Overview
Fonte: Laboratorio di Alan Lester - Università del Colorado Boulder
Le rocce ignee sono prodotti del raffreddamento e della cristallizzazione della roccia liquida ad alta temperatura, chiamata magma. Le temperature magmatiche variano tipicamente da circa 800 °C a 1.200 °C. La roccia fusa è, forse fortunatamente per gli esseri umani, un'anomalia sul pianeta Terra. Se un foro di perforazione casuale e immaginario fosse fatto sulla Terra, molto probabilmente non raggiungerebbe una regione di materiale veramente e totalmente fuso fino al nucleo esterno, a quasi 2.900 km sotto la superficie (il raggio della Terra è di 6.370 km). Anche lì, questo materiale fuso sarebbe prevalentemente costituito da ferro liquido, non vera roccia silicata, e non sarebbe mai in grado di raggiungere la superficie terrestre.
Tuttavia, si verificano eruzioni vulcaniche e rocce ignee, e sono la prova che ci sono effettivamente regioni isolate di fusione e generazione di magma all'interno della Terra.
Principles
Ci sono tre meccanismi principali per la fusione della roccia all'interno della Terra:
1) Aggiunta di calore
La fusione può verificarsi quando le rocce nel mantello o nella crosta terrestre sperimentano un aumento della temperatura ambiente. Questo è il risultato del magma ad alta temperatura che entra in contatto con rocce che hanno una temperatura di fusione più bassa.
2) Aggiunta di sostanze volatili
La fusione avviene nel mantello terrestre quando componenti volatili (generalmente H2O, ma altri componenti, come CO2, sono possibili) si diffondono in una zona di rocce che sono vicine ma non del tutto alla loro temperatura di fusione. Questo è chiamato fusione del flusso ed è analogo a un saldatore che utilizza un flusso per abbassare la temperatura di fusione per i metalli con cui stanno lavorando. Questo è il meccanismo primario per la fusione sopra una lastra in discesa in una zona di subduzione, dove i volatili che fuoriescono dalla litosfera oceanica subduttrice entrano nel mantello sovrastante e causano la fusione del flusso. Sopra le zone di subduzione, vediamo spesso una catena di vulcani, ad esempio le Cascade e le Ande.
3) Decompressione
La fusione avviene nel mantello terrestre quando il mantello astenosferico plastico e mobile si alza e subisce la decompressione. Questo mantello ascendente subisce una perdita di calore relativamente minima (poiché le rocce sono scarsi conduttori di calore) e poiché la fusione dipende dalla pressione, la perdita di pressione può causare la fusione del mantello astenosferico ascendente.
Raffreddamento e cristallizzazione del magma
Il raffreddamento magmatico e la cristallizzazione possono avvenire in una varietà di ambienti. Tuttavia, distinguiamo tra le due circostanze chiave del raffreddamento superficiale (rapido) e del raffreddamento interno della Terra (lento). Questi generano rocce con diverse dimensioni, forma e disposizione dei cristalli - la combinazione di fattori che i geologi chiamano trama. Il raffreddamento superficiale (rapido) genera rocce che sono collettivamente chiamate estrusive. Le rocce ignee estrusive sono caratterizzate da cristalli molto piccoli (invisibili ad occhio nudo), una sorta di trama denominata afania.
Al contrario, il raffreddamento che avviene a seguito della solidificazione dei corpi magmatici all'interno della Terra(cioè il raffreddamento del sottosuolo) è molto più lento, e questo porta a rocce con cristalli relativamente grandi, visibili ad occhio nudo, e sono collettivamente chiamate rocce ignee intrusive. Le granulometrie più grossolane e più grandi generano una trama denominata fanerotica (Figura 1).
Composizione del magma
In definitiva, come descritto sopra, le rocce ignee sono classificate sulla base di due caratteristiche: la trama (che è generalmente una conseguenza dell'ambiente di raffreddamento, cioè superficie o sottosuolo) e la loro composizione. Dal punto di vista compositivo, le rocce ignee si estendono su una gamma di rocce felsiche da intermedie a mafiche. Le rocce felsiche sono ricche di alluminio e silice (silicio e ossigeno), mentre mafica si riferisce alle rocce che contengono meno silice e più ferro e magnesio. Le composizioni di magmi possono variare l'intero spettro tra felsico e mafico. Quelli che non sono né altamente felsici né altamente mafici sono indicati come intermedi. In senso quantitativo, le rocce felsiche contengono circa il 60-75% (in peso) di SiO2e sono ampiamente chiamate granitiche. Le rocce mafiche contengono circa il 45-60% (in peso) di SiO2e sono ampiamente basaltiche nella composizione. Le composizioni intermedie sono nell'intervallo 55-63% SiO2 e sono "andesitiche" nella composizione.
Vengono comunemente eseguiti due esperimenti che si riferiscono ai principi della formazione rocciosa ignea. Il primo esperimento dimostra un principio chiave della fusione nella Terra e il secondo si riferisce al processo di cristallizzazione.
1) Un aspetto chiave della generazione di magma (sia che avvenga tramite aggiunta di calore, aggiunta volatile o decompressione) è che la composizione del fuso iniziale è tipicamente diversa dalla composizione del mantello o della roccia crostale che subisce la fusione. Questo è chiamato fusione parziale e significa semplicemente che quando si verifica la fusione nella Terra, il liquido iniziale (frazione di fusione) sarà più ricco di silice (più felsico) rispetto alla roccia madre che viene fusa.
Una dimostrazione di fusione parziale è la spremitura del succo d'uva congelato. Quando viene spremuto, il liquido che trasuda è generalmente più viola o color uva rispetto al restante materiale congelato. In altre parole, c'è una differenza di composizione tra il liquido (frazione di fusione) e il restante materiale genitore congelato (solido).
2) Un aspetto chiave della cristallizzazione della rocca ignea, come discusso sopra, riguarda la velocità di raffreddamento e il controllo associato sulla granulometria. Sebbene le rocce possano essere fuse in laboratorio, richiede attrezzature altamente specializzate e temperature superiori a 800 °C. Tuttavia, la relazione tra velocità di raffreddamento e dimensione del cristallo può essere dimostrata con un composto organico a basso punto di fusione (e non tossico), timolo (olio di timo), C10H14O.
Figura 1. Il granito è un tipo comune di roccia intrusiva, felsica, ignea, che è granulare e di consistenza fanerotica.
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Procedure
1. Esperimento del succo d'uva
- Apri un contenitore di succo d'uva artificiale acquistato in negozio.
- Svuotare parte del contenuto nelle mani e spremere.
- Si noti che il liquido è di un colore viola intenso, e il solido rimanente ha perso parte della sua colorazione viola ed è ora più simile al ghiaccio trasparente.
2. Velocità di raffreddamento e dimensione del cristallo
- Cospargere uno strato di cristalli di timolo sul fondo di una capsula di Petri, coprendo solo il fondo del piatto.
- Impostare la piastra di Petri sulla piastra calda, in un'area ben ventilata.
- Impostare il calore della piastra su un'impostazione molto bassa, quanto basta per iniziare a sciogliersi. Il calore basso è importante, altrimenti i cristalli si volatilizzeranno.
- Una volta sciolto, prendere il piatto e sistemarlo su un tavolo per guardare fresco.
- Ripeti i passaggi precedenti (2.1-2.3) con una seconda capsula di Petri, ma una volta sciolta, prendi il piatto e adagia il piatto sopra un bagno di acqua ghiacciata.
- Confronta la dimensione del cristallo tra la capsula di Petri che ha subito un lento raffreddamento su un tavolo con la capsula di Petri che ha subito un rapido raffreddamento in cima al bagno di acqua ghiacciata.
Determinare la composizione delle rocce ignee può informare gli scienziati sulla passata attività vulcanica di un luogo.
Le rocce ignee sono formate dal raffreddamento e dalla cristallizzazione della roccia liquida ad alta temperatura, nota come magma. Il magma è un evento relativamente raro sulla superficie e sugli strati superiori della Terra. Tuttavia, il magma a volte può raggiungere la superficie attraverso un'eruzione vulcanica o un evento simile, formando rocce ignee estrusive. In alternativa, il magma che si raffredda e cristallizza sotto la superficie terrestre è indicato come roccia ignea intrusiva.
Questo video illustrerà come si formano le rocce ignee intrusive e dimostrerà come simulare la loro formazione con due semplici esperimenti.
Il raffreddamento e la cristallizzazione del magma possono verificarsi in una varietà di ambienti, in vari modi. La velocità di raffreddamento, rapida o lenta, può avere grandi effetti sulla roccia risultante formata. Diverse velocità di raffreddamento generano rocce con varie dimensioni, forma e disposizione dei cristalli, fattori che definiscono la trama complessiva della roccia. La superficie, o raffreddamento rapido, genera rocce caratterizzate da cristalli molto piccoli, in una trama definita afaniatica.
Al contrario, il raffreddamento che avviene nel sottosuolo mentre i corpi magmatici si solidificano all'interno della Terra avviene molto più lentamente. Il magma può esistere in uno stadio noto come fusione parziale. Questo raffreddamento e solidificazione genera rocce con cristalli relativamente grandi, visibili ad occhio nudo. La roccia di questo tipo è indicata come roccia ignea intrusiva, e le granulometrie più grossolane e più grandi generano una trama denominata fanerotica.
Sia la trama che la composizione definiscono i tipi specifici di roccia ignea. Dal punto di vista compositivo, le rocce ignee si estendono su una gamma di felsiche, intermedie, mafiche. Le rocce felsiche sono ricche di alluminio e silice, mentre le rocce mafiche contengono meno silice, ma più ferro e magnesio. Le composizioni di magma possono cadere ovunque nello spettro tra felsico e mafico.
Quantitativamente, le rocce felsiche contengono circa il 60-75% di biossido di silicio in peso e sono più ampiamente chiamate granitiche. Le rocce mafiche contengono circa il 45-60% di biossido di silicio e sono ampiamente basaltiche nella composizione. Le composizioni intermedie, a circa il 55-63% di biossido di silicio, sono indicate come andesitiche.
Utilizzando due dimostrazioni di laboratorio, possiamo illustrare i processi di formazione di rocce ignee intrusive e formazione di cristalli a diverse temperature di raffreddamento.
La prima fase della dimostrazione di fusione parziale consiste nel selezionare un sostituto della lava appropriato. I liquidi colorati come i succhi di frutta possono funzionare bene per questo. Per iniziare l'esperimento, apri un contenitore di succo d'uva congelato acquistato in negozio.
Quindi, svuotare un quarto del contenitore in mani guantate. Spremere il succo congelato, assicurandosi di fornire una pressione costante e ferma. Si noti che il liquido che drena il succo congelato è di un colore viola intenso. Al contrario, il solido rimanente ha perso parte della sua colorazione e appare più pallido di prima.
La fusione del succo d'uva dimostra il concetto di fusione parziale, come si vede nel magma. Una fusione iniziale, che sarà liquida, è tipicamente di composizione diversa rispetto alla roccia madre che subisce la fusione.
La porzione pigmentata del succo d'uva si scioglie più velocemente, il che significa che gran parte del pigmento si imbatterà nel contenitore all'inizio dell'esperimento, lasciando meno colore alle spalle. Questo simula la fusione parziale ed evidenzia le differenze nella composizione del magma. Il primo liquido formatosi durante la fusione parziale di una roccia, simulato dalla porzione tinta del succo d'uva, è arricchito in componenti felsiche. Quando questo liquido viene rimosso dal sistema, come tipicamente accade, allora la roccia rimanente, rappresentata dal ghiaccio più chiaro, sarà di una composizione più mafica.
Il timolo, un composto organico naturale, viene utilizzato per simulare la cristallizzazione della roccia. Cospargere uno strato di cristalli di timolo in una capsula di Petri, abbastanza da coprire il fondo. Impostare la capsula di Petri su una piastra calda in un ambiente molto basso in un'area ben ventilata. Il calore basso è importante per evitare che i cristalli volitino. Una volta che i cristalli si sono sciolti, togliere la capsula di Petri dal fuoco. Impostare il piatto su un tavolo a temperatura ambiente e osservare il raffreddamento. Ripeti i passaggi di riscaldamento di cui sopra con una seconda capsula di Petri e cristalli di timolo, ma una volta sciolto, prendi il piatto e metti sopra un bagno di acqua ghiacciata per raffreddare.
L'esperimento del cristallo di timolo dimostra cosa succede alle dimensioni dei grani di roccia ignea a diverse velocità di raffreddamento. Il raffreddamento rapido genera cristalli più piccoli rispetto al raffreddamento lento e questa differenza è facilmente osservabile nei cristalli di timolo ri-formati. I cristalli misti formati in condizioni di raffreddamento più lente assomigliano a quelli visti nelle rocce ignee intrusive, che si formano durante un processo più lento di raffreddamento nel sottosuolo terrestre. Al contrario, i cristalli più piccoli formati sotto rapido raffreddamento assomigliano a rocce ignee estrusive, note anche come rocce afanitiche, che si formano dopo che il magma ha violato la superficie attraverso un'eruzione.
Identificare e comprendere le proprietà e la formazione della roccia ignea intrusiva ha vaste applicazioni per i geologi e le popolazioni umane nel loro complesso.
Le rocce ignee intrusive possono essere marcatori per alcuni tipi di deposito di minerali. Ad esempio, i corpi di magma intrusivo da felsici a intermedi sono spesso associati alla formazione di minerali di rame, molibdeno, oro o argento. Al contrario, le intrusioni mafiche possono essere associate a depositi di cromo, platino e nichel. La capacità di identificare potenziali depositi consente facilmente perforazioni o attività minerarie mirate e ha implicazioni in termini di costi e ambientali per l'industria.
Se i magmi violano la superficie, si verificano eruzioni vulcaniche. Le rocce ignee intrusive presenti in un'area fungono da marcatore per i geologi sul campo per verificare eventuali prove di rocce vulcaniche e determinare l'area come potenzialmente vulcanicamente attiva o precedentemente vulcanicamente attiva. Queste informazioni possono essere utilizzate per prevedere la probabilità che le aree siano ancora vulcanicamente attive o che abbiano il potenziale per diventarlo in futuro. Ciò è importante per la pianificazione o la gestione dell'uso del territorio o per la valutazione dei potenziali rischi per gli insediamenti o le strutture esistenti.
Le rocce ignee intrusive sono anche utili indicatori per decifrare la storia della Terra. Le rocce ignee sono relativamente facili da datare. Ciò può essere ottenuto misurando l'abbondanza relativa di isotopi radiogeni da genitore a figlio o "prodotto di decadimento". Qualitativamente, le rocce che hanno rapporti più elevati di abbondanza radiogena figlia e genitore sono più vecchie, perché c'è stato più tempo per gli isotopi dei genitori di decadere in isotopi figli. Il tipo di rocce ignee presenti in un'area può anche indicare regioni passate di fusione all'interno della crosta continentale, attività della zona di subduzione e zone di rift continentale o medio-oceanico. Ciò dà ai geologi la capacità di dedurre che tipo di impostazioni tettoniche erano presenti durante il periodo della formazione rocciosa.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle rocce ignee intrusive. Ora dovresti capire le differenze tra roccia ignea intrusiva ed estrusiva, come si formano le rocce intrusive e come simulare la fusione parziale e la formazione di rocce intrusive in un laboratorio.
Grazie per l'attenzione!
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Results
1) L'esperimento del succo d'uva dimostra il concetto di fusione parziale. Dove un liquido iniziale (fusione) è tipicamente di una composizione diversa rispetto alla roccia madre che subisce la fusione.
2) L'esperimento del timolo dimostra il concetto di granulometria della roccia ignea come correlato alla velocità di raffreddamento. Il raffreddamento rapido genera cristalli più piccoli rispetto al raffreddamento lento.
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Applications and Summary
Le rocce ignee sono di notevole importanza. I geologi identificano e mappano le rocce ignee intrusive per una serie di motivi.
Le rocce ignee intrusive possono essere marcatori di alcuni tipi di depositi di minerali. Ad esempio, i corpi magmatici intrusivi di composizione da felsica a composizione intermedia possono agire come fonti di calore che guidano i sistemi di circolazione idrotermale e la concomitante precipitazione all'interno di fratture (vene) di minerali minerali tra cui Cu, Mo, Au, Ag e altri. Al contrario, le intrusioni da mafiche a ultramafiche sono associate a depositi di Cr, Pt e Ni.
Le rocce ignee intrusive possono anche essere marcatori di attività magmatica passata. Se i magmi violano la superficie, si verificano eruzioni vulcaniche. Pertanto il riconoscimento di rocce ignee intrusive porterà un geologo sul campo a valutare se sono presenti o meno rocce vulcaniche associate.
Le rocce ignee intrusive fanno parte della decifrazione della storia della Terra. Ciò è in parte dovuto al fatto che le rocce ignee intrusive sono relativamente facili da datare usando tecniche isotopiche e perché il tipo di roccia ignea può essere un indicatore di una passata impostazione tettonica a placche. Ad esempio, le rocce felsiche sono caratteristiche dello scioglimento all'interno della crosta continentale(cioè magmatismo intrapiastre). Le rocce intermedie sono caratteristiche delle impostazioni della zona di subduzione. Le rocce mafiche sono caratteristiche delle dorsali medio-oceaniche e delle zone di spaccatura continentali.
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