O 50 60 70 SiO2 %

Struttura dei liquidi silicatici miscela di ossidi o miscela di silicati?

Rocce = Magmi? Basalto Granito

                                                                                                                                                                                                                                          Fillosilicati Nesosilicati                                                                                                                         Inosilicati Tectosilicati

Cristalli e fusi

Grado di polimerizzazione Fuso polimerizzato McBirney, Igneous Petrology Fuso depolimerizzato

Magmi: miscela di silicati Grado di polimerizzazione dei magmi Costruttori di polimeri (Si, P) Distruttori di polimeri (Ca, Mg, Fe, Na, etc.) H2O? CO2?

EFFETTO DEPOLIMERIZZATORE DELL’ACQUA + = O ° H O 2 O H + 2 = (O bridging) (vapore) CO2 si dissolve nei magmi come molecole di CO2

Componenti volatili dei magmi H2O, CO2, Cl, F, S, gas nobili

Solubilità di H2O nei magmi basaltici e riolitici Solubilità di CO2 nei magmi basaltici 15 10 Riolite 10 H O % 2 CO % 2 1 5 .1 Basalto .01 1 2 3 4 0.1 0.2 0.3 0.4 Pressione (Gpa) Pressione (Gpa)

Solubilità di H2O nei magmi riolitici a 0.1 GPa (3.5 km) Solubilità di CO2 nei magmi basici a 0.1 GPa (3.5 km) 5 0.1 4 0.08 3 0.06 H O % 2 CO2% 2 0.04 1 0.02 700 800 900 1000 1100 900 1000 1100 1200 1300 Temperatura °C Temperatura °C

Cloro, fluoro, zolfo Cl ppm H O % 3000 3000 Cl ppm F ppm 2000 2000 1000 1000 45 50 55 60 65 70 75 40 50 60 70 80 SiO % SiO % 2 2 600 3000 S ppm 400 0.4 GPa Oss. 2000 Cl ppm 0.2 GPa 200 1000 Rid. 1 2 3 4 5 6 750 850 950 1050 H O % T °C 2

Caratteristiche fisiche dei magmi Temperatura Viscosità Densità Capacità termica, entapia, entropia

BASALTO RIOLITE Liquidus idrato Solidus idrato Liquidus anidro 1.0 1.0 0.8 Liquidus idrato 0.8 Solidus idrato Solidus anidro Liquidus anidro Solidus anidro Solidus idrato Liquidus idrato 0.6 0.6 Presione (GPa) Presione (GPa) 0.4 0.4 Liquidus anidro 0.2 0.2 0.0 0.0 600 800 1000 1200 1400 600 800 1000 1200 1400 Temperatura (°C) Temperatura (°C)

Origine e trasporto del magma (Fusione del mantello) Esistono tre modi per fondere una roccia e generare magma. Il più ovvio è di aumentare la temperatura (T). Nella Terra, comunque, gli altri due metodi sono dominanti: la fusione per un abbassamento di pressione (P) e per un cambiamento della composizione chimica (X) del sistema che abbassa la sua temperatura di solidus. E’ fondamentale capire che le rocce sono sistemi multicomponenti e quindi fondono all’interno di un intervallo di temperatura. Temperatura di Solidus Temperatura di Liquidus Cristalli + Liquido Tutto solido Tutto liquido Magma surriscaldato Roccia

Viscosità Figure 2-8 McBirney, Igneous Petrology .

Pascal.sec e Poise Sistema Internazionale è il pascal per secondo

Viscosità

Viscosità dei magmi anidri Hess, Origins of Igneous Rocks

Variazione della viscosità durante la cristallizzazione frazionata McBirney, Igneous Petrology

Effetto di H2O sulla viscosità in un liquido riolitico 10 8 Log10  6 4 2 Stolper (1982) 2 4 6 8 H2O % + = O ° H O 2 O H + 2 = (O bridging) (vapore)

Effetto della pressione sulla viscosità Cambio di coordinazione di Al con la pressione Scarfe et al. (1987) Geochem. Soc. Sp. Publ. 1, p. 59-67

1000 1200 1400 2 4 6 8 10 T °C Riolite Basalto Log10 

effects of crystallinity Hess, Origins of Igneous Rocks

Il numero di Reynolds è espresso come:               oppure:              dove: U è la velocità media del fluido, μ è la viscosità dinamica, ν è la viscosità cinematica: ν = μ / ρ, ρ è la densità del fluido, L è la lunghezza caratteristica del corpo            Il numero di Reynolds permette di valutare se il flusso di scorrimento di un fluido è in regime laminare o turbolento. In un condotto un fluido viene considerato in regime laminare se il valore numerico di Re è inferiore a 2100, turbolento se superiore a 10000. Se 2100 < Re < 10000 si è in regime di transizione.

Densità r = SMiXi/SViXi Dove Mi = peso molecolare del componente i Xi = frazione molare del componente I Vi = volume molare del componente i Gli ossidi principali possono essere considerati come i componenti I vari ossidi hanno simili volumi molari Ma i pesi molecolari sono molto diversi (es., Mi ~30 g/mol per Si1/2O and ~72 g/mol for FeO), e, pertanto, essi controllano la densità dei magmi I magmi hanno in genere una densità inferiore di circa il 10% rispetto alla roccia solida equivalente volumes per oxygen in anorthite, diopside, and fayalite melts are all ~13.5-13.7 cm3/mol; surprisingly, oxygen atoms in the anorthite liquid are more closely packed than in the diopside liquid

Origine e risalita dei magmi Evoluzione magmatica Cristallizzazione frazionata Mescolamento Assimilazione

Comportamento della peridotite ad alte P-T 4 _ Geoterma Adiabatica Solidus con H O 2 solidus con CO 2 _ 140 3 _ _ 105 Solidus secco campo della Pressione GPa 2 _ perotite _ Profondità km 70 solida 1 _ _ 35 solido+liquido 800 900 1000 1100 1200 1300 Temperatura C° Condizioni per la formazione dei magmi nel mantello: 1 – Temperature anomale 2 – Presenza di CO2 3 – Presenza di H2O

Geoterma Adiabatica Wet solidus T potenziale

Tettonica a zolle e vulcanismo Tholeiitico - alcalino Tholeiitico - alcalino Calcalcalino Tholeiitico Calcalcalino H2O CO2 Fig. 1.9

Crosta Moho Lid Astenosfera Dicchi di al imentazione Camera magmatica

Camere magmatiche

Figura 13

Cristallizzazione frazionata Formazione dei minerali e separazione dal magma

Principali minerali magmatici: ordine di cristallizzazione Minerale Formula chimica Quarzo SiO2 Olivina (Mg,Fe)2SiO4 ortoclasio Microclino (Feldspati potassici) KAlSi3O8 Pirosseni (Mg,Ca,Fe)2Si2O6 Sanidino (K, Na)AlSi3O8 Anfiboli Formula sempl. Ca2(Mg,Fe)5 Si8O22 (OH)2 Plagioclasi (Albite-Anortite) NaAlSi3O8 CaAl2Si2O8 Biotite K(Mg,Fe)3(AlSi3O10) (OH)2 Nefelina NaAlSiO4 Leucite KAlSi2O6

Effetti della cristallizzazione frazionata 15 MgO% K2O% 6 10 3 5 15 FeO% Na2O% 6 10 3 5 10 10 CaO% H2O % 5 5 50 60 70 50 60 70 SiO2 % SiO2 %

Effetti della cristallizzazione frazionata 10 8 6 H O 2 4 2 45 50 55 60 65 70 75 SiO 2

alcalina transizionale Na O+ K O calcalcalina serie toleiitica 40 50 60 70 5 10 15 Na O+ K O SiO 2 basalto calcalcalino basalti alcalini (Na-K) transizionali serie toleiitica toleiitico alcalina transizionale calcalcalina 15 fonolite Trachite Foidite 10 Benmoreit e Riolite Tephrite alcalina Na O+ K O 2 Trachidacite Mugearite Riolite Basanite basalto latite alcalino Dacite Basalti 5 Andesite transizionali andesite Basalti calcalcalini e toleiitici 40 45 50 55 60 65 70 75 SiO 2

Mescolamento - - - - - - - - - 10 Trend di cristallizzazione - Magma 10 basico Trend di cristallizzazione - frazionata 8 Trend di 10 6 - mescolamento MgO % 4 - 50 Magma 70 acido - 2 - - - - - - - - 50 60 70 SiO2 %