Nozioni, Principi di geologia

Rocce magmatiche

La maggior parte delle rocce sorgenti sono rocce magmatiche e l’attività magmatica è strettamente legata all’evoluzione terrestre. Le zone vulcaniche si possono trovare in precisi luoghi: nei margini di placca, lungo le faglie trasformi (raramente) e in zone vulcaniche intracontinentali. Le rocce magmatiche (o ignee o massive) sono di due differenti tipi: plutoniche o vulcaniche.

Tipi di rocce magmatiche

Le rocce plutoniche hanno come rappresentante il granito e sono rocce ben cristallizzate a grana grossa; le rocce vulcaniche hanno a causa dell’elevato sbalzo termico invece una massa di fondo compatta a grana fine o addirittura vetrosa. Le rocce vulcaniche comprendono, oltre alle rocce effusive, anche quelle solidificate a basse profondità (ipoabissali).

Differentemente dalle eruzioni vulcaniche, gli hot spots e i prodotti vulcanici sono differenti in quanto producono materiale differente. Solitamente un fuso viene prodotto da materiale solido, e quando questo fuso viene generato, esso può rimanere nel luogo di nascita e creare plutoni, oppure spostarsi risalendo il mantello. Il processo magmatico coinvolge calore e massa: durante la risalita il trasferimento di calore si può avere nelle rocce incassanti, e questo trasferimento avviene tramite conduzione: ciò avviene soprattutto nella litosfera. Nell’astenosfera invece, la trasmissione di calore avviene per convezione.

Proprietà del magma

Il liquido magmatico (magma: miscuglio a composizione silicatica che contiene porzioni liquide, solide e più o meno volatili, come ad esempio acqua e anidride carbonica) ha differenti proprietà:

• Temperatura: la temperatura è molto variabile ed è compresa tra i 650 °C fino ai 1300 °C; le temperature più basse si trovano in liquidi come quelli che generano i graniti (quindi liquidi ricchi in silice), mentre le temperature più alte si registrano in liquidi a composizione basaltica. La temperatura più alta registrata a livello di lave si riferisce ad una particolare lava che si formava solamente nell’archeano.
• Densità: compresa tra i 2,4 gr/cm³ e i 2,9 gr/cm³; a densità differenti (sia maggiori che minori) si ha frazionamento gravitativo. Solitamente lave dense sono lave ricche in silice, come ad esempio il granito, mentre lave più leggere sono lave povere in silice, come ad esempio il basalto. I minerali mafici tendono a frazionare.
• Viscosità: è la resistenza di scorrimento della lava. Si hanno anche in questo caso due estremi: lave molto viscose sono ricche in silice, mentre lave poco viscose sono povere in silice; la viscosità è data dal grado di polimerizzazione dei tetraedri dei silicati, le quali formando delle lunghe catene, ostacolano la fuoriuscita regolare del magma. La viscosità è misurata in P (poise), e il grado minimo di viscosità va da 1 P (olio d’oliva a 20 °C) a 10⁵ o 10⁸ P (viscosità pari a quella del miele o dell’asfalto liquido). Le rocce più diffuse sulla Terra sono proprio i due estremi, la silice (molto viscosa) e il basalto (povero in silice).

Cristallizzazione e fusione

I magmi naturali al di sopra della linea del liquidus cominciano ad aggregare cristalli, i quali per svilupparsi necessitano di un sistema sotto raffreddato. La temperatura di undercooling – sottoraffreddamento – (la quale è un Δt tra la temperatura teorica a cui si dovrebbero formare i cristalli e la temperatura effettiva a cui si formano) suggerisce la tessitura della roccia, la quale è sottoposta a due differenti velocità:

• Velocità di nucleazione: numero di nuclei di cristalli che si possono formare in un centimetro cubo al secondo;
• Velocità di crescita: aumento del raggio teorico del cristallo sferico presente nel fuso al secondo; se la velocità di nucleazione è alta ottengo un numero di cristalli esiguo ma quelli che ho sono di dimensioni notevoli; se il sistema è sotto raffreddato tanti nuclei non riescono a crescere e ottengo la tessitura delle rocce vulcaniche. Il caso estremo è il vetro, nel quale si annullano sia la velocità di nucleazione che la velocità di crescita.

Altri fattori che influenzano la crescita dei cristalli sono l’approvvigionamento dei costituenti del liquido del fuso, la diffusione degli ioni nel liquido, la competizione diretta dei cristalli di una stessa specie e la velocità di espansione del calore (diffusione).

Componenti volatili nel magma

Il magma contiene, come componenti volatili, fondamentalmente acqua e anidride carbonica e il monitoraggio dei gas vulcanici è molto importante per prevedere le imminenti eruzioni vulcaniche. L’acqua e l’anidride carbonica hanno comportamenti completamente differenti anche se entrambe, in funzione della temperatura e della pressione si comportano in modo simile. Ad esempio, l’acqua è meno solubile all’aumentare della temperatura, ma all’aumentare della pressione questa solubilità aumenta: nel momento in cui il magma risale il gas si separa dal liquido e, aumentando la pressione all’interno della camera magmatica, hanno origine i fenomeni di tipo esplosivo; infatti i magmi ricchi di acqua danno origine ad attività esplosive, come ad esempio le eruzione freatomagmatiche.

Non esiste un luogo unico dove è presente materiale fuso ma esistono luoghi dove si verifica una riduzione di velocità delle onde s, e ciò lascia intendere il fatto che in questi punti sia presente materiale parzialmente fuso: questi punti particolari sono, per esempio, le dorsali oceaniche; come nel caso della cristallizzazione anche nel caso della fusione il sistema deve essere alterato: in questo caso il sistema deve essere surriscaldato e deve esserci continuo “movimento” in quanto se non ho un continuo input la fusione si interrompe. Esistono due fondamentali parametri, la pressione e la temperatura, le quali permettono al sistema di fondere.

Pressione e temperatura nella fusione

La pressione è considerata una funzione lineare in quanto la pressione considerata è una pressione di carico, quindi uniforme in tutti i punti del sistema; le temperature invece sono molto variabili e aumentano all’aumentare della profondità. Quello che devo realmente controllare è il gradiente geotermico. Il gradiente geotermico varia da luogo a luogo e viene espresso in gradi centigradi per chilometro; in prossimità della superficie terrestre è anch’essa una funzione di tipo lineare e non esiste luogo sulla Terra avente gradiente geotermico minore di 6 °C/km. Il gradiente medio della Terra varia dai 10 ai 30 °C/km.

Le tre tipologie di rocce si formano a gradienti geotermici differenti e le rocce sedimentarie per esempio sono quelle che si formano a gradiente geotermico più basso; a circa 650 °C alcuni tipi di rocce cominciano a fondere solo e soltanto in presenza di un catalizzatore che in questo caso è l’acqua. Se non ci fosse il catalizzatore, queste rocce fonderebbero a temperature ben maggiori (1100 °C circa).

Nel momento in cui parlo di fusione parlo sempre e comunque di fusione parziale perché nei punti di massima fusione (i rift oceanici) il materiale che realmente fonde è circa il 25% del totale. La fusione parziale si può avere anche nel mantello oppure nella crosta continentale, e questo luogo di fusione si presuppone sia nella LVZ, dove la prima roccia che comincia a fondere è la peridotite (olivina), i pirosseni ferromagnesiaci e le fasi dell’alluminio (tutte tranne il granato). Ciò che rimane è poca olivina e poco pirosseno, i quali danno luogo a rocce chiamate duniti. Il prodotto della fusione è il basalto.

Varietà dei basalti

Non tutti i basalti sono uguali perché il materiale genitore potrebbe fondere a condizioni differenti e si potrebbero avere modificazioni successive alla fusione che alterano la composizione del liquido da cui si origina questa roccia. Un esempio è la catena himalayana, la quale quando si è formata, ha dato origine a graniti privi di biotite ma ricchi di muscovite. Ciò è stato possibile grazie alla collisione tra placche, la quale ha prodotto degli inspessimenti che hanno cambiato i gradienti geotermici favorendo la formazione di graniti.

La roccia in assoluto più diffusa sulla Terra è il basalto mentre il suo corrispondente plutonico (il gabbro) no; viceversa, la roccia plutonica più diffusa sono i granitoidi mentre i corrispondenti vulcanici no. Questo fenomeno esiste perché quando, a parità di profondità, il magma granitico incontra la curva del solidus, il granito cristallizza e da origine alle rocce plutoniche in quanto non riesce a raggiungere la superficie. Differentemente il basalto non fa in tempo, durante la risalita, ad incontrare la linea del solidus e di conseguenza riesce a uscire sotto forma di lava (per avere il gabbro la temperatura del fuso del basalto dev’essere leggermente più bassa).

Nomenclatura delle rocce magmatiche

La nomenclatura delle rocce magmatiche è basata su un meccanismo chiamato moda o analisi modale, ossia la stima percentuale dei minerali presenti nella roccia magmatica. La moda è la composizione effettiva della roccia mentre la norma è la composizione teorica calcolata in base alle stime fatte. Su un campione macroscopico ciò che si può fare è dare una stima dei rapporti relativi; la stima delle rocce vulcaniche sono solitamente falsate dai fenocristalli, perché più visibili rispetto alla massa di fondo: spesso però la composizione delle due parti è differente e ciò comporta una falsificazione della stima.

In funzione della composizione posso vedere parametri utili che mi indicano la zona di formazione e l’ambiente della roccia.

Composizione delle rocce magmatiche

• Contenuto di silice: Esistono quattro grosse categorie di rocce:
  • Acide (SiO₂ > 66%)
  • Intermedie (52% < SiO₂ < 66%)
  • Basiche (45% < SiO₂ < 52%)
  • Ultrabasiche (SiO₂ < 45%)
• Indice di saturazione dell’allumina (Al₂O₃): Questo è un parametro scoperto nel 1951 il quale tiene conto del rapporto tra l’ossido di alluminio e la somma di elementi come il calcio, il sodio e il potassio. Quando l’ossido di alluminio è maggiore rispetto alla somma degli ossidi degli altri tre elementi allora parlerò di rocce peralluminose, come ad esempio la muscovite e minerali ricchi in alluminio; se l’ossido di alluminio invece si trova in quantità minori della somma degli altri ossidi allora parleremo di rocce metalluminose.
• Indice alcali – calico (Peacock, 1931): Questo indice prende in considerazione la somma di calcio e degli alcalini rispetto alla silice.
  • Alcaline 56% – 61% Processi di estensione crostale
  • Calcaline 51% - 56% Processi legati alla subduzione
  • Tholeitiche < 51% Rocce legate alla piattaforme oceaniche

Ambienti geodinamici

Gli ambienti in cui queste rocce si formano sono ambienti nei quali si ha parziale fusione delle rocce; la fusione è un processo dinamico che può avvenire per tre differenti motivi: per decompressione (come ad esempio lungo i rift), per underplating (ossia la risalita di magma basaltico il quale poi staziona nelle zone di discontinuità) o grazie alla presenza di acqua la quale catalizza le rocce abbassando il punto di fusione.

• Dorsali medio oceaniche
• Rift intracontinentali
• Arco insulare
• Arco magmatico
• Bacino di retroarco
• Isole oceaniche (OIB)
• Attività infracontinentali

Attività magmatica e i suoi prodotti

L’attività vulcanica è prettamente legata ai margini di placca divergenti, soprattutto nelle dorsali oceaniche che sono legate all’espansione del fondale oceanico.

Nomenclatura dei corpi magmatici

• Plutone: sono chiamati così i corpi magmatici di tipo intrusivo che generano aureole di contatto. A seconda della loro composizione varia quella che è la profondità a cui si stabilizzano: per esempio plutoni di materiale di tipo basaltico (gabbri) si stabilizzano a profondità di circa 10 km, mentre plutoni di materiale di tipo riolitico (granitoidi) a profondità molto minori, ossia comprese tra i 4 e i 5 km;
• Batoliti: sono plutoni molto estesi – si parla di qualche centinaio di km – che però, come si è valutato dopo numerosi studi, non sono composti da un unico plutone ma solitamente sono composti da numerosi plutoni a composizione simile. Spesso questi plutoni hanno molti anni di differenza (si parla di Ma) e sono incassati in plutoni più antichi;
• Dicchi o filoni: sono corpi di dimensioni minori che normalmente tagliano le sequenze magmatiche delle rocce incassanti, le quali congelano le parti esterne del filone in quanto si parla di corpi che hanno potenze molto basse (intorno ai 2-3 mt). Quando queste parti esterne vengono solidificate dalla differenza di temperatura che esiste tra il dicco e la roccia incassante spesso sulla superficie a contatto con la roccia si ha la presenza di vetro;
• Sill: quando i dicchi o filoni incontrano una superficie di discontinuità (visibile attraverso il cambio di litologia) e hanno la possibilità di estendersi parallelamente alla roccia incassante vengono chiamati sill, e se poi questi ultimi si rigonfiano prendono il nome di laccoliti;

Morfologia dei vulcani

La morfologia del vulcano è dettata dal tipo di magma presente nella camera magmatica. I magmi sono solitamente di due tipi:

• Magma basaltico: la temperatura del magma è molto elevata – intorno ai 1200 °C – e presenta bassa viscosità, quindi tende a scorrere molto velocemente lungo i pendii del vulcano; sono solitamente magmi anidri, ossia poveri di componenti volatili;
• Magma riolitico: ha una temperatura inferiore rispetto al magma basaltico – intorno ai 900 °C – e presenta un’alta viscosità: ciò comporta il fatto che questi magmi facciano molta fatica a scorrere lungo i pendii del vulcano e solitamente formano strutture chiamate duomi che ostruiscono il camino del vulcano. Inoltre sono magmi molto ricchi in componenti volatili;

Tipi di colate laviche

Le colate di tipo basaltico solidificano in tre modi diversi a seconda dell’ambiente in cui si trovano: se l’ambiente è subaereo abbiamo la presenza di paohehoe lava o altresì dette lave a corda, che hanno la caratteristica di trovarsi nella zona centrale della colata; inoltre la direzione dell’arco delle “corde” solidificate indicano la direzione del flusso del magma al momento della fuoriuscita dal cratere; un altro tipo di lava è la lava Aa, caratteristica delle zone marginali (i fronti) della colata. Sono lave molto taglienti e porose. Se invece l’ambiente è subacqueo si ha la presenza di pillow lava, o lave a cuscinetti: questa morfologia è dettata dal fatto che la lava subisce uno shock termico, quindi la parte a contatto con l’acqua marina si raffredda quasi immediatamente mentre l’interno rimane caldo e ha modo di adattarsi al suolo su cui poggia. Infatti le pillow lava sono molto importanti in quanto sono indici stratigrafici, perché presentano peduncoli sempre rivolti verso il basso.