Il complesso mondo del magma: dalle sue origini alle rocce magmatiche

Caratteristiche del magma

Il magma è un sistema chimico-fisico costituito da una fase liquida prevalente, il fuso, da una o più fasi solide minerali e da un’eventuale fase gassosa. Si presenta generalmente come un liquido incandescente caratterizzato da temperature variabili tra 650 e 1300 °C.
La composizione è silicatica, contiene l’acqua e alcuni elementi chimici essenziali (Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, Ti, P, Mn), presenti all’interno di ioni complessi, che si organizzano in strutture di tipo silicatico . Durante il raffreddamento le strutture silicatiche costituiscono i «germi cristallini» a cui si legano gli ioni metallici (Ca2+, Mg2+, Na+ , K+ ) ed eventualmente gli ossidrili (OH– ), formando i vari minerali silicatici,fino a completa solidificazione del magma. I tetraedri (Si, Al)O4 si legano tra loro in maniera via via più complessa (polimerizzazione).

I magmi ricchi di SiO2 , con temperature più basse, originano le rocce intrusive (tipo granitico); i magmi poveri di SiO2 , con temperature più alte, originano le rocce effusive (tipo basaltico).

Formazione e tipi di magmi

La formazione dei magmi avviene per fusione parziale di rocce preesistenti a causa dei seguenti processi:

● aumento locale della temperatura;

● diminuzione locale della pressione;

● infiltrazione di acqua.

Il magma che giunge sulla superficie terrestre, perde i gas disciolti e viene a contatto con l’aria e con l’acqua è detto lava (si raffredda rapidamente).

Durante la salita verso la superficie il magma subisce cambiamenti fisici e chimici, diminuisce la pressione e a causa del raffreddamento possono separarsi e cristallizzarsi alcuni componenti chimici. La pressione esercitata dalle rocce si chiama pressione litostatica. Questa pressione aumenta con la profondità e determina di conseguenza un aumento della temperatura di fusione delle rocce. Ogni minerale ha il suo punto di fusione che viene influenzato da molti fattori, tra cui la pressione. L’acqua all’interno del magma aumenta la temperatura di fusione.

L’acqua e i gas presenti nel magma si dicono volatili. La loro emissione si dice degassazione.

Proprietà fisiche del magma

La densità del magma dipende dalla composizione chimica, dalla temperatura e dalla pressione. La viscosità varia in funzione della composizione chimica.

Magma acido (felsico)→ ricco di silice, meno denso, più viscoso, bassa temperatura di fusione.

Magma basico(mafico)→ povero di silice, più denso, meno viscoso, alte temperature di fusione.

Solidus→ valori limite di temperatura e pressione, in un qualsiasi punto della crosta terrestre o del mantello, a cui la fusione del primo minerale di una roccia.

Fusione parziale e magmi primari

La fusione parziale può verificarsi a causa di:

● abbassamento della temperatura

● abbassamento del solidus (limiti di P e T), ad esempio per introduzione d’acqua.

● decompressione adiabatica → diminuzione della pressione senza perdita di calore nella risalita.

Magmi primari → deriva da processi di fusione parziale (non oltre il 30%) di peridotiti (olivine e pirosseni) a circa 100 km di profondità e a temperature superiori a 1200 °C, e che può produrre rocce effusive (basalti) o più raramente intrusive (gabbri). Derivano dal mantello. La percentuale di silice (SiO2) è

Magmi anatettici → fusione parziale di rocce della crosta in corrispondenza di placche convergenti a temperature di 700-800 °C, meno metalli più silice (SiO2) > 65%. Rocce intrusive o granitiche, sono tetraedri concatenati, in prevalenza acidi e viscosi.

I minerali più ricchi di silice fondono a circa 700°, ovvero a 30-40 km di profondità

Cristallizzazione e serie di Bowen

Una roccia magmatica è un aggregato di cristalli diversi, che si origina per solidificazione di un magma. Quando il magma raffredda i diversi minerali cristallizzano in tempi diversi a diverse temperature, separandosi dal fuso che cambia composizione. Nel magma coesistono una fase solida e una fase liquida, alle diverse temperature, finché non si è verificata la completa solidificazione dell’intera massa. La fase solida ha composizione diversa dalla fase liquida ed entrambe hanno composizione diversa da quella del magma originario. La composizione delle fasi cambia con la temperatura.

I magmi basici tendono a riunirsi in masse di dimensioni sempre maggiori e a risalire verso la superficie terrestre, questo è legato alla minore densità dei fusi magmatici rispetto alle rocce circostanti perioditiche del mantello.

Una successione ordinata di cambiamenti nella cristallizzazione magmatica è detta serie di reazione.

Serie di Bowen → consiste di due filoni convergenti, uno a reazione continua, l’altro a reazione discontinua, al diminuire della temperatura avvengono contemporaneamente e indipendentemente in un magma. I minerali cristallizzano per progressiva diminuzione di temperatura, dal basso verso l’alto

La prima, detta serie continua di Bowen, interessa la trasformazione del plagioclasio da termini più ricchi di calcio a termini più ricchi di sodio (acidi).

La seconda, detta serie discontinua di Bowen, vede la progressiva comparsa di una serie di minerali (olivina, pirosseno, anfibolo, biotite) caratterizzati da un grado di polimerizzazione sempre maggiore (basici).

Ciascun minerale già cristallizzato tende a reagire con il liquido magmatico per formare il termine successivo della serie. La sequenza completa in una roccia non si realizza mai.

Magmi a diverso contenuto in silice seguono tratti diversi della serie.

I minerali già cristallizzati vengono separati dalla restante massa fusa mediante il processo di cristallizzazione frazionata, si verifica quando durante la solidificazione di un magma la fase solida si separa dalla fase liquida a causa della migrazione del fluido attraverso fratture delle rocce.

Questo processo porta alla formazione di rocce a composizione molto diversa da quella del magma originario e del solido rimasto in loco.

Un magma può anche cambiare perché durante la risalita vengono inglobate nel fuso rocce con composizione mineralogica diversa in generale più acida rispetto al fuso di partenza.

I cristalli formati per primi possono rimanere intrappolati in basso mentre il magma migra verso l’alto. La separazione dei cristalli cambia la composizione del liquido magmatico e modifica le serie di reazioni che possono seguire.

Es. Si formano olivina e pirosseni, se non seguono il liquido magmatico formano una roccia molto scura e densa (peridotite), il resto del liquido magmatico senza i componenti mafici ha molta più silice, si formerà una roccia ignea formata da quarzo e feldspato potassico, cioè un granito.

Rocce ignee o magmatiche

Rocce ignee e loro classificazione

Le rocce magmatiche sono quelle che si formano dalla solidificazione di un magma o di lava. Sono le più diffuse nella crosta terrestre. Queste rocce sono generalmente classificate in base alla modalità di solidificazione. La modalità di solidificazione influisce sulla tessitura, cioè sul grado di cristallinità e sulla dimensione dei cristalli. La struttura è formata di regola da cristalli di minerali diversi a stretto contatto tra loro. La struttura permette di stabilire se una roccia è intrusiva, effusiva o ipoabissale.

La tessitura è l’espressione del grado di cristallinità e della dimensione dei cristalli presenti in una roccia.

Le rocce intrusive hanno tessitura faneritica, sono cioè completamente cristalline (olocristalline), e hanno grana grossolana, si formano per lento raffreddamento all’interno della superficie terrestre; la cristallizzazione si compie gradualmente e si formano cristalli di grandi dimensioni favoriti anche dalla presenza di gas.

Le rocce effusive si formano per rapido raffreddamento; la cristallizzazione si compie velocemente e si formano cristalli molto piccoli o non si formano affatto, hanno tessitura afanitica hanno cioè cristalli molto piccoli e sono a grana fine, talvolta tessitura vetrosa.

Quando il raffreddamento è molto rapido, non si formano cristalli e la roccia assume struttura vetrosa o amorfa.

Alcune rocce effusive sono caratterizzate da cristalli di grandi dimensioni, fenocristalli, immersi in una pasta microcristallina. In queste rocce, chiamate porfidi, un iniziale raffreddamento lento permette la formazione di grandi cristalli, un successivo raffreddamento rapido porta alla formazione di una massa di fondo microcristallina. La loro struttura è chiamata porfirica.

- rocce chiare: felsiche o sialiche, ricche di quarzo e feldspato.

- rocce scure: mafiche o femiche, ricche di anfiboli, pirosseni e olivina.

- acide SiO2>66% (felsiche)

- intermedie SiO2 compresa tra 66 e 52%

- basiche SiO2 compresa tra 52 e 45% (mafiche)

- ultrabasiche SiO2

Plutoni e batoliti

I corpi magmatici che si sono solidificati all’interno della crosta terrestre sono detti plutoni. Sono difficili da studiare perché sono nel sottosuolo mentre abbiamo una conoscenza più diretta delle formazioni rocciose prodotte dai processi eruttivi. Possiamo osservare formazioni di rocce intrusive quando in seguito a movimenti tettonici la crosta viene sollevata e la parte di rocce superficiali viene erosa.

I plutoni hanno forma e dimensioni variabili e pure variabili sono i rapporti con le rocce incassanti.

I batoliti sono i plutoni maggiori e si estendono per centinaia o migliaia di Km2 . Nel caso di dimensioni minori si chiamano ammassi o masse satelliti. Il fondo dei batoliti spesso coincide con la parte inferiore della crosta e spesso non sono visibili. Quando il margine di un batolite è netto e sono trasversali rispetto alle rocce incassanti spesso sono dovuti a magmi in risalita (superficiali). Il magma in risalita raramente trova spazi vuoti e quindi deve crearsi lo spazio man mano che si intrude fondendo parzialmente le rocce incassanti. La composizione interna non è omogenea. I batoliti costituiti da rocce felsiche formano l’ossatura dei continenti e si trovano nel cuore delle grandi catene montuose. Quando i batoliti hanno contorni sfumati è difficile distinguerne i limiti con le rocce circostanti e principalmente sono granitici (più profondi). In questo caso è più probabile che si siano formati per anatessi. I graniti anatettici sono la causa dell’abbondanza di rocce granitiche nella crosta continentale. Enormi batoliti costituiscono l’ossatura delle grandi cordigliere che delimitano il bordo occidentale delle Americhe. Queste imponenti intrusioni affiorano lungo la costa pacifica del Nord e Sud America .

Formazioni magmatiche e intrusioni

I filoni-strato sono corpi concordanti di forma tabulare e con spessore da qualche centimetro a centinaia di metri. Si distingue da una normale colata lavica per le maggiori dimensioni dei cristalli, dovute alla lenta solidificazione nel sottosuolo, e la presenza di effetti termici (cottura o dissoluzione) sulle rocce incassanti. I laccoliti si formano per iniezione di magma lungo i piani di stratificazione delle rocce, ma invece di essere tabulari sono convessi verso l’alto, sono intrusioni magmatiche che hanno inarcato la superficie superiore. Rispetto ai filoni-strato, i laccoliti, anziché essere tabulari, sono convessi verso l’alto, piegano cioè le rocce soprastanti e assumono una forma a cupola. I dicchi o filoni sono corpi discordanti, tabulari e tagliano secondo vari angoli la stratificazione delle rocce incassanti. I dicchi si intrudono lungo fessure aperte dalla pressione dell’iniezione magmatica o nelle fratture che si formano in zone in via di sprofondamento. Lo spessore varia da pochi centimetri a parecchie decine di metri.