Appunti di Vulcanismo e Petrogenesi - COMPLESSI STRATIFORMI

Fonte: http://datameteo.blogspot.com/p/castelverde-didattica.html (29.12.2011 ore 16.20)

Analizziamo ora i complessi stratiformi, e quindi come si generano i layering all'interno di una “camera magmatica basica” ossia dove un magma primario (femico, quindi basico) va perdendo le sostanze basiche e si trasforma in magma sialico (quindi più acido). Ovviamente il procedimento inverso non può avvenire.

Un classico layer “modale” è così costituito:

Plg → ANORTOSITE → è la composizione mineralogica che mi identifica plagioclasio al 100%

Ol + Plg → TROCTOLITE → è un insieme di Ol + Plg (=Gabbro)

Ol → DUNITE → è la composizione mineralogica he mi identifica olivina al 100%

Tuttavia all'interno di uno stesso layer non si assisterà mai ad una situazione del genere, in quanto ad ogni singolo layer si assisterà ad un cambio della composizione modale, legato alla differenziazione magmatica.

Nel caso reale quindi non parliamo di layering modale, bensì di layering composizionale (o criptico). Con questo tipo di layering si assiste ad un controllo stratigrafico sulla composizione dei minerali. Infatti la sovrapposizione dei diversi layer (quelli più vecchi in basso, e salendo quelli più recenti) rispecchierà un trend differenziativo composizionale a dente di sega. Ossia, ad ogni layer, salendo sempre più, assisterò non solo ad una diminuzione dello spessore relativo dei vari layer, ma anche ad una diminuzione della percentuale relativa dei minerali che costituiscono il layer.

Ad esempio, l'Olivina passerà da essere più ricca in Mg (quindi Forsterite), a via via perdere Mg e caricarsi in Fe (diventando Olivina Fayalitica). La serie dell'olivina passa dalla Forsterite (fonde a T più alte, estremo Magensifero) alla Fayalite (estremo ferrifero). Quindi il layering composizionale a dente di sega, al singolo layer, rimane sempre lo stesso.

Ciò che varia è la composizione del layer in funzione della pressione e della sequenza di cristallizzazione del magma originario. All'interno di un singolo layer, la legge di Stokes, è smepre rispettata: la legge di Stokes esprime la velocità con cui sedimenta, attraverso una caduta gravitativa, un corpo all'interno di un fluido a regime laminare (cioè Numero di Reynolds < 1) e si esprime come

v = 2 r² g (ᶘ_c – ᶘ_g) / g ɧ dove

r = raggio del corpo in caduta

g = accelerazione di gravità

ᶘ_c = densità corpo

ᶘ_g = densità fluido

ɧ = viscosità del fluido

Ma a grande scala, cioè tra un layer e un altro, la legge di Stokes non è rispettata perchè troveremo Olivina sopra Plagioclasio.

All'interno di una camera magmatica, la cristallizzazione inizia sempre in alto e sulle pareti, perchè sono i punti più freddi di una camera magmatica, e quindi dove il minerale può attecchire e cristallizzare. Tuttavia la cristallizzazione sulla sommità della camera, comporta che il layer cristallino sia soggetto alla gravità. Difatti ad un certo punto tenderà a cadere e ad accumularsi sul fondo (sempre se T e P sul fondo sono tali che non rifonda). Così inizia il layering criptico.

Affinchè però si sviluppi il layering composizionale e l'andamento a dente di sega del layering, è necessario però che alla caduta gravitativa del layer intervenga poi un moto convettivo che porti nuovo liquido in sommità subentrando al layer precedente e continuando la cristallizzazione. Ciò che controlla l'attivazione di un moto convettivo all'interno di una camera magmatica è il NUMERO DI RAYLRIGH. Se questo avrà valore superiore a 1700, si attiverà un sistema convettivo. Osservando la formula del numero di Rayleigh, si può notare che i moti convettivi all'interno di una camera magmatica sono funzione soprattutto dello spessore della camera magmatica (è il parametro più importante, dato che è alla quarta potenza, L⁴) e la viscosità (che essendo al denominatore ci dice che i moti convettivi sono inversalmente proporzionali alla viscosità del magma).

In un grafico che prende in considerazione questi 2 valori, possiamo vedere che già in una camera magmatica di spessore di 100 m e M = 10⁵, si creano dei moti convettivi.

Se il moto convettivo è regolato dal numero di Rayleigh, sia il moto convettivo che la caduta gravitativa sono regolati nel loro flusso dal numero di Reynolds. È necessario infatti che il numero di Reynolds sia inferiore a 1, e quindi che il moto avvenga per flusso laminare, e non flusso turbolento, perchè altrimenti non si rispetterebbe il layering composizionale in blocco.

Il flusso laminare del moto convettivo permette di far scendere il blocco layer piano piano dal tetto al letto mediante plume, e scenderebbe orizzontale senza girarsi. Anche nel caso del numero di Reynolds entrano in gioco la viscosità e il diametro della camera magmatica.

In caso di camere magmatiche piccole, dove non si attiva la convezione, la cristallizzazione non è dinamica, bensì statica, ed è definita come cristallizzazione in situ.

Questo tipo di cristallizzazione passa attraverso il meccanismo del DOPPIO-DIFFUSO. È chiamato così perchè si sviluppa attraverso il gioco di due fenomeni:

• la diffusione molecolare chimica (ossia una diffusione di materia), che provoca l'arricchimento di un minerale in una delle direzioni del cristallo;
• una diffusione di temperatura, o meglio una dissipazione termica, funzionale ad un “calore latente di cristalliazzazione” (da liquido a solido).

Il cristallo si genera pertanto in 3 fasi:

1. una inclinazione (cioè la stabilizzazione del nucleo del cristallo ad opera del blocco di altre celle);
2. un'azione combinata di crescita sia per reazioni di interfaccia, che per diffusione chimica (che permette la crescita del cristallo);
3. una crescita controllata dalla disposizione di calore.

Quindi la diffusione chimica (o molecolare) è il principale strumento di formazione e accrescimento dei cristalli, insieme alla temperatura, da cui è fortemente dipendente. Infatti la diffusione chimica garantisce sempre il rifornimento di materia al cristallo che deve crescere concentrando il minerale nel cristallo, sottraendolo dal magma circostante.

La diffusione chimica si sviluppa tramite 3 cause di spostamento di materia nel reticolo:

• riempimento di lacune (gli atomi sono tutti uguali);
• tra gli interstizi cristallini, il passaggio di atomi più piccoli;
• sostituzione di atomi molto simili nel reticolo cristallino.

A parità di T, la specie chimica che si diffonde più rapidamente è il sodio, perchè è lo ione più piccolo e ha la carica più bassa.

Ogni singola specie atomica ha una sua diffusione diversa: tanto più è piccolo il catione, tanto più si muoverà facilmente negli interstizi; tanto più è debole la carica, tanto più sono deboli i legami che lo legano. Infatti la mobilità di un atomo dipende da: carica e raggio ionico. 

Fonte: appunti del dott. Gilberto Cerasuolo