Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Riassunto della puntata precedente: Origine ed evoluzione dei.

Presentazione sul tema: "Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Riassunto della puntata precedente: Origine ed evoluzione dei."— Transcript della presentazione:

1 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Riassunto della puntata precedente: Origine ed evoluzione dei magmi.Origine ed evoluzione dei magmi. -Fusione per decompressione -Fusione per aumento di temperatura -Fusione per aggiunta di volatili -Fusione per aumento di pressione

2 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Passiamo ora ad un altro argomento. Vedremo come una roccia si comporta alla fusione e come un fuso si comporta quando cristallizza. I SISTEMI MAGMATICI *****

3 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 COMPORTAMENTO dei MAGMI INTERROGATIVI: Come e perché si formano i magmi Come e perché si formano i magmi Come evolvonoCome evolvono Perché si verificano le eruzioni vulcanichePerché si verificano le eruzioni vulcaniche RISPOSTE: 1.Analisi dettagliata dei prodotti naturali 2.Studio di sistemi semplici in laboratorio

4 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 VARIABILI di STATO di un sistema = ne definiscono lo stato = le condizioni in cui si trova P ressione (P), T emperatura (T), C omposiz. chimica (X) V olume (V), M assa (m), D ensità (  ), E nergia interna (E) P, T, e X, i cui valori non dipendono dalle dimensioni del sistema, sono classificate variabili intensive, le altre rientrano nel gruppo delle variabili estensive.

5 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Solido Liquido Temperatura X TfTf SISTEMI MONOCOMPONENTI Sistemi semplici Es. Ghiaccio-Acqua Diopside cristallo – fuso di diopside

6 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura di LIQUIDUS LIQUIDUS Temperatura di SOLIDUS SOLIDUS SISTEMI MULTICOMPONENTI TUTTO FUSO (liquido) CRISTALLI+FUSO TUTTOSOLIDO TEMPERATURA Fusione Cristallizzazione

7 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ora parleremo dei due processi più importanti da un punto di vista petrogenetico: Cristallizzazione Fusione parziale Faremo una serie di esempi utilizzando l’esempio naturale più semplice (sistema a due componenti con eutettico = Anortite-Diopside). Ognuno di questi due processi può avvenire in condizioni di equilibrio o disequilibrio. Da un punto di vista molto generale, con questi due processi si può spiegare il perché esistono rocce ignee con composizioni tanto diverse.

8 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Lo studio di queste problematiche in questo corso è trattato a livello molto generale. L’aggiunta di un nuovo componente (es. un nuovo minerale) può inibire la formazione di un particolare tipo di liquido o di cristallo e favorirne altre. L’influenza dei vari elementi chimici nell’evoluzione di un magma e il ruolo dei vari minerali è ancora lontano dall’essere decifrato. Questo vuol dire che esistono molte eccezioni e che i sistemi naturali (multicomponenti) sono molto più complessi dei sistemi sintetici di laboratorio.

9 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO PROCESSI di CRISTALLIZZAZIONE C. all’EQUILIBRIO I cristalli rimangono in contatto chimico con il fuso fino alla sua completa cristallizzazione. C. FRAZIONATA I cristalli si separano (si frazionano) dal fuso e sono soggetti ad una sorte diversa da quella del liquido (ad esempio a causa della loro differente densità possono allontanarsi dal fuso residuo e concentrarsi nelle parti basse della camera magmatica). Il raffreddamento di un magma con la formazione di cristalli può avvenire secondo due modalità estreme:

10 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 Undici composizioni di partenza diverse. Sette temperature. Un totale di 77 esperimenti. Risultati?

11 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 % Anortite Temp (°C)510203040506070809095 1600Liq 1550 1500Liq Liq+An 1450 1400Liq Liq+An 1350Liq+Di Liq Liq+An 1300Liq+Di LiqLiq+An 1250 1200Di+An 1150 1100Di+An 1050 1000Di+An

12 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 C1C1 12Mix 1Mix 2Mix 3Mix 4Mix 5

13 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fuso + Di CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO Immaginiamo di avere un fuso L 0 ad una T = 1600 °C ed una composizione = C 0 (Qual è la percentuale di Anortite di questo fuso?)

14 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 Partiamo ora da una diversa composizione: Fuso L 1 ad una T = 1600 °C ed una composizione = C 1 T2T2 TETE L1L1 C1C1 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

15 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 L’intervallo termico di cristallizzazione, per il fuso L 0, va da T 1 (temperatura di liquidus) a T E (temperatura di solidus). Dal fuso L 0 si ottengono cristalli euedrali (idiomorfi) di Anortite da T 1 a T E Ad una temperatura corrispondente a T E insieme ad Anortite inizia la cristallizzazione di Diopside, dando origine ad un insieme di cristalli non euedrali (allotriomorfi). EQUILIBRIO Fuso + Di

16 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Un’eruzione che avviene con una temperatura T del magma >T 1 che tipo di lava origina? Se il raffreddamento è molto rapido si avrà una roccia completamente vetrosa. Per T <T 1 la lava avrà una microstruttura porfirica o vitrofirica (cristalli più grandi immersi in una pasta di fondo a grana minuta o del tutto vetrosa). EQUILIBRIO Fuso + Di

17 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Un magma di partenza a composizione eutettica (C E ) in ambiente intrusivo origina una roccia con microstruttura AUTOALLOTRIOMORFA = nessun cristallo ha abito proprio. (Perché?) EQUILIBRIO Fuso + Di

18 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fuso + Di 0,5 mm Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale In questo caso si nota un fenocristallo e una serie di microfenocristalli di plagioclasio immersi in una pasta di fondo vetroso-microcristallina marrone-nera. A temperature più basse di T 1 ma più alte diT E (prima della cristallizzazione del clinopirosseno (Di) In quale situazione ci troviamo? T 0 - T 1 - T 2 - T 3 - T E

19 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fuso + Di 0,5 mm In questo caso oltre ai plagioclasi euedrali-subedrali (con colore di interferenza bianco-grigio) si notano anche una serie di microliti anedrali di clinopirosseno (Di) (con colori di interferenza brillanti). Alla temperatura T E (insieme al plagioclasio ha iniziato a cristallizzare anche il clinopirosseno (Di) In quale situazione ci troviamo? Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale

20 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fuso + Di 0,5 mm Il grosso cristallo di plagioclasio (Anortite) si è formato essenzialmente prima dell’arrivo del liquido al punto eutettico. In seguito è cresciuto di poco e si sono formati tutti gli altri cristalli (altri plagioclasi ed il clinopirosseno). Alla temperatura T E (insieme al plagioclasio ha iniziato a cristallizzare anche il clinopirosseno (Di) Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale

21 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 L’augite (cpx) si forma prima del plagioclasio Questo è quello che si forma partendo dal lato sinistro dell’eutettico visto in precedenza Altri esempi naturali di cristallizzazione: Aug Aug Aug Aug Aug Pl Gabbro proveniente dallo Stillwater Complex, Montana (da J. Winter, 1999)

22 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Tessitura ofitica Dicco di diabase (basalto) Il plagioclasio si forma prima dell’augite (cpx) Altri esempi naturali di cristallizzazione: Questo è quello che si forma partendo dal lato destro dell’eutettico visto in precedenza

23 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

24 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T2T2 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO Perché il numero di cristalli negli esperimenti più ricchi in An è superiore agli altri?

25 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T3T3 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

26 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T4T4 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

27 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 T2T2 T3T3 TETE T4T4 Durante la diminuzione di temperatura da T 2 a T3 (e da T 3 a T 4 ) la composizione del liquido residuo cambia di continuo, mentre la composizione del solido frazionato (cristalli formati) resta costante. Queste frecce gialle indicano come cambia la composizione del fuso residuo durante la cristallizzazione. CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

28 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Tempo trascorso dall’inizio del raffreddamento T E Cominciano a cristallizzare Di + An Da T 1 a T E. Cristallizza solo An. Termina l’ultima goccia di fuso. Tutto il sistema è cristallizzato. Temperatura T1T1 TETE Temperatura di Liquidus (T 1 ). Comincia a cristallizzare An. CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

29 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Tempo trascorso dall’inizio della cristallizzazione T E. Insieme all’An comincia a cristallizzare anche il Di. 100% An 75% An + 25% Di Scompare l’ultima goccia di fuso e la composizione del solido cristallizato non varia più. Composizione del solido (% Plagioclasio) CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO

30 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Tempo trascorso dall’inizio del raffreddamento Durante il processo di cristallizzazione il fuso residuo cambia continuamente composizione Composizione del Liquido Residuo (%An) L 0 = L 1 Scompare l’ultima goccia di fuso L2L2 LELE Prima dell’inizio della cristallizzazione di An, la composizione del fuso non cambia. Semplicemente si raffredda. Siamo in condizioni di??? CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO Si raggiunge il punto eutettico

31 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA Continuamo il discorso sulla cristallizzazione e parliamo della: X Composizione del liquido residuo a T2

32 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO La composizione dei liquidi varia con continuità come nella cristallizzazione all’equilibrio Il frazionamento (l’allontanamento) dei cristalli che si formano per temperature decrescenti origina, in questo esempio semplificato, due tipi di rocce differenti: - Gabbro (o basalto) - Anortosite (sola anortite) X (in questo esempio roccia con diopside ed anortite)

33 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: Immaginiamo di avere un volume iniziale di 100 m 3 di un liquido di partenza a composizione L 1. A T 2 avremo ~59 m 3 di liquido L 2 + ~41 m 3 di cristalli cumulati di anortite. X

34 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: Questi 59 m 3 di liquido “evoluto” L 2 (diverso da L 1 ) possono solidificare in tre modi: 1) Cristallizzazione perfettamente frazionata; 2) C. completamente all’equilibrio; 3) entrambe i tipi. X

35 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: Perché si verifichi il terzo caso (crist. frazionata + equilibrio), i 59 m 3 di liquido L2 devono essere separati. Questo può avvenire in camere crostali a varie profondità nelle quali si raccolgono varie sacche di magma che possono evolvere in modi diversi. X

36 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: La porzione di liquido L 2 che solidifica all’equilibrio avrà una composizione uguale a quella di partenza (L 2 ) La porzione che solidifica in modo perfettamente frazionato avrà una composizione L E (+ Anortite pura). X

37 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: Alla fine di questo processo, partendo da un’unica composizione di partenza (L 1 ) avremo tre rocce: 1) Roccia solo di anortite; 2) Roccia a composizione C 2 ; 3) Roccia a composizione C E. X

38 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: Incrementando il numero di passaggi intermedi (es. L 2, L 3, L 4, L N ) potremo avere N rocce, tutte diverse, formate partendo da un unico “liquido o magma genitore” + la roccia composta dai cristalli cumulati. X

39 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FRAZIONAMENTO Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: In pratica i vari tipi di roccia formati saranno in qualche modo legati ad un unico magma di partenza. Questa associazione di rocce “legate geneticamente” è definita SERIE MAGMATICA. X

40 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata: In pratica a partire da un solo tipo di magma si possono ottenere 5 diversi tipi di rocce ignee e 4 diversi tipi di cumulati. Nove tipi di rocce a partire da un unico magma. ATTTENZIONE: Ovviamene questo è solo un esempio altamente semplificativo di processi naturali estremamente più complessi. Queste modificazioni nella composizione dei magmi via via più freddi sono tutte legate a processi di CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA.

41 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ad esempio, rimuovendo (frazionando) clinopirosseno, plagioclasio, olivina e magnetite da un fuso basaltico, si possono generare tutti i tipi di roccia appartenenti alla serie tholeiitica: IN NATURA LA CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA PREVALE NETTAMENTE SU QUELLA all’EQUILBRIO Serie tholeiitica picrite tholeiitica olivin tholeiite tholeiite quarzo tholeiite andesite tholeiitica (islandite)daciteriolite

42 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 REGOLA della LEVA - Permette di eseguire una trattazione quantitativa dei processi. - Si può conoscere la percentuale del fuso residuo e, ovviamente, quella del solido alle varie temperature.

43 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 L1L1 Durante un processo di cristallizzazione di un liquido L 0, ad una temperatura leggermente superiore a T 1 il sistema è tutto liquido A T 2 il solido vale L 2 – P (tratto a sinistra dell’isopleta) Il tratto L 1 – T 1, a destra dell’isopleta, è proporzionale alla quantità di liquido; a T 1 inizia la cristallizzazione (quindi è tutto fuso) T1T1 T2T2 T3T3 Fuso 5,5 cm Solido 3,9 cm Solido 10,0 cm Solido 7,0 cm TETE @ T 2 il solido = 3,9/(3,9 + 5,5) = 41 % @ T 3 il solido = 7,0/(7,0 + 5,5) = 56 % @ T E il solido = 10,0/(10,0 + 5,5) = 65 % @ T E, il la % di liquido = 100 – 65 = 35%

44 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ora passiamo ad un caso leggermente più complesso Sistema Nefelina-Silice Se si aggiunge SiO 2 alla nefelina cosa si ottiene? Quindi tra Ne e Qz avremo la formazione di un minerale intermedio: Ab

45 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ab + Tr Tr + L Ne + L Ne + Ab Ab + L Ne Ab SiO 2 TxTxTxTx 1234 Composizione sistema 4 a T x ? Liq4 @T x TYTYTYTY Composizione sistema 1 a T Y ? Liq1 @T Y Composizione sistema 4 a T Y ? Liq4 @T Y TZTZTZTZ Composizione sistema 1 a T z ? Liq1 @T z Composizione sistema 2 a T z ? Liq2 @T z Composizione sistema 3 a T z ? Liq3 @T z Composizione sistema 4 a T z ? Liq4 @T z

46 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ne Ab SiO 2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab 1234 TZTZTZTZ Ab + L Evoluzione del liq1 da T 0 a T z ? Evoluzione del liq2 da T 0 a T z ? Evoluzione del liq3 da T 0 a T z ? Evoluzione del liq4 da T 0 a T z ? Tr + L

47 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ne Ab SiO 2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab 1234 TZTZTZTZ Ab + L Composizione sistema 1 a T w ? TwTwTwTw Tutto solido Composizione sistema 2 a T w ? Composizione sistema 3 a T w ? Ne+AbAb+NeAb+Qz Composizione sistema 4 a T w ? Qz+Ab Tr + L

48 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ne Ab SiO 2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab 23 Ab + L Due fusi a composizione simile (liq 2 e 3) formeranno rocce completamente diverse Ab+NeAb+Qz Tutti i fusi in questo campo avranno Ne+Ab Tutti i fusi in questo campo avranno Qz+Ab Barriera Termica (insuperabile) Tr + L Cambierebbe qualcosa nella composizione del fuso residuo finale in condizione di frazionamento perfetto?

49 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fusione all’EQUILIBRIO (Batch Melting) Il fuso rimane in contatto chimico e fisico con il solido sorgente per tutto l’intervallo di fusione. Fusione FRAZIONATA (Rayleigh Melting) Il fuso si separa (si fraziona) dal solido ed è soggetto ad una sorte diversa da quella del solido sorgente. PROCESSI di FUSIONE SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO Come visto nel caso della cristallizzazione, anche il processo di fusione può avvenire secondo due modalità estreme:

50 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO Aumento della temperatura Roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C 0 ) si produce un liquido a composizione diversa (C E )

51 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO Aumento della temperatura Altra roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C 0 ) si produce un liquido a composizione diversa (C E )

52 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO Aumento della temperatura Altra roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C 0 ) si produce un liquido a composizione diversa (C E )

53 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE CECE ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C 0 ) si produce un liquido a composizione diversa (C E ) Aumento della temperatura ATTENZIONE! In questo caso, le prime gocce di fuso di tre rocce di partenza diverse hanno la stessa composizione (C E )

54 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO X Aumento della temperatura Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE All’aumentare della temperatura cominciano a fondere entrambe i minerali. Uno dei due scomparirà per prima. In questo caso il primo minerale a scomparire è il Diopside.

55 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO X Aumento della temperatura Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE Dal momento che, una volta scomparso tutto il diopside, alla composizione del fuso contribuisce solo l’anortite, la composizione del fuso comincia a variare e si arricchisce sempre di più in An.

56 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 T2T2 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO Aumento della temperatura Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE Quale sarà la composizione del liquido a T 1 ? Quale sarà la composizione del solido residuo a T 1 ? C1C1 X

57 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 T2T2 TETE FUSIONE all’EQUILIBRIO Aumento della temperatura Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza La prima goccia di fuso di un solido C 0 ha composizione = C E SEMPRE C0C0 CECE Quale sarà la composizione del liquido a T 2 ? A T 2 il fuso avrà la stessa composizione della roccia di partenza C 0. C1C1 X In condizioni di equilibrio, il processo di fusione termina (è totale) quando il fuso raggiunge la composizione del solido di partenza.

58 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Esempio di fusione parziale di una sorgente bi-mineralica. Fusione parziale Fuso parziale Solido residuo (solo Anortite) Diopside Anortite

59 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Tutti i sistemi iniziano a fondere alla temperatura T E del loro minimo termico: l’EUTETTICO Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica C E La fusione termina a T = T 2 (Fusione del 100% della roccia di partenza) quando il liquido raggiunge la composizione del solido iniziale C 0 Notate bene che in natura non si verificano mai fusioni del 100% !!! Al massimo si verificano fusioni dell’ordine del 20- 30%. Solo raramente si raggiunge il 40-50% Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 T1T1 T2T2 TETE C0C0 CECE C1C1 ATTENZIONE: In natura non avviene mai la fusione totale di un protolito (roccia di partenza). Le percentuali di fusione massima sono ~40%. In genere non superano il 10-15%.

60 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Facciamo un altro esempio: Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE Aumento della temperatura Roccia di partenza C0C0 CECE (La prima goccia di fuso ha sempre una composizione C E ) Questa volta la prima fase a scomparire è l’anortite. Scomparsa l’anortite, il fuso prodotto comincia a cambiare di composizione e si sposta in direzione di C 0. X

61 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Facciamo un altro esempio: Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE Aumento della temperatura Roccia di partenza C0C0 (La prima goccia di fuso ha sempre una composizione C E ) Quando il fuso avrà raggiunto la composizione del solido iniziale allora il processo di fusione TOTALE sarà terminato. X CECE

62 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE Roccia di partenza CECE Partiamo da una roccia composta al 90% da plagioclasio e 10% di clinopirosseno. Qual è la composizione del fuso prodotto a T E ? Qual è la composizione del fuso prodotto a T 1 ? T1T1 C1C1 Qual è la composizione del fuso prodotto a T 2 ? T2T2 C2C2

63 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ne Ab SiO 2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L 12 Due rocce a composizione simile (1 e 2) formeranno le prime gocce di fuso a composizione completamente diverse Tutti i fusi in questo campo saranno sottosaturi in SiO 2 Tutti i fusi in questo campo saranno sovrasaturi in SiO 2

64 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Ne Ab SiO 2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L Le temperature di eutettico dei due sottosistemi sono diverse Sistema Ne-Ab Sistema Ab-SiO 2

65 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FUSIONE FRAZIONATA X La roccia di partenza continua a fondere (fondono entrambe, sia il diopside che l’anortite). Ad un certo punto una delle due fasi finirà. Questo fuso C E lascia il sistema. Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà generare un solido della stessa composizione (C E ). Una volta scomparso il diopside, cosa resta da far fondere? A che Temperatura fonde l’Anortite? Il fuso scompare. Se la T aumenta, il fuso ricompare solo a TAn. Che composizione avrà questo fuso?

66 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 FUSIONE FRAZIONATA X Alla fine del processo di fusione frazionata avremo due fusi completamente diversi: Uno a composizione C E ed un altro di Anortite pura. Questo fuso C E lascia il sistema. Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà generare un solido della stessa composizione (C E ).

67 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Il fuso, più leggero del solido, tende a risalire spontaneamente e quindi tende a frazionare (allontanarsi) dal solido. Questo allontanamento, tuttavia, non si verifica se il quantitativo di fuso è molto basso (<<1%). In genere le rocce alcaline sono generate per gradi di fusione parziale di  1-5% da un mantello peridotitico, mentre per le rocce subalcaline (es. MORB) f può arrivare a  10-20% In natura la fusione parziale è di tipo intermedio tra quella all’equilibrio e quella frazionata.

68 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fusione parziale In natura è molto comune che solo l’1-20% di una roccia fonda, questo perchè il processo di fusione richiede molta energia. Il risultato è che i minerali che fondono sono soprattutto quelli che hanno un punto di fusione più basso. Ad esempio, in una peridotite [roccia composta da olivina (forsterite), ortopirosseno (enstatite), clinopirosseno (diopside) e plagioclasio/spinello/granato], i minerali a più basso grado di fusione sono (in ordine di T f crescenti): clinopirosseno, plagioclasio/spinello/granato, ortopirosseno, olivina.

69 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Questo vuol dire che la parte della roccia che fonde non rappresenta tutta la roccia. Il risultato è che i fusi parziali hanno composizioni differenti rispetto alle sorgenti. Questo equivale a dire che la fusione parziale è un processo di differenziazione. Fusione parziale

70 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Sia che avvenga in condizioni di equilibrio, che in condizioni di disequilibrio, il processo di fusione parziale è un processo di differenziazione (produce un fuso a composizione diversa dal solido di partenza). Questo equivale a dire che la fusione parziale è un processo di differenziazione. Fusione parziale

71 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE Roccia di partenza CECE T1T1 C1C1 T2T2 C2C2 Ritorniamo all’esempio visto in precedenza: A partire da un certo solido si formano tre tipi di fusi a tre temperature diverse (C E, C 1 e C 2 ) Questi tre fusi possono parzialmente abbandonare il sistema. A seconda del tipo di raffreddamento, potranno generare tre tipi di rocce diverse (per cristallizzazione all’equilibrio) oppure un numero molto elevato di rocce (per cristallizzazione frazionata).

72 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 DiopsideAnortite % in peso di Anortite 1030507090 TETE Roccia di partenza CECE T1T1 C1C1 T2T2 C2C2 Quindi è possibile dire che: Partendo da una roccia, i processi di fusione (parziale) e di successiva cristallizzazione (frazionata) possono portare ad un numero molto elevato di diversi tipi di rocce ignee. Da una sola roccia sorgente si possono ottenere molte rocce derivate.

73 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 DiAn 20406080 Cosa succede se aumenta la pressione? Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia? 1 GPa (pressione secca) La temperatura di eutettico sarà quindi più alta o più bassa rispetto ad 1 atm? Non cambia solo la temperatura di fusione, ma varia anche il campo di stabilità dei minerali. Con l’aumentare della P il campo di stabilità del plagioclasio aumenta o diminuisce? 1 atm (0,1 MPa)

74 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 DiAn 20406080 La composizione di un fuso parziale ad elevate pressioni sarà più ricca o più povera nella componente anortitica rispetto ad un fuso generato ad 1 atm? 1 GPa (pressione secca) Se il campo di stabilità di una fase diminuisce, allora la composizione del fuso si arricchisce in quel componente. 1 atm (0,1 MPa)

75 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 DiAn 20406080 1 atm (0,1 MPa) …E cosa succede se aumenta il contenuto d’acqua nel sistema? 1 GPa (pressione secca) 1 GPa (pressione H 2 O) In condizioni di elevata P H2O il campo di stabilità del plagioclasio aumenta o diminuisce? Cosa succede ad un fuso che si raffredda a differenti pressioni e contenuti di volatili? Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia?

76 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 DiAn 20406080 A basse P quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? Ad elevate P anidre quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? Ad elevate P idrate quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? 1 atm (0,1 MPa) 1 GPa (pressione secca) 1 GPa (pressione H 2 O)

77 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 DiAn 20406080 In condizioni di elevata pressione d’H 2 O il fuso residuo si arricchirà o impoverirà in Al 2 O 3 ? In quali casi geologici si possono verificare condizioni di elevata pressione d’H 2 O? Gli HAB (High-Alumina Basalts) si formano in zone di subduzione. 1 atm (0,1 MPa) 1 GPa (pressione secca) 1 GPa (pressione H 2 O)

78 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fusione parziale I fusi parziali sono sempre più acidi (più ricchi in SiO 2 ) e meno femici (più poveri in MgO) delle loro sorgenti: Una peridotite di mantello (SiO 2 ~40%; MgO ~40%) può fondere generando basalti (SiO 2 ~50%; MgO ~10%); Un basalto può fondere generando daciti (SiO 2 ~60%; MgO ~2%) e rioliti (SiO 2 ~70%; MgO ~0,5%).

79 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Fusione parziale Questo discorso era vero fino al 2003. Quell’anno, infatti, alcuni autori hanno dimostrato che alcune litologie (granuliti) possono fondere producendo fusi parziali bassi in SiO 2 (a composizione basanitica s.l.). Ma a voi queste “anomalie” non interessano.

80 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Credits Alcune figure e schemi da: J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous Petrology Press, Siever, Grotzinger, Jordan – Understanting Earth Tarbuck e Lutgens – An introduction to physical geology

81 Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016 Per commenti, chiarimenti o informazioni su queste slides: michele.lustrino@uniroma1.it 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.