Corso di Geologia

Argomento: Processi e Prodotti Geologici

INDICE

7.1 - MAGMATISMO

Nell'ambiente a crosta oceanica i magmi sono prodotti nel mantello, 45-200 Km. al di sotto della superficie della Terra. A causa di specifici processi che vi concentrano il calore, in un determinato settore si verifica l'aumento della temperatura fino a sciogliere la roccia del mantello superiore e a produrre il magma basaltico. Il magma fluisce verso l'alto attraverso i condotti e si raccoglie nei serbatoi pochi chilometri al di sotto della superficie. Un aumento di pressione dentro i serbatoi spinge il magma verso l'alto attraverso i condotti o le fratture per eruttarlo come lava in superficie. Un insieme di piccoli e moderati, ma improvvisi terremoti, si produce quando il magma si sposta dentro il sistema dei condotti che partono alla superficie della Terra. Dagli studi dei vulcani nella Hawaii, tali terremoti sembrano originarsi a profondità tra i 45 e i 60 Km. al di sotto della sommità del vulcano Kilauea; quindi il magma sotto le isole hawaiane è probabilmente generato a circa questa profondità. Le associazioni plutoniche sono quelle in cui il magma è primariamente prodotto dalla parziale fusione della crosta terrestre. Rocce di tale associazione cristallizzano sotto la superficie della Terra e sono prevalentemente di composizione granitica; si trovano solo nelle aree continentali dove sono frequentemente associate a zone orogenetiche. Nell'ambiente di litosfera continentale il magma sembra essere generato nella crosta a 25-50 Km al di sotto della superficie della Terra e a varie profondità all'interno del mantello superiore. La fusione di vari tipi di roccia nella crosta oltre alla possibilità di fusione simultanea di rocce basiche nel mantello sottostante porta alla produzione di magmi con composizione chimica largamente differente. I tipi principali di magma ( granitico, basaltico, andesitico) vengono prodotti in grandi quantità nella crosta continentale. Se questi vengono eruttati in superficie come lave, formano basalto, andesite e riolite; se raffreddano lentamente all'interno della Terra corrispondentemente formano gabbro, diorite e granito. Mentre i magmi basaltici si originano all'interno del mantello superiore e si espandono come grandi masse laviche, i magmi andesitici molto probabilmente si sviluppano nella parte più bassa della crosta e nella parte più alta del mantello, ed eruttano formando grandi vulcani composti. Le lave riolitiche derivano probabilmente da serbatoi di magma granitico che si differenzia a livelli più alti della crosta e produce eruzioni in superficie di grandi coltri di cenere. Le masse di magma granitico viscoso formano grandi batoliti profondi all'interno della crosta continentale. Le tensioni fratturano le rocce al di sopra dei batoliti permettendo la risalita del magma granitico nel serbatoio superficiale che forma un centro per le eruzioni di ceneri vulcaniche. Origine dei magmi Sulla Terra si produrrebbero molti graniti e poche rioliti, molti basalti e pochi gabbri: il magma felsico (granitico), ricco di silice si arresta a livelli più o meno profondi senza mai poter raggiungere la superficie; al contrario il magma mafico raggiunge quasi sempre la superficie. La spiegazione di questo diverso comportamento dei magmi silicei e di quelli mafici (poveri di silice) sta nella loro diversa temperatura di solidificazione. Le temperature di solidificazione del magma granitico aumentano quando diminuisce la pressione, il contrario avviene invece per quelle del solidus basaltico. Il magma granitico perciò, salendo verso la superficie, solidifica totalmente, a seconda del contenuto in acqua, tra i 10 km e i 2 km di profondità; quello basaltico invece, che parte già con una temperatura più elevata, non può solidificare salendo verso la superficie per cui mantenendo la sua fluidità può effondere all'esterno. Dati sperimentali hanno mostrato che i minerali più ricchi di silice fondono a circa 700 °C. Perciò quando nella crosta, a causa del gradiente geotermico, si raggiungono i 700 °C, e questo avviene a 30-40 km di profondità, le rocce fondono parzialmente originando un magma granitico. Questo fenomeno di fusione generale delle rocce è chiamato anatessi ed i graniti che ne derivano sono detti graniti anatettici . La controversia sull'origine dei graniti è tuttora in atto; praticamente vi sono due correnti di pensiero: l'una sostiene che i graniti siano rocce magmatiche, l'altra sostiene che i graniti siano formati in situ per alterazioni di rocce preesistenti in seguito ad un processo di super metamorfismo (processo di granitizzazione). Questi graniti sono considerati come risultanti dalla fusione parziale di rocce preesistenti nella crosta continentale. Per concludere, il magma granitico nasce nella crosta terrestre o deriva da una rigenerazione in situ di rocce già esistenti e può essere visto come una forma evoluta del metamorfismo di altre rocce. Il magma basaltico invece è il risultato della fusione di peridotiti ed eclogiti, rocce granulari stabili alle alte pressioni e tipiche del mantello e della transizione crosta-mantello salendo direttamente alla superficie terrestre. Il diverso grado di fusione di tali rocce genera magmi basaltici di composizione diversa. COSA SONO LE ROCCE IGNEE ? Le rocce ignee (dal latino ignis = fuoco) dette anche magmatiche o eruttive nel loro complesso si formano per raffreddamento delle masse fuse (magma o lava) prima descritte. Se tale massa trabocca sulla superficie terrestre (LAVA) dà luogo alle rocce vulcaniche o effusive se invece stagna all'interno della crosta (MAGMA), consolidandosi per lento raffreddamento, produce le rocce plutoniche o intrusive. COME SI CLASSIFICANO LE ROCCE IGNEE ? Vengono usati due parametri fondamentali: la tessitura e il chimismo. Il termine tessitura include differenti aspetti come " Dimensioni dei cristalli che costituiscono le rocce ignee; " Presenza o no di vescicole (tessitura vescicolare) che sono i segni di bollicine di gas nella lava quando va raffreddandosi; " Presenza di una massa di cristalli o frammenti di rocce ignee cementati (tessitura piroclastica). Sulla base del tipo di tessitura le rocce ignee si possono suddividere in intrusive o effusive Intrusive (Plutoniche): fatte di grandi cristalli che indicano il lento raffreddamento legato al fatto che essi solidificano all'interno della crosta (il magma conserva a lungo i componenti volatili, vapor acqueo e gas vari che favoriscono la cristallizzazione) Effusive (Vulcaniche): fatte di piccolissimi cristalli o con tessitura vetrosa (ossidiana) che indica il raffreddamento rapidissimo perché avviene in superficie (fuoriuscita di componenti volatili, degassificazione). Le rocce ignee sono composte sostanzialmente da pochi gruppi di minerali; quali quarzo, feldspati (ortoclasio e plagioclasi), miche (muscovite e biotite), anfiboli, pirosseni e olivina. Certi minerali, come il quarzo, sono chiari e trasparenti, altri, come i pirosseni e l'olivina, sono molto scuri, per cui, a seconda dei minerali che contengono, le rocce ignee possono risultare chiare o scure. Una prima grande suddivisione delle rocce ignee, che rifletta la loro composizione chimico-mineralogica, e quindi quella del magma originario, è perciò basata sul colore: le rocce chiare sono dette felsiche, quelle scure mafiche e quelle più scure e verdi (ultramafiche). Quelle chiare sono ricche di quarzo e feldspati (da qui il prefisso fels), mentre quelle scure sono ricche di anfiboli, pirosseni e olivina, tutti minerali a base di magnesio e ferro ( da qui il prefisso maf). Si dicono ultramafiche quelle costituite esclusivamente da pirosseni e olivina. Anche la silice (SiO2) può essere un parametro classificativo in quanto varia sistematicamente dal 70 al 40%; le rocce felsiche, molto più ricche in silice, vengono perciò dette anche siliciche (o acide). Gli stessi plagioclasi hanno una composizione variabile con sistematica continuità; nelle rocce felsiche i plagioclasi sono ricchi in sodio mentre in quelle mafiche sono ricchi in calcio. Il granito, ricco di feldspato potassico (ortoclasio) e quarzo, è la tipica roccia plutonica felsica, mentre il gabbro, privo di quarzo e composto da plagioclasi calciti, anfiboli e pirosseni, è la tipica roccia plutonica mafica. Pirosseni e olivina sono i più importanti minerali delle rocce ultramafiche; tra queste ultime la peridotite è dominata da olivina e pirosseno, la dunite della sola olivina.

7.1.1 - Come Si Forma il Magma?

Il magma si forma da rocce fuse. Dal momento che le rocce sono fatte da differenti minerali che hanno punti di fusione a diverse temperature le rocce non fondono uniformemente. Così avremo minerali che formano un fuso ed altri che rimangono solidi. Il fenomeno è chiamato Fusione Parziale. Le temperature di fusione sono condizionate dalla pressione e dalla presenza di acqua. Le alte pressioni aumentano la temperatura di fusione mentre la presenza di H2O diminuisce il punto di fusione DIFFERENZIAZIONE MAGMATICA E' il fenomeno per cui ad una fusione parziale corrisponde un raffreddamento parziale. Partendo da un magma totalmente fuso i minerali che raffreddano alle più alte temperature, raffreddano per primi e così facendo privano il fuso di certi ioni cambiando, perciò, il contenuto chimico del rimanente materiale fuso. Quindi, man mano che il residuo fuso raffredda si formano sempre più cristalli alle loro temperature con il conseguente cambiamento del chimismo del fuso residuo. Questo processo continua fino alla solidificazione di tutto il magma. Gli esperimenti di laboratorio mostrano che ci sono due diversi processi nella Differenziazione Magmatica. La cristallizzazione avviene per A) Reazioni continue. B) Reazioni discontinue Nel 1° caso i cristalli reagiscono con il fuso residuale per dare nuovi composti in modo che in ogni fase della cristallizzazione tutti i cristalli presenti abbiano la stessa composizione. Ad es. nei Plagioclasi (miscele isomorfe) i primi cristalli sono ricchi in Anortite. La loro formazione impoverisce il fuso originario che diventa acido dando luogo all'Albite (povera in calcio e ricca in sodio). Nel caso delle Reazioni discontinue in cui esiste un ordine di cristallizzazione (Olivina, Pirosseni, Anfiboli) che dà origine alla differenziazione. Le reazioni avvengono tra minerali di due composizioni definite e ad una temperatura definita, invece che lungo un intervallo continuo di composizione e temperatura come avviene nel caso delle Reazioni continue. Nella figura collegata le serie di reazione sono disposte con temperatura decrescente verso il basso. A sinistra la serie relativa ai minerali femici, che, passando da una serie all'altra non danno miscele isomorfe ("serie discontinua"). A destra la "serie continua", relativa ai plagioclasi (miscele isomorfe di anortite e albite). All'estrema destra sono rappresentati gli intervalli entro i quali cristallizzano alcuni dei principali gruppi di rocce ignee, di ciascuno dei quali i termini effusivi sono indicati tra parentesi. Si noti che l'alterabilità dei minerali è direttamente proporzionale alla temperatura alla quale cristallizzano. La trattazione di questi argomenti è qui solo delineata. Non esiste comunque una conoscenza completa sul funzionamento della differenziazione magmatica.

7.1.2 - Giaciture Intrusive

Le rocce dell'associazione plutonica si formano in profondità; per questo quando noi consideriamo la loro origine, dobbiamo avere dettagli non soltanto sulla loro composizione e tessitura, ma anche sulla forma delle masse nelle quali si presentano. Informazioni sulla forma e la giacitura dei corpi granitici vengono dalle osservazioni di campagna. Le masse granitiche che si formano nelle zone di subduzione di crosta oceanica al di sotto della crosta continentale in genere possono avere: a) contatti concordanti con le rocce che le contengono b) contatti discordanti c) contatti non chiaramente decifrabili Alla prima categoria appartengono filoni e sills, alla seconda i laccoliti, alla terza i batoliti. Per queste masse di graniti nasce il problema di sapere se essi sono stati messi in posto come magmi, o se si sono formati nello stesso posto (in situ). In tutti i casi in cui ci sono contatti discordanti, il materiale granitico deve essere stato messo in posto in rocce più antiche (iniettato). Questa è la prova evidente che le rocce originarie che le contengono sono state deformate. Le masse concordanti invece possono essere state formate da iniezioni granitiche. Dove ci sono poche evidenze in favore di una iniezione di un granito ed esiste una concordanza di contatti, si può parlare di graniti formatisi in posto. Una serie di dati provenienti da varie indagini suggerisce che masse granitiche (estese oltre i 1000 Kmq.) sono state trovate soltanto all'interno della crosta continentale e sono usualmente associate alle zone orogeniche. Le masse fuse prodotte, a causa della loro densità più bassa, possono salire verso l'alto attraverso le rocce soprastanti, per un processo di un'intrusione diapirica e fermarsi vicino alla superficie.

7.1.3 - Giaciture effusive

Le manifestazioni superficiali dell'attività ignea prendono il nome di attività vulcanica. Durante questa attività i materiali solidi, liquidi e gassosi che formano il magma fuoriescono e costruiscono edifici rocciosi di forma varia che si chiamano VULCANI. I vulcani hanno generalmente una forma conica si trovano sia sui continenti che nei fondali marini e sono alimentati da un serbatoio magmatico che si trova a qualche km. di profondità al di sotto di essi.   Camera magmatica Noi sappiamo che i basalti e le andesiti sono generati all'interno del mantello terrestre. Comunque sotto l'apertura più centrale di alcuni vulcani sembra che ci sia una camera dove il magma viene accumulato tra un'eruzione e l'altra e che, finita l'eruzione, viene riempita nuovamente da sotto. Le erosioni profonde delle strutture vulcaniche hanno indicato la loro presenza all'interno del cono o al più circa 5 Km sotto la sommità.    Sappiamo che i magmi originari possono provenire dal mantello tra 75 e 250 km. di profondità (magma basaltico) oppure da minore profondità dove si è avuta la rifusione della crosta (magma granitico). La risalita del magma avviene dove la crosta è rotta o meno resistente lungo fenditure che si chiamano faglie. Il magma sale perché schiacciato (spremuto) dalle rocce soprastanti. Parte di esso dopo aver sostato nella camera magmatica arriva alla superficie e può eruttare sotto forma di lava o essere lanciato violentemente verso l'alto formando ceneri e lapilli (piroclasti).

7.1.4 - I prodotti dell'attività vulcanica

I prodotti dell'attività vulcanica sono gas, lave e materiali piroclastici che rappresentano le fasi gassosa, fluida e solida.

7.1.4 - Piroclastiti

La particelle solide (piroclasti) quando sono eruttate da un vulcano passano attraverso l'aria e ritornano a terra, per disporsi in strati molto somiglianti a quelli che i sedimenti formano sul fondo del mare. Le rocce piroclastiche, a differenza delle altre rocce sedimentarie non sono quindi formate per erosione, trasporto e sedimentazione, e , mentre le rocce ignee sono allo stato cristallino, le rocce piroclastiche possono essere studiate con i metodi usati per le rocce clastiche ed infatti sono state classificate in relazione alle loro dimensioni: Diametro delle particelle           Prodotti vulcanici                    Rocce finali < 4 mm                                   cenere                               tufi vulcanici 4 - 32 mm                                 lapilli                                  tufi lapillici > 32 mm                             bombe e blocchi                   agglomerati vulcanici

7.1.4 - Rioliti e Pomice (fase fluida)

I fluidi basaltici raffreddando costituiscono la gran lunga delle rocce eruttive. Tra le rocce vulcaniche a composizione granitica ci sono le Rioliti. I fluidi viscosi di composizione riolitica vengono emessi in forma di colonne o cupole che raggiungono la superficie e fluiscono come una pasta dentifricia che esca dal suo tubo. Ciò avviene quando il contenuto di acqua nel magma è basso. Se il contenuto in acqua è abbastanza elevato, tutta la massa fusa viene convertita in una massa spumeggiante poiché l'acqua si è trasformata in vapore formando bolle gassose. L'analogia tra questo processo e una bottiglia di birra agitata vigorosamente e poi aperta è evidente. La roccia formatasi in questo modo è la pomice. Di solito ciò che sembra avvenire è che la massa spumeggiante si forma nel condotto fino a che si raggiunge lo stadio in cui la pressione nel vulcano diventa elevata e la massa viene eiettata esplosivamente, raffreddando rapidamente e diventando pomice. Questo tipo di attività è conosciuta come una tra le più violente, e la pomice eruttata può coprire aree molto vaste quando essa ricade sulla terra. Il rapporto tra le varie fasi dipende dalla viscosità della massa fusa e dalle condizioni del luogo di eruzione.

7.1.4 - Viscosità

E' particolarmente importante nello studio delle rocce vulcaniche considerare la viscosità di una massa fusa. La viscosità di una massa fusa è in rapporto al suo contenuto in silice, più essa è ricca in silice, più è viscosa. Per es.: un liquido basaltico, con un contenuto in silice del 45%, avrà una viscosità minore rispetto a un liquido granitico con un contenuto in silice del 70%. Naturalmente vi sono fattori che modificano queste semplici relazioni; per esempio, tutte le masse silicatiche diventano più viscose se raffreddano, meno viscose se ricche di gas vulcanici. Questo, comunque, non altera molto il principale rapporto viscosità-composizione.   Tra i gas prevale il vapor acqueo (i pennacchi di fumo dei vulcani); le lave formano colate a superficie liscia (lave a corde) o a cuscino; i prodotti solidi a volte possono scivolare sui fianchi del vulcano formando le colate piroclastiche (nubi ardenti della Pelée) o espandersi con il vapore acqueo formando le ondate piroclastiche. L'attività vulcanica si distingue in base alla sua durata in persistente (vedi Etna, Stromboli) o parossistica.

7.1.4 - Nubi ardenti

Lo stesso meccanismo che porta alla formazione della pomice si ha quando la massa spumeggiate che si espande viene violentemente lanciata nell'aria come una nuvola composta da gas caldi, frammenti minuti di roccia ancora incandescente costituite in piccole schegge, o particelle di massa fusa che rapidamente si vanno raffreddando e pezzi di pomice. Questa nuvola è molto calda; i gas e le particelle di roccia hanno una temperatura di circa 800°C. Nessuna eruzione che produca esattamente questo tipo di nuvola è stata mai vista dagli osservatori scientifici, ma probabilmente se ne ebbe una in Alaska nel 1912. Nell'isola della Martinica, nel 1902, fu osservato un fenomeno del genere. Questa così detta "Nube Ardente" consisteva di enormi blocchi che precedentemente avevano bloccato il condotto vulcanico, con abbondanti gas e frammenti di pomice (dito della Peleé). I prodotti dell'eruzione di una nube ardente sono un miscuglio di particelle grandi e piccole, mentre una nuvola vulcanica di particelle fini dà luogo ad una roccia compatta, chiamata ignimbrite (dal latino "nuvola di fuoco"). Le ignimbriti sono dure e compatte. Questo è il risultato della "saldatura" dei frammenti caldi, esercitata dalla pressione dei materiali soprastanti.

7.1.5 - Forme di eruzione

Le principali eruzioni sono centrali e lineari; le prime hanno una sorgente puntiforme di magma che sale attraverso un condotto o camino vulcanico venendo in superficie; le seconde si formano perché le lave escono da fessure lunghe e strette della crosta terrestre e si espandono in superficie. Le eruzioni centrali formano i classici edifici (vulcani) conici. Le eruzioni lineari formano i tavolati (plateau) basaltici sui continenti e le dorsali medio oceaniche in fondo al mare. In relazione ai caratteri di fluidità (ricchezza di minerali basici), o viscosità (ricchezza in Silice) si hanno tipi diversi di edifici vulcanici.     vulcani a scudo con pendii poco ripidi (lave fluide); esempi sono quelli hawaiani tra cui il Mauna Loa (4 km) che ha la base in fondo all'oceano ed è complessivamente alto 10 km. Con lava più viscosa (silicica) si originano le cupole di ristagno e le guglie (vedi il vulcano della Pelée, Martinica). Se si ha una eruzione di tipo esplosivo si formano i coni di cenere. Se si ha un'alternanza di eruzione di lave e di piroclasti si forma un vulcano-strato o vulcani composti (Vesuvio, Etna Stromboli). Nei Vulcani la zona centrale apicale può subire modificazioni ad esempio per collasso o per esplosione della parte sommitale. Si formano così le caldere che sono grandi depressioni spesso occupate da un lago o dal mare.

7.1.6 - Manifestazioni gassose

I gas vulcanici (CO2, NO, H2S, etc.) vengono studiati direttamente all'interno dei crateri anche per capire come da essi si siano originati l'atmosfera e gli oceani nei tempi primordiali. Come prima detto il principale componente dei gas è l'H2O. Vapor acqueo si è liberato ad esempio nella esplosione del Paricutin (Messico) che emise 18 mila tonnellate d'acqua in un solo giorno procurando un'immane distruzione. Le ultime fasi dell'attività vulcanica consistono nell'emissione di vapori (fumarole solfatare e sorgenti termali). Famose le solfatare di Pozzuoli.

7.1.7 - Rischio vulcanico

Un esempio di rischio vulcanico si può ricavare dalla vicenda del Vesuvio in cui si verificò un'esplosione che distrusse Ercolano e Pompei nel 79 d.C. In questa occasione si formò una vasta caldera ancora oggi riconoscibile. L'eruzione fu descritta da Plinio il Giovane nelle sue lettere a Tacito con tanta accuratezza che da allora queste eruzioni vengono chiamate di tipo Pliniano. L'eruzione dovette essere inattesa. Il vulcano era ricoperto da vigneti ed alberi ed ai suoi piedi erano state costruite Ercolano e Pompei. Malgrado ci fosse stato un violento terremoto 16 anni prima ed attività sismica nessuno capì che questi erano segnali premonitori. La stessa tragedia potrebbe avvenire oggi sul Vesuvio alle cui pendici abitano 1 milione di persone.