Overview
Fonte: Laboratório de Alan Lester - Universidade de Colorado Boulder
Rochas ígneas são produtos do resfriamento e cristalização de rocha líquida de alta temperatura, chamada magma. As temperaturas magmáticas normalmente variam de aproximadamente 800 °C a 1.200 °C. Rocha derretida é, talvez felizmente para os humanos, uma anomalia no planeta Terra. Se um furo aleatório e imaginário fosse feito na Terra, provavelmente não alcançaria uma região de material verdadeiramente e totalmente derretido até o núcleo externo, a quase 2.900 km abaixo da superfície (o raio da Terra é de 6.370 km). Mesmo lá, este material derretido consistiria predominantemente em ferro líquido, não rocha silicata verdadeira, e seria incapaz de chegar à superfície da Terra.
Erupções vulcânicas e rochas ígneas ocorrem, porém, e são evidências de que existem de fato regiões isoladas de derretimento e geração de magma dentro da Terra.
Principles
Existem três mecanismos primários para o derretimento das rochas dentro da Terra:
1) Adição de calor
O derretimento pode ocorrer quando rochas no manto ou crosta da Terra experimentam um aumento na temperatura ambiente. Isso é resultado da alta temperatura do magma entrando em contato com rochas que têm uma temperatura de fusão mais baixa.
2) Adição de voláteis
O derretimento ocorre no manto da Terra quando componentes voláteis (geralmente H2O, mas outros componentes, como o CO2, são possíveis) difusos em uma zona de rochas que estão próximas, mas não exatamente em sua temperatura de fusão. Isso é chamado de derretimento do fluxo e é análogo a um soldador usando um fluxo para baixar a temperatura de derretimento para os metais com os que estão trabalhando. Este é o principal mecanismo para derreter acima de uma laje em uma zona de subdução, onde voláteis que escapam da litosfera oceânica subdutora entram no manto sobrelado e provocam o derretimento do fluxo. Acima das zonas de subdução, muitas vezes vemos uma cadeia de vulcões, por exemplo, as montanhas Cascata e Andes.
3) Descompressão
O derretimento ocorre no manto da Terra quando o manto plástico e móvel asthenosférico sobe e sofre descompressão. Este manto crescente experimenta uma perda de calor relativamente mínima (como as rochas são maus condutores de calor), e como o derretimento é dependente da pressão, a perda de pressão pode fazer com que o manto asthenosférico suba.
Resfriamento e Cristalização do Magma
O resfriamento e cristalização magmatic podem ocorrer em diversos ambientes. No entanto, distinguemos entre as duas circunstâncias-chave do resfriamento da superfície (rápida) e o resfriamento interior da Terra (lento). Estes geram rochas com diferentes tamanhos de cristal, forma e arranjo - a combinação de fatores que os geólogos chamam de textura. O resfriamento superficial (rápido) gera rochas que são coletivamente chamadas de extrusivas. Rochas ígneas extrusivas são caracterizadas por cristais muito pequenos (invisíveis a olho nu), uma espécie de textura referida como aphanitic.
Em contraste, o resfriamento que ocorre como resultado da solidificação de corpos de magma no interior da Terra (ou seja, resfriamento subsuperfis, e isso leva a rochas com cristais relativamente grandes, visíveis a olho nu, e são coletivamente chamadas de rochas ígneas intrusivas. Os tamanhos de grãos mais grosseiros e maiores geram uma textura chamada phaneritic(Figura 1).
Composição de Magma
Em última análise, como descrito acima, rochas ígneas são classificadas com base em duas características - textura (que geralmente é uma consequência do ambiente de resfriamento, ou seja, superfície ou subsuperfície) e sua composição. Composicionalmente, rochas ígneas abrangem uma gama de felsic a intermediário para mafic. As rochas felsicas são ricas em alumínio e sílica (silício e oxigênio), enquanto mafic refere-se a rochas que contêm menos sílica e mais ferro e magnésio. As composições de magmas podem variar todo o espectro entre felsic e mafic. Aqueles que não são altamente felsic nem altamente mafic são referidos como intermediários. Em um sentido quantitativo, as rochas felsicas contêm aproximadamente 60-75% (em peso) SiO2, e são amplamente chamadas de granítica. As rochas mafic contêm aproximadamente 45-60% (em peso) SiO2, e são amplamente basálticas na composição. As composições intermediárias estão na faixa sio2 de 55-63% e são "andesitárias" na composição.
Dois experimentos são comumente realizados que se relacionam com os princípios da formação rochosa ígnea. O primeiro experimento demonstra um princípio fundamental de derretimento na Terra, e o segundo diz respeito ao processo de cristalização.
1) Um aspecto fundamental da geração de magma (se ocorre através de adição de calor, adição volátil ou descompressão) é que a composição do derretimento inicial é tipicamente diferente da composição do manto ou rocha crosta que sofre derretimento. Isso é chamado de derretimento parcial e significa simplesmente que quando o derretimento ocorre na Terra, o líquido inicial (fração de derretimento) será mais rico em sílica (mais felsic) em comparação com a rocha pai que está sendo derretida.
Uma demonstração de derretimento parcial é o espremedor do suco de uva congelado. Quando espremido, o líquido que escorre é geralmente mais roxo ou cor de uva do que o material congelado restante. Em outras palavras, há uma diferença na composição entre o líquido (fração de derretimento) e o material pai congelado restante (sólido).
2) Um aspecto fundamental da cristalização de rochas ígneas, como discutido acima, diz respeito à taxa de resfriamento e ao seu controle associado sobre o tamanho do grão. Embora as rochas possam ser derretidas em laboratório, requer equipamentos altamente especializados e temperaturas superiores a 800 °C. No entanto, a relação entre taxa de resfriamento e tamanho de cristal pode ser demonstrada com um baixo ponto de fusão (e não tóxico) composto orgânico, tomilho (óleo de tomilho), C10H14O.
Figura 1. Granito é um tipo comum de rocha intrusiva, felsica, ígnea, que é granular e fantasiosa em textura.
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Procedure
1. Experimento de suco de uva
- Abra um recipiente de suco de uva artificial comprado na loja.
- Esvazie parte do conteúdo em mãos e aperte.
- Note que o líquido é uma cor roxa profunda, e o sólido restante perdeu um pouco de sua coloração roxa e agora é mais como gelo claro.
2. Taxa de resfriamento e tamanho do cristal
- Polvilhe uma camada de cristais de timol no fundo de uma placa de Petri, apenas cobrindo o fundo do prato.
- Coloque a placa de Petri em placa quente, em área bem ventilada.
- Coloque o calor da placa em um ajuste muito baixo, apenas o suficiente para começar a derreter. O calor baixo é importante, caso contrário os cristais vão volatilizar.
- Uma vez derretido, pegue o prato e coloque em uma mesa para assistir frio.
- Repita os passos acima (2.1-2.3) com uma segunda placa de Petri, mas uma vez derretido, pegue a placa e coloque em cima de um banho de água gelada.
- Compare o tamanho do cristal entre a placa de Petri que sofreu um resfriamento lento em uma mesa com a placa de Petri que sofreu um rápido resfriamento em cima do banho de água gelada.
Determinar a composição de rochas ígneas pode informar os cientistas sobre a atividade vulcânica passada de um local.
Rochas ígneas são formadas pelo resfriamento e cristalização de rochas líquidas de alta temperatura, conhecidas como magma. Magma é uma ocorrência relativamente rara na superfície e camadas superiores da Terra. No entanto, o magma às vezes pode alcançar a superfície através de erupção vulcânica ou um evento semelhante, formando rochas ígneas extrusivas. Alternativamente, o magma que esfria e cristaliza sob a superfície da Terra é referido como rocha ígnea intrusiva.
Este vídeo ilustrará como rochas ígneas intrusivas são formadas, e demonstrará como simular sua formação com dois experimentos simples.
O resfriamento e cristalização do magma podem ocorrer em uma variedade de ambientes, de várias maneiras. A velocidade de resfriamento, rápida ou lenta, pode ter grandes efeitos sobre a rocha resultante formada. Diferentes taxas de resfriamento geram rochas com vários tamanhos, forma e arranjo de cristal, fatores que definem a textura geral da rocha. A superfície, ou resfriamento rápido, gera rochas que são caracterizadas por cristais muito pequenos, em uma textura referida como aphanitic.
Em contraste, o resfriamento que acontece na subsuperfície à medida que os corpos de magma se solidificam no interior da Terra acontece muito mais lentamente. Magma pode existir em um estágio conhecido como derretimento parcial. Este resfriamento e solidificação gera rochas com cristais relativamente grandes, visíveis a olho nu. A rocha deste tipo é referida como rocha ígnea intrusiva, e os tamanhos de grãos mais grosseiros e maiores geram uma textura chamada de fantasmagótica.
Tanto a textura quanto a composição definem os tipos específicos de rocha ígnea. Composição, rochas ígneas abrangem uma gama de felsic, para intermediário, para mafic. As rochas felsicas são ricas em alumínio e sílica, enquanto as rochas mafic contêm menos sílica, mas mais ferro e magnésio. Composições de magma podem cair em qualquer lugar no espectro entre felsic e mafic.
Quantitativamente, as rochas felsicas contêm aproximadamente 60-75% de dióxido de silício em peso, e são mais amplamente chamadas de granítica. As rochas mafic contêm cerca de 45-60% de dióxido de silício, e são amplamente basálticas na composição. As composições intermediárias, com cerca de 55-63% de dióxido de silício, são referidas como andesitárias.
Usando duas demonstrações laboratoriais, podemos ilustrar os processos de formação rochosa intrusiva e formação de cristais em diferentes temperaturas de resfriamento.
A primeira etapa na demonstração de derretimento parcial é selecionar um substituto de lava apropriado. Líquidos coloridos como sucos de frutas podem funcionar bem para isso. Para começar o experimento, abra um recipiente de suco de uva comprado na loja congelada.
Em seguida, esvazie um quarto do recipiente em mãos enluvadas. Esprema o suco congelado, certificando-se de fornecer pressão constante e firme. Note que o líquido que drena o suco congelado é uma cor roxa profunda. Em contraste, o sólido restante perdeu parte de sua coloração e parece mais pálido do que antes.
O derretimento do suco de uva demonstra o conceito de derretimento parcial, como visto no magma. Um derretimento inicial, que será líquido, é tipicamente de composição diferente da rocha pai que sofre derretimento.
A porção pigmentada do suco de uva derrete mais rápido, o que significa que grande parte do pigmento irá correr para o recipiente no início do experimento, deixando menos cor para trás. Isso simula o derretimento parcial e destaca diferenças na composição do magma. O primeiro líquido formado durante o derretimento parcial de uma rocha, simulado pela porção tingida do suco de uva, é enriquecido em componentes felsicos. Quando este líquido for removido do sistema, como normalmente acontece, então a rocha restante, representada pelo gelo mais claro, será de uma composição mais mafic.
O timol, um composto orgânico de ocorrência natural, é usado para simular cristalização de rochas. Polvilhe uma camada de cristais de timol em uma placa de Petri, o suficiente para cobrir o fundo. Coloque a placa de Petri em uma placa quente em um ajuste muito baixo em uma área bem ventilada. O calor baixo é importante para evitar que os cristais volatizem. Uma vez que os cristais tenham derretido, remova a placa de Petri do calor. Coloque o prato sobre uma mesa em temperatura ambiente e observe o resfriamento. Repita os passos de aquecimento acima com uma segunda placa de Petri e cristais de timol, mas uma vez derretido, pegue a placa e coloque em cima de um banho de água gelada para esfriar.
O experimento de cristal de timol demonstra o que acontece com o tamanho do grão de rocha ígnea em diferentes taxas de resfriamento. O resfriamento rápido gera cristais menores do que o resfriamento lento, e essa diferença é facilmente observada nos cristais de timol re-formados. Os cristais mistos formados sob condições de resfriamento mais lentas se assemelham aos vistos em rochas ígneas intrusivas, que são formadas durante um processo mais lento de resfriamento na subsuperfície da Terra. Em contraste, os cristais menores formados sob resfriamento rápido se assemelham a rochas ígneas extrusivas, também conhecidas como rochas apárticas, que se formam após magma romper a superfície através de uma erupção.
Identificar e entender as propriedades e a formação de rochas ígneas intrusivas tem vastas aplicações para geólogos e populações humanas como um todo.
Rochas ígneas intrusivas podem ser marcadores para certos tipos de depósito de minério. Por exemplo, felsic para intermediar corpos de magma intrusivos são frequentemente associados com a formação de minérios de cobre, molbdenum, ouro ou prata. Em contraste, as invasões mafic podem estar associadas a depósitos de cromo, platina e níquel. A capacidade de identificar depósitos potenciais permite facilmente perfuração ou mineração direcionadas, e tem implicações de custo e meio ambiente para a indústria.
Se os magmas romperem a superfície, ocorrem erupções vulcânicas. Rochas ígneas intrusivas presentes em uma área atuam como um marcador para geólogos de campo verificarem qualquer evidência de rochas vulcânicas, e determinação da área como potencialmente vulcânica ativa, ou anteriormente vulcânica ativa. Essas informações podem ser usadas para prever a probabilidade de áreas ainda estarem ativas vulcânicas, ou ter o potencial de se tornar assim no futuro. Isso é importante para o planejamento ou gerenciamento do uso da terra, ou para avaliar potenciais riscos aos assentamentos ou estruturas existentes.
Rochas ígneas intrusivas também são marcadores úteis para decifrar a história da Terra. Rochas ígneas são relativamente fáceis de datar. Isso pode ser alcançado medindo a abundância relativa de isótopos radiogênicos de pai para filha, ou isótopos de "produto de decomposição". Qualitativamente, rochas que têm maiores proporções de filha radiogênica para abundâncias de pais são mais velhas, porque houve mais tempo para os isótopos dos pais se deteriorarem em isótopos filhas. O tipo de rochas ígneas presentes em uma área também pode indicar regiões passadas de derretimento dentro da crosta continental, atividade da zona de subdução e zonas continentais ou oceânicas. Isso dá aos geólogos a capacidade de inferir que tipo de configurações tectônicas estavam presentes durante o tempo da formação rochosa.
Você acabou de assistir a introdução de JoVE a rochas ígneas intrusivas. Agora você deve entender as diferenças entre rochas ígneas intrusivas e extrusivas, como rochas intrusivas são formadas, e como simular o derretimento parcial e a formação rochosa intrusiva em laboratório.
Obrigado por assistir!
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Results
1) O experimento do suco de uva demonstra o conceito de fusão parcial. Onde um líquido inicial (derretimento) é tipicamente de uma composição diferente da rocha pai que sofre derretimento.
2) O experimento de timol demonstra o conceito de tamanho de grão de rocha ígnea como relacionado à taxa de resfriamento. O resfriamento rápido gera cristais menores do que o resfriamento lento.
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Applications and Summary
Rochas ígneas são de importância substancial. Geólogos identificam e mapeiam rochas ígneas intrusivas por uma variedade de razões.
Rochas ígneas intrusivas podem ser marcadores de certos tipos de depósitos de minério. Por exemplo, os corpos de magma intrusivos de composição intermediária podem atuar como fontes de calor que impulsionam sistemas de circulação hidrotérmica, e precipitação concomitante dentro de fraturas (veias) de minerais de minério, incluindo, Mo, Au, Ag, entre outros. Em contraste, as invasões mafic a ultramafic estão associadas aos depósitos cr, pt e ni.
Rochas ígneas intrusivas também podem ser marcadores de atividade magmática passada. Se os magmas romperem a superfície, então ocorrem erupções vulcânicas. Portanto, o reconhecimento de rochas ígneas intrusivas levará um geólogo de campo a avaliar se quaisquer rochas vulcânicas associadas estão presentes ou não.
Rochas ígneas intrusivas são parte da decifração da história da Terra. Isso ocorre em parte porque rochas ígneas intrusivas são relativamente fáceis de datar usando técnicas isotópicas, e porque o tipo de rocha ígnea pode ser um marcador de um cenário tectônico de placa passada. Por exemplo, rochas felsicas são características do derretimento dentro da crosta continental (ou seja, magmatismo intraplato). Rochas intermediárias são características de configurações de zona de subdução. Rochas mafic são características de cumes do meio do oceano e zonas de fenda continental.
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