Vulcanologia

VULCANOLOGIA  e  LABORATORIO  

Un   vulcano   viene   definito   come   un   sistema   naturale   che   provvede   al   trasferimento   di   magma   dall’interno   terrestre   verso   la  

superficie.   Con   la   parola   ‘vulcano’   non   si   intende   dunque   solamente   l’intersezione   con   la   superficie:   l’intero   sistema   vulcano  

comprende,  a  partire  da  una  zona  di  origine  del  magma  per  fusione  parziale  (mantellica  o,  più  raramente,  crostale),  una  o  più  zone  

di   accumulo   (di   cui   chiamiamo   camera   magmatica   l’ultima,   ovvero   quella   che   alimenterà   l’eruzione)   da   cui   si   dipartono   zone   di  

alimentazione   (condotti)   che   portano   all’edificio   vulcanico.   Questo   rilievo   interseca   la   superficie   con   una   cratere.   In   realtà   può  

anche   non   esserci   un   cratere   ben   definito,   ma   piuttosto   una   frattura   lineare   oppure   un   vulcanismo   con   più   bocche   eruttive  

(vulcanismo   areale)   o   addirittura   morfologie   negative   come   le   caldere.   Nei   casi   più   comuni   si   hanno   strutture   complesse   con  

morfologie  positive  e  negative  associate  nel  tempo  e  nello  spazio.  

Il  magma  è  un  sistema  multifase  e  multicomponente,  chimicamente  definibile  come  una  soluzione  di  silice  e  silicati  nella  grande  

maggioranza  dei  casi  (con  l’eccezione  dei  magmi  carbonatitici).  La  fase  prevalente  è  il  liquido  magmatico,  accompagnato  da  delle  

fasi  cristalline  e/o  fasi  volatili  presenti  in  soluzione  nel  magma  o  come  fasi  indipendenti.  

Dove  e  perché  si  origina  un  magma?  Non  è  una  domanda  di  facile  risoluzione,  in  quanto  il  magma  è  una  sorta  di  ‘estraneo’  in  un  

sistema-­‐Terra  che  è  essenzialmente  solido  ad  esclusione  del  nucleo  esterno.  Esistono  due  grandi  famiglie  di  magmi:  

  Magmi   mantellici:   originatisi   a   partire   da   una   peridotite,   una   roccia   ultrabasica   composta   da   olivina   (almeno   60%),   e  

• pirosseni  con  fasi  alluminifere  accessorie.  Una  peridotite  ha  un  contenuto  in  silice  di  meno  del  40%.  Siccome  i  magmi  di  

origine  mantellica,  come  i  fusi  basaltici,  sono  sempre  più  ricchi  di  silice  rispetto  alla  peridotite  (i.e.  basalto  48  -­‐  50%),  si  

trae  la  conclusione  che  nella  gran  parte  dei  casi  la  fusione  della  roccia  sorgente  è  solo  parziale  (altrimenti  avremmo  un  

fuso  peridotitico).  I  fusi  basaltici  caratterizzano  l’attività  vulcanica  di  gran  parte  del  pianeta.  

Magmi  anatettici:  originatisi  per  fusione  parziale  di  rocce  crostali,  la  cui  composizione  media  è  quella  di  una  gneiss.  Dai  

• processi   anatettici   si   forma   di   solito   un   fuso   granitico,   che   ha   un   contenuto   di   silice   anche   del   70%.   I   fusi   granitoidi  

caratterizzano  maggiormente  le  rocce  intrusive  più  che  quelle  vulcaniche.  I  fusi  granitoidi  possono  ovviamente  formarsi  

anche  per  differenziazione  di  fusi  che  in  partenza  erano  più  basici.  

Al  di  sotto  della  litosfera,  l’astenosfera  (80  km  sotto  gli  oceani  e  fino  200  km  sotto  i  continenti)  è  la  zona  reologicamente  più  debole  

del  mantello  ed  è  lì  che  si  ha  la  maggior  probabilità  che  si  origini  un  magma  per  fusione  parziale.  E’  ancora  in  discussione  la  possibile  

esistenza   degli   hot-­‐spot   quali   sorgenti   molto   più   profonde   dell’astenosfera   (alcuni   sostengono   possano   derivare   dal   limite   con   il  

nucleo  esterno).  

In  che  modo  avviene  tale  fusione  parziale?  Lo  si  può  capire  facendo  un  grafico  in  cui  si  evidenziano  gli  andamenti  all’interno  della  

Terra  in  termini  di  temperatura  (geoterma)  con  l’aumentare  della  pressione  (traducibile  in  profondità),  le  curve  di  solidus  e  liquidus  

in   condizioni   secche   e   idrate.   Il   liquidus   è   il   luogo   dei   punti   in   cui   avviene   la   transizione   tra   un   sistema   tutto   fuso   ad   un   sistema   con  

fuso   più   cristalli;   il   solidus   è,   invece,   il   luogo   dei   punti   in   cui   avviene   la   transizione   da   un   sistema   con   liquido   più   cristalli   ad   un  

sistema  tutto  solido.    

  1  kbar  =  100  MPa  

  1  kbar  =  3  Km  

Quello   che   si   vede   è   che   la   geoterma,   che   nelle   parti   più   superficiali   ha   un   gradiente  

fino   a   30°C/km,   non   interseca   mai   la   curva   di   solidus   dry   della   peridotite;   affinché   si  

creino   le   condizioni   adatte   alla   fusione   è   dunque   necessario   che   si   abbia   un   aumento  

drastico   di   temperatura   in   profondità   per   anomalie   radioattive,   oppure   una  

decompressione   adiabatica   causata   dai   moti   convettivi   astenosferici,   oppure   un’azione   idratante   di   una   componente   volatile  

esterna.   Infatti,   le   curve   di   solidus   e   liquidus   in   condizioni   idrate   (a   partire   dallo   0,1%   pp   di   H O   in   soluzione)   subiscono   una  

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deviazione  verso  temperature  ben  più  basse,  tali  da  portare  ad  intersecare  la  geoterma  e  dare  la  potenzialità  di  produrre  un  fuso.  

Questa   area   di   intersezione   è   posta   a   circa   30   -­‐   100   kbar   (90   -­‐   300   km,   proprio   l’intervallo   dell’astenosfera).   La   percentuale   di  

fusione  dipende  dalla  pressione  a  cui  avviene:  a  pressioni  molto  elevate  la  fusione  parziale  è  di  poche  unità  per  cento,  mentre  a  

pressioni  più  basse  si  arriva  anche  ad  un  massimo  del  30%.  E’  chiaro  che  all’aumentare  della  fusione  parziale,  il  liquido  prodotto  

somiglia  sempre  più  alla  composizione  della  roccia  madre  (fino  al  100%  in  cui  le  composizioni  combaciano);  fino  a  un  20  -­‐  30%  il  

liquido  è  comunque  un  basalto.  

Per  quello  che  riguarda  invece  i  magmi  anatettici,  a  prescindere  dalla  composizione,  il  primo  liquido  che  si  forma  ha  sempre  una  

composizione   pari   a   quella   dell’eutettico   ternario   quarzo   -­‐   feldspato  -­‐   plagioclasio.   In   questo   caso,   per   basse   percentuali   di   fusione  

parziale  il  fuso  è  sempre  granitoide  nel  senso  più  ampio  del  termine.    

  IL  MAGMA  

La   variabile   estensiva   più   importante   di   un   magma   è   la   sua   massa,   perché   è   l‘agente   del   lavoro   che   il   magma   stesso   compie  

sull’ambiente  esterno;  la  quantità  di  lavoro  che  un  magma  esercita  sull’ambiente  è  funzione  della  sua  massa.  In  ambiente  eruttivo  

la  massa  determina  la  magnitudo  dell’eruzione,  mentre  in  ambiente  intratellurico  determina  il  tempo  di  raffreddamento.  Inoltre,  

alla  massa  sono  attribuibili  i  valori  di  energia  termica,  meccanica  e  potenziale  che  hanno  un  ruolo  determinante  nel  caratterizzare  

l’attività,  in  particolare  quella  eruttiva,  intesa  perciò  come  un  lavoro  compiuto  dal  vulcano  sull’ambiente  esterno.  

Il  modo  in  cui  si  manifesta  questo  lavoro,  e  in  atre  parole  i  tipi  di  eruzione  (effusiva,  esplosiva  o  mista),  dipende  dalla  composizione,  

dalla   pressione   e   dalla   temperatura   del   magma   che   sono   quindi   le   variabili   intensive   che   caratterizzano   il   sistema.   Dalla  

modulazione   di   queste   variabili   dipendono   a   loro   volta   le   proprietà   reologiche   del   magma   (vale   a   dire   viscosità   e   densità)   che  

caratterizzano  il  suo  stato  in  movimento  e  ne  controllano  quindi  sia  le  modalità  con  cui  avviene  la  risalita  a  giorno  che  quelle  del  

trasporto  superficiale.  

Si  sa  molto  poco  del  magma  alla  zona  sorgente,  e  quello  che  viene  osservato  sono  solo  i  prodotti  delle  eruzioni  o  il  consolidamento  

dei   magmi   in   profondità   (intrusioni);   evidenze   più   o   meno   dirette   provenienti   dalla   zona   sorgente   che   possono   essere   da   noi  

osservate   sono   gli   inclusi   del   solido   frazionato   e   delle   rocce   incassanti   (i.e.   noduli   kimberlitici).   Tuttavia   la   gran   parte   della  

vulcanologia  si  basa  sull’osservazione  del  magma  una  volta  che  è  già  venuto  a  giorno:  osservando  solo  il  ‘prodotto  finale’,  si  può  

comunque   cercare   di   ricostruire   quale   fosse   il   sistema   di   partenza   grazie   agli   studi   petrologici   e   petrografici   che   hanno   messo   in  

evidenza  l’esistenza  di  serie  di  differenziazione.  

Dal   punto   di   vista   composizionale,   nei   magmi   silicatici   il   componente   principale   è   sempre   la   silice;   si   riportano   di   seguito   le  

concentrazioni  in  percentuale  in  peso  dei  principali  ossidi  (detti  elementi  maggiori,  ovvero  presenti  per  più  dell’1%).  

Ci  sono  poi  da  considerare  gli  elementi  minori,  ovvero  quelli  la  cui  concentrazione  è  compresa  tra  0,1  -­‐  1%  (che,  tuttavia,  possono  

talvolta   risultare   come   maggiori).   Tra   questi   vi   è   l’acqua,   che   entra   in   forma   cristallina   in   alcuni   minerali   idrati   come   gli   anfiboli   e   le  

+    

biotiti:  tale  acqua  viene  per  convenzione  denominata  H O o “acqua  di  struttura”,  mentre  quell’acqua  che  viene  eliminata  a  110  °C  è  

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semplicemente   legata   all’umidità   e   alla   porosità   della   roccia.   Altri   elementi   minori   sono   la   CO ,   che   a   volte   pu