Geologia fisica

I magmi possono variare ampiamente nella composizione, ma in generale sono fatti di soli otto elementi; in ordine di importanza: ossigeno, silicio, alluminio, ferro, calcio, sodio, magnesio e potassio (Figura 3.6). L’ossigeno, l’elemento più abbondante nel magma, comprende poco meno della metà del totale, seguito dal silicio a poco più di un quarto. I restanti elementi costituiscono l’altro quarto. I magmi derivati da materiale crostale sono dominati da ossigeno, silicio, alluminio, sodio e potassio.

La composizione del magma dipende dalla roccia da cui si è formato (per fusione) e dalle condizioni della fusione. I magmi derivati dal mantello hanno livelli più alti di ferro, magnesio e calcio, ma è ancora probabile che siano dominati da ossigeno e silicio. Tutti i magmi hanno proporzioni variabili di elementi come idrogeno, carbonio e zolfo, che vengono convertiti in gas come vapore acqueo, anidride carbonica e idrogeno solforato quando il magma si raffredda.

Virtualmente tutte le rocce ignee che vediamo sulla Terra derivano da magmi che si sono formati dalla fusione parziale di rocce esistenti, sia nel mantello superiore che nella crosta. La fusione parziale è ciò che accade quando solo alcune parti di una roccia si fondono; avviene perché le rocce non sono materiali puri. La maggior parte delle rocce sono composte da diversi minerali, ognuno dei quali ha una diversa temperatura di fusione. La cera in una candela è un materiale puro. Se metti un po’ di cera in un forno caldo (50°C vanno bene, perché la temperatura di fusione della maggior parte della cera è di circa 40°C) e la lasci lì per un po’, inizierà presto a sciogliersi. Questo è uno scioglimento completo, non parziale. Se invece prendete una miscela di cera, plastica, alluminio e vetro e la mettete nello stesso forno caldo, la cera inizierà presto a sciogliersi, ma la plastica, l’alluminio e il vetro non si scioglieranno (Figura 3.7a). Questa è una fusione parziale e il risultato sarebbe plastica solida, alluminio e vetro circondati da cera liquida (Figura 3.7b). Se riscaldiamo il forno fino a circa 120°C, anche la plastica si scioglierebbe e si mescolerebbe con la cera liquida, ma l’alluminio e il vetro rimarrebbero solidi (Figura 3.7c). Anche in questo caso si tratta di una fusione parziale. Se separiamo il “magma” di cera/plastica dagli altri componenti e lo lasciamo raffreddare, alla fine si indurisce. Come puoi vedere dalla figura 3.7d, la cera liquida e la plastica si sono mescolate e, raffreddandosi, hanno formato quella che sembra un’unica sostanza solida. È molto probabile che questa sia una miscela a grana molto fine di cera solida e plastica solida, ma potrebbe anche essere qualche altra sostanza che si è formata dalla combinazione delle due.

In questo esempio, abbiamo parzialmente fuso della roccia finta per creare del magma finto. Abbiamo poi separato il magma dalla fonte e lo abbiamo lasciato raffreddare per creare una nuova roccia finta con una composizione abbastanza diversa dal materiale originale (manca il vetro e l’alluminio).

Ovviamente la fusione parziale nel mondo reale non è esattamente la stessa del nostro esempio di roccia finta. Le differenze principali sono che le rocce sono molto più complesse del sistema a quattro componenti che abbiamo usato, e i componenti minerali della maggior parte delle rocce hanno temperature di fusione più simili, quindi è probabile che due o più minerali si fondano allo stesso tempo in misura diversa. Un’altra differenza importante è che quando le rocce si fondono, il processo richiede da migliaia a milioni di anni, non i 90 minuti dell’esempio della roccia finta.

Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, e contrariamente a quanto abbiamo fatto noi per fare la nostra roccia finta, la maggior parte della fusione parziale della roccia reale non comporta il riscaldamento della roccia. I due meccanismi principali attraverso i quali le rocce si fondono sono la fusione per decompressione e la fusione per flusso. La fusione per decompressione avviene all’interno della Terra quando un corpo di roccia è mantenuto approssimativamente alla stessa temperatura ma la pressione è ridotta. Questo accade perché la roccia viene spostata verso la superficie, o in un pennacchio di mantello (detto anche hot spot), o nella parte ascendente di una cella di convezione del mantello. Il meccanismo della fusione per decompressione è mostrato nella figura 3.8a. Se una roccia abbastanza calda da essere vicina al suo punto di fusione viene spostata verso la superficie, la pressione si riduce e la roccia può passare al lato liquido della sua curva di fusione. A questo punto, inizia la fusione parziale. Il processo di fusione del flusso è mostrato nella figura 3.8b. Se una roccia è vicina al suo punto di fusione e le viene aggiunta dell’acqua (un flusso che favorisce la fusione), la temperatura di fusione si riduce (linea solida contro linea tratteggiata), e inizia la fusione parziale.

La fusione parziale della roccia avviene in una vasta gamma di situazioni, la maggior parte delle quali sono legate alla tettonica a placche. Le più importanti di queste sono mostrate nella figura 3.9. Sia nei pennacchi di mantello che nelle parti ascendenti dei sistemi di convezione, la roccia viene spostata verso la superficie, la pressione diminuisce, e ad un certo punto, la roccia passa al lato liquido della sua curva di fusione. Nelle zone di subduzione, l’acqua della crosta oceanica umida in subduzione viene trasferita nel mantello caldo sovrastante. Questo fornisce il flusso necessario per abbassare la temperatura di fusione. In entrambi i casi, avviene solo una fusione parziale – in genere solo il 10% circa della roccia si fonde – e sono sempre i componenti più ricchi di silice della roccia che si fondono, creando un magma che è più ricco di silice della roccia da cui deriva. (Per analogia, la fusione della nostra roccia finta è più ricca di cera e plastica della “roccia” da cui è stata derivata). Il magma prodotto, essendo meno denso della roccia circostante, si muove verso l’alto attraverso il mantello, e infine nella crosta.

Quando si muove verso la superficie, e specialmente quando si sposta dal mantello nella crosta inferiore, il magma caldo interagisce con la roccia circostante. Questo tipicamente porta alla fusione parziale della roccia circostante, perché la maggior parte di tali magmi sono più caldi della temperatura di fusione della roccia crostale. (Anche in questo caso, le parti più ricche di silice della roccia circostante vengono fuse di preferenza, e questo contribuisce ad aumentare il contenuto di silice del magma.

A temperature molto elevate (oltre 1300°C), la maggior parte del magma è interamente liquido perché c’è troppa energia per gli atomi per legarsi insieme. Quando la temperatura scende, di solito perché il magma si muove lentamente verso l’alto, le cose cominciano a cambiare. Il silicio e l’ossigeno si combinano per formare tetraedri di silice, e poi, mentre il raffreddamento continua, i tetraedri iniziano a legarsi insieme per formare catene (polimerizzare). Queste catene di silice hanno l’importante effetto di rendere il magma più viscoso (meno fluido), e come vedremo nel Capitolo 4, la viscosità del magma ha implicazioni significative per le eruzioni vulcaniche. Mentre il magma continua a raffreddarsi, iniziano a formarsi dei cristalli.