Vulcanologia ed elaborato finale

Distribuzione dei vulcani sulla Terra

Gran parte dei fenomeni eruttivi avviene sotto gli oceani. Basalti tholeitici: costituiscono gran parte del prodotto vulcanico. Dorsale: apertura/spaccatura della crosta terrestre, situata a 4 km di profondità.

Penisola antartica e catena delle Ande

Dalla penisola antartica partono una serie di vulcani. La catena delle Ande è molto lunga ed articolata, in realtà è scomposta in una serie di catene differenti tra loro parallele e che si intersecano in certi punti, ma per semplicità si parla di catena. Sono presenti pochi vulcani lungo questo tratto. La catena è costituita da rocce metamorfiche di basso e medio-grado e rocce magmatiche. I vulcani della catena Andina sono poco più alti del Vesuvio e hanno delle similitudini, e partono all’apice della catena, cioè partono da un'altezza considerevole.

Etna e Stromboli

La parte centrale dell’Etna sta al di sopra di una catena (catena nebrodese, parte meridionale dei monti Nebrodi, h 1000-1200 m). Lo Stromboli (sembra una trottola rovesciata), è la parte apicale di un vulcano che ha la base che comincia 2 km s.l.m.

Chimborazo e Ecuador

In Ecuador, il Chimborazo era inizialmente creduto come la montagna più alta del mondo (in realtà è l’Everest in Himalaya con 8850 m), con i suoi 6300 m. Nell’epoca della Rivoluzione francese c’era la "mania" di misurare il mondo, per farlo si recarono in Ecuador, che si trovava all’equatore. La sua punta è il punto più distante dal centro della Terra. La distribuzione di vulcani non è regolare. Nei vulcani andini capita che ci sia un vulcano dentro l’altro (Sianta Maria e Siante Tito).

Canada, Alaska e Kamčatka

In Canada ci sono moltissimi vulcani, in particolare il St. Helen, qui sono per lo più quiescenti. In Alaska, agli inizi del 1900 ci fu un'importante corsa all’oro, ci sono importanti giacimenti d’oro. L’oro si combina con difficoltà, quindi rimane come molecola isolata. Nelle Aleutine i vulcani sono o su isole o su penisole, formando arcipelaghi vulcanici o archi di isole (sud-ovest dell'Alaska). La penisola della Kamčatka o della Camciatca, nella parte orientale della Russia, ha circa 114 vulcani.

Sumatra e Krakatoa

Sumatra: situazione simile al Giappone ma più in grande, caratterizzate da rocce sedimentarie e metamorfiche con al di sopra centinaia di vulcani. Quando il Krakatoa eruttò sviluppò un’eruzione pliniana e sprofondò sotto il livello del mare, questo provocò uno tsunami, che determinò la morte di migliaia di persone a Sumatra. Onda perturbazione della superficie del mare, che svolge un movimento verticale. Quello che conta dello tsunami è l’azione trattiva.

Antille e Africa

Antille - Cuba calcarea, piccole isole vulcaniche. Aulacogeno o punto triplo, si inarca il mantello e la crosta si spacca lungo tre direttrici, separate da angoli di 120°. Si separano tre porzioni, Mar Rosso, corno d’Africa, ecc. Solo uno di loro viene abortito (golfo di Aden) mentre gli altri due continuano (Mar Rosso e il rift etiope). Il Kilimanjaro è la montagna più alta in Africa. Nyiragongo ha un lago di lava.

Europa e Santorini

Vulcani ai Carpazi, sui colli romani. Santorini, eruzione 3500 anni fa.

Calore e importanza dei vulcani

La formazione di un vulcano necessita di magma e di una via di risalita. Magma: roccia fusa, per fondere sono necessarie determinate temperature presenti in certi luoghi della Terra.

Calore e trasferimento di energia

Calore: il calore è energia, energia cinetica prodotta dal movimento delle particelle. E= ½ mV questo lascia intendere che produce calore solo qualcosa che ha una massa. Tutte le particelle, atomi e molecole, sono in continuo movimento (+ o meno velocemente) questo fa sì che producano calore. Al contrario, se sono ferme queste non producono calore, se questo avviene la loro temperatura è uguale a 0° K. In realtà, la temperatura più bassa registrata è 4 K. Lo zero è un’idea.

L’aria soggetta a un movimento traslazionale (traslano da un punto all’altro) ed energia vibrazionale. L'aria secca è composta da circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno e l'1% di argon. Nell'aria è anche presente vapore acqueo, che costituisce una percentuale compresa tra lo 0,1% e il 4% della troposfera. L'aria calda di solito contiene più vapore acqueo dell'aria fredda.

Trasferire calore: per trasferire energia per conduzione io non faccio altro che aumentare la velocità di vibrazione di un materiale (non posso cambiare la massa). La vibrazione si compone di 2 grandezze: frequenza e lunghezza d’onda. Ogni materiale ha la sua frequenza caratteristica di vibrazione, non può essere cambiata, bensì si cambia la lunghezza d’onda.

Irradiazione solare e convezione

Irradiazione solare: le radiazioni solari sono onde elettromagnetiche, dotate di una massa irrisoria. La radiazione elettromagnetica è la perturbazione del campo elettrico e magnetico, ed ha un’oscillazione con angoli ortogonali. Quindi le radiazioni solari vanno a perturbare i campi elettrici e magnetici presenti nelle molecole, amplificando il loro moto, così facendo aumento la loro velocità senza toccarle (senza conduzione). Devo avere una radiazione di una certa frequenza per eccitare una certa molecola, cioè le frequenze devono essere paragonabili.

Convezione: è equivalente alla conduzione ma è la stessa aria calda che circola e riscalda le molecole circostanti, questo lo può fare perché è libera di muoversi. Questo moto avviene perché l’aria calda è meno densa (le particelle si allontanano) e quindi sale. Il calore non può essere immagazzinato, si può rallentare la sua dispersione.

Fonti di calore e attività vulcanica

I vulcani esistono perché c’è del calore, ma da dove deriva? Calore primordiale e reazioni chimiche. La Terra si sta raffreddando, il calore della Terra fuoriesce dai vulcani (enormi radiatori che raffreddano il pianeta). Per farlo necessita di trasportare massa, quindi materia, questo flusso di calore è guidato dalla presenza di grandi strutture tettoniche.

Fonti di calore: Long-lived radioactivity – decadimento – rilascio di 3 radiazioni – alfa molecole di elio – beta elettroni – gamma sono fotoni, cioè la radiazione che riscalda. Tuttavia, queste radiazioni producono un basso quantitativo di calore. Sebbene sia poco, il calore viene mantenuto all’interno del mantello, in quanto costituito da materiali coibenti.

Calore primordiale: questo calore risalente all’inizio della formazione della Terra è legato all’attrito prodottosi dalla collisione tra asteroidi e da altri corpi celesti (miliardi di corpi hanno colliso). Tutto il materiale che si è aggregato ha trattenuto questo calore. Il calore terrestre sta diminuendo in maniera esponenziale. L’attività vulcanica in passato era molto più intensa, tant’è che i depositi di piroclastiti antichi arrivano a dimensioni anche di 2 km di spessore.

Dunque, la Terra non avrà vita infinita, il progressivo raffreddamento farà sì che ad un certo punto i vulcani non emetteranno più gas, dunque niente atmosfera, bensì ci sarà solo dispersione di energia verso lo spazio cosmico.

I vulcani e la vita come la conosciamo

I vulcani grazie alla produzione di gas hanno permesso la vita come la conosciamo. La vita organica dipende dalla chimica del carbonio, in particolare dipende dalla ossidazione di ciò che ci circonda (viviamo grazie all’ossigeno). La Terra primordiale non aveva ossigeno perché non c’era l’atmosfera, i vulcani non erano partiti. In seguito alla formazione dei vulcani si ha l’emissione di gas. Le prime forme vitali erano batteri unicellulari anaerobici, che producevano come prodotto di scarto l’ossigeno. L’atmosfera si riempi talmente di ossigeno che la vita dovette riadattarsi. Quindi, l’emissione di gas dei vulcani ha permesso la vita così come la conosciamo. L’uomo compare circa 5 Ma fa.

Interno della Terra

La comprensione dell’interno della Terra parte dalla visione di prodotti meteoritici, cioè si comprende per analogia dall’osservazione del gruppo di condriti e di sideriti. Leggi di Keplero le orbite dei pianeti sono direttamente proporzionali ai cubi delle masse, ed inversamente proporzionali al quadrato delle distanze. Quindi conoscendo le orbite e le distanze (grazie al sole), possiamo determinare la massa. Poi conoscendo il volume, grazie a Eratostene, si può determinare la densità. Densità media della Terra 5,51 g/cm³.

Onda sismica e struttura della Terra

Onda sismica: perturbazione di un mezzo, fenomeni di compressione e rarefazione. Il modulo di rigidità del mezzo determina la velocità, così come la densità. Le onde si propagano solo in mezzi dislocabili, cioè nei solidi, in cui la pressione si distribuisce in maniera anisotropa, a differenza dei fluidi in cui è isotropa. Studio di migliaia di terremoti nel mondo, t di arrivo, per realizzare il grafico tra velocità delle onde in profondità. Da ciò si evince che il mantello è omogeneo.

Nucleo, pressoché omogeneo, dedotto dallo studio delle dromocrone delle onde P (la velocità non cambia di molto, la pendenza della curva e quasi costante). Lega di Fe-Ni. Peridotite= olivina, orto-clino pirosseno e plagioclasio. Materiali accessori: flogopite e orneblenda. Magg è l’olivina e più il mantello è restitico, al contrario se minore si dice fertile. Transition zone: cambiamento di struttura reticolare all’interno delle fasi cristalline. Da olivina a spinello. Terremoti fino 150 km, la placca rigida diventa plastica e quindi scompaiono. Poi tra 440 e 660 km si hanno di nuovo onde sismiche, dovuto alla ricompattazione dei reticoli cristallini. La ricompattazione teoricamente dovrebbe creare il vuoto, ma il vuoto non esiste, bensì avviene lo spostamento dei blocchi sovrastanti.

Mantello: temperatura da 1200 e 1400° C.

Magma

Magma: roccia fusa. Per effettuare il passaggio di stato occorre rompere i legami. I legami sono differenti, covalenti, ionici (più deboli, solo attrazione elettrostatiche, cioè attrazione tra due poli opposti). Questa forza risponde alla legge di Coulomb: La distanza d può cambiare perché è soggetta alla oscillazione all’interno delle molecole, ogni atomo all’interno della molecola oscilla, ma per aumentare la velocità di sti atomi si aumenta la loro lunghezza d’onda.

Fusione: rottura dei legami molecolari ad opera dell’agitazione termica. Il magma è costituito da cationi e gruppi anionici (SiO₄). La fusione è influenzata da temperature e pressione.

Esempio ghiaccio nel cocktail: la temperatura del cocktail si raffredda finché tutto il ghiaccio non è squagliato, solo dopo che questo è avvenuto può innalzarsi la T. La fusione avviene al contatto dei minerali, ed avviene in una scala, non avviene in maniera totale. Energia libera più alta in superficie, più facile fondere il minerale. È più facile quando i minerali a contatto sono diversi (maggiore entropia). Strutture più complesse fondono prima. La fusione parziale si innesca a partire dai minerali più basso fondenti.

Tectosilicati: tetraedri tutti polimerizzati, tridimensionale. Clino e plagioclasio nei punti di contatto iniziano a fondere. Il fuso che ne deriva infatti è basaltico. Il mantello non fonde tutto perché non ci sono le condizioni di T e P. In passato, oltre 2.3 Ga, ci sono rocce comatitiche, che rappresentano un mantello totalmente fuso, quindi in passato c’erano le condizioni. Al 10% fino al 30% di fuso, questo si allontana dal mantello. Il fuso che si produce è composizionalmente diverso, è più leggero perché composto da elementi più leggeri.

Per la risalita il fuso necessita di vincere tutti gli attriti, quindi un'elevata forza di Archimede. È determinante il volume di fuso. Quindi quando si raggiunge un certo volume critico si può liberare. Astenosfera (astenos: stanchezza, debolezza): ci sono temperature alte e basse pressioni che consentono la fusione parziale, ma non tali da creare la quantità di fluido necessario per produrre la risalita, si forma circa il 3%, cioè non si raggiunge il volume critico (corrisponde circa al 5%).

Deformabilità del mantello e risalita del magma

Il basalto costituisce gran parte della crosta. Deformabilità del mantello: Esso permette la risalita dei magmi perché è deformabile. Deformazione, cambiamento di forma e struttura ad opera di pressione. Nel mantello avviene un continuo metamorfismo (deformazione), ciò avviene ad opera di un'enorme energia, fornita dalla differenza di densità legata a ciò che va giù (es. palloncino in acqua). Legge di Stokes: la velocità minima che serve per risalire, cioè per permettere alla goccia di staccarsi dal resto = doppio della differenza di densità tra magma e il mantello residuale x g x il quadrato del raggio della goccia / viscosità.

Al crescere delle dimensioni della goccia aumentano le probabilità della goccia di staccarsi. Quando si raggiunge il volume critico, quando si raggiungono queste condizioni? Risalita adiabatica, Zone più calde del mantello tendono a risalire convettivamente. Il calore si trasferisce per conduzione (le molecole vibrano e fanno vibrare anche quelle affianco), essendo le rocce mafiche cattive conduttori di calore il processo è lento, per cui la velocità di risalita è maggiore della velocità di raffreddamento. Quindi avviene una sorta di risalita senza scambio di calore (adiabatica). Il mantello a 1400° che arriva dalla porzione profonda, risale (convettivo), e arriva a una certa profondità in cui le pressioni sono minori determinando la fusione.

Oltre ad avere un'elevata temperatura, quella porzione di mantello è più ricca di minerali basso fondenti, rendendo il mantello fertile. Elementi ad alto raggio ionico tendono a fondere prima (magmatofili).

Velocità di risalita del mantello

Velocità di risalita del mantello: ragionamento sulla teoria deriva dei continenti, velocità differenti la più alta è 10 cm/annui (oceano Pacifico), e in genere quindi si parla di cm/annui. 2parte Il mantello caldo risale fino a un certo punto (perché non riesce più a spingere), poi va lateralmente, in quanto non riesce ad andare oltre alla litosfera, in quanto questa, sebbene abbia la composizione del mantello, è troppo rigida (pressione minore e più freddo).

Il moto convettivo stesso produce delle tensioni, producendo l’apertura dalla quale fuoriesce magma. Dalla apertura (dorsale) fuoriesce magma basaltico mentre lateralmente si sposta un mantello modificato, più ricco di olivina, in quanto plagio e pirosseni se ne sono andati.

Subduzione e convezione

La subduzione non avviene solo a causa del contrasto di densità. La convezione, come visto prima, comincia dalle porzioni più profonde con la risalita di mantello caldo, prosegue verso l’alto e ad un certo punto scende nuovamente (mantello scende dentro il mantello) questa volta però si porta con sé una porzione di crosta oceanica che è solidale al mantello, costringendo lo slub (4°) ad andare dentro il mantello. Questa subduzione è stata identificata grazie a dati geofisici, cioè terremoti, prodotti dalla rottura dello slub rigido che scende dentro il mantello. Il mantello si deforma, la litosfera non è rigida.

L’inclinazione di questo slub è dovuta a una combinazione vettoriale di forze, il mantello col ciclo convettivo tende a portarselo giù, la lito essendo più leggera tende a risalire, la combinazione di ste due cose determina quest’angolo.

Fuso basaltico e acqua

Fuso basaltico entra in contatto con acqua e diventa serpentino. Da un punto di vista fisiografico l’inizio della subduzione si evidenzia con la fossa, cioè una zona molto depressa situata a centinaia di km a largo del continente. Durante la subduzione si vengono a creare queste faglie inverse che danno origine ai prismi di accrezione.

Man mano che lo slub scende verso il mantello aumenta la sua temperatura dovuto alla geoterma, si parla comunque di un corpo a circa 300° (10km) contro i 1200°, dunque è comunque freddo. A quel punto ci sarà lo scambio di calore dal mantello allo slub, inoltre si viene a creare un calore di frizione (attrito) man mano che lo slub scende. A questo punto il corpo comincia a perdere inizialmente l’acqua contenuta nei sedimenti silicei, poi comincia la perdita dal reticolo cristallino. Questa perdita implica il metamorfismo, il più importante cambiamento di facies avviene tra i 60 e i 70 km, passando da anfibolite ad eclogite (densità 3,8 maggiore del mantello). Avviene il breakdown dell’anfibolite, l’acqua che c’era negli anfiboli va via e diventa pirosseno. Quest’acqua tende a risalire, perché più leggera.

Avviene il metasomatismo, inducendo un cambiamento chimico del mantello dovuta all’intrusione dell’acqua. L’acqua probabilmente risale nei punti di contatto tra le diverse facce cristalline, che rappresentano dei punti di debolezza. Indebolire significa rompere i legami, questo lo fa grazie alla sua natura dipolare. A questo punto, grazie al passaggio dell’acqua, si producono degli elementi isolati praticamente fusi. Ecco perché l’acqua diminuisce la temperatura di fusione.

Lo slub non fonde, questo lo giustifichiamo avendo visto che i terremoti avvengono fino a una certa profondità, dopodiché le pressioni sono talmente elevate che non consentirebbero la fusione del basalto, bensì diventa plastico. La fusione, in realtà, può avvenire in aree localizzate del pianeta in cui lo slub è a basso angolo, è a bassa pressione, cosicché il basalto fonde, ed essendo più ricco in silicio diventa andesite.

Il basalto è fatto dal 60% di ossigeno.

Hotspot

Hotspot (o wet-spot): Gli hotspot sono distribuiti in maniera casuale nel mondo.