IL PROCESSO MAGMATICO E LE ROCCE MAGMATICHE. Giovanni B. Piccardo

Transcript

1 IL PROCESSO MAGMATICO E LE ROCCE MAGMATICHE Giovanni B. Piccardo

2 FUSI NATURALI E MAGMI Fuso naturale = liquido silicatico naturale ad alta temperatura, composto da elementi in soluzioni ioniche complesse, con struttura interna caratterizzata dalla presenza di tetraedri (SiO4)4-, legati fra loro in modo variabile e complesso in catene di tetraedri (variamente polimerizzati). Magma = sistema naturale complesso rappresentato da una fase liquida silicatica ad alta temperatura, e dalla presenza di una o piu' fasi solide (minerali) ed eventualmente una fase gassosa. Silicio e altri cationi che compongono la struttura polimerizzata del liquido sono detti costruttori di struttura, mentre i cationi che interrompono i legami tra i tetraedri o generano poliedri non polimerizzati sono detti modificatori di struttura. L'entita' della polimerizzazione di un fuso silicatico dipende dall'aumentare del contenuto in SiO2. La struttura del fuso silicatico influenza le proprieta' fisiche (densita', viscosita' ecc.) del fuso.

3 L EFFETTO DELL H2O SULLA FUSIONE In condizioni secche: la temperatura di fusione aumenta all aumentare della pressione In condizioni idrate (solido saturato in H2O): la temperatura di fusione inizialmente decresce in modo vistoso all aumentare della pressione, perche la quantita di H2O nel sistema aumenta con la pressione e l effetto fondente dell H2O aumenta con l aumentare dl contenuto in H2O Da Burnham and Davis (1974). A J Sci 274, e Boyd and England (1963). JGR 68,

4 CURVE DI INIZIO FUSIONE (SOLIDUS) DI VARIE ROCCE IN CONDIZIONI SECCHE E SATURE IN H2O In condizioni secche, le Ts (Temperature di solidus) crescono all aumentare della pressione. In condizioni saturate in H2O le Ts decrescono inizialmente con l aumentare della pressione, perche con la pressione aumento la quantita di H2O (fondente) presente nella roccia. Solidi (linee di inizio fusione) in condizioni sature di H 2 O (linee continue) e condizioni secche, prive di H 2 O (linee tratteggiate) di una granodiorite (Robertson and Wyllie, 1971), di un gabbro (basalto) (Lambert and Wyllie, 1972) e di una peridotite (Kushiro et al., 1968; Ito and Kennedy, 1967).

5 CURVE DI SOLIDUS (INIZIO FUSIONE o COMPLETA CRISTALLIZZAZIONE) E CURVE DI LIQUIDUS (COMPLETA FUSIONE o INIZIO CRISTALLIZZAZIONE) Intervalli di fusione determinati sperimentalmente per un gabbro, in condizioni secche (assenza di H O), e 2 sature in H O. 2 Lambert and Wyllie (1972). J. Geol., 80,

6 IL CONSOLIDAMENTO DEI FUSI NATURALI 1. I naturali, prodotti per fusione parziale all interno delle Terra, salendo verso la superficie possono raffreddare e consolidare in profondita o in superficie, in dipendenza della velocita di risalita, cioe di raffreddamento per perdita di calore per conduzione 2. Una risalita lenta e il ristagno (intrusione) in profondita causano un lento raffreddamento del fuso e il suo consolidamento entro la litosfera (crosta o mantello), cioe in AMBIENTE INTRUSIVO 3. Una risalita rapida, senza apprezzabile raffreddamento, comportano la risalita e l effusione in superficie del fuso con brusco raffreddamento e consolidamento in AMBIENTE EFFUSIVO 4. In ambiente intrusivo (lento raffreddamento) il consolidamento avviene per formazione di cristalli (CRISTALLIZZAZIONE( CRISTALLIZZAZIONE) 5. In ambiente effusivo (brusco raffreddamento) il consolidamento avviene per brusco aumento della viscosita (VETRIFICAZIONE( VETRIFICAZIONE)

7 Punto di fusione Punto di fusione LA CRISTALLIZZAZIONE DI UN MAGMA Velocita idealizzate di nucleazione cristallina e di crescita cristallina in funzione della temperatura al di sotto del punto di fusione di un fuso. Un lento raffreddamento comporta un basso grado di sottoraffreddamento (T a ): in questo caso una lenta nucleazione e una rapida crescita producono pochi grandi cristalli a grana grossa. Il rapido raffreddamento comporta un maggiore sottoraffreddamento (T b ): in questo caso la rapida nucleazione e il lento accrescimento producono molti piccoli cristalli. Un raffreddamento molto veloce comporta bassi o assenti nucleazione e crescita (T c ), producendo la formazione di vetro. Nucleazione Crescita

8 COMPORTAMENTO DEI FUSI DURANTE LA CRISTALLIZZAZIONE 1. I fusi durante il raffreddamento cristallizzano passando da fuso a solido entro un intervallo di temperatura (e di pressione) 2. Vari minerali cristallizzano in questo intervallo di temperatura,, e il numero di minerali cresce al diminuire della temperatura 3. I minerali si formano secondo una sequenza, con sovrapposizioni 4. I minerali che hanno soluzioni solide cambiano composizione al progredire del raffreddamento 5. La composizione del fuso cambia durante la cristallizzazione 6. I minerali che cristallizzano (e la sequenza di cristallizzazione) dipendono dalla temperatura e dalla composizione del fuso 7. La pressione puo influenzare i tipi di minerali che si formano e la loro sequenza di cristallizzazione 8. La natura e la pressione dei volatili possono anche determinare i tipi di minerali che si formano e la loro sequenza

9 I MINERALI DELLE ROCCE MAGMATICHE Minerali essenziali o fondamentali (rock-forming minerals). - Quarzo SiO2 - Plagioclasi (Na,Ca)Al(Al,Si)Si2O8 - Albite NaAlSi3O8 - Anortite CaAl2Si2O8 - Feldspati alcalini (Na,K)AlSi3O8 - Albite NaAlSi3O8 - Ortoclasio KAlSi3O8 - Feldspatoidi - Nefelina NaAlSiO4 - Leucite KAlSi2O6 - Miche chiare (muscovite) e scure (biotite, flogopite) - Biotite K(Mg,Fe)3(Al,Fe)Si3O10(OH,F)2 - Anfiboli calcici (orneblende) e sodici (riebekite ecc.) - Orneblenda NaCa2(Mg,Fe,Al)5(Si6-7Al2-1O22)(OH,F)2 - Riebekite Na2(Fe,Mg)3Fe2Si8O22(OH)2 - Pirosseni (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 - Enstatite-Ferrosilite Mg2Si2O6 - Fe2Si2O6 - Diopside-Hedembergite CaMgSi2O6 - CaFeSi2O6 - Augite e pigeonite (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 - Olivine (Mg,Fe)2SiO4 - Forsterite Mg2SiO4 - Fayalite Fe2SiO4

10 LA SERIE DI CRISTALLIZZAZIONE DI BOWEN Olivina Mg Pirosseno (Spinello) Plagioclasio calcico Plagioclasio Ca-Na Temperatura decresce Serie Discontinua Mg-Ca Pirosseno Anfibolo Plagioclasio Na-Ca Plagioclasio alcalino Biotite Feldspato potassico Muscovite Quarzo Serie Continua

11 LA REGOLA DELLE FASI F = gradi di liberta F = C -φ+ 2 Il numero di parametri intensivi che devono essere specificati per determinare completamente il sistema φ = numero di fasi Le fasi sono i costituenti meccanicamente separabili C = numero minimo di componenti (costituenti chimici che devono essere specificati per definire tutte le fasi) 2 = 2 parametri intensivi (generalmente TEMPERATURA e PRESSIONE)

12 F = 2 1. Si devono specificare 2 variabili intensive indipendenti per determinare completamente il sistema = una situazione DIVARIANTE lo stesso che: 2. Possono variare 2 variabili intensive in modo indipendente senza cambiareφ, il numero delle fasi Le variabili intensive possono essere varie (P, T, X, G-V-SG molari ecc.). Nello studio dei diagrammi di fase si scelgono generalmente come variabili T e X (composizione), a P costante. Quindi F = T e X (composizione)

13 SISTEMA A UN COMPONENTE Il sistema SiO 2 Stishovite 10 Pressione (GPa) 8 6 Coesite Da Swamy and Saxena (1994), J. Geophys. Res., 99, 11,787-11,794. AGU 4 2 β - quarzo α - quarzo Cristobalite Tridymite Liquido Temperatura C

14 SISTEMA BINARIO Sistema a due componenti (Fo e Fa) miscibili allo stato liquido e solido Fo - Fa (Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 ) T o C Liquido d + b a Liquido Olivina c 1890 Diagramma di fase isobarico Temperatura- Composizione a pressione atmosferica (Da Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, Olivina Fa % in peso di Forsterite Fo

15 SISTEMA BINARIO Sistema a due componenti (A e B) miscibili allo stato liquido e immiscibili allo stato solido T C TA TE Solido A + Liquido LIQUIDO T E SOLIDO Solido A + Solido B CURVA DI LIQUIDUS Solido B + Liquido CURVA DI SOLIDUS TB A B % in peso di B DIAGRAMMA DI FASE BINARIO ISOBARICO Temperatura-Composizione (T-X)

16 SISTEMA BINARIO Sistema con miscibilita completa allo stato solido Plagioclasio (Ab-An, An, NaAlSi 3 O 8 - CaAl 2 Si 2 O 8 ) T o C Liquido Piu Liquido Plagioclasio Solidus Plagioclasio Liquidus Tf-An=1557 Diagramma di fase isobarico Temperatura - Composizione (da Bowen 1913, Amer. J. Sci., 35, ). Tf-Ab= Ab An % in peso di Anortite

17 SISTEMA BINARIO DEL PLAGIOCLASIO Composizione A = An 60 = 60 g An + 40 g Ab An 60 a Tf-An= Liquido 1400 T o C Piu Plagioclasio Liquido Plagioclasio Tf-Ab= Ab An A & in peso di Anortite

18 liq X An Si devono specificare T e An oppure queste si possono variare senza cambiare il numero delle fasi: in a il sistema e divariante. a Liquid b 1400 T o C plus Plagioclase Liquid Plagioclase Ab An Weight % An

19 A 1450 o C, liquido d e plagioclasio f coesistono in equilibrio Durante il progressivo raffreddamento, si verifica una reazione del tipo: liquido A + solido B = liquido C + solido D a Liquid d b f c 1400 T o C Plagioclase + Liquid Plagioclase Ab An

20 A 1450 o C, liquido d e plagioclasio f coesistono in equilibrio Durante il progressivo raffreddamento, si verifica una reazione del tipo: liquido A + solido B = liquido C + solido D Quando X plag h,, allora X plag = X totale: la quantita di liquido residuo e 0. Allora G e la composizione dell ultimo liquido che cristallizza a 1340 o C dalla composizione di partenza del liquido, cioe An T o C Il plagioclasio finale che si forma e J quando si forma un plagioclasio con la composizione del liquido A iniziale. Ab liquido g + Liquido d b a Plagioclasio h Plagioclasio Oraφ= 1, cioe F = = 2 (divariante)( G j i J=A f c Anortite % 1557 An

21 In a in sistema e divariante: : si devono specificare T e X oppure queste possono variare senza cambiare il numero delle fasi. In b (sul liquidus) il sistema e univariante: : compare una nuova fase, i primi cristalli di plagioclasio, a composizione C. F = = 1 (univariante) Si deve specificare solo una Delle seguenti variabili: T liq X An liq X An e liq X Ab plag X An plag X An Sono dipendenti da T plag X Ab T C Le pendenze di solidus e liquidus sono l espressione di questa relazione liquido + Liquido Plagioclasio Ab An b a Plagioclasio % in peso di Anortite A C c 1557

22 SISTEMA BINARIO Sistema con immmiscibilita completa allo stato solido Sistema DIOPSIDE-ANORTITE a P atmosferica Di An (CaMgSi 2 O 6 - CaAl 2 Si 2 O 8 ) T o C 1400 TL-Di= Diopside + Liquido LIQUIDO E a Liquidus Anortite + Liquido TL-An=1553 TE= SOLIDO (Diopside + Anortite) I E I A Di An % in peso di Anortite

23 DIAGRAMMA DI FASE DIOPSIDE-ANORTITE Raffreddamento continuo e inizio cristallizzazione in a (Ta ) di An Al proseguire della cristallizzazione di An la composizione del liquido si sposta da A verso E T o C 1400 TL-Di= Diopside + Liquido LIQUIDO E a Liquidus a Ta Anortite + Liquido TL-An=1553 TE= SOLIDO (Diopside + Anorthite) I E I A Di An % in peso di Anortite

24 DIAGRAMMA DI FASE DIOPSIDE-ANORTITE L ordine di cristallizzazione (il primo minerale a cristallizzare) e la temperatura di inizio-cristallizzazione dipende dalla composizione del liquido di partenza T o C Tb g b b Diopside + Liquido LIQUIDO E a a SOLIDO (Diopside + Anorthite) I Anortite + Liquido Di An B I E I A % in peso di Anortite Liquidus h 1553 Ta 1274

25 SISTEMA BINARIO Di(cpx) An(plag). Cpx Gabbro di Stillwater Complex, Montana Cpx Plag Il clinopirosseno si forma per primo (con forme proprie) lungo il solidus (a destra dell Eutettico) il plagioclasio, che inizia a cristallizzare izzare all Eutettico, occupa gli spazi interstiziali.

26 SISTEMA BINARIO Di(cpx) An(plag) Plag Dicco basaltico Cpx Plag Cpx Plag Il plagioclasio si forma per primo (con forme proprie) lungo il solidus (a sinistra dell Eutettico): il pirosseno, che inizia a cristallizzare izzare all Eutettico, ingloba peciliticamente i cristalli tabulari di plagioclasio.

27 IL SISTEMA EUTETTICO BINARIO Di An L effetto della pressione sulle relazioni di fase Le variazioni della pressione modificano: 1) La temperatura eutettica 2) La composizione eutettica 3) le temperature di fusione delle fasi 4) la posizione delle curve di solidus e di liquidus, 5)la posizione e la composizione dell eutettico binario.

28 IL SISTEMA EUTETTICO BINARIO Di - An Effetto della presenza di H 2 O nel sistema L introduzione di acqua nel sistema produce: 1) L abbassamento delle temperature di fusione delle fasi 2) L abbassamento della temperatura eutettica 2) Spostamento della posizione delle curve di solidus e di liquidus, a temperature piu basse 3)spostamento della posizione e la composizione dell eutettico binario.

29 SISTEMA TERNARIO Il sistema ternario eutettico Tre eutettici binari : A-B, A A-C, A B-CB Nessuna soluzione solida Esistenza di un eutettico ternario E all interno del sistema TA TC TB T E C A B

30

31 SISTEMA TERNARIO Di An - Fo Cristallizando Fo, la composizione del liquido (Xliq) si sposta in senso opposto a Fo, lungo a-b. Quando Xliq raggiunge b (la linea cotettica Di-Fo) cristallizza anche Di. b e un punto univariante [F = = 1] Formandosi assieme Fo e Di, la Xliq si sposta lungo la linea cotettica verso l eutettico ternario M.

32 SISTEMA TERNARIO Di An - Fo Il solido cristallizzato in b ha la Composizione c (proiezione di b sul lato Di-Fo), circa 90%Di. La composizione del liquido Xliq si sposta lungo la cotettica Di-Fo, mentre la T decresce Continuamente verso l eutettico Ternario M M b 1392 Diopside Di + Liq c 1387 Fo + Liq

33 SISTEMA TERNARIO Di An - Fo La composizione del liquido raggiunge M, la composizione dell eutettico ternario, a temperatura di 1270, ove inizia a formarsi anche An. In M cristallizza la composizione eutettica e si consuma tutto il liquido residuo. M e un punto invariante (4 fasi) [F = = 0]

34 SISTEMA TERNARIO Di An - Fo Un procedimento analogo si verifica a partire da un punto in un altro campo: es. da d. A 1400 C inizia a cristallizzare An, Xliq si sposta verso e, dove cristallizza anche Fo, il Xliq si sposta lungo la linea cotettica An-Fo fino al punto M, dove il liquido residuo si esaurisce formando associazione eutettica An-Fo-Di.

35 LA VARIABILITA COMPOSIZIONALE DELLE ROCCE MAGMATICHE La variabilita composizionale (mineralogica e chimica) delle rocce magmatiche dipende da: 1) La variabilita composizionale dei fusi primari. Essa dipende da: a) la composizione della roccia sorgente; b) il tipo di processo di fusione parziale; c) le condizioni di P e T di formazione del fuso, cioe di equilibratura del fuso con la roccia sorgente; 2) I processi di evoluzione dei magmi, cioe : a) la differenziazione magmatica; b) l assimilazione magmatica; c) il mescolamento di magmi.

36 SISTEMA BINARIO EUTETTICO Di An Fusione di una roccia gabbrica A (An70%+Di30%) per riscaldamento a partire da T < 1274 C T o C Diopside + Liquido Liquido Solido (roccia) Diopside + Anortite E a Liquidus Anortite + Liquido 1553 TE=1274 Di CE An % in peso A An

37 IL SISTEMA EUTETTICO BINARIO Di An Le variazioni della pressione modificano: 1) la temperatura dell eutettico binario 2) la posizione delle curve di solidus e di liquidus, 3)la posizione e la composizione dell eutettico binario. La composizione e la temperatura di formazione del fuso eutettico che si forma per fusione in uno stesso sistema cambia in funzione della pressione a cui avviene la fusione. L effetto della pressione

38 IL SISTEMA EUTETTICO BINARIO Di - An Effetto della presenza di H 2 O nel sistema L introduzione di acqua nel sistema produce: 1) L abbassamento delle temperature dell eutettico binario 2) Spostamento della posizione delle curve di solidus e di liquidus, a temperature piu basse 3)spostamento della posizione e la composizione dell eutettico binario. La composizione del fuso che si forma per fusione eutettica in uno stesso sistema cambia in funzione della presenza di acqua nel sistema.

39 Fusione per riscaldamento di una roccia peridotitica a a composizione Di36%-An10%-Fo54%

40 Di + Liq Liquid a An + Liq An SISTEMA A TRE COMPONENTI An - Di - Fo Di + An Tre sistemi binari Di-An, An-Fo, Fo-An Il punto a rappresenta la composizione della roccia di partenza Il punto M rappresenta La composizione del primo fuso che si forma, a temperatura di 1270 C Fondendo la roccia a si forma un primo fuso a composizione M

41 CLASSIFICAZIONE CHIMICA DELLE ROCCE VULCANICHE

42 IL DIAGRAMMA AFM L evoluzione della composizione di un fuso basaltico durante un processo di cristallizzazione frazionata a bassa pressione, secondo il trend Fenner. I minerali cristallizzano secondo le serie di Bowen. EVOLUZIONE: BASALTO ANDESITE DACITE - RIOLITE La deposizione gravitativa (cioe l accumulo dei minerali che si formano) forma rocce progressivamente differenti: SUCCESSIONE: OLIVIN-GABBRO GABBRO GABBRO A OSSIDI Fe-Ti DIORITE QUARZO-DIORITE GRANITO s.l.

43 LE STRUTTURE DI CUMULO DELLE ROCCE INTRUSIVE

44 ROCCIA INTRUSIVA STRUTTURA IPIDIOMORFA

45 ROCCIA INTRUSIVA STRUTTURA ALLOTRIOMORFA

46 ROCCIA INTRUSIVA STRUTTURA IPIDIOMORFA

47 ROCCIA EFFUSIVA STRUTTURA IPIDIOMORFA

48 ROCCIA FILONIANA STRUTTURA PORFIRICA

49 ROCCE EFFUSIVE - STRUTTURE PORFIRICHE

50 ROCCIA EFFUSIVA STRUTTURA PORFIRICA FLUIDALE

51 SCHEMA DI CLASSIFICAZIONE DI TERRENO DELLE ROCCE

52 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE X %Z 20 %Y 30 A 30%X 30 Z %X 30 20%Y Incr %Y Incr %X Incr %Z Figura 2-1a. Metodo per plottare un punto a composizione A = 70% di X, 20% di Y, and 10% di Z,sul diagramma triangolare X-Y-Z. Y %Z 10%Z

53 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE X 70 A 70%X Z 67 67%Y Figura 2-1b. Metodo per proiettare un punto a composizione A = 70% di X, 20% di Y, e 10% di Z sul lato Z-Y del diagramma triangolare X-Y-Z. Y

54 Q Quarzolite CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE INTRUSIVE Alcali Felds. Quartz Sienite Alcali Felds. 5 Sienite A 10 Alkali Fs. Sienite a foidi Quarzo Sienite Granitoidi ricchi in quarzo Quarzo Monzonite 60 Quarzo Monzodiorite Sienite Monzonite Monzodiorite Sienite a foidi Monzonite a foidi Monzodiorite a foidi Sienite a foidi Granito a alcali-feldspati Granito Monzosienite a foidi Granodiorite Monzodiorite a foidi Tonalite Gabbro a foidi Quarzo Diorite/ Quarzo Gabbro 5 10 Diorite/Gabbro/ Anortosite P Diorite/Gabbro a foidi Figura 2-2. Classificazione IUGS delle rocce magmatiche intrusive. La roccia deve contenere almeno 10% di Q+A+P, e deve essere rinormalizzata a 100%. Foidi = feldspatoidi. 60 Foiditi 60 F

55 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE Plagioclase 90 Plagioclasio Anorthosite Figura 2-2. Classificazione IUGS delle rocce intrusive. b. Rocce gabbriche (M<90%). c. Rocce ultrafemiche (ultramafiti) (M>90%) Gabbro Olivine gabbro Troctolite Gabbro ad olivina Olivina 90 Dunite Pyroxene Pirosseni Ultramafiti a plagioclasio Plagioclase-bearing ultramafic rocks (b) Olivine Olivina 40 Harzburgite Lherzolite Wehrlite Peridotiti (c) Ortopirossenite 10 Ortopirosseno Websterite ad olivina Websterite Clinopirossenite 10 Pirosseniti Clinopirosseno

56 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE EFFUSIVE Q Riolite Dacite A 10 Trachite Latite Andesite/Basalto Trachite a foidi Latite a foidi Andesite/Basalto a foidi 10 P Figure 2-3. Classificazione e nomenclature delle rocce effusive, secondo IUGS. Fonolite Tefrite Basanite Foiditite F

57 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE MAGMATICHE 14 Phonolite % in peso di Na2O+ K2O Wt.% Na 2 O+K 2 O (Foid)ite Tephrite Basanite andesite Trachybasalt Basalt Basaltic trachy- Basaltic Andesite Picrobasalt Phonotephrite Tephriphonolite Trachyandesite Andesite Trachyte Trachydacite Dacite Rhyolite ULTRABASICHE BASICHE INTERMEDIE ACIDE ULTRABASIC 45 BASIC 52INTERMEDIATE 63 ACIDIC wt% SiO 2 % in peso di SiO2 Figure 2-4. Classificazione chimica delle rocce effusive basata sul contenuti in Silice e Somma degli alcali in % in peso (TAS). 77