Geología física

Los magmas pueden variar mucho en su composición, pero en general están formados por sólo ocho elementos; en orden de importancia: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, magnesio y potasio (Figura 3.6). El oxígeno, el elemento más abundante en el magma, comprende algo menos de la mitad del total, seguido del silicio con algo más de una cuarta parte. Los demás elementos constituyen la otra cuarta parte. En los magmas procedentes de la corteza terrestre predominan el oxígeno, el silicio, el aluminio, el sodio y el potasio.

La composición del magma depende de la roca de la que se ha formado (por fusión) y de las condiciones de esa fusión. Los magmas derivados del manto tienen niveles más altos de hierro, magnesio y calcio, pero es probable que sigan estando dominados por el oxígeno y el silicio. Todos los magmas tienen proporciones variables de elementos como el hidrógeno, el carbono y el azufre, que se convierten en gases como el vapor de agua, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno cuando el magma se enfría.

Casi todas las rocas ígneas que vemos en la Tierra proceden de magmas que se formaron a partir de la fusión parcial de la roca existente, ya sea en el manto superior o en la corteza. La fusión parcial es lo que ocurre cuando sólo se funden algunas partes de una roca; tiene lugar porque las rocas no son materiales puros. La mayoría de las rocas están formadas por varios minerales, cada uno de los cuales tiene una temperatura de fusión diferente. La cera de una vela es un material puro. Si se pone un poco de cera en un horno caliente (50°C será suficiente, ya que la temperatura de fusión de la mayoría de la cera es de unos 40°C) y se deja allí durante un tiempo, pronto empezará a fundirse. Se trata de una fusión completa, no parcial. Si, por el contrario, tomas una mezcla de cera, plástico, aluminio y vidrio y la metes en el mismo horno caliente, la cera empezará a fundirse pronto, pero el plástico, el aluminio y el vidrio no se fundirán (Figura 3.7a). Se trata de una fusión parcial y el resultado sería plástico, aluminio y vidrio sólidos rodeados de cera líquida (figura 3.7b). Si calentamos el horno hasta unos 120°C, el plástico también se fundiría y se mezclaría con la cera líquida, pero el aluminio y el vidrio permanecerían sólidos (Figura 3.7c). De nuevo, se trata de una fusión parcial. Si separáramos el «magma» de cera/plástico de los demás componentes y lo dejáramos enfriar, acabaría endureciéndose. Como puede verse en la figura 3.7d, la cera líquida y el plástico se han mezclado y, al enfriarse, han formado lo que parece una única sustancia sólida. Lo más probable es que se trate de una mezcla de grano muy fino de cera sólida y plástico sólido, pero también podría tratarse de alguna otra sustancia que se haya formado a partir de la combinación de ambas.

En este ejemplo, hemos fundido parcialmente una roca de mentira para crear un magma de mentira. A continuación, separamos el magma de la fuente y lo dejamos enfriar para crear una nueva roca de mentira con una composición bastante diferente a la del material original (carece de vidrio y aluminio).

Por supuesto, la fusión parcial en el mundo real no es exactamente igual que en nuestro ejemplo de roca de mentira. Las principales diferencias son que las rocas son mucho más complejas que el sistema de cuatro componentes que hemos utilizado, y los componentes minerales de la mayoría de las rocas tienen temperaturas de fusión más similares, por lo que es probable que dos o más minerales se fundan al mismo tiempo en distintos grados. Otra diferencia importante es que cuando las rocas se funden, el proceso tarda entre miles y millones de años, y no los 90 minutos que tardó en el ejemplo de la roca ficticia.

Contrariamente a lo que cabría esperar, y al contrario de lo que hicimos para fabricar nuestra roca ficticia, la mayor parte de la fusión parcial de la roca real no implica el calentamiento de la roca. Los dos mecanismos principales por los que se funden las rocas son la fusión por descompresión y la fusión por flujo. La fusión por descompresión tiene lugar en la Tierra cuando un cuerpo de roca se mantiene aproximadamente a la misma temperatura pero la presión se reduce. Esto ocurre porque la roca se desplaza hacia la superficie, ya sea en una pluma del manto (también conocida como punto caliente) o en la parte ascendente de una célula de convección del manto. El mecanismo de la fusión por descompresión se muestra en la figura 3.8a. Si una roca que está lo suficientemente caliente como para estar cerca de su punto de fusión se desplaza hacia la superficie, la presión se reduce y la roca puede pasar al lado líquido de su curva de fusión. En este punto, comienza a producirse una fusión parcial. El proceso de fusión por flujo se muestra en la figura 3.8b. Si una roca está cerca de su punto de fusión y se le añade un poco de agua (un fundente que favorece la fusión), la temperatura de fusión se reduce (línea sólida frente a línea de puntos), y se inicia la fusión parcial.

La fusión parcial de la roca se produce en una amplia gama de situaciones, la mayoría de las cuales están relacionadas con la tectónica de placas. Las más importantes se muestran en la figura 3.9. Tanto en las plumas del manto como en las partes ascendentes de los sistemas de convección, la roca se desplaza hacia la superficie, la presión disminuye y, en algún momento, la roca pasa al lado líquido de su curva de fusión. En las zonas de subducción, el agua de la corteza oceánica húmeda en subducción se transfiere al manto caliente suprayacente. Esto proporciona el flujo necesario para reducir la temperatura de fusión. En ambos casos, sólo se produce una fusión parcial -normalmente sólo se funde un 10% de la roca- y siempre son los componentes más ricos en sílice de la roca los que se funden, creando un magma más rico en sílice que la roca de la que procede. (Por analogía, el fundido de nuestra roca fingida es más rico en cera y plástico que la «roca» de la que procede). El magma producido, al ser menos denso que la roca circundante, se desplaza hacia arriba a través del manto, y finalmente hacia la corteza.

A medida que se desplaza hacia la superficie, y especialmente cuando pasa del manto a la corteza inferior, el magma caliente interactúa con la roca circundante. Esto suele provocar la fusión parcial de la roca circundante, ya que la mayoría de estos magmas están más calientes que la temperatura de fusión de la roca de la corteza. (De nuevo, las partes más ricas en sílice de la roca circundante se funden preferentemente, lo que contribuye a aumentar el contenido de sílice del magma.

A temperaturas muy elevadas (más de 1300°C), la mayor parte del magma es totalmente líquido porque hay demasiada energía para que los átomos se unan. A medida que la temperatura desciende, normalmente porque el magma se mueve lentamente hacia arriba, las cosas empiezan a cambiar. El silicio y el oxígeno se combinan para formar tetraedros de sílice y, a continuación, a medida que continúa el enfriamiento, los tetraedros comienzan a unirse para formar cadenas (polimerizarse). Estas cadenas de sílice tienen el importante efecto de hacer que el magma sea más viscoso (menos fluido) y, como veremos en el capítulo 4, la viscosidad del magma tiene importantes implicaciones para las erupciones volcánicas. A medida que el magma continúa enfriándose, comienzan a formarse cristales.

Los penachos del manto se describen en el capítulo 4 y la convección del manto en el capítulo 9.