8_-2016-_Esempio_di_Cristallizzazione_Frazionata

Esempio di cristallizzazione di un
magma basaltico senza volatili
SIMULAZIONE
di un processo all’equilibrio
molto semplificato
Che sia chiaro: questa è solo una
semplificazione di un processo in realtà
molto più complesso di quanto
rappresentato in queste diapositive…
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 100%
Temperatura
1300°
Fuso
Si parte da una massa interamente
fusa, a composizione basaltica.
Durante il raffreddamento
cominceranno a formarsi vari tipi di
minerali.
Dal momento che questi hanno
composizioni diverse dal fuso dal
quale cristallizzano, il fuso residuo
cambierà continuamente di
composizione.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 100%
Temperatura
1300°
Fuso
In un sistema chiuso (senza scambio
di materia) la composizione del fuso
originario è sempre uguale alla
somma della composizione del fuso
residuo e dei cristalli formati.
Cominciamo la nostra simulazione
immaginando di avere un fuso a 1300
°C ad una profondità di 15 kbar
(~45-50 km).
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 100%
Temperatura
1290°
Fuso
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 100%
Temperatura
1280°
Fuso
Controllate la colonna rossa a destra
(che indica la diminuzione della
temperatura) e la colonna in alto a
sinistra (che indica la percentuale di
fuso residuo).
Fino a 1280 °C non succede nulla (ossia
siamo in condizioni di supra-liquidus).
Fuso @ 1300 °C
A 1270 °C succede qualcosa.
Cominciano a comparire i primi cristalli.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 99%
Attenzione: Cominciate a notare la variazione
Temperatura
di colore (composizione) del fuso residuo
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Fuso @ 1300 °C
1270°
Come si chiama la temperatura
alla quale, in un processo di
cristallizzazione, cominciano a
comparire i primi cristalli?
TL
Temperatura di Liquidus
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 98%
Percentuale di solido cristallizzato: 2%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Temperatura
1260° T
Notate che la percentuale di
solido cristallizzato è
complementare alla percentuale
di fuso residuo.
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 97%
Percentuale di solido cristallizzato: 3%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Temperatura
1250° T
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 95%
Percentuale di solido cristallizzato: 5%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Temperatura
1240° T
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 90%
Percentuale di solido cristallizzato: 10%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Temperatura
1230° T
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 85%
Percentuale di solido cristallizzato: 15%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1220° T
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 80%
Percentuale di solido cristallizzato: 20%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1210° T
L
Fuso @ 1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 75%
Percentuale di solido cristallizzato: 25%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1200° T
L
Notate la differenza di
colore (composizione)
del fuso a 1300 e a
1200 °C)
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 70%
Percentuale di solido cristallizzato: 30%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1190° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 65%
Percentuale di solido cristallizzato: 35%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1180° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 60%
Percentuale di solido cristallizzato: 40%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1170° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 55%
Percentuale di solido cristallizzato: 45%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1160° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 50%
Percentuale di solido cristallizzato: 50%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1150° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 45%
Percentuale di solido cristallizzato: 55%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Temperatura
1140° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 40%
Percentuale di solido cristallizzato: 60%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Temperatura
1130° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 35%
Percentuale di solido cristallizzato: 65%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
1120° T
L
-
Fuso @ 1200 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 30%
Percentuale di solido cristallizzato: 70%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
1100° T
L
-
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 25%
Percentuale di solido cristallizzato: 75%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
1090° T
L
-
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 20%
Percentuale di solido cristallizzato: 80%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
1080° T
L
-
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 18%
Percentuale di solido cristallizzato: 82%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Temperatura
1070° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 15%
Percentuale di solido cristallizzato: 85%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1060° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 12%
Percentuale di solido cristallizzato: 88%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1050° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 10%
Percentuale di solido cristallizzato: 90%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1040° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 8%
Percentuale di solido cristallizzato: 92%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1030° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 5%
Percentuale di solido cristallizzato: 95%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1020° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 3%
Percentuale di solido cristallizzato: 97%
Fuso (residuo)
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
1010° T
L
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
1000° T
Come si chiama la temperatura
alla quale, in un processo di
raffreddamento, scompare
l’ultima goccia di fuso?
L
TS
Temperatura di Solidus
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
990° T
L
TS
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
980° T
L
TS
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
970° T
L
TS
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Temperatura
960° T
L
TS
Fuso @ 1300 °C
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Percentuale di fuso residuo: 0%
Percentuale di solido cristallizzato: 100%
Cristallo 1
(es. olivina)
Cristallo 2
(es. pirosseno)
Cristallo 3
(es. plagioclasio)
Cristallo 4
(es. magnetite)
Fuso @ 1300 °C
Temperatura
950° T
L
Al di sotto della temperatura
di solidus non succede più nulla.
La temperatura diminuisce ma i
cristalli non aumentano più di
dimensione.
TS
Fuso @ 1200 °C
Fuso @ 1100 °C
Fuso @ 1010 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Questo è solo UN ESEMPIO MOLTO
SEMPLIFICATO.
- Nella simulazione si parte da un magma femico
(nell’esempio di colore nero) e si arriva ad un magma
residuo felsico (nell’esempio di colore grigio chiaro).
- Non tutte le fasi cristallizzano
contemporaneamente.
- Alcune fasi cristallizzano in un largo intervallo di
temperature, mentre altre si formano per intervalli
più limitati.
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Nei sistemi naturali è sempre presente una fase
volatile (soprattutto H2O e CO2). Queste fasi possono
essolvere quando superano una data concentrazione
nel fuso residuo oppure possono formare fasi idrate
(es. miche ed anfiboli) o fasi con CO2 (es. carbonati
primari).
- Nei sistemi naturali alcune fasi formate ad alte
temperature possono venire parzialmente disciolte a
temperature e/o a pressioni più basse.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- L’intervallo totale di temperatura di questo sistema
semplificato (TL-TS) è 270 °C.
- L’olivina è la prima fase a comparire (fase di
liquidus). Si forma da 1270 a 1150 °C.
- Il clinopirosseno è la seconda fase a comparire. Si
forma da 1220 a 1080 °C. Per un certo intervallo
cristallizza insieme all’olivina.
- Il plagioclasio è la terza fase a comparire. Si forma
da 1130 a 1000 °C.
- La magnetite si forma per ultima (da 1060 a 1000
°C).
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Qual è la fase di liquidus di questo sistema simulato?
Olivina
- Si può stabilire in modo preciso la composizione
della/e fase/e di liquidus di un sistema?
Si, con la petrologia sperimentale. Si porta a fusione
completa la roccia e la si fa raffreddare lentamente
in laboratorio. Il primo cristallo che si forma
rappresenta il minerale di liquidus di quel certo
sistema.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Quali sono le fasi di solidus di questo sistema
simulato?
Come si ragiona?
- Se provassimo a fondere la roccia, quali sarebbero i
primi cristalli a fondere?
Olivina?
Clinopirosseno?
Plagioclasio?
Magnetite?
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Quali sono le fasi di solidus di questo sistema
simulato?
Come si ragiona?
- Se provassimo a fondere la roccia, quali sarebbero i
primi cristalli a fondere?
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- La sequenza temporale di formazione (olivina,
clinopirosseno, plagioclasio, magnetite) è sempre la
stessa per tutti i fusi basaltici?
NO, ovviamente
L’ordine di cristallizzazione dipende dalla
composizione del fuso, dalla pressione e temperatura
e dal tipo e quantitativo di volatili presenti nel magma.
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Principali commenti:
- Tutti i fusi basaltici cominciano a cristallizzare a
1270 °C e terminano la cristallizzazione a 1000 °C?
NO, ovviamente
L’intervallo temporale della cristallizzazione è
estremamente variabile.
In casi estremi si può anche non avere affatto
cristallizzazione.
Che tipo di rocce si hanno in questo caso?
Rocce ossidianacee (ossidiane)
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Porfirica o Afirica?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Porfirica o Afirica?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Fenocristalli di?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Olivina e Clinopirosseno
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Fenocristalli euedrali, subedrali o anedrali?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Fenocristalli euedrali, subedrali o anedrali?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Porfirica iatale o Porfirica seriata?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Porfirica iatale o Porfirica seriata?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Isotropa o Anisotropa?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce una microstruttura di questo tipo?
Isotropa o Anisotropa?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce la pasta di fondo?
Olocristallina, Ipoialina o Ipocristallina?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Come si definisce la pasta di fondo?
Olocristallina, Ipoialina o Ipocristallina?
Olivina
Clinopirosseno
Plagioclasio
Magnetite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Cristalli (vol. %)
Condizioni magmatiche pre-eruttive
Condizioni sin-eruttive
Eruzione
Esempio di tipica
sequenza di
cristallizzazione di un
basalto dell’Islanda
(Chevrel et al., 2013, EPSL, 384, 109-120)
Temperatura (°C)
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Proporzioni modali (%)
Orneblenda
Quarzo
Biotite
Apatite
Magnetite
Plagioclasio
Spinello
Ortopirosseno
Clinopirosseno
Olivina
Liquido residuo
Temperatura degli esperimenti (°C)
Nandedkar et al., 2014. Contribution to Mineralogy and Petrology, 167:1015
Frazionamento di minerali in magmi generati lungo un arco vulcanico (subduzione)
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Proporzioni modali (%)
Orneblenda
Quarzo
Biotite
Apatite
Magnetite
Plagioclasio
Spinello
Ortopirosseno
Clinopirosseno
Olivina
Temperatura degli esperimenti (°C)
Nandedkar et al., 2014. Contribution to Mineralogy and Petrology, 167:1015
Frazionamento di minerali in magmi generati lungo un arco vulcanico (subduzione)
…Cosa notate di diverso rispetto alla sequenza
di cristallizzazione dei magmi dell’Islanda?
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Proporzioni modali (%)
Orneblenda
Quarzo
Magmi generati in
zone di subduzione
(arco vulcanico)
Biotite
Apatite
Magnetite
Plagioclasio
Spinello
Ortopirosseno
Clinopirosseno
Olivina
Condizioni magmatiche pre-eruttive
Condizioni sin-eruttive
Temperatura degli esperimenti (°C)
Magmi generati in
ambienti lontani da
subduzione
Quando compare il plagioclasio?
Cristalli (vol. %)
Nandedkar et al., 2014. Contribution to Mineralogy and Petrology, 167:1015
Eruzione
Esempio di tipica
sequenza di
cristallizzazione di un
basalto dell’Islanda
(Chevrel et al., 2013, EPSL, 384, 109-120)
E gli ossidi di Fe-Ti?
Temperatura (°C)
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Proporzioni modali (%)
1600
Orneblenda
1500
Quarzo
Biotite
Apatite
Magnetite
1400
Plagioclasio
Spinello
Per quale motivo il
plagioclasio
compare più tardi
nei magmi di
subduzione?
Ortopirosseno
Clinopirosseno
Olivina
T (°C)
1300
1200
1 atm (0,1 Condizioni
MPa)magmatiche pre-eruttive
Condizioni sin-eruttive
Temperatura degli esperimenti (°C)
Cristalli (vol. %)
Nandedkar et al., 2014. Contribution to Mineralogy and Petrology, 167:1015
1100
1000
Di
1 GPa (pressione H2O)
20
40
60
80
Eruzione
Esempio di tipica
sequenza di
cristallizzazione di un
basalto dell’Islanda
(Chevrel et al., 2013, EPSL, 384, 109-120)
An
Temperatura (°C)
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Eason e Dunn 2015 (EPSL)
A parità di tutti i parametri, maggiore è il contenuto di H2O
più bassa è la T di liquidus.
Con limitati contenuti di H2O il plagioclasio comincia a
cristallizzare a T elevate (~1210 °C).
Con contenuti di H2O più elevati il plagioclasio comincia a
cristallizzare a T più basse (~1160 °C).
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FeOtot/MgO
5
4
Proporzioni modali (%)
Orneblenda
Quarzo
3
Serie
Tholeiitica
Biotite
Apatite
2
Magnetite
Serie
Calcalcalina
Plagioclasio
Spinello
1
Ortopirosseno
Clinopirosseno
Olivina
0
Condizioni magmatiche45
pre-eruttive
55Condizioni sin-eruttive
65
SiO2 %
75
Temperatura degli esperimenti (°C)
Per quale motivo gli
ossidi di Fe-Ti (es.
magnetite) compaiono
precocemente nei
magmi di subduzione?
Cristalli (vol. %)
Nandedkar et al., 2014. Contribution to Mineralogy and Petrology, 167:1015
Eruzione
Esempio di tipica
sequenza di
cristallizzazione di un
basalto dell’Islanda
(Chevrel et al., 2013, EPSL, 384, 109-120)
Temperatura (°C)
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
A differenza del precedente esempio, in
questa simulazione il fuso si separa dai
cristalli in via di formazione.
Come si chiama questo tipo di processo?
Cristallizzazione Fuso
100%
Frazionata
Temp.
1300 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Per semplificare il più possibile il processo,
ora facciamo riferimento solo al fuso residuo
e non consideriamo i vari cristalli che via via
vanno formandosi.
Come visto in precedenza, il fuso residuo
cambia di continuo composizione (colore)
Avete capito per quale
motivo, durante una
Fuso
cristallizzazione (sia essa 100%
frazionata o all’equilibrio) il
Temp.
fuso residuo cambia di
1300 °C
continuo composizione?
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Forse è meglio ripetere un pò questo che è un
concetto fondamentale per capire la
petrogenesi delle rocce ignee.
Immaginiamo di studiare un
sistema con due solo
componenti.
In pratica è come se
avessimo un magma con due
soli elementi: Si (palline
bianche) e Mg (palline rosse).
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Immaginiamo che durante il raffreddamento di un
magma si cominci a formare un minerale composto
solo da Mg (palline rosse) e che questo minerale, per
una serie di motivi (es. maggiore densità) si separi
completamente dal fuso residuo.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Il risultato finale sarà che, a partire da un sistema
composto da due palline (rosse e bianche), in seguito
ad un processo di allontanamento selettivo
(rimozione o frazionamento delle sole palline rosse)
avremo un fuso residuo con composizione diversa da
quella di partenza.
Solido
frazionato
(cristalli)
Fuso residuo
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
In conclusione il processo di cristallizzazione
frazionata è il principale processo responsabile per
la varietà di composizioni di rocce ignee in natura.
Altri processi importanti sono il mescolamento di
magmi a chimismo differente, l’assimilazione di
rocce incassanti e il zone refining (ma quest’ultimo
influisce essenzialmente solo sul
contenuto degli elementi in traccia).
Adesso vediamo un altro
esempio un pò più vicino a
quello che accade in realtà
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Invece delle palline rosse e bianche partiamo da un
liquido di colore rosa.
Da questo liquido, in seguito a raffreddamento si
formeranno dei cristalli rossi.
Di conseguenza il fuso tenderà a diventare sempre
più bianco.
Durante il frazionamento
(allontanamento) dei minerali, il
colore (composizione) del fuso
residuo varia in modo
complementare rispetto alla
composizione del solido
cristallizzato.
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Invece delle palline rosse e bianche partiamo da un
liquido di colore rosa.
Da questo liquido, in seguito a raffreddamento si
formeranno dei cristalli rossi.
Di conseguenza il fuso tenderà a diventare sempre
più bianco.
Magma a composizione A
Magma a composizione B
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Immaginiamo che, durante un
processo di raffreddamento di
un magma, per qualche motivo
una parte del fuso si possa
separare dalla massa principale.
Fuso
100%
Temp.
1290 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Teniamo da parte il
magma estratto in un
contenitore e
continuiamo con la
cristallizzazione
1
Fuso
La massa principale di magma 100%
non varia di composizione ma
viene solo ridotta in volume.
Temp.
1290 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
100%
Temp.
1280 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
99%
Temp.
1270 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
98%
Temp.
1260 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
97%
Temp.
1250 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
95%
Temp.
1240 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
90%
Temp.
1230 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
85%
Temp.
1220 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
Fuso
80%
Temp.
1210 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
Dopo 100 °C di
raffreddamento
immaginiamo di isolare un
altro quantitativo di magma.
1
Fuso
75%
Temp.
1200 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
A questo punto avremo la massa 75%
principale di magma residuo più
due contenitori con magmi a
composizione differente
Temp.
1200 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
70%
Temp.
1190 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
65%
Temp.
1180 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
60%
Temp.
1170 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
55%
Temp.
1160 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
50%
Temp.
1150 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
45%
Temp.
1140 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
40%
Temp.
1130 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
35%
Temp.
1120 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
Fuso
30%
Temp.
1110 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Per la terza volta estraiamo un altro
quantitativo di magma.
1
2
3
Ora abbiamo tre tipi diversi di
magmi più
più ilil magma
magma residuo
residuo
Fuso
25%
Temp.
1100 °C
(simile in composizione al magma nel contenitore n. 3)
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
20%
Temp.
1090 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
18%
Temp.
1080 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
15%
Temp.
1070 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
12%
Temp.
1060 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
10%
Temp.
1050 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
8%
Temp.
1040 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
5%
Temp.
1030 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1
2
3
Fuso
3%
Temp.
1020 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Per l’ultima volta estraiamo un altro
quantitativo di magma.
1
2
3
4
Fuso
1%
Temp.
1010 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
In conclusione, arrivati alla
temperatura di solidus del sistema
originario (1000 °C), cosa avremo, nel
caso di una cristallizzazione
frazionata?
1
2
3
4
Fuso
0%
X
Temp.
1000 °C
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
1. Avremo un magma della stessa composizione del
magma originale.
2. Avremo però anche altri tre tipi di magmi, a
composizione chimica diversa.
Questi quattro magmi potranno, a loro volta,
cristallizzare all’equilibrio (e dare quindi quattro
tipi diversi di rocce ignee):
1
2
3
4
Fuso
0%
Es. Basalto
Es. Andesite
Es. Dacite
X
Temp.
1000 °C
Es. Riolite
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
1. Avremo un magma della stessa composizione del
magma originale.
2. Avremo però anche altri tre tipi di magmi, a
composizione chimica diversa.
Questi quattro magmi potranno però anche
cristallizzare in modo frazionato, dando origine
ad un numero molto elevato di rocce ignee.
1
2
3
4
Fuso
0%
Es. Basalto
Es. Andesite
Es. Dacite
X
Temp.
1000 °C
Es. Riolite
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Simulazione di un processo di cristallizzazione
IN CONCLUSIONE:
Il processo di cristallizzazione frazionata può
portare alla formazione di rocce ignee a diversa
composizione chimica e mineralogica partendo da
un unico magma genitore.
1
2
3
4
Fuso
0%
X
Temp.
1000 °C
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Formazione
didi
una
Simulazione
un processo
di cristallizzazione
13
serie magmatica (in
11
questo caso IN
serieCONCLUSIONE:
9
subalcalina).
Il processo di cristallizzazione
frazionata può
7
portare alla formazione
di rocce ignee a diversa
5
composizione chimica3 e mineralogica partendo da
un unico magma genitore.
1
15
Fonolite
Tefrifonolite
Fonotefrite
Foidite
Trachite
Trachiandesite
Trachidacite
Trachiandesite
Tefrite
Basanite Trachi-basaltica
basalto
Riolite
Dacite
Andesite
Basalto Basaltica
Andesite
Picrobasalto
37
1
2
3
41
45
4
49
53
Fuso
Serie tholeiitica o calcalcalina? 0%
NON si può stabilire
tramite TAS!
57
61
65
X
69
73
77
Temp.
1000 °C
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Un ultimo punto da chiarire:
Come è possibile che in
natura avvenga una
separazione di un fuso da
una massa principale in
fase di raffreddamento?
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Simulazione di un processo di cristallizzazione
Un ultimo punto da chiarire:
Proviamo a simulare il
processo di
cristallizzazione
frazionata con esempi
naturali.
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Venuta a giorno del magma genitore
(evento possibile e non necessario).
Questa roccia può essere la roccia di tipo 1 vista
in precedenza
Inizia la cristallizzazione. Il
magma genitore comincia a
cambiare composizione. Una
parte del magma si isola in
camere magmatiche secondarie.
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
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Venuta a giorno del magma genitore
(evento possibile e non necessario).
Questa roccia può essere la roccia di tipo 1 vista
in precedenza
Inizia la cristallizzazione. Il
magma genitore comincia a
cambiare composizione. Una
parte del magma si isola in
camere magmatiche secondarie.
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Una parte del magma in
queste camere secondarie
può venire eruttata e dare
origine ad un nuovo tipo di
roccia.
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Si possono formare altre
camere magmatiche dove i
magmi derivati possono
continuare ad evolvere ed,
eventualmente, dare origine
a nuovi tipi di rocce.
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Camera
magmatica
secondaria
Nel frattempo si possono
formare altre camere
secondarie, dando origine a
rocce ancora più
differenziate
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
Può verifirarsi un nuovo arrivo
in superficie di magma
genitore (nel frattempo la
camera principale potrebbe
essere stata riempita con
l’arrivo di nuovo magma
genitore).
Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2015/2016
Non di rado si verificano
anche processi di
contaminazione crostale
(digestione di rocce
incassanti; processi tipo
AFC = Assimilation plus
Fractional Crystallization)
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Camera
magmatica
secondaria
Magma
Genitore
Camera
magmatica
principale
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Ipotetica vista
in pianta di un
complesso
vulcanico
costituito da
vari tipi di rocce
ignee legate
essenzialmente
le une alle altre
tramite processi
di
cristallizzazione
frazionata e
derivanti da un
unico magma
genitore.
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Fonolite
13
Tefrifonolite
11
9
Fonotefrite
Foidite
Trachiandesite
Tefrite
Basanite Trachi- basaltica
basalto
7
5
3
Basalto
Trachite
Trachidacite
Trachiandesite
Riolite
Dacite
Andesite
Basaltica
Andesite
Picrobasalto
1
37
41
45
49
53
57
61
65
69
?
73
77
% SiO 2
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I campioni prelevati da questo ipotetico vulcano
potrebbero essere tutti allineati lungo una direzione.
Potrebbero costituire quella che si chiama SERIE
Fonolite
MAGMATICA.
13
In questo
caso le varie rocce
sarebbero tutte legate
Tefrifonolite
le une alle
altre tramite un
processoTrachite
di
11
cristallizzazione frazionata.
Il magma genitore per
Fonotutte le9 rocce
sarebbe
uno solo.
tefrite
Foidite
Trachidacite
TrachiTrachiandesite
Tefrite
Basanite Trachi- basaltica
basalto
7
5
3
Basalto
Riolite
andesite
Dacite
Andesite
Basaltica
Andesite
Picrobasalto
1
37
41
45
49
53
57
61
65
69
?
73
77
% SiO 2
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Mappa digitale del rilievo dei Colli Albani
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Carta geologica dei Colli Albani
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