DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA

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1 DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA Rock Suites Rocce ignee eruttate nell ambito di una data regione geologica e durante un breve lasso di tempo geologico sono probabilmente correlate allo stesso evento magmatico. Poiché la SiO 2 solitamente mostra la maggiore variazione entro una data suite rocciosa, la maggior parte dei diagrammi di variazione plottano la silice vs qualunque altro ossido. Quando gli andamenti di variazione sono piuttosto piatti le rocce molto probabilmente sono collegate allo stesso evento/processo magmatico.

2 Qualsiasi processo che provoca cambiamenti nella composizione del magma è chiamato DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA. Nel corso degli anni, sono state invocate varie cause per spiegare la variazione delle composizioni di magma osservata all'interno di piccole regioni. Tra queste: (1) Fusione parziale (progressiva) della stessa sorgente. (2) Cristallizzazione frazionata. (3) Miscelazione di 2 o più magmi (Magma Mixing). (4) Assimilazione/contaminazione da parte del magma di rocce crostali. Inizialmente, i ricercatori tentarono di mostrare che uno o l'altro di questi processi possano agire esclusivamente nel causare la differenziazione magmatica. Con le successive esperienze sul campo si è compreso che uno o tutti questi processi potrebbero agire allo stesso tempo nel produrre cambiamenti chimici (combinazioni dei processi).

3 (1) Fusione parziale Quando una data roccia fonde, a meno che non abbia la composizione dell'eutettico, la fusione avviene in un intervallo di temperature (a parità di pressione), e durante questa fusione, si verificano delle modifiche della composizione del liquido. Così, un cambiamento nella composizione dei fusi potrebbe essere causata da vari gradi di fusione parziale della sorgente. Sistema Fo - Di - SiO 2. Immaginiamo la fusione di una peridotite di mantello (miscela di Ol, Cpx e Opx). Questa roccia inizierebbe a sciogliersi alla temperatura peritettica. Le composizioni del fuso variano con continuità lungo la curva del liquidus. Tali liquidi possono essere estratti in qualsiasi momento durante l'evento vulcanico e sono caratterizzati da composizioni che sono riferite ad un range compreso tra lo 0% di fusione ed il 100% di fusione. (da notare che le composizioni comprese tra lo 0% di fusione e la composizione dell En sono sovrassature in silice, mentre quelle da questo punto fino al 100% di fusione sono sottosature in SiO 2 ).

4 (1 a ) Elementi in tracce come indicatori di processi di fusione frazionata Se durante il processo di fusione parziale della sorgente visto sopra tutto il liquido viene rimosso, allora abbiamo il caso di una fusione frazionata. Le terre rare (REE) sono elementi che si ritrovano nelle rocce in basse concentrazioni, di solito meno dello 0,1% (solitamente ppm). In generale si parla di elementi incompatibili, cioè quelli che non entrano facilmente nella struttura cristallina dei minerali del mantello, ed elementi compatibili, quelli che invece entrano facilmente nella struttura cristallina dei minerali del mantello. Elementi incompatibili - questi sono elementi come K, Rb, Cs, Ta, Nb, U, Th, Y, Hf, Zr e gli elementi di Terre Rare (REE) - La Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, UE, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb e Lu. La maggior parte di loro ha un grande raggio ionico. Minerali di mantello come olivine, pirosseni, spinello, e granato sono caratterizzati da siti cristallografici non idonei per gli ioni di grandi dimensioni. Elementi compatibili - questi sono elementi come Ni, Cr, Co, V e Sc, che hanno più piccoli raggi ionici e si adattano più facilmente ai siti cristallografici che normalmente ospitano Mg e Fe.

5 Quando una roccia di mantello comincia a sciogliersi, gli elementi incompatibili saranno espulsi preferenzialmente dal solido e immessi nel liquido. Questo perché questi elementi pur non presenti in siti cristallografici dei cristalli, sono tuttavia presenti nell insieme roccioso. Così, un basso grado di fusione di una roccia mantellica avrà alte concentrazioni di elementi incompatibili. Per alti gradi di fusione parziale la concentrazione di questi elementi incompatibili diminuirà perché: le loro concentrazioni diventeranno più diluite una volta che altri elementi entrano in fusione. Così, le concentrazioni degli elementi incompatibili diminuiranno con l'aumentare della fusione parziale. Le Terre rare sono particolarmente utili in questo senso. Questi elementi, con l'eccezione dell Eu (europio), hanno una carica + 3, ma i loro raggi ionici diminuiscono con l'aumentare del numero atomico. Vale a dire il La (lantanio) è il più grande, il Lu (lutezio) è il più piccolo. Così il grado di incompatibilità diminuisce da La a Lu.

6 Le concentrazioni delle REE sono state normalizzate dividendo la concentrazione di ciascun elemento per la concentrazione dello stesso elemento ritrovata nelle meteoriti condritiche. Si ottiene un Pattern REE. Si noti che bassi gradi di fusione parziale sono caratterizzati da pattern arricchiti in REE, questo perché le REE leggere (La-Eu) sono arricchite rispetto alle REE pesanti.

7 Si rappresenta il rapporto tra un elemento altamente incompatibile, come il La, rispetto ad un elemento meno incompatibile, come il Sm (Samario), contro la concentrazione dell'elemento altamente incompatibile. Si noti la forte pendenza della retta che collega i vari punti di fusione parziale. I rapporti fra gli elementi incompatibili non cambiano molto con i processi di cristallizzazione frazionata e quindi producono trend meno ripidi. Questo ci dà un metodo per distinguere tra fusione parziale e cristallizzazione frazionata.

8 (2) CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA La composizione dei liquidi può cambiare a causa della rimozione di cristalli dal liquido stesso (soluzioni solide e sistemi eutettici). In tutti i casi, tranne che per composizioni eutettiche dei fusi, la cristallizzazione provoca una variazione nella composizione del fuso stesso; se i cristalli formatisi vengono allontanati per qualche processo, anche la composizione del fuso residuo muta. In questo caso magmi di differente composizione possono essere generati dal liquido primario iniziale. Serie di reazione di Bowen Bowen ha realizzato la sua omonima serie a partire dallo studio dei sistemi chimico-fisici a due e tre componenti. Egli propose che se in un magma basaltico iniziale si verifica la rimozione dei cristalli prima che essi possano reagire con il liquido, si produce una comune suite rocciosa che va dal basalto alle rioliti.

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10 -La serie continua di reazione è composta dalle soluzioni solide dei plagioclasi. Un magma basaltico dovrebbe inizialmente cristallizzare una plagioclasio ricco in Ca e via via più ricco in Na. Se vengono rimossi i primi plagioclasi formati, le composizioni dei liquidi alla fine potrebbero evolvere verso quelle che vedrebbero cristallizzare una plagioclasio ricco in sodio, come nei liquidi riolitici. -La serie di reazione discontinua è costituita da minerali che nel raffreddamento reagiscono con il liquido per produrre una nuova fase (rx peritettica dell olivina forsteritica con la silice per formare pyx rombico enstatitico). Bowen postulò che con un ulteriore raffreddamento il pirosseno rombico reagisce con il liquido, nel frattempo più ricco H 2 O, per produrre orneblenda. L'orneblenda reagirebbe poi con il liquido per produrre biotite. Se tutte queste fasi vengono rimosse prima che le reazioni possono aver luogo, allora verrebbero ad essere prodotti fusi via via più ricchi in silice.

11 Questa idea è coerente con le temperature osservate nei magmi e con le associazioni mineralogiche rinvenute nelle rocce. -Ci aspetteremmo che con l'aumento di SiO 2 ossidi come MgO, e CaO dovrebbero viceversa diminuire con il procedere della cristallizzazione frazionata, perché entrano nelle prime fasi di cristallizzazione, come olivine e pirosseni. -Ossidi come H 2 O, K 2 O e Na 2 O, invece, dovrebbero aumentare con il procedere della cristallizzazione frazionata, perché non entrano nelle prime fasi di cristallizzazione. -Le concentrazioni degli elementi incompatibili aumentino con il procedere della cristallizzazione frazionata, mentre -le concentrazioni dei compatibili diminuiscano parallelalmente. Questo è generalmente quello che si osserva nelle suite di rocce ignee.

12 (3 a ) Rappresentazione grafica della cristallizzazione frazionata Immaginiamo di avere un fuso A con la sua concentrazione di SiO 2 e MgO, come indicato nel diagramma. E riportata anche la composizione dell olivina segregata da A. La rimozione di olivina dal fuso A genera una variazione di composizione del fuso iniziale da A a B lungo la linea di coniugazione olivina-a. Possiamo applicare la regola della leva per determinare quanta l'olivina è necessario frazionare da un magma con composizione A per produrre B: % Olivina frazionata = [y /(x + y)] * 100

13 In un caso più complicato, immaginiamo cosa accade se due fasi di differente composizione vengono coinvolte nella cristallizzazione frazionata. Si applica sempre la regola della leva. In questo caso, una miscela di olivina 50% e 50% pirosseno è stata rimossa dal magma C per produrre il magma D. Da notare che la composizione del liquido deve cambiare lungo una linea che unisca il liquido originale (magma C) con il punto a metà tra olivina e pirosseno. Ancora una volta la regola della leva ci dice che la percentuale di solidi frazionati sarebbe: % solidi frazionati = [z /(w + z)] * 100

14 (3b) Meccanismi della cristallizzazione frazionata Affinché la cristallizzazione frazionata operi, è necessario che i cristalli vengano rimossi o separati prima che possano reagire con il fuso. In natura esistono vari meccanismi. (a) Crystal Settling/Floating - In generale, cristalli che si generano da un magma avranno diverse densità rispetto al liquido. -Se i cristalli hanno una densità maggiore rispetto il liquido, tendono ad affondare o a stabilirsi al pavimento della camera magmatica. Il primo strato che si deposita sarà ancora in contatto con il magma, ma in seguito sarà sepolto dai vari strati di cristalli in modo che effettivamente venga rimosso dal liquido. -Se i cristalli hanno una densità inferiore al magma, tenderanno a galleggiare o salire verso l'alto. Ancora una volta il primo strato che si accumula nella parte superiore sarà inizialmente in contatto con il liquido, ma alla fine sarà completamente rimosso.

15 (b) Cristallizzazione periferica Visto che un corpo magmatico è caldo rispetto alle pareti incassanti, il calore si sposta verso l'esterno della camera magmatica. Così, le pareti saranno più fredde e ci si aspetta che la cristallizzazione avverrà prima in questa porzione vicino alle pareti. Il magma quindi cristallizza preferenzialmente dall esterno verso l interno della camera. Proprio come nell'esempio precedente, il primo strato di cristalli precipitato sarà ancora in contatto con il liquido, ma alla fine sarà sepolto da cristallizzazioni successive e quindi rimosso dal liquido.

16 (c ) Filter pressing - Dove c'è un'alta concentrazione di cristalli, il liquido potrebbe essere costretto fuori dagli spazi tra i cristalli da una sorta di spremitura tettonica che fa muovere il liquido in una frattura o altro spazio libero. Sarebbe come spremere l'acqua da una spugna. Questo meccanismo è difficile da immaginare in natura perché: (1) a differenza di una spugna la matrice dei cristalli è fragile e non si deforma facilmente (2) le fratture richieste per veicolare il liquido sono provocate da forze estensionali mentre il meccanismo che consente di ottenere una spremitura implica forze compressionali. La Filter Pressing è un metodo comune utilizzato per separare i cristalli dal liquido nei processi industriali, ma non si è dimostrato verificabile in natura.

17 Nonostante questi fattori di inibizione, vi sono evidenze di processi di mixing tra fusi. Più piccola è la differenza nella composizione chimica tra due magmi, più piccoli saranno i contrasti in temperatura, densità e viscosità. (4) Magma mixing Se due o più magmi con diverse composizioni chimiche vengono in contatto con un altro magma al di sotto della superficie terrestre, è possibile che essi si mescolino l uno con l'altro per produrre composizioni intermedie tra gli end members. Se le composizioni del magma sono notevolmente diverse (tipo cioè basalto e riolite), ci sono diversi fattori che tenderebbero a inibirne la miscelazione: Contrasto di temperatura i magmi basaltici (circa 1200 C ad 1atm) e quelli riolitici ( C ad 1atm) hanno temperature molto diverse. Se un fuso basaltico venisse a contatto con un magma riolitico tenderebbe a raffreddarsi o addirittura a cristallizzare mentre il magma riolitico a sua volta tenderebbe a riscaldarsi e a cominciare a sciogliersi, senza possibilità alcuna di mixing. Contrasto di densità i magmi basaltici hanno densità dell'ordine di 2,6-2,7 g/cm 3, mentre le rioliti di 2,3 2,5 g/cm 3. Questo contrasto di densità farebbe sì che il magma più leggero tenderebbe a galleggiare sul magma basaltico più pesante, inibendo la miscelazione. Contrasto di viscosità - molto diverse sono anche le viscosità. Così, sarebbe necessaria una sorta di improbabile agitazione vigorosa per ottenere il miscelamento.

18 (5) Assimilazione crostale/contaminazione Poiché in generale la composizione della crosta è generalmente diversa dalla composizione del magma che la attraversa per raggiungere la superficie, c è sempre la possibilità che avvengano reazioni tra la crosta ed il magma in risalita. Se pezzi di rocce crostali vengono incorporate nel magma e sciolto diventando parte del magma, diciamo che le rocce della crosta terrestre sono state assimilate dal magma. Quindi il magma è stato contaminato dalla crosta. Questi processi producono un cambiamento nella composizione chimica del magma, a meno che il materiale aggiunto abbia la stessa composizione chimica del magma. In un certo senso, l assimilazione produce alcuni tra gli stessi effetti del mixing, ma è un processo più complicato della miscelazione a causa dell'equilibrio termico coinvolto. Al fine di assimilare la crosta deve essere infatti fornito calore a sufficienza per elevare la temperatura della crosta sopra al solidus dove comincerà a sciogliersi. L'unica fonte di questo calore, naturalmente, è il magma stesso.

19 -Rapporto 87 Sr / 86 Sr Lo 86 Sr è un isotopo stabile, non radiogenico la cui concentrazione non cambia con il tempo. Poiché lo 87 Rb decade producendo 87 Sr e poiché c'è più Rb nella crosta terrestre rispetto al mantello, il rapporto 87 Sr / 86 Sr della crosta ha subito un aumento nel corso del tempo, rispetto al rapporto 87 Sr / 86 Sr del mantello. Il rapporto 87 Sr/ 86 Sr del mantello è generalmente compreso nell'intervallo tra Così, rocce derivate dalla fusione del mantello dovrebbero avere rapporti di 87 Sr/ 86 Sr in questa gamma. Il rapporto 87 Sr/ 86 Sr di rocce crostali dipenderà dalla loro età. Le più vecchie avranno alti valori di 87 Sr/ 86 Sr nella gamma , le più giovani avranno rapporti più simili al mantello. (5a) Evidenze dell Assimilazione crostale/contaminazione Un magma in risalita verso l'alto può assimilare brandelli di crosta. Forse la migliore prova di assimilazione/contaminazione proviene dagli studi degli isotopi radiogenici. Qui diamo alcuni esempi: -Sistema Rb - Sr. Il 87 Rb è un isotopo radioattivo che decade in 87 Sr con un tempo di dimezzamento di 47 miliardi di anni. Poiché il Rb è un elemento incompatibile, viene estratto dal mantello e veicolato dal magma e quindi poi aggiunto alla crosta. Così la concentrazione di Rb nella crosta terrestre (circa 100 ppm) è molto più elevata di quella nel mantello (circa 4 ppm).