Riassunto della puntata precedente:

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1 Riassunto della puntata precedente:
Origine ed evoluzione dei magmi. Fusione per decompressione Fusione per aumento di temperatura Fusione per aggiunta di volatili Fusione per aumento di pressione

2 Passiamo ora ad un altro argomento
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 COMPORTAMENTO dei MAGMI
INTERROGATIVI: Come e perché si formano i magmi Come evolvono Perché si verificano le eruzioni vulcaniche RISPOSTE: Analisi dettagliata dei prodotti naturali Studio di sistemi semplici in laboratorio

4 VARIABILI di STATO di un sistema = ne definiscono lo stato = le condizioni in cui si trova
Pressione (P), Temperatura (T), Composiz. chimica (X) Volume (V), Massa (m), Densità (r), Energia 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 SISTEMI MONOCOMPONENTI
Solido Liquido Temperatura X Tf Sistemi semplici Es. Ghiaccio-Acqua Diopside cristallo – fuso di diopside

6 SISTEMI MULTICOMPONENTI
TUTTO FUSO (liquido) CRISTALLI + FUSO TUTTO SOLIDO TEMPERATURA Fusione Cristallizzazione Temperatura di LIQUIDUS T alla quale scompare l’ultimo cristallo T alla quale compare il primo cristallo Temperatura di SOLIDUS T alla quale compare la prima goccia di fuso T alla quale scompare l’ultima goccia di fuso

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

8 Lo studio di queste problematiche in questo corso è trattato a livello molto generale.
Questo vuol dire che esistono molte eccezioni e che i sistemi naturali (multicomponenti) sono molto più complessi dei sistemi sintetici di laboratorio. 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.

9 SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO
PROCESSI di CRISTALLIZZAZIONE Il raffreddamento di un magma con la formazione di cristalli può avvenire secondo due modalità estreme: 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). C. all’EQUILIBRIO I cristalli rimangono in contatto chimico con il fuso fino alla sua completa cristallizzazione.

10 Risultati? Temperatura Diopside Anortite % in peso di Anortite
1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 Undici composizioni di partenza diverse. Sette temperature. Risultati? Un totale di 77 esperimenti.

11 % Anortite Temp (°C) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 1600 Liq 1550
1600 Liq 1550 1500 Liq+An 1450 1400 1350 Liq+Di 1300 1250 1200 Di+An 1150 1100 1050 1000

12 Temperatura Diopside Anortite % in peso di Anortite Temperatura
1 2 Mix 1 Mix 2 Mix 3 Mix 4 Mix 5 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 C1

13 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Immaginiamo di avere un fuso L0 ad una T = 1600 °C ed una composizione = C0 (Qual è la percentuale di Anortite di questo fuso?) Fuso + Di

14 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Partiamo ora da una diversa composizione: Fuso L1 ad una T = 1600 °C ed una composizione = C1 Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 L1 T1 T2 TE C1

15 L’intervallo termico di cristallizzazione, per il fuso L0, va da T1 (temperatura di liquidus) a TE (temperatura di solidus). Dal fuso L0 si ottengono cristalli euedrali (idiomorfi) di Anortite da T1 a TE Ad una temperatura corrispondente a TE insieme ad Anortite inizia la cristallizzazione di Diopside, dando origine ad un insieme di cristalli non euedrali (allotriomorfi). Fuso + Di EQUILIBRIO

16 Un’eruzione che avviene con una temperatura T del magma >T1 che tipo di lava origina?
Se il raffreddamento è molto rapido si avrà una roccia completamente vetrosa. Per T <T1 la lava avrà una microstruttura porfirica o vitrofirica (cristalli più grandi immersi in una pasta di fondo a grana minuta o del tutto vetrosa). Fuso + Di EQUILIBRIO

17 Un magma di partenza a composizione eutettica (CE) in ambiente intrusivo origina una roccia con microstruttura AUTOALLOTRIOMORFA = nessun cristallo ha abito proprio. (Perché?) Fuso + Di EQUILIBRIO

18 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. 0,5 mm In quale situazione ci troviamo? T0 - T1 - T2 - T3 - TE Fuso + Di A temperature più basse di T1 ma più alte diTE (prima della cristallizzazione del clinopirosseno (Di)

19 Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale 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). 0,5 mm In quale situazione ci troviamo? Fuso + Di Alla temperatura TE (insieme al plagioclasio ha iniziato a cristallizzare anche il clinopirosseno (Di)

20 Esempi naturali di cristallizzazione a due componenti con eutettico: Basalti Eocenici dell’Oceano Pacifico settentrionale 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). 0,5 mm Fuso + Di Alla temperatura TE (insieme al plagioclasio ha iniziato a cristallizzare anche il clinopirosseno (Di)

21 L’augite (cpx) si forma prima del plagioclasio
Altri esempi naturali di cristallizzazione: L’augite (cpx) si forma prima del plagioclasio Aug Pl Questo è quello che si forma partendo dal lato sinistro dell’eutettico visto in precedenza Gabbro proveniente dallo Stillwater Complex, Montana (da J. Winter, 1999)

22 Il plagioclasio si forma prima dell’augite (cpx)
Altri esempi naturali di cristallizzazione: Il plagioclasio si forma prima dell’augite (cpx) Tessitura ofitica Dicco di diabase (basalto) Questo è quello che si forma partendo dal lato destro dell’eutettico visto in precedenza

23 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 T1

24 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 T2 Perché il numero di cristalli negli esperimenti più ricchi in An è superiore agli altri?

25 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 T3

26 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 T4

27 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 Durante la diminuzione di temperatura da T2 a T3 (e da T3 a T4) la composizione del liquido residuo cambia di continuo, mentre la composizione del solido frazionato (cristalli formati) resta costante. T1 T2 T3 TE Queste frecce gialle indicano come cambia la composizione del fuso residuo durante la cristallizzazione. T4

28 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Tempo trascorso dall’inizio del raffreddamento Temperatura di Liquidus (T1). Comincia a cristallizzare An. Temperatura Da T1 a TE. Cristallizza solo An. T1 Termina l’ultima goccia di fuso. Tutto il sistema è cristallizzato. TE TE Cominciano a cristallizzare Di + An

29 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
100% An Composizione del solido (% Plagioclasio) TE. Insieme all’An comincia a cristallizzare anche il Di. 75% An % Di Scompare l’ultima goccia di fuso e la composizione del solido cristallizato non varia più. Tempo trascorso dall’inizio della cristallizzazione

30 CRISTALLIZZAZIONE all’EQUILIBRIO
Durante il processo di cristallizzazione il fuso residuo cambia continuamente composizione Composizione del Liquido Residuo (%An) L0 = L1 Prima dell’inizio della cristallizzazione di An, la composizione del fuso non cambia. Semplicemente si raffredda. Si raggiunge il punto eutettico L2 LE Siamo in condizioni di??? Scompare l’ultima goccia di fuso Tempo trascorso dall’inizio del raffreddamento

31 X CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA
Continuamo il discorso sulla cristallizzazione e parliamo della: CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA X Composizione del liquido residuo a T2

32 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: - Anortosite (sola anortite) - Gabbro (o basalto) (in questo esempio roccia con diopside ed anortite) X FRAZIONAMENTO

33 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
Immaginiamo di avere un volume iniziale di 100 m3 di un liquido di partenza a composizione L1. A T2 avremo ~59 m3 di liquido L2 + ~41 m3 di cristalli cumulati di anortite. X FRAZIONAMENTO

34 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
Questi 59 m3 di liquido “evoluto” L2 (diverso da L1) possono solidificare in tre modi: 1) Cristallizzazione perfettamente frazionata; 2) C. completamente all’equilibrio; 3) entrambe i tipi. X FRAZIONAMENTO

35 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
Perché si verifichi il terzo caso (crist. frazionata + equilibrio), i 59 m3 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 FRAZIONAMENTO

36 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
La porzione di liquido L2 che solidifica all’equilibrio avrà una composizione uguale a quella di partenza (L2) La porzione che solidifica in modo perfettamente frazionato avrà una composizione LE (+ Anortite pura). X FRAZIONAMENTO

37 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
Alla fine di questo processo, partendo da un’unica composizione di partenza (L1) avremo tre rocce: 1) Roccia solo di anortite; 2) Roccia a composizione C2; 3) Roccia a composizione CE. X FRAZIONAMENTO

38 Cerchiamo di capire bene l’importanza del processo di cristallizzazione frazionata:
Incrementando il numero di passaggi intermedi (es. L2, L3, L4, LN) potremo avere N rocce, tutte diverse, formate partendo da un unico “liquido o magma genitore” + la roccia composta dai cristalli cumulati. X FRAZIONAMENTO

39 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 FRAZIONAMENTO

40 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 IN NATURA LA CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA PREVALE NETTAMENTE SU QUELLA all’EQUILIBRIO
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: 77 73 69 65 61 57 53 49 52 Basalto 45 41 37 Picro- basalto 1 3 5 7 9 11 Foidite Fono- tefrite 13 Tefri- fonolite Trachi- andesite Fonolite Trachite trachi- basaltica Trachidacite Andesite Basaltica Dacite Riolite Tefrite/ Basanite 63 ULTRABASICHE BASICHE INTERMEDIE ACIDE SiO2 % Na2O+K2O Serie Tholeiitica Diagramma TAS Serie tholeiitica picrite tholeiitica olivin tholeiite tholeiite quarzo tholeiite andesite tholeiitica (islandite) dacite riolite

42 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 Temperatura Diopside Anortite % in peso di Anortite
Durante un processo di cristallizzazione di un liquido L0 , ad una temperatura leggermente superiore a T1 il sistema è tutto liquido Il tratto L1 – T1, a destra dell’isopleta, è proporzionale alla quantità di liquido; a T1 inizia la cristallizzazione (quindi è tutto fuso) A T2 il solido vale L2 – P (tratto a sinistra dell’isopleta) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 L1 @ T2 il solido = 3,9/(3,9 + 5,5) = 41 % @ T3 il solido = 7,0/(7,0 + 5,5) = 56 % Fuso 5,5 cm @ TE il solido = 10,0/(10,0 + 5,5) = 65 % T1 Solido T2 3,9 cm Solido T3 7,0 cm Solido TE 10,0 cm @ TE, il la % di liquido = 100 – 65 = 35%

44 Sistema Nefelina-Silice
Ora passiamo ad un caso leggermente più complesso Sistema Nefelina-Silice Se si aggiunge SiO2 alla nefelina cosa si ottiene? Quindi tra Ne e Qz avremo la formazione di un minerale intermedio: Ab

45 Ne SiO2 Ab 1 2 3 4 Composizione sistema 4 a Tx?
Ab + Tr Tr + L Ne + L Ne + Ab Ab + L 1 2 3 4 Composizione sistema 4 a Tx? Composizione sistema 1 a Tz? Composizione sistema 4 a Tz? Composizione sistema 2 a Tz? Composizione sistema 3 a Tz? Tx Composizione sistema 1 a TY? Composizione sistema 4 a TY? TY TZ Ne SiO2 Ab

46 Ne SiO2 Ab Evoluzione del liq1 da T0 a Tz?
3 4 Evoluzione del liq1 da T0 a Tz? Evoluzione del liq3 da T0 a Tz? Evoluzione del liq2 da T0 a Tz? Evoluzione del liq4 da T0 a Tz? Tr + L Ne + L TZ Ab + L Ab + L Ne + Ab Ab + Tr Ne SiO2 Ab

47 Tutto solido Ne+Ab Ab+Ne Ab+Qz Qz+Ab Ne SiO2 Ab
1 2 3 4 Composizione sistema 1 a Tw? Composizione sistema 3 a Tw? Composizione sistema 2 a Tw? Composizione sistema 4 a Tw? Tr + L Ne + L TZ Ab + L Ab + L Tw Ne + Ab Ab + Tr Tutto solido Ne SiO2 Ab Ne+Ab Ab+Ne Ab+Qz Qz+Ab

48 2 3 Due fusi a composizione simile (liq 2 e 3) formeranno rocce completamente diverse Tutti i fusi in questo campo avranno Ne+Ab Tutti i fusi in questo campo avranno Qz+Ab Tr + L Barriera Termica (insuperabile) Cambierebbe qualcosa nella composizione del fuso residuo finale in condizione di frazionamento perfetto? Ne + L Ab + L Ab + L Ne + Ab Ab + Tr Ne SiO2 Ab Ab+Ne Ab+Qz

49 Fusione all’EQUILIBRIO
SISTEMA a 2 COMPONENTI con EUTETTICO PROCESSI di FUSIONE Come visto nel caso della cristallizzazione, anche il processo di fusione può avvenire secondo due modalità estreme: 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.

50 FUSIONE all’EQUILIBRIO
ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C0) si produce un liquido a composizione diversa (CE) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE TE Aumento della temperatura C0 CE Roccia di partenza

51 FUSIONE all’EQUILIBRIO
ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C0) si produce un liquido a composizione diversa (CE) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE TE Aumento della temperatura C0 CE Altra roccia di partenza

52 FUSIONE all’EQUILIBRIO
ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C0) si produce un liquido a composizione diversa (CE) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE TE Aumento della temperatura C0 CE Altra roccia di partenza

53 FUSIONE all’EQUILIBRIO
ATTENZIONE! Questo è un processo attraverso il quale da una roccia di partenza (C0) si produce un liquido a composizione diversa (CE) ATTENZIONE! In questo caso, le prime gocce di fuso di tre rocce di partenza diverse hanno la stessa composizione (CE) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE TE Aumento della temperatura Aumento della temperatura Aumento della temperatura CE

54 FUSIONE all’EQUILIBRIO
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. Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE TE Aumento della temperatura X C0 CE Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza

55 FUSIONE all’EQUILIBRIO
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. Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE SEMPRE T1 TE Aumento della temperatura X C0 CE Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza

56 FUSIONE all’EQUILIBRIO
Quale sarà la composizione del liquido a T1? Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE Quale sarà la composizione del solido residuo a T1? T2 SEMPRE T1 TE Aumento della temperatura X C0 CE C1 Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza

57 FUSIONE all’EQUILIBRIO
Quale sarà la composizione del liquido a T2? Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 La prima goccia di fuso di un solido C0 ha composizione = CE In condizioni di equilibrio, il processo di fusione termina (è totale) quando il fuso raggiunge la composizione del solido di partenza. A T2 il fuso avrà la stessa composizione della roccia di partenza C0. T2 SEMPRE T1 TE Aumento della temperatura X C0 CE C1 Solo una volta scomparso tutto il diopside, la temperatura del sistema ricomincerà a salire. Roccia di partenza

58 Fusione parziale Fuso parziale Solido residuo (solo Anortite) Diopside Anortite Esempio di fusione parziale di una sorgente bi-mineralica.

59 Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica CE
Tutti i sistemi iniziano a fondere alla temperatura TE del loro minimo termico: l’EUTETTICO Il primo liquido ha SEMPRE la composizione eutettica CE La fusione termina a T = T2 (Fusione del 100% della roccia di partenza) quando il liquido raggiunge la composizione del solido iniziale C0 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%. 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 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 T1 T2 TE C0 CE C1

60 X Facciamo un altro esempio:
Questa volta la prima fase a scomparire è l’anortite. Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 Scomparsa l’anortite, il fuso prodotto comincia a cambiare di composizione e si sposta in direzione di C0. TE Aumento della temperatura (La prima goccia di fuso ha sempre una composizione CE) X C0 CE Roccia di partenza

61 X Facciamo un altro esempio:
Quando il fuso avrà raggiunto la composizione del solido iniziale allora il processo di fusione TOTALE sarà terminato. Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 TE Aumento della temperatura (La prima goccia di fuso ha sempre una composizione CE) X C0 CE Roccia di partenza

62 Partiamo da una roccia composta al 90% da plagioclasio e 10% di clinopirosseno.
Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 Qual è la composizione del fuso prodotto a TE? Qual è la composizione del fuso prodotto a T1? Qual è la composizione del fuso prodotto a T2? T2 T1 TE CE C1 C2 Roccia di partenza

63 Ne Ab SiO2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L 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 SiO2 Tutti i fusi in questo campo saranno sovrasaturi in SiO2 1 2

64 Le temperature di eutettico dei due sottosistemi sono diverse
Ne Ab SiO2 Ab + Tr Ne + L Ne + Ab Ab + L Tr + L Le temperature di eutettico dei due sottosistemi sono diverse Sistema Ne-Ab Sistema Ab-SiO2

65 FUSIONE FRAZIONATA La roccia di partenza continua a fondere (fondono entrambe, sia il diopside che l’anortite). Ad un certo punto una delle due fasi finirà. 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. X Che composizione avrà questo fuso? Questo fuso CE lascia il sistema. Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà generare un solido della stessa composizione (CE).

66 FUSIONE FRAZIONATA Alla fine del processo di fusione frazionata avremo due fusi completamente diversi: Uno a composizione CE ed un altro di Anortite pura. X Questo fuso CE lascia il sistema. Durante il raffreddamento successivo questo fuso potrà generare un solido della stessa composizione (CE).

67 In natura la fusione parziale è di tipo intermedio tra quella all’equilibrio e quella frazionata.
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%

68 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 Tf crescenti): clinopirosseno, plagioclasio/spinello/granato, ortopirosseno, olivina.

69 Fusione parziale 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.

70 Fusione parziale 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.

71 Ritorniamo all’esempio visto in precedenza:
A partire da un certo solido si formano tre tipi di fusi a tre temperature diverse (CE, C1 e C2) Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 TE Roccia di partenza CE T1 C1 T2 C2 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 Da una sola roccia sorgente si possono ottenere molte rocce derivate.
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. Temperatura 1600 1500 1400 1300 1200 1100 Diopside Anortite % in peso di Anortite 10 30 50 70 90 TE Roccia di partenza CE T1 C1 T2 C2

73 Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia?
1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Di An 20 40 60 80 Cosa succede se aumenta la pressione? 1 GPa (pressione secca) Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia? 1 atm (0,1 MPa) 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?

74 1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Di An 20 40 60 80 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) 1 atm (0,1 MPa) Se il campo di stabilità di una fase diminuisce, allora la composizione del fuso si arricchisce in quel componente.

75 Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia?
1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Di An 20 40 60 80 …E cosa succede se aumenta il contenuto d’acqua nel sistema? 1 GPa (pressione secca) Ci vorrà più o meno energia per far fondere una roccia? 1 atm (0,1 MPa) In condizioni di elevata PH2O il campo di stabilità del plagioclasio aumenta o diminuisce? Cosa succede ad un fuso che si raffredda a differenti pressioni e contenuti di volatili? 1 GPa (pressione H2O)

76 Ad elevate P anidre quale sarà la fase di liquidus di questo fuso?
1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Di An 20 40 60 80 Ad elevate P anidre quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? 1 GPa (pressione secca) A basse P quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? 1 atm (0,1 MPa) Ad elevate P idrate quale sarà la fase di liquidus di questo fuso? 1 GPa (pressione H2O)

77 Gli HAB (High-Alumina Basalts) si formano in zone di subduzione.
1600 T (°C) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Di An 20 40 60 80 In quali casi geologici si possono verificare condizioni di elevata pressione d’H2O? 1 GPa (pressione secca) In condizioni di elevata pressione d’H2O il fuso residuo si arricchirà o impoverirà in Al2O3? 1 atm (0,1 MPa) Gli HAB (High-Alumina Basalts) si formano in zone di subduzione. 1 GPa (pressione H2O)

78 Fusione parziale I fusi parziali sono sempre più acidi (più ricchi in SiO2) e meno femici (più poveri in MgO) delle loro sorgenti: Una peridotite di mantello (SiO2 ~40%; MgO ~40%) può fondere generando basalti (SiO2 ~50%; MgO ~10%); Un basalto può fondere generando daciti (SiO2 ~60%; MgO ~2%) e rioliti (SiO2 ~70%; MgO ~0,5%).

79 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 SiO2 (a composizione basanitica s.l.). Ma a voi queste “anomalie” non interessano.

80 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

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