Magma

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Flusso di lava hawaiiana di tipo Pahoehoe

Il magma è un sistema complesso di roccia fusa, comprensivo anche di acqua, altri fluidi e sostanze gassose in esso disciolte, e fenocristalli, nel caso in cui le condizioni di pressione e temperatura di liquidus non siano state superate.

Dal punto di vista geochimico il magma è distinto dalla lava, poiché possiede ancora la componente gassosa disciolta. Il magma è presente solo in situazioni ipogee, dal momento che quando il magma fuoriesce dalla crosta, attraverso apparati vulcanici, diviene lava, perdendo alcuni suoi componenti volatili, quali acqua e gas disciolti, non essendoci più le condizioni di pressione sufficienti a mantenerli in soluzione nella massa fusa.

Natura del magma[modifica | modifica sorgente]

Il magma può essere definito approssimativamente come un fuso viscoso ad alta temperatura ed alta pressione, che, una volta raffreddato, forma le rocce magmatiche. In natura il magma è in realtà un sistema complesso, eterogeneo, costituito da una fase liquida silicatica, una fase gassosa disciolta e una fase solida composta da uno o più componenti, che in alcune condizioni può essere assente (magmi surriscaldati). La fase solida è costituita da cristalli separatisi dal fuso ed eventualmente da xenoliti strappati e inglobati durante la risalita. La fase gassosa è costituita prevalentemente da acqua allo stato di vapore (che origina l'acqua juvenile durante il degassamento), CO2 e, subordinatamente, da composti di idrogeno, zolfo ossigeno, e da elementi rari; la fase gassosa può essere più o meno abbondante e la sua modalità di liberazione governa i meccanismi eruttivi.

Solitamente un magma è prevalentemente di natura silicatica con composizione chimica variabile per magma, (40-75% di Silicio) e influisce sulle sue proprietà fisiche.

In natura esistono anche magmi di composizione non silicatica, ma sono molto rari e danno origine a prodotti che vengono identificati per la fase minerale prevalente; i prodotti più noti sono le carbonatiti, rocce composte da oltre il 50% di carbonati primari.

Movimenti del magma[modifica | modifica sorgente]

Un magma può risalire all'interno della crosta terrestre fino alla superficie e dare origine ad una colata (attività effusiva) o ad un flusso piroclastico (attività esplosiva). Il fluido magmatico è spesso concentrato all'interno di una camera magmatica, nella crosta terrestre, ma la sua formazione può avvenire anche a profondità maggiori, nel mantello. Il magma generalmente si trova a una temperatura compresa tra 650 e 1200 °C. La composizione chimica del magma è estremamente variabile e caratterizza la sorgente dello stesso, pertanto è possibile utilizzarla come parametro per classificare le rocce prodotte, sia in termini composizionali che genetici.
Il processo vulcanico può essere sintetizzato in quattro tappe:

  1. genesi del magma per fusione parziale della sorgente (magma primario) o anatessi crostale;
  2. risalita del fuso per contrasto di densità con le rocce circostanti;
  3. stagnazione in una camera magmatica dove avviene il processo di cristallizzazione frazionata e/o di mixing (magmi non primari);
  4. dalla camera magmatica il fuso risale verso la superficie attraverso un condotto che può avere forma cilindrica o lineare.

La formazione[modifica | modifica sorgente]

La composizione delle rocce terrestri al momento della formazione del nostro pianeta non era così varia come ora: le rocce ultrafemiche che caratterizzavano il mantello primordiale hanno subito numerose e reiterate estrazioni di magmi ad opera di processi di fusione parziale. Alcuni elementi a bassa forza di campo come il silicio e altri non metalli sono stati estratti in maniera preferenziale da queste rocce per poi dar luogo a magmi, e quindi a nuove rocce, differenziati. Le rocce derivate da questi primi magmi sono state poi riprese in processi di fusione successivi tra cui i processi anattettici, legati alla subduzione di lembi di crosta terrestre. Questi processi sono ancor oggi in atto solo su pianeti tettonicamente attivi come la Terra.

  • Magmi primari formatisi per fusione parziale del mantello terrestre. Questo processo avviene a determinate condizioni di pressione, temperatura e contenuto d'acqua disciolto in soluzione: in generale l'aumento di temperatura e della pressione di vapore favoriscono la fusione mentre l'aumento della pressione tende a diminuirla. La roccia madre che entra in fusione parziale è una roccia ultrafemica, una peridotite caratterizzata da una composizione impoverita in silice. Questo magma è caratterizzato da contenuto di silice attorno al 50% in peso (è un valore basso per una roccia), povero di acqua e gas, è fluido e pertanto veloce nell'attraversare la crosta terrestre e da esso deriva la lava basica. L'elevata velocità di risalita di questi magmi impedisce il loro raffreddamento quindi la temperatura al momento dell'eruzione può aggirarsi anche attorno ai 1200 °C.
  • Magmi secondari o acidi o di anatessi: si formano in condizioni particolari di subduzione della crosta terrestre: porzioni di crosta vengono spinte a profondità e quindi in condizioni di pressione e temperatura simili a quelle che favoriscono la fusione del mantello. La roccia che viene fusa però è di composizione acida, arricchita cioè in silice. Magmi acidi si formano anche per differenziazione magmatica in seguito a cristallizzazione frazionata: per la lenta risalita e il raffreddamento progressivo di un magma basico che perde via via i minerali più femici, come l'olivina. Sono magmi ricchi di silicio e spesso di acqua. Di conseguenza, risultano particolarmente viscosi e tendono a solidificare all'interno della crosta terrestre formando un plutone. Raggiungono raramente la superficie terrestre e quando ciò accade, avviene in modo violento ed esplosivo.

Tipi di magma[modifica | modifica sorgente]

I magmi (e le rocce che ne derivano) possono avere composizioni diverse, per cui la cristallizzazione può portare nei vari casi a rocce che differiscono tra loro per i tipi di minerali in esse aggregati. I magmi sono attualmente classificati in base alla percentuale di silice presente nel fuso: su tale base, i magmi si suddividono in: acidi, neutri, basici, ultrabasici.

  • Magmi acidi. Sono ricchissimi in silicio e alluminio, danno origine a rocce con densità intorno a 2,7 g/cm3, formate da pochi nesosilicati e da molti inosilicati e tettosilicati come la silice, che solidifica in cristalli di quarzo. In totale, la silice arriva a oltre il 65% in peso. Le rocce derivate da questi magmi sono dette acide o sialiche (dalle iniziali degli elementi più abbondanti, il silicio e l'alluminio).
  • Magmi neutri. Hanno una composizione intermedia (dal 52 al 65% in peso di silice) e danno origine a rocce neutre, con densità superiore a quella delle rocce acide e con un rapporto equilibrato fra alluminosilicati e silicati.
  • Magmi basici. Hanno una quantità bassa di silice (inferiore al 52%) ma sono relativamente più ricchi in ferro, magnesio e calcio; essi danno origine a rocce in genere scure (dal verde al grigio scuro e al nero), con densità prossima a 3 g/cm3; sono formati da molti inosilicati e privi di quarzo: le rocce derivate da questi magmi sono dette basiche o, genericamente, femiche (dalle iniziali di ferro e magnesio).
  • Magmi ultrabasici (poverissimi in silice). In questi magmi la parte in silice è inferiore al 45% in peso. Le rocce cui danno origine sono dette ultrabasiche o ultrafemiche; sono tutte di colore molto scuro, hanno densità elevata (3 g/cm3 o superiore) e sono formate essenzialmente da silicati di ferro e magnesio.

Struttura dei liquidi silicatici[modifica | modifica sorgente]

I liquidi silicatici hanno una struttura che prefigura quella dei minerali (silicatici) a cui daranno origine per raffreddamento: essi sono costituiti essenzialmente da due unità elementari, che in base alla loro funzione vengono definiti costruttori di struttura e modificatori di struttura. I primi sono rappresentati da tetraedri di silicio e ossigeno (SiO44-), collegati tra loro in polimeri di varia struttura; gli elementi modificatori sono i cationi metallici che tendono a legarsi agli anioni ossigeno interrompendo la catena silicatica. Tali elementi sono ad esempio: potassio (K+), sodio (Na+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+).

L'alluminio (Al2O3) può svolgere sia la funzione di costruttore, sostituendo il silicio nei tetraedri, che di modificatore, assumendo una coordinazione ottaedrica. Le condizioni che regolano la posizione di Al3+ sono la composizione chimica del magma e la pressione: a parità di moli% di SiO2 in condizioni di bassa pressione Al3+ assume preferibilmente coordinazione tetraedrica se le moli% di Al2O3 sono minori della somma delle moli% dei metalli mono e bivalenti (Na2O, K2O, CaO, MgO, ecc.). La coordinazione ottaedrica di Al3+ è favorita dall'aumento della pressione.

Proprietà fisiche dei magmi[modifica | modifica sorgente]

Densità[modifica | modifica sorgente]

La densità di un magma dipende essenzialmente dalla sua composizione: varia da circa 2,2 g/cm3 per i magmi acidi a circa 2,8 g/cm3 per i magmi basaltici; aumenta con la pressione e diminuisce con la temperatura e con il contenuto in H2O. Il contrasto di densità tra magma e ambiente circostante regola la risalita del fuso. All'interno del sistema magmatico il contrasto di densità tra liquido residuale e fasi minerali segregate regola il meccanismo con cui avviene il processo di cristallizzazione frazionata.

Viscosità[modifica | modifica sorgente]

La viscosità (η) di un magma è la resistenza che questo oppone al flusso e viene misurata in poise o in Pascal secondi. Il suo inverso è la fluidità. La viscosità è fortemente influenzata dalla struttura interna del liquido, quindi i fusi silicatici, fortemente polimerizzati, hanno un'elevata viscosità. L'eventuale presenza di elementi volatili o di acqua ha invece effetto opposto, riducendo la viscosità, che è inoltre influenzata da pressione e temperatura.
La viscosità per temperature superiori a quelle del liquidus, cioè in assenza di fasi cristallizzate, si esprime come:

\eta  = A_\eta ^{(E^*+PV^*)\over RT}

dove:

  • \eta = viscosità
  • A_\eta = costante
  • E^* = energia di attivazione
  • P = pressione
  • V^* = volume di attivazione
  • R = costante dei gas
  • T = temperatura

Solubilità dell'acqua e di altri costituenti volatili[modifica | modifica sorgente]

Come già detto il magma può contenere delle componenti volatili, la cui liberazione, nel processo di vescicolazione, influenza fortemente il tipo di attività vulcanica. I gas magmatici hanno una composizione chimica molto complessa e variabile. La componente principale è sicuramente l' H2O, a cui spesso si associa CO2 in quantità anche rilevanti. In minore quantità ritroviamo HCl, HF, H2S, S, SO2, SO3. I gas magmatici possono quindi essere considerati come associazioni di H, C, S, e O, che danno origine a composti che cambiano in funzione di pressione e temperatura

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