Overview
Fonte: Laboratorio di Alan Lester - Università del Colorado Boulder
Le rocce ignee sono i prodotti del raffreddamento e della cristallizzazione del magma. Le rocce vulcaniche sono una particolare varietà di roccia ignea, che si forma come conseguenza del magma che rompe la superficie, quindi si raffredda e si cristallizza nell'ambiente subaereo.
Il magma è una roccia liquida che varia tipicamente in temperatura da circa 800 °C a 1.200 °C (Figura 1). Il magma stesso viene prodotto all'interno della Terra attraverso tre meccanismi primari di fusione, vale a dire l'aggiunta di calore, l'aggiunta di sostanze volatili e la decompressione. Ogni modalità di generazione della fusione tende a produrre specifici tipi di magma e, quindi, stili e strutture eruttive distinti.
Figura 1. Scoppio di lava fresca su Kilauea, Hawaii. Lava è il termine per il magma che si trova sulla superficie terrestre.
Principles
L'aggiunta di calore, spesso legata ai punti caldi o allo stagno di fusioni ad alta temperatura nella crosta, genererà magmi felsici (ricchi di silice) in ambienti continentali e magmi mafici (poveri di silice) in ambienti oceanici. L'addizione volatile è il meccanismo più comune per la generazione di fusione nelle zone di subduzione e produce magmi intermedi (abbondanza intermedia di silice), che tipicamente portano ad archi insulari o catene vulcaniche lineari (esempi sono le Isole Aleutine, le Cascade Mountains(Figura 2)e le Ande). La fusione della decompressione genera magmi mafici e si verifica nelle zone di spaccatura. Sebbene il rifting possa verificarsi e si verifichi in ambienti continentali(ad esempio la Rift Valley dell'Africa orientale), questo è il meccanismo di fusione primario per le dorsali medio-oceaniche che circondano il globo e si estendono attraverso i principali bacini oceanici (Atlantico, Pacifico, Indiano), essendo queste, di gran lunga, le zone dominanti della generazione di magma sul nostro pianeta.
Figura 2. Pennacchio di vapore di 3.000 piedi dal Monte St. Helens il 19 maggio 1982.
Pennacchi di vapore, gas e cenere si sono spesso verificati a Mount St. Helens nei primi anni 1980. Nelle giornate limpide, potevano essere visti da Portland, Oregon, 50 miglia a sud. Il pennacchio fotografato qui si ergeva a quasi 3.000 piedi sopra il bordo del vulcano. La vista è da Harry's Ridge, 5 miglia a nord della montagna.
Il tipo di magma formato in queste diverse impostazioni è legato alla profondità di fusione, alla composizione del mantello in fase di fusione e al grado di fusione.
In generale, gli ambienti oceanici e le zone di rift continentale generano fusioni basaltiche (mafiche) a causa della fusione del mantello astenosferico.
Tipicamente, i magmi felsici si formano a seguito di un'alta percentuale di fusione della crosta continentale o della litosfera continentale; i magmi mafici si formano durante la fusione della litosfera oceanica o del mantello astenosferico.
Viscosità ed esplosività del magma
Viscosità e contenuto volatile sono i controlli primari sull'esplosività magmatica. I magmi felsici altamente viscosi ad alto contenuto volatile sono suscettibili di produrre le eruzioni più esplosive. Al contrario, i magmi mafici altamente fluidi (bassa viscosità) e a basso contenuto volatile(ad esempio il basalto) produrranno generalmente le eruzioni più quiescenti.
Prodotti vulcanici
Quando il magma fuoriesce da un edificio vulcanico, ci sono una varietà di possibili prodotti, tra cui lava e piroclastici.
Le eruzioni quiescenti consentono al magma di riversarsi dal lato del vulcano o verso l'esterno dalle fessure. Questi sono chiamati flussi di lava. I flussi di lava raramente viaggiano a velocità superiori a pochi chilometri all'ora. In quanto tali, possono causare danni strutturali, ma raramente causano la perdita di vite umane.
Eruzioni più esplosive si tradurranno in miscele di magma, roccia e gas da espellere dal vulcano. Collettivamente, questo materiale espulso è definito "piroclastico". I piroclasti possono essere disponibili in una gamma di dimensioni dalla cenere (materiale a grana molto fine, <2 mm, e spesso di granulometrie submicroscopiche) ai lapilli (2-64 mm), alla tephra e alle bombe (>64 mm).
In alcuni casi, un'eruzione piroclastica altamente fluidizzata, contenente frammenti caldi, goccioline liquide e gas densi, si mobiliterà e si muoverà come una massa rapida dal lato di un vulcano. Questi eventi sono chiamati flussi piroclastici (Figura 3). Possono essere dell'ordine di 1.000 °C e viaggiare a velocità nell'intervallo di 100-600 km/h. Questi sono, senza dubbio, uno dei prodotti vulcanici più pericolosi.
Vengono presentati due esperimenti che si riferiscono ai principi della formazione rocciosa vulcanica. Il primo esperimento dimostra un principio chiave della stratificazione vulcanica: la successiva deposizione di lava e il principio di sovrapposizione. Il secondo esperimento è una variante del bicarbonato di sodio e dell'aceto frequentemente usati nell'esplosione di una bottiglia. Sebbene molto semplice da eseguire, mostra diversi aspetti importanti delle eruzioni vulcaniche.
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Procedure
1. Vulcano CO2
- Riempi un contenitore di plastica con un collo sottile (una bottiglia di soda da 16 once, per esempio) circa mezzo pieno con acqua tiepida.
- Seppellisci la bottiglia sotto modellando argilla o pasta, lasciando esposto solo il collo (apertura) della bottiglia, simulando la struttura di un vulcano.
- Aggiungere qualche goccia di detersivo per piatti (al fine di rendere il liquido schiumoso e suscettibile di produrre bolle).
- Usando un pezzo di carta piegato come imbuto, aggiungere 4 cucchiaini (circa 15-20 ml) di bicarbonato di sodio.
- Aggiungere gradualmente aceto rosso al contenitore di plastica. Se si utilizza una bottiglia di soda da 16 once, aggiungere 8-10 once. di aceto. Aggiungere l'aceto al contenitore fino a quando non inizia a effervesce.
- Se lo si desidera, tappare il contenitore per una "violenta eruzione" o lasciarlo stappato per un'eruzione più quiescente.
2. Stratificazione della lava
- Paraffina calda su una piastra calda in modo che diventi un fluido viscoso.
- Prendi una sezione sottile di cartone e piegati per formare curve e abbeveratoi di varie forme. Versare la paraffina liquida sulla superficie di cartone inclinata. Mentre la paraffina scorre sulla superficie irregolare, formerà uno strato di spessore variabile, come si vedrebbe in un vero flusso di lava.
- Dopo che la paraffina si è raffreddata e solidificata, ripetere il processo due o tre volte, al fine di simulare flussi di lava successivi.
La roccia vulcanica è un tipo specifico di roccia ignea che si forma quando il magma rompe la superficie e si solidifica nell'ambiente subaereo. Il suo studio fornisce approfondimenti sull'attività vulcanica passata e forse futura.
Il magma è una roccia liquida, che viene prodotta all'interno della Terra e raggiunge temperature da 800 a 1.200 °C. Esistono tre meccanismi principali di produzione di magma: aggiunta di calore, aggiunta di sostanze volatili o decompressione. Ognuno di questi diversi tipi di fusione produce specifici tipi di magma e quindi genera vulcani con diversi stili eruttivi e struttura. Questo video illustrerà le differenze tra i tipi di deposizione di lava su piccola scala utilizzando la cera di paraffina e diversi tipi di eruzione utilizzando una dimostrazione basata sulla CO2.
I magmi altamente viscosi ad alto contenuto volatile tendono a produrre le eruzioni più esplosive, rispetto ai magmi a bassa viscosità e basso contenuto volatile, che generalmente producono le eruzioni più quiescenti.
Nelle eruzioni quiescenti, la lava scorre dal lato del vulcano o verso l'esterno dalle fessure. I flussi di lava sono in genere lenti e come tali possono causare danni alla proprietà, ma raramente perdite di vite umane. Al contrario, reazioni più esplosive provocano l'espulsione di magma, roccia e gas, noti collettivamente come "materiale piroclastico", dal vulcano.
Il tipo di mantello che viene fuso e il grado di fusione possono entrambi influenzare la composizione del magma. Il magma risultante formato influenzerà quindi il vulcano risultante prodotto e il tipo di eruzione osservato.
Generalmente, il magma viscoso è più felsico nella composizione e nelle forme a seguito dello scioglimento della crosta continentale o della litosfera continentale. Al contrario, il magma meno viscoso è tipicamente mafico e si forma durante lo scioglimento della litosfera oceanica o lo scioglimento del mantello astenoferico. Per ulteriori informazioni sulla roccia felsica e mafica, guarda l'altro video di questa raccolta su Igneous Rock.
I vulcani sono tipicamente generati da successive deposizioni di lava nel tempo. La lava altamente viscosa crea edifici alti e ripidi, noti come stratovulcano. Al contrario, la lava che scorre liberamente viaggia ulteriormente prima di solidificarsi, creando strutture corte e a basso profilo note come vulcani a scudo.
Ora che abbiamo familiarità con i concetti alla base della produzione di magma, della deposizione e dell'eruzione vulcanica, diamo un'occhiata a come questi possono essere simulati in laboratorio.
La prima procedura dimostra eruzioni quiescenti ed esplosive. Per iniziare, riempire un contenitore di plastica con un collo sottile a circa mezzo pieno con acqua tiepida. Per simulare la struttura di un vulcano, seppellire la bottiglia sotto l'argilla o l'impasto modellando, lasciando esposta solo l'apertura del collo della bottiglia. Quindi, aggiungere circa 4 cucchiaini di bicarbonato di sodio.
Aggiungere l'aceto alla bottiglia fino a quando non inizia a effervesce. Includere la tintura può aiutare con la visibilità. Per un'eruzione quiescente lasciare la bottiglia aperta. Se si desidera la simulazione di un'eruzione violenta, tappare la bottiglia.
Nell'eruzione quiescente, parte del materiale scorreva verso l'esterno come un flusso di lava. La natura schiumosa del flusso ricorda la lava che è carica di sostanze volatili.
La maggior parte delle eruzioni vulcaniche sono legate alla perdita volatile. Quelli che sono particolarmente esplosivi avranno notevoli emanazioni volatili. Nel contenitore tappato, l'eruzione iniziale coinvolge materiale di tipo piroclastico che viene espulso nell'aria sopra l'edificio vulcanico. Questo indica anche cosa può accadere nei vulcani naturalmente bloccati.
La prossima dimostrazione riguarda la stratificazione della lava. Per dimostrarlo, riscaldare la paraffina su una piastra calda fino a quando non diventa un fluido viscoso. Versare la paraffina liquida su una superficie di cartone sottile inclinata con curve di varie forme. Questo gradiente vario simula il flusso di lava sulla superficie irregolare di vulcani reali. Mentre la paraffina scorre sulla superficie irregolare, formerà uno strato di spessore variabile, che simula ciò che si vedrebbe sulla superficie di un vero vulcano. Lasciare raffreddare il primo strato di paraffina, quindi versare un secondo strato sul primo, partendo dallo stesso punto. Ripetere questo processo più volte per simulare flussi di lava successivi.
Si noti come gli strati si assottigliano con la distanza dalla fonte di magma. Osserva anche che i successivi strati caldi o eruzioni possono parzialmente sciogliere gli strati sottostanti.
La stratificazione dimostra il principio di sovrapposizione. Strati più vecchi si trovano nella parte inferiore, con depositi di eruzioni più recenti stratificate sopra.
Inoltre, la superficie piegata della carta simula la superficie irregolare vista sulla maggior parte dei vulcani. Diversi spessori di magma si raccoglieranno sulle parti più ripide o meno profonde della superficie del vulcano, cambiando il paesaggio del vulcano con ogni eruzione successiva.
Comprendere la composizione della roccia vulcanica, la formazione e le proprietà che portano a diversi fenomeni di eruzione ha vaste applicazioni per i geologi e le popolazioni umane nel loro complesso.
Riconoscere i tipi di roccia vulcanica sul campo e collegarli a specifici stili eruttivi può informare i geologi del tipo di minacce poste alle comunità vicine. Queste informazioni possono aiutare con l'implementazione di piani di emergenza eruzione, o con la costruzione di sicurezza mirata o l'urbanistica.
I tipi di roccia vulcanica possono anche essere studiati per valutare la gravità o l'esplosività delle eruzioni passate. Queste informazioni possono essere utili quando si pianifica l'uso del suolo. Poiché la deposizione vulcanica può anche influenzare positivamente il suolo e l'agricoltura, tali aree possono essere economicamente fruttuose se il rischio di gravi eruzioni è considerato basso.
La stratificazione vulcanica può essere una finestra sulla storia geologica di una regione. I livelli possono contenere informazioni sul clima, l'ambiente e la vita passati e sono facili da datare, fornendo utili marcatori temporali nelle indagini geologiche. I vulcani possono anche creare paesaggi panoramici, tra cui l'iconico Arthur's Seat, che domina la città di Edimburgo in Scozia. Questa è la più grande parte rimasta di un vulcano spento che risale al periodo Carbonifero, ed è designato un sito di speciale interesse scientifico.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle rocce vulcaniche ignee. Ora dovresti capire i diversi tipi di magma e la loro deposizione, i principi delle eruzioni quiescenti ed esplosive e come simularli in laboratorio o a casa. Grazie per l'attenzione! Grazie per l'attenzione!
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Results
1. Vulcano CO2
Durante l'esperimento CO2, parte del materiale fluirà verso l'esterno come un flusso di lava. La natura schiumosa del flusso ricorda la lava che è carica di sostanze volatili. La maggior parte delle eruzioni vulcaniche sono legate alla perdita volatile. Quelli che sono particolarmente esplosivi avranno notevoli emanazioni volatili. Se il contenitore è tappato, l'eruzione iniziale coinvolgerà materiale di tipo piroclastico che viene espulso nell'aria sopra l'edificio vulcanico.
2. Stratificazione vulcanica
Con l'esperimento di stratificazione vulcanica completato, si noti che gli strati si assottigliano con la distanza dalla fonte di magma. Questo è un fenomeno che sarebbe comunemente visto nei vulcani. Si può anche vedere che gli strati successivi possono parzialmente fondere lo strato sottostante. Il principio di sovrapposizione può anche essere osservato nella dimostrazione, dove gli strati più vecchi si trovano sul fondo, gli strati più giovani in cima.
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Applications and Summary
Il vulcanismo e le rocce associate sono di grande interesse per i geologi. Non solo le eruzioni vulcaniche rappresentano una minaccia per le comunità vicine, ma è importante riconoscere che possono anche portare a paesaggi panoramici e influenzare positivamente il suolo e la produttività agricola.
Riconoscere le rocce vulcaniche sul campo, collegarle a specifici stili eruttivi e accertare le regioni di attività passata fanno parte delle valutazioni geologiche fondamentali per le regioni in cui le persone vivono e / o lavorano. Le rocce vulcaniche possono essere indicatori dell'attività eruttiva passata. I tipi di rocce vulcaniche presenti possono anche essere utilizzati per valutare la gravità e l'esplosività delle eruzioni passate. Comprendere i potenziali tipi di eruzioni(ad esempio flussi di lava (Figura 1), ceneri, flussi piroclastici (Figura 3)) che potrebbero verificarsi in una regione vulcanica sono una parte cruciale dello sviluppo di strategie di mitigazione.
Figura 3. Flussi piroclastici spazzano lungo i fianchi del vulcano Mayon, Filippine, 1984.
La stratificazione vulcanica può anche essere una finestra su una storia "pagina per pagina" di una regione. Gli strati vulcanici possono contenere informazioni sul clima passato, sull'ambiente e persino sulla vita. In particolare, gli strati vulcanici sono relativamente facili da datare (a differenza degli strati sedimentari) utilizzando tecniche di datazione isotopica. Pertanto, gli strati vulcanici sono utili marcatori temporali nelle indagini geologiche.
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