Processo Magmatico e rocce ignee - pt.1

24 maggio 2023

Dal magma alla roccia

4,5 miliardi di anni fa: la terra è nelle fasi iniziali della propria storia. Grazie alla forza di gravità, un’ammasso di materiale allo stato fuso , piano piano diventa il nostro mondo. I materiali si disposero in base alla loro densità : i più leggeri in superficie. Questi furono i primi a raffreddarsi e dal quel momento inizió il processo di solidificazione , che determinò l’associazione di materiali simili tra loro. Così si crearono le rocce più antiche della terra. Queste rocce sono chiamate ignee (dal latino ignis = fuoco) o magmatiche o eruttive , formati dal raffreddamento di magma incandescente, caratterizzato da una temperatura tra i 650° e 1300°.

Le rocce ignee costituiscono circa l’80% della crosta terrestre e possono essere distinte in due grandi categorie:

- Le rocce effusive, o vulcaniche, sono originate dalla solidificazione di un magma che fuoriesce sulla superficie terrestre. Per le rocce effusive esiste una classificazione che vede da una parte le rocce effusive sialiche ossia ricche di SiO2 (silice), in una percentuale intorno al 65% e dall'altra le rocce effusive femiche con un contenuto più basso di SiO2 (tra il 42% e il 55%).

- Le rocce intrusive, o plutoniche, sono originate dalla solidificazione per lento raffreddamento di un magma che ristagna all’interno della crosta. Le intrusive si dividono in:

- Rocce soprassature o granitoidi: In questo campo le rocce contengono una percentuale minima di quarzo del 20%, come : alicaligranito, granito, granodiorite, tonalite

- Rocce sature: percentuale di quarzo compresa tra lo 0 e il 5%. Come: alcalisienite, sienite, monzonite, monzodiorite e monzogabbro, diorite e gabbro

- Rocce sottosature: contengono feldspatoidi ( I feldspatoidi sono una famiglia di silicati comuni specialmente nelle rocce effusive). Non contengono invece quarzo. Queste sono: nefelinsienite,plagiosenite,theralite.

- Le rocce filoniane o ipoabissali o subvulcaniche sono un tipo di rocce magmatiche che cristallizzano interamente o in gran parte a modesta profondità, in corpi di varia forma ma quasi sempre di ridotte dimensioni

Info point : definizione di magma : una massa di materiali rocciosi allo stato fuso, contenente in soluzione anche sostanze allo stato gassoso.

Magma 

La temperatura è variabile tra 650 e 1300 °C. I valori più bassi delle temperature si registrano solitamente nei magmi ricchi in silice SiO2 , quelli più elevati nei magmi poveri si SiO2 ( lava dei vulcani). Quando il magma arriva in superficie , questo perde i gas e diventa lava.

Quindi in magma presenta caratteristiche diverse quando fuoriesce dalla crosta terrestre , ma anche durante la risalita subisce vari cambiamenti chimici e fisici. Infatti oltre alla diminuzione della pressione litostatica , si ha anche un raffreddamento che porta alla separazione e alla cristallizzazione di alcuni elementi chimici mentre altri elementi possono essere prelevati dalle rocce della crosta terrestre.

I principali fattori fisici che portano alla formazione delle rocce sono:

  1. aumento di temperatura
  2. riduzione della pressione
  3. aumento del contenuto di acqua

Info point: ancora oggi sotto lo strato roccioso in cui noi poggiamo i nostri piedi si estende materiale allo stato solido per circa 3000 km. Man mano che si procede al di sotto della superficie terrestre, la temperatura aumenta. Ma oltre alla temperatura aumenta anche la pressione dovuta al peso esercitato dagli strati rocciosi sovrastanti.

La pressione esercitata dalle rocce in tutte le direzioni dello spazio è detta pressione litostatica.

Nella astenosfera, (sottile strato fluido-viscoso, situato al disotto della crosta terrestre, ad una profondità compresa tra 100 e 300 km. )le temperature sono comprese fra 1000o e i 1500° ma ogni minerale ha un suo punto di fusione influenzato da molti fattori ad esempio l’olivina fonde 1600o e 1800° ma per effetto delle rocce sovrastanti la temperatura di fusione aumenta : quindi se la pressione aumenta si alza di conseguenza il punto di fusione. Al contrario una piccola quantità d’acqua nel magma può far abbassare la temperatura alla quale silicati rimangono allo stato fuso. questo vuol dire che i magmi contenenti acqua possono avvicinarsi di più alla superficie terrestre sotto forma di lava. Quindi i volatili del magma sono l’acqua e gli altri gas presenti come il diossido di carbonio, lo zolfo ,l’azoto, l’idrogeno, il cloro, il fluoro. 

Inoltre sono elementi che rimangono allo stato liquido e gassoso a temperature inferiori di quelle di silicati perciò a temperature inferiori questi si separano, mentre i silicati si cristallizzano. 

Importanti caratteristiche fisiche del magma sono:

⁃ viscosità : è la proprietà più importante di un magma. Esprime la resistenza che ogni corpo oppone alle forze che ne vogliono modificare la forma Quindi in parole povere, la viscosità non altro “la resistenza che ha un determinato flusso allo scorrimento”. La viscosità, come le altre proprietà fisiche dei magmi, dipende dalla composizione chimica del magma. Infatti aumenta all’aumentare del contenuto in silice (perché all’interno di un fluido magmatico si vanno a formano legami forti tra il silicio e l’ossigeno), e diminuisce all’aumentare del contenuto di elementi o sostante che vanno ad interrompere tali legami, come ad esempio i volatili disciolti (l’acqua), gli elementi alcalini, il Fe ed il Mg. La viscosità inoltre è inversamente proporzionale alla temperatura, ciò vuol dire che cresce al diminuire della stessa e all’aumentare del contenuto dei cristalli presenti nel fuso magmatico. La presenza di acqua e/ o di fluoro nei liquidi magmatici ne riduce la viscosità. 

-Densità: La densità di un corpo, è il rapporto tra la massa ed il volume.La densità di un magma controlla i meccanismi di risalita di un fuso tra le rocce incassanti, nonché i fenomeni di differenziazione e frazionamento che possono verificarsi nella camera magmatica. Questa è in funzione della temperatura, della composizione chimica, della pressione e dal contenuto di gas presenti in un magma. varia da circa

2,2 g/cm3 per i magmi acidi (ricchi di silicio) a circa 2,9 g/cm3 per i magmi basaltici ( poveri di silicio) ;

L’EVOLUZIONE DEI MAGMI

La genesi dei magmi

Il processo fondamentale che porta alla genesi dei magmi, e quindi alle rocce magmatiche, è la fusione parziale di rocce preesistenti.

Per ottenere la fusione della crosta o del mantello è necessario:

•diminuire la pressione; questa condizione avviene in prossimità delle dorsali medio-oceaniche, dove la litosfera e la sottostante astenosfera sono sottoposte a forze di distensione che causano una diminuzione locale di pressione. Essa induce il passaggio allo stato liquido della parte più superficiale dell'astenosfera e quindi la formazione di lave basaltiche. Poiché il punto di fusione del magma basico diminuisce con il diminuire della pressione, quando si avvicina alla superficie, avendo una temperatura di formazione abbastanza elevata, incontra condizioni che ne facilitano il mantenimento allo stato liquido. Sui magmi acidi la pressione ha un effetto opposto, giacché, per mantenere lo stato fuso la temperatura deve aumentare anziché diminuire, per questo solidifica prima di giungere in superficie;

• presenza di acqua, la cui concentrazione influisce abbassando il punto di fusione della roccia( dunque l’abbassamento dei limiti critici di pressione P e temperatura T) .Sotto le dorsali parte dell'acqua può derivare direttamente dal magma, ma la maggior parte proviene dalle acque profonde circolanti;

• aumento di temperatura, che può avvenire in due condizioni. Può verificarsi quando masse rocciose sono trasportate in profondità lungo le zone di subduzione dove le temperature progressivamente più elevate, non controbilanciate dalla pressione, provocano la fusione. Una seconda condizione che dà origine ad un aumento della temperatura è dovuta al calore trasportato verso l'alto in prossimità di correnti convettive presenti nel mantello.

Se la fusione avviene nel mantello (ultrabasico) si forma un magma primario di composizione prossima a quella del basalto, a elevate profondità e ad alta temperatura (1200-1400°C) e molto fluido, tanto da poter risalire in superficie prima di cristallizzarsi. Esso dà origine a gran parte delle rocce effusive ed ipoabissali. I magmi primari derivano da processi di fusione parziale (non oltre il 30%) di rocce del mantello superiore , le cosiddette peridotiti, costituire essenzialmente di olivina e pirosseni, con l'aggiunta di minerali accessori quali spinello, granato, anfibiolo e mica flogopipe.

Se avviene all'interno della crosta continentale, dove, già a qualche decina di km di profondità, la temperatura è elevata abbastanza (600-700°C) da provocare, almeno in certe condizioni, la fusione dei minerali sialici, si formano fusi acidi, detti magmi anatettici attraverso un processo chiamato anatessi ( dal greco anatexis= fusione) con il quale si designa il processo di fusione parziale delle rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche. Questi magmi sono molto viscosi poiché sono costituiti da una porzione fusa che contiene molti residui ancora solidi che hanno un punto di fusione più alto. Essi si muovono perciò con notevole difficoltà e non risalgono molto entro la crosta, e tendono a cristallizzarsi in profondità formando i batoliti granitici.

Se si esaminano le rocce magmatiche che costituiscono la crosta terrestre , è evidente la larghissima prevalenza di due tipi di rocce: i graniti (rocce intrusive) e i basalti ( rocce effusive).

Non si tratta di una semplice coincidenza che tra le rocce intrusive siano dominanti quelle sialiche ,cioè quelle in cui il silicio è abbondante, e che tra quelle effusive prevalgano quelle con un elevato contenuto di ferro e magnesio .

Magma granitico : Dati sperimentali hanno dimostrato che i minerali più ricchi di silice fondano a circa 700 °C: dunque quando la crosta raggiunge queste temperature (tra i 30 e i 40 Kmdi profondità) si verifica il processo di anatessi , le rocce fondono parzialmente e danno origine al magma granitico.

Magma basaltico: Invece per ottenere magma basaltico occorre fondere rocce ricche di olivina e pirosseni che si trovano nel mantello o nelle parti più profonde della crosta , fondono tra i 1200 e i 1400 °C , a circa 100 km di profondità

figura: le diverse provenienze dei 2 magmi; quello granitico nasce da una parziale fusione in situ di rocce esistenti, quello basaltico è composto da materiali del mantello o della crosta profonda che salgono per la prima volta in superficie.

Il diverso comportamento dei magmi basaltici e granitici deriva anche dalla diversa influenza che la pressione ha sulla temperatura di fusione:

- la temperatura di fusione del magma granitico aumenta quando diminuisce la pressione

- al contrario, la temperatura di fusione del magma basaltico diminuisce con la diminuzione della pressione .

La diminuzione di pressione produce effetti opposti sui magmi granitici e su quelli basaltici: per i primi la temperatura necessaria per mantenere lo stato fluido aumenta, per i secondi diminuisce. La maggior parte dei magmi granitici non giunge in superficie perché solidifica prima, i magmi basaltici giungono allo stato fluido fino alla superficie .

Cristallizzazione magmatica e differenziazione

Un magma basaltico dopo la sua formazione per la fusione della parte superiore del mantello, può risalire direttamente attraverso fessure profonde ed estese, fino ad espandersi come lava sul fondo degli oceani o nel cuore di un continente, dando origine a rocce che rispecchiano la composizione originaria del magma; ma può anche risalire lentamente o per tappe successive, e allora il fuso comincia a frazionarsi, cioè cambia composizione nel tempo dando origine a magmi diversi. Il fenomeno è la cristallizzazione frazionata.

Durante il raffreddamento, infatti, i minerali che si formano non si separano tutti insieme, ma secondo un ordine che dipende dalla temperatura di fusione di ognuno. Se il raffreddamento avviene regolarmente, al diminuire della temperatura si susseguono di volta in volta varie reazioni chimiche, in cui i cristalli del minerale formatosi a temperatura più alta, diventando instabili al diminuire della temperatura, perciò reagiscono con la porzione di magma rimasta ancora fusa entro cui essi galleggiano; il minerale è dunque totalmente riassorbito, mentre si cristallizza un nuovo minerale in equilibrio con la temperatura più bassa; a una temperatura ancora inferiore, anche il nuovo minerale reagisce con il fuso e così via.

Bowen ha identificato due diverse sequenze, dette serie di Bowen, secondo le quali, per diminuzione della temperatura, si formano i minerali fondamentali delle rocce magmatiche.

• La serie continua, così detta perché si ha un passaggio graduale da un minerale ad un altro, porta alla separazione dal fuso dei plagioclasi. Si tratta di un gruppo di minerali costituiti da miscele solide, in tutte le proporzioni, di due termini “puri”: l'albite (silicato ricco di sodio) e l'anortite (silicato ricco di calcio).Quando inizia la cristallizzazione, cominciano a formarsi cristalli a composizione ricca di anortite ma, col progredire del raffreddamento, i cristalli già formati cominciano a reagire col fuso, trasformandosi in altri cristalli via via più ricchi di albite. La composizione della miscela finale dipende dalla composizione del fuso iniziale: più questo è acido, più il plagioclasio che alla fine si forma è ricco in albite.

• Contemporaneamente alle reazioni della serie continua si svolgono, in modo del tutto indipendente, le reazioni della serie discontinua, con passaggio repentino da un minerale ad un altro, che portano alla separazione del fuso dei minerali femici. In un basalto, per esempio, il minerale che si forma per primo è l'olivina, silicato ricco di ferro e magnesio. Cristalli di olivina rimangono sparsi nel fuso per un certo intervallo di temperatura, al termine del quale reagiscono tutti con una parte del liquido per formare i pirosseni, silicati più ricchi di silicio e contenenti calcio, potassio e magnesio; anche questi ultimi, a temperatura inferiore, reagiscono con il liquido residuale per formare gli anfiboli, silicati contenenti acqua. E così via. Anche per la serie discontinua quanto più il fuso iniziale è acido, tanto più avanti si spinge la serie di reazioni, fino alla biotite, che è l'ultimo minerale che si può formare in tale serie.

Al termine delle due serie, un'ulteriore diminuzione della temperatura porta la formazione di feldspato potassico, muscovite e quarzo.

Solo a solidificazione completa la roccia mostrerà una composizione corrispondente a quella del magma iniziale; se il magma è acido ne risulterà una roccia a composizione granitica, mentre se è basaltico le reazioni si arrestano prima, formando rocce femiche. Tutto questo si verifica se la cristallizzazione avviene in modo continuo; tuttavia, se qualche fenomeno interrompe la regolarità della cristallizzazione, come per esempio se ad un certo punto movimenti nella crosta fanno allontanare il fuso residuale, molto fluido, dalla massa già cristallizzata, quando il fuso migrato riprenderà a cristallizzare, non potendo più reagire con i minerali già formati, darà origine a minerali più sialici. Poiché i minerali che si separano per primi (a più alte temperature) sono quelli più femici, il fuso residuale risulterà indirettamente sempre più arricchito in silice e alcali, cioè sempre più differenziato in senso acido. Tutto questo si verifica se la cristallizzazione avviene in modo continuo; tuttavia, se qualche fenomeno interrompe la regolarità della cristallizzazione, come per esempio se ad un certo punto movimenti nella crosta fanno allontanare il fuso residuale, molto fluido, dalla massa già cristallizzata, quando il fuso migrato riprenderà a cristallizzare, non potendo più reagire con i minerali già formati, darà origine a minerali più sialici. Poiché i minerali che si separano per primi (a più alte temperature) sono quelli più femici, il fuso residuale risulterà indirettamente sempre più arricchito in silice e alcali, cioè sempre più differenziato in senso acido. 

sitografia:

https://it.wikipedia.org/wiki/Roccia_magmatica https://manualedelgeologo.it/sienite/ https://it.m.wikipedia.org/wiki/Roccia_effusiva https://it.m.wikipedia.org/wiki/Roccia_filoniana https://it.m.wikipedia.org/wiki/Roccia_intrusiva https://it.m.wikipedia.org/wiki/Feldspatoide https://tinyurl.com/539m8rt2 https://www.intrageo.it/geologia/vulcanologia/le-proprieta-fisiche-dei-magmi/

Elaborato di Fontana Giulia, Fazzino Giorgia 4D 2022/2023.

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