Le rocce magmatiche si formano in seguito alla solidificazione di magmi, cioè di masse silicatiche fuse contenenti vari componenti (FeO, MgO, CaO, ecc.) e sostanze volatili (acqua, anidride carbonica, idrogeno, metano, ecc.). Costituiscono quasi il 65% della crosta terrestre; ma, sulla superficie della Terra, questa abbondanza è nascosta dallo strato diffuso, sebbene molto sottile, di rocce sedimentarie e metamorfiche.
Il raffreddamento dei magmi in risalita può avvenire, all'interno della crosta terrestre, dando origine a rocce intrusive, oppure all'esterno di essa producendo manifestazioni vulcaniche con la formazione di rocce effusive. Le condizioni opportune per la formazione di un magma sono:
Un aumento locale della temperatura
L'avvento di fluidi in grado di idratare le rocce e abbassare il loro punto di fusione
La diminuzione delle pressioni interne che consente la risalita di sostanze in superficie
Temperatura, pressione e componenti volatili regolano il raffreddamento di una massa magmatica
In linea generale le fasi che un magma deve attraversare prima di arrivare a completa solidificazione sono cinque, e cioè:
fase di magma surriscaldato: quando è sopra la temperatura di cristallizzazione;
fase ortomagmatica: (a circa 1200 °C) dal fuso iniziano processi di cristallizzazione per raffreddamento, cioè dal fuso si separano vari componenti secondo il loro punto di fusione, dalla cui successiva aggregazione si forma una roccia. È questa la fase in cui si formano le più comuni rocce ignee. Si assiste a un forte aumento della pressione di vapore;
fase pegmatitica: (a circa 750 °C) la pressione di vapore è massima e il residuo fuso penetra negli spazi vuoti;
fase pneumatolitica: (a circa 400-500 °C) il residuo fuso è vaporiforme. La cristallizzazione è minima e i gas, avendo pressioni elevatissime, tendono ad infiltrarsi nelle rocce;
fase idrotermale: la temperatura scende fino al valore inferiore a quello critico dell'acqua. In questo modo la massa gassosa, formata prevalentemente da acqua, passa allo stato liquido dando luogo a effetti corrosivi sulle rocce circostanti.
Le rocce magmatiche sono importanti sotto l'aspetto geologico perché:
la loro composizione chimica fornisce informazioni sulla composizione del mantello, l'involucro dal quale le rocce provengono, sulle condizioni di temperatura e pressione che ne hanno permesso la fuoriuscita e sulla composizione della roccia preesistente prima della fusione;
il calcolo della loro età, ottenuta per mezzo delle varie forme di datazione radiometrica, e il confronto dell'età degli strati adiacenti, permette di ricostruire una affidabile sequenza temporale degli eventi geologici;
di solito la loro struttura è caratteristica di uno specifico ambiente tettonico, permettendo così delle ricostituzioni compatibili con la Tettonica a zolle;
in alcuni particolari casi ospitano importanti depositi di minerali; per esempio, tungsteno, stagno e uranio sono comunemente associati con i graniti, mentre cromo e platino sono comunemente associati con i gabbri.
Le rocce magmatiche costituiscono il 65% della crosta terrestre e, a seconda che il magma sia solidificato all'interno della crosta terrestre (ad esempio in filoni o dicchi) oppure all'esterno di essa, attraversando il condotto vulcanico per forte pressione dei gas (come durante le colate vulcaniche), si ha l'ulteriore suddivisione in:
rocce intrusive (o Plutoniche), se la cristallizzazione è avvenuta in profondità, per cui il raffreddamento e la solidificazione avvengono molto lentamente e si possono formare cristalli di notevoli dimensioni che danno alla roccia una struttura granulare; i corpi intrusivi rocciosi consolidati, in funzione della loro forma e dimensione si distinguono in plutoni, batoliti, laccoliti e dicchi.
rocce effusive (o vulcaniche), se la cristallizzazione è avvenuta anche in superficie per cui il raffreddamento è avvenuto rapidamente e a volte senza che vi sia il tempo affinché si formino i cristalli, infatti nella maggior parte dei casi presentano una struttura amorfa (non cristallina); in base alla loro disposizione sulla superficie terrestre e al loro aspetto si distinguono in lave se consolidate in ambiente subaereo a seguito di effusione del magma, bombe vulcaniche eiettate nell'aria, ignimbriti (formate dal consolidamento di nubi ardenti, sospensioni pesanti di ceneri, brandelli lavici etc., in gas ad elevata temperatura)
rocce ipoabissali (o filoniane) se il magma consolida a modesta profondità nella crosta, penetrando all'interno di fratture dove, raffreddando, cristallizza
La modalità di raffreddamento del magma determina la struttura delle rocce ignee.
Nelle rocce intrusive, a causa dei materiali sovrastanti che impediscono una veloce dispersione del calore e grazie alla presenza di pressioni verso l'interno, il magma arriva a cristallizzazione molto lentamente; ecco pertanto spiegata la caratteristica struttura granulare od olocristallina di queste rocce in cui tutti i minerali sono arrivati a cristallizzazione in modo visibile. Tale struttura si scinde in granitoide-granulare (se i cristalli sono tutti di dimensione simile) e porfiroide (se i cristalli non sono tutti di dimensione simile, ma coesistono elementi più grandi, detti fenocristalli, con altri più piccoli).
Nelle rocce effusive il magma risale fino in superficie, la temperatura e la pressione scendono fino a valori ordinari; in tali condizioni non tutto il magma cristallizza e forma cristalli di dimensioni grandi, i già citati fenocristalli. La struttura di questo tipo di rocce ignee è detta porfirica, in quanto vi sono cristalli di dimensioni apprezzabili immersi in una matrice afanitica (ossia priva di cristalli visibili a occhi nudo).
Si ha una struttura massiccia quando si è in presenza di una massa microcristallina o vetrosa. Una massa vetrosa è una massa in cui non si è avuta cristallizzazione.
La temperatura di fusione dei vari silicati è esattamente uguale a quella di cristallizzazione, per definizione . Pertanto, a mano a mano che il fuso si raffredda, si separano minerali diversi. Se il magma cristallizza tutto in profondità, e quindi si raffredda lentamente,
quelli che cristallizzano per primi hanno la forma tipica della specie mineralogica a cui appartengono (habitus idiomorfo)
quelli che cristallizzano per ultimi (ad es., mica e ortoclasio) assumono una forma qualsiasi (habitus allotriomorfo)
Se tuttavia ciò non accade, ad es. nel caso in cui il magma viene eruttato come lava ("rocce effusive"), il brusco raffreddamento successivo impedisce che i cristalli si sviluppino nel modo previsto. Talora appaiono grossi elementi cristallini, detti fenocristalli (corrispondenti ai cristalli formatisi quando la lava è ancora in profondità) immersi in una matrice vetrosa con cristalli minuscoli orientati nella direzione di scorrimento della lava; altre volte, qualora il raffreddamento della lava sia più veloce, non si formano neanche i fenocristalli: è il caso della formazione dell'ossidiana.
Il magma può essere definito approssimativamente come un fuso viscoso ad alta temperatura ed alta pressione, che, una volta raffreddato, forma le rocce magmatiche. In natura il magma è in realtà un sistema complesso, eterogeneo, costituito da una fase liquida silicatica, una fase gassosa disciolta e una fase solida composta da uno o più componenti, che in alcune condizioni può essere assente (magmi surriscaldati). La fase solida è costituita da cristalli separatisi dal fuso ed eventualmente da xenoliti strappati e inglobati durante la risalita. La fase gassosa è costituita prevalentemente da acqua allo stato di vapore (che origina l'acqua juvenile durante il degassamento), CO2 e, subordinatamente, da composti di idrogeno, zolfo ossigeno, e da elementi rari; la fase gassosa può essere più o meno abbondante e la sua modalità di liberazione governa i meccanismi eruttivi.
Solitamente un magma è prevalentemente di natura silicatica con composizione chimica variabile per magma, (40-75% di Silicio) e influisce sulle sue proprietà fisiche.
In natura esistono anche magmi di composizione non silicatica, ma sono molto rari e danno origine a prodotti che vengono identificati per la fase minerale prevalente; i prodotti più noti sono le carbonatiti, rocce composte da oltre il 50% di carbonati primari.
Un magma può risalire all'interno della crosta terrestre fino alla superficie e dare origine ad una colata (attività effusiva) o ad un flusso piroclastico (attività esplosiva). Il fluido magmatico è spesso concentrato all'interno di una camera magmatica, nella crosta terrestre, ma la sua formazione può avvenire anche a profondità maggiori, nel mantello. Il magma generalmente si trova a una temperatura compresa tra 650 e 1200 °C. La composizione chimica del magma è estremamente variabile e caratterizza la sorgente dello stesso, pertanto è possibile utilizzarla come parametro per classificare le rocce prodotte, sia in termini composizionali che genetici.
Il processo vulcanico può essere sintetizzato in quattro tappe:
genesi del magma per fusione parziale della sorgente (magma primario) o anatessi crostale;
risalita del fuso per contrasto di densità con le rocce circostanti;
stagnazione in una camera magmatica dove avviene il processo di cristallizzazione frazionata e/o di mixing (magmi non primari);
dalla camera magmatica il fuso risale verso la superficie attraverso un condotto che può avere forma cilindrica o lineare.
La composizione delle rocce terrestri al momento della formazione del nostro pianeta non era così varia come ora: le rocce ultrafemiche che caratterizzavano il mantello primordiale hanno subito numerose e reiterate estrazioni di magmi ad opera di processi di fusione parziale. Alcuni elementi a bassa forza di campo come il silicio e altri non metalli sono stati estratti in maniera preferenziale da queste rocce per poi dar luogo a magmi, e quindi a nuove rocce, differenziati. Le rocce derivate da questi primi magmi sono state poi riprese in processi di fusione successivi tra cui i processi anattettici, legati alla subduzione di lembi di crosta terrestre. Questi processi sono ancor oggi in atto solo su pianeti tettonicamente attivi come la Terra.
Magmi primari formatisi per fusione parziale del mantello terrestre. Questo processo avviene a determinate condizioni di pressione, temperatura e contenuto d'acqua disciolto in soluzione: in generale l'aumento di temperatura e della pressione di vapore favoriscono la fusione mentre l'aumento della pressione tende a diminuirla. La roccia madre che entra in fusione parziale è una roccia ultrafemica, una peridotite caratterizzata da una composizione impoverita in silice. Questo magma è caratterizzato da contenuto di silice attorno al 50% in peso (è un valore basso per una roccia), povero di acqua e gas, è fluido e pertanto veloce nell'attraversare la crosta terrestre e da esso deriva la lava basica. L'elevata velocità di risalita di questi magmi impedisce il loro raffreddamento quindi la temperatura al momento dell'eruzione può aggirarsi anche attorno ai 1200 °C.
Magmi secondari o acidi o di anatessi si formano in condizioni particolari di subduzione della crosta terrestre: porzioni di crosta vengono spinte a profondità e quindi in condizioni di pressione e temperatura simili a quelle che favoriscono la fusione del mantello. La roccia che viene fusa però è di composizione acida, arricchita cioè in silice. Magmi acidi si formano anche per differenziazione magmatica in seguito a cristallizzazione frazionata: per la lenta risalita e il raffreddamento progressivo di un magma basico che perde via via i minerali più femici, come l'olivina. Sono magmi ricchi di silicio e spesso di acqua. Di conseguenza, risultano particolarmente viscosi e tendono a solidificare all'interno della crosta terrestre formando un plutone. Raggiungono raramente la superficie terrestre e quando ciò accade, avviene in modo violento ed esplosivo.
I magmi (e le rocce che ne derivano) possono avere composizioni diverse, per cui la cristallizzazione può portare nei vari casi a rocce che differiscono tra loro per i tipi di minerali in esse aggregati. I magmi sono attualmente classificati in base alla percentuale di silice presente nel fuso: su tale base, i magmi si suddividono in: acidi, neutri, basici, ultrabasici.
I magmi acidi sono ricchissimi in silicio e alluminio, danno origine a rocce con densità intorno a 2,7 g/cm3, formate da pochi nesosilicati e da molti inosilicati e tettosilicati come la silice, che solidifica in cristalli di quarzo. In totale, la silice arriva a oltre il 65% in peso. Le rocce derivate da questi magmi sono dette acide o sialiche (dalle iniziali degli elementi più abbondanti, il silicio e l'alluminio).
I magmi neutri hanno una composizione intermedia (dal 52 al 65% in peso di silice) e danno origine a rocce neutre, con densità superiore a quella delle rocce acide e con un rapporto equilibrato fra alluminosilicati e silicati.
I magmi basici hanno una quantità bassa di silice (inferiore al 52%) ma sono relativamente più ricchi in ferro, magnesio e calcio; essi danno origine a rocce in genere scure (dal verde al grigio scuro e al nero), con densità prossima a 3 g/cm3; sono formati da molti inosilicati e privi di quarzo: le rocce derivate da questi magmi sono dette basiche o, genericamente, femiche (dalle iniziali di ferro e magnesio).
I magmi ultrabasici sono poverissimi in silice. In questi magmi la parte in silice è inferiore al 45% in peso. Le rocce cui danno origine sono dette ultrabasiche o ultrafemiche; sono tutte di colore molto scuro, hanno densità elevata (3 g/cm3 o superiore) e sono formate essenzialmente da silicati di ferro e magnesio.
I liquidi silicatici hanno una struttura che prefigura quella dei minerali (silicatici) a cui daranno origine per raffreddamento: essi sono costituiti essenzialmente da due unità elementari, che in base alla loro funzione vengono definiti costruttori di struttura e modificatori di struttura. I primi sono rappresentati da tetraedri di silicio e ossigeno (SiO44-), collegati tra loro in polimeri di varia struttura; gli elementi modificatori sono i cationi metallici che tendono a legarsi agli anioni ossigeno interrompendo la catena silicatica. Tali elementi sono ad esempio: potassio, sodio, calcio, magnesio.
L'alluminio può svolgere sia la funzione di costruttore, sostituendo il silicio nei tetraedri, che di modificatore, assumendo una coordinazione ottaedrica. Le condizioni che regolano la posizione di Al3+ sono la composizione chimica del magma e la pressione: a parità di moli% di SiO2 in condizioni di bassa pressione Al3+ assume preferibilmente coordinazione tetraedrica se le moli% di Al2O3 sono minori della somma delle moli% dei metalli mono e bivalenti (Na2O, K2O, CaO, MgO, ecc.). La coordinazione ottaedrica di Al3+ è favorita dall'aumento della pressione.
La densità di un magma dipende essenzialmente dalla sua composizione: varia da circa 2,2 g/cm3 per i magmi acidi a circa 2,8 g/cm3 per i magmi basaltici; aumenta con la pressione e diminuisce con la temperatura e con il contenuto in H2O. Il contrasto di densità tra magma e ambiente circostante regola la risalita del fuso. All'interno del sistema magmatico il contrasto di densità tra liquido residuale e fasi minerali segregate regola il meccanismo con cui avviene il processo di cristallizzazione frazionata.
La viscosità (η) di un magma è la resistenza che questo oppone al flusso e viene misurata in poise o in Pascal secondi. Il suo inverso è la fluidità. La viscosità è fortemente influenzata dalla struttura interna del liquido, quindi i fusi silicatici, fortemente polimerizzati, hanno un'elevata viscosità. L'eventuale presenza di elementi volatili o di acqua ha invece effetto opposto, riducendo la viscosità, che è inoltre influenzata da pressione e temperatura.
Come già detto il magma può contenere delle componenti volatili, la cui liberazione, nel processo di vescicolazione, influenza fortemente il tipo di attività vulcanica. I gas magmatici hanno una composizione chimica molto complessa e variabile. La componente principale è sicuramente l' H2O, a cui spesso si associa CO2 in quantità anche rilevanti. In minore quantità ritroviamo HCl, HF, H2S, S, SO2, SO3. I gas magmatici possono quindi essere considerati come associazioni di H, C, S, e O, che danno origine a composti che cambiano in funzione di pressione e temperatura.
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