Magma
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1
Fondamentidi
Geologia
Sergio RocchiDipartimento di Scienze della Terra
Via S. Maria, 53Mail: [email protected]
Lezioni: http://www.dst.unipi.it/dst/rocchi/SR
2
http://www.dst.unipi.it/pietretoscane/
le rocce
Roccia sedimentariaa rock resulting from:• consolidation of loose sediment that has
accumulated in layers (<200°C)• precipitation from solution• remains or secretions of plants and animals
3
AGI Glossary of Geology
Roccia metamorficaany rock derived from pre-existing
rocks by solid state mineralogical and/or structural changes in response to
marked changes in temperature (200-800°C), pressure, shearing
stress, generally at depth in the crust
Roccia igneaa rock that solidified from molten or partly molten material (1200-700°C), i.e. from a magma
4
le rocce• rocce ignee
• Si formano per solidificazione di materiale fuso ad alta temperatura (magma)• Magma include
• materiale fluido che, una volta solidificato, forma la roccia• i componenti volatili sono disciolti nel liquido; durante l'eruzione possono
sfuggire formando una fase gassosa separata
• rocce sedimentarie• Si formano sulla superficie della terra solida
• All'aria• Sott'acqua• Sotto il ghiaccio
• Il materiale usato può essere qualsiasi roccia della superficie terrestre o materiale disciolto nelle acque
• rocce metamorfiche• Si formano per modificazione tessiturale e mineralogica di rocce pre-esistenti
(ignee, sedimentarie, metamorfiche) in risposta a cambiamenti di temperatura e/o pressione (importanti i volatili)
• Tutto il processo avviene allo stato solido
5
le roccecondizioni di formazione
la classificazione di primo rango è di tipo genetico:
• Rocce Ignee• Plutoniche• Vulcaniche
• effusive• esplosive
• Rocce Metamorfiche• Rocce Sedimentarie
6
il magma• Fuso silicatico, sistema polifase:
• liquido con gas disciolti nel liquido• minerali e/o frammenti di roccia in sospensione nel liquido• In condizioni transitorie, può contenere gas come fase separata (bolle di gas)
• Caratteristiche chimiche• Composizione• Gas disciolti
• Caratteristiche fisiche• Temperatura• Densità• Viscosità
• Come si genera• Come si muove• Dove si ferma
7
il magmacomposizione
• Il magma ha composizione variabile
• O è l'anione più abbondante
• SiO2 è il componente più abbondante
• dal punto di vista composizionale, tre tipi di magma sono i più abbondanti
• Basaltico (80%)• Andesitico (10%)• Riolitico (10%)
Al2O3 Al2O3 Al2O3
MgO+CaOMgO+CaO
MgO+CaOFeO+Fe2O3
FeO+Fe2O3FeO+Fe2O3Na2O+K2O
Na2O+K2O
Na2O+K2O altrialtri
altri
Magma basaltico Magma andesitico Magma riolitico
Schmincke, Volcanism, Springer (2004)
SiO2 SiO2 SiO2
evoluzione
Gasdisciolti
nel magma
8
il magmatemperatura
• Il magma è caratterizzato da alte temperature
• La temperatura può essere misurata durante alcune eruzioni
• Durante le eruzioni, da distanza con sistemi ottici
• Durante le eruzioni, in situ con sonde termiche
• Tramite esperimenti di laboratorio• Tramite calcoli teorici di tipo
termodinamico• Temperature misurate durante eruzioni
laviche: 1000 – 1250°C• Il magma esiste anche a temperature
più basse (fino a circa 700°C), sia durante eruzioni non laviche, sia all'interno della crosta terrestre
roccia completamente solida
magma completamente liquido
liquido+
solido
Tliquidus
Tsolidus
SiO2 wt%
Tem
pera
tura
°C
50 60 70
1400
1300
1200
1000
900
800
700
600
intervalli termici di cristallizzazione
dei magmi a bassa Pressione
9
il magmadensità
• La densità dipende da • Composizione (soprattutto contenuto in H2O)• Temperatura• Pressione: aumentando P, Al passa da coordinazione tetraedrica o ottaedrica a
coordinazione esclusivamente ottaedrica più compatta, con aumento di densità
• La densità aumenta quando il magma solidifica: la densità di un basalto (circa 2.8 x103 kgm-3) è maggiore di quella del corrispondente magma basaltico (circa 2.6 x103 kgm-3)
riolite
andesite
basaltotholeiitico
basaltoalcalino
basaltotholeiitico
andesite
dens
ità
dens
ità
• Il magma è un particolare tipo di fluido• Ha capacità di fluire• Velocità max di flusso misurata: 16 km/h (lava basaltica in movimento lungo le
ripide pendici del vulcano Mauna Loa, Hawaii) • Le velocità sono usualmente molto minori• Lave ricche in SiO2 fluiscono con estrema difficoltà, avendo attitudine al flusso
simile a quella di un vetro• La viscosità è la proprietà di una sostanza che descrive la sua resistenza al flusso
(più viscoso è un magma, più bassa è la sua attitudine a fluire)
• Viscosità = sforzo di taglio / tasso di deformazione• La viscosità dipende da
• Temperatura• Composizione• Gas disciolti• Fasi in sospensione
Il magma è un particolare tipo di fluido
10
il magmaviscosità
sfor
zo (s
tress
)
deformazione (strain)
newtoniano
plastico
Bingham
Soglia di
11
il magmaviscosità
• efetto della TEMPERATURA• Più alta è la temperatura, più bassa è la
viscosità• Man mano che il magma raffredda, diviene più
viscoso
• effetto della PRESSIONE• La viscosità diminuisce con la pressione
applicata al magma• Fattore non significativo per le eruzioni, dove P
è sempre molto bassa
12
il magmaviscosità
• effetto della COMPOSIZIONE (contenuto in costruttori di struttura)
• I tetraedri SiO44- esistono già nel magma, e tendono (come nei minerali) a polimerizzare formando gruppi, catene, impalcature (irregolari)
• Più elevato è il grado di polimerizzazione, più alta è la viscosità del magma
• Poichè il numero di tetraedri dipende dal contenuto in SiO2 del magma, la viscosità del magma cresce con l'aumentare del contenuto in SiO2
• effetto della COMPOSIZIONE (contenuto in modificatori di struttura)
• K, Na, Ca, Mg, Fe, H, OH tendono a interrompere I polimeri di tetraedri SiO4
• La viscosità del magma diminuisce con l'aumentare del contenuto in modificatori di struttura (in particolare H2O)
• effetto delle FASI IN SOSPENSIONE• l'aumentare del contenuto in fasi sia solide (es.
cristalli) sia gassose (es. bolle) fa aumentare la viscosità
Log
vis
cosi
tà SiO2
Log
vis
cosi
tà
13
gradiente (geo)termico
• Gradiente geotermico – variazione della Temperatura con la
profondità
• Sorgenti di calore– accrezione e differenziazione primaria
• energia gravitazionale --> calore• feedback• dissipazione calore da nucleo verso esterno
– decadimento isotopi radioattivi• U, Th, K concentrati nella crosta• 40% del flusso di calore
• Trasferimento di calore– Radiazione– Conduzione– Convezione
14
gradiente (geo)termico
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
15
Genesi del magma• il magma si genera quando la
temperatura è sufficientemente alta da permettere la fusione (parziale) di porzioni del mantello o della crosta
• il mantello (normalmente solido) se fonde (parzialmente) dà luogo a magmi basaltici
• la crosta (normalmente solida) se fonde (parzialmente) dà luogo a magmi riolitici
• la fusione è possibile se:
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
A. T della sorgente aumenta (poco verosimile nel mantello, più probabile nella crosta)
C. Solidus si sposta verso T più basse (apporto di fluidi nella sorgente)
B. P della sorgente diminuisce (decompressione adiabatica per assottigliamento del mantello sovrastante)
16
17
Processo igneo
• attività ignea• Tipologia intrusioni• Tipologia eruzioni• Tipologia apparati vulcanici
• ambientazione geodinamica
18
intrusioni magmatiche
• Generazione del magma• Risalita del magma
• il magma risale per• contrasto di densità• source overpressure
• Messa in posto del magma• sotto la superficie della Terra solida (raffreddamento lento)
• intrusioni profonde (plutoni, batoliti)• intrusioni superficiali (dicchi, sill, laccoliti)
• sopra la superficie della Terra solida (raffreddamento veloce; talvolta vetro)• Vulcani
• Tipologia eruzioni vulcaniche• Tipologia apparati vulcanici
http://pubs.usgs.gov/of/2004/1007/volcanic.html
19
corpi intrusivi
• intrusioni profonde• intrusioni tabulari
• crosta media• Isola dʼElba• Patagonia
• crosta superficiale• Senegal• Sud Africa• Isola dʼElba
20
intrusioni tabularibacini sedimentari - Henry Mts, Utah
21
intrusioni tabularibacini sedimentari - Henry Mts, Utah
22
intrusioni tabularibacini sedimentari - Henry Mts, Utah
23
Saint-Blanquat et al. (Tectonoph, 2006)
Jackson & Pollard (GSA Bull, 1988)
intrusioni tabularibacini sedimentari - Senegal offshore
24
North Sea,Hansen & Cartwright,
JSG (2006)
saucer-shaped sills
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
• riflettori sismici• correlazione con anomalie grav-mag• saucer-shaped igneous sills
North Sea,
correlazione con anomalie grav-mag
intrusioni tabularibacini sedimentari - Senegal offshore
25
North SeaTrude et al., Geology (2003)
seafloor uplift
saucer-shaped sill
Miocene unconformity
sediment onlap
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
Trude et al (Geology, 2003)
• seafloor uplift• forced folding
saucer-shaped sill
Trude et al (Geology, 2003)
intrusioni tabularibacini sedimentari - Senegal offshore
• hydrothermal venting
26
saucer-shaped sills
Miocene unconformity
North SeaSvensen et al., Nature (2004)
Rocchi et al (Terra Nova, 2007)
Miocene unconformity
North SeaSvensen et al., Nature (2004)
intrusioni tabularibacini sedimentari - North Sea, Karoo
2724
10 km
Polteau et al (EPSL, 2008)
Karoo Large Igneous Province (LIP)South Africa, 183 Ma
North Atlantic Volcanic Province (LIP) Paleocene
intrusioni tabularicrosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
28
29
intrusioni tabularicrosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
30
Rocchi et al (Geology, 2002)
intrusioni tabularicrosta sup - laccoliti multilivello (Isola d’Elba)
• three intrusive sheets
• laccolith-like triple downward stacking
31
Farina et al. (GSA Bull, 2010)
intrusioni tabularicrosta medio-sup - plutone sheeted (Isola d’Elba)
32
intrusioni tabularicrosta medio-sup - laccolite/plutone sheeted (Patagonia)
Torres del Paine, Cile
foto S. Paterson - USC
Michel et al., Geology (2008)
intrusioni tabularitempi di messa in posto
• cryptic contacts• cooling above
the solidus• thermal budget• 8 – 60 ka
33
Monte Capanne
Torres del Paine• cooling below
the solidus• U-Pb zircon• 90 ± 40 ka
Farina et al. (GSA Bull, 2010)
Michel et al. (Geology, 2010)
three downward-stacked felsic sheets(+ mafic underplate)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
• Henry Mts (Utah)• Maiden Creek Sill
34
Horsman et al. (JSG, 2005)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
• Henry Mts (Utah)• Trachyte Mesa Sill
35
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
• AMS (Anisotropy of Magnetic Susceptibility)
• Henry Mts (Utah)• Trachyte Mesa Sill
36
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
37
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
• Henry Mts, Black Mesa Sill
38
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
Sain
t-B
lan
qu
at e
t al
. (T
ect
on
op
h,
2006)
• AMS + indicatori cinematici• Henry Mts, Black Mesa Sill
39H
ors
man
et
al. (
TrR
So
cEd
, 2010)
Sain
t-B
lan
qu
at e
t al
. (T
ect
on
op
h,
2006)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
40
Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)
intrusioni tabulaririempimento delle intrusioni - flusso di magma
intrusioni tabulariinteresse nell’esplorazione petrolifera
• hydrocarbon potential• sill intrusions in sedimentary basins• hydrocarbon maturation• unconventional traps
41
Lee et al (Marine Petrol Geol, 2006)
Yellow Sea
intrusioni tabularicontatti - peperite
42
contatti - peperite
Anse Mermoz , Dakarpeperite-contact breccia
Anse Mermoz , Dakar peperite
Anse Mermoz, Dakarsill + peperite
43
Shield Nunatak, AntarcticaQuaternary englacial tuff cone
intrusioni tabularicontatti
44
steep layeringwithin subhorizontal hostchaotic breccia
sorted-graded brecciasandstone dyke crosscutting breccia
intrusioni tabularicontatti - breccia pipes
0
40
30
0
20
10
200 400 600
intrusioni tabularicontatti - fluidizzazione wet sediments
• emplacement of magma in wet sediments• emplacement depth ≈ 1 s TWT ≈ 350 m• P ≈ 7 MPa < critical pressure of water• 22.1 MPa for pure water ≈ 1.1 km of wet
seds• 31.2 MPa for seawater ≈ 1.6 km of wet
seds• explosive expansion of water • fracture-induced P reduction
• heat source = persistent vapour• high vapour flow rate = fluidization of
sediments• continuous vapour flow = sediment transport
45
Liquid
Vapour
Temperature (°C)Pr
essu
re (M
Pa)
1 1.25 1.52 4 6
8
10
12.5
15
20
25
33
50
100
Kokelaar, JGSL (1982)
46
sill intrusion in wet sediments
peperite +sediment fluidization
hydraulic brecciationof sediments, fluidsescape to the surface
venting to the seafloorcrater, diatreme
further fluids risingpipes of finergrained sediments
venting to the seafloormud volcano
igneous dyke
intrusioni tabularicontatti - peperite, fluidizzazione, breccia pipes
modified after Jamtveit et al., GSSP 234 (2004)
• Siberian traps, end-Permian
• Karoo-Ferrar, Toarcian
• North Atantic, Paleocene
47
• intrusion of mafic LIP sills• massive release of water from wet sediments• massive CO2, CH4 release from C-rich mudstones• dC negative excursions• global warming
Sve
nse
n e
t al
(E
PS
L,
2007)
• H2O (sandstone, clays)
• CH4 (shale, petroleum)
• CO2 (coal, lime/dolostone)
• CH3Cl (evaporite)
• SO2 (evaporite)
• HCl (evaporite)
Sve
nse
n &
Jam
tve
it (
Ele
me
nts
, 2010)
intrusioni tabulariinfluenza sui cambiamenti climatici
48
49
le rocce
la classificazione di primo rango è di tipo genetico:
• Rocce Ignee• Plutoniche• Vulcaniche
• effusive• esplosive
• Rocce Metamorfiche• Rocce Sedimentarie
50
le roccetessiture / microstrutture
RocceIgneeliquido
solido
Sottrazione caloreDiminuzione T
solidificazione(cristallizzazione etc)
Processitardo-magmatici
Processi secondari
RocceMetamorfiche
solido
solido
variazioniP,T, sforzi orientati
Riequilibraturatotale o parziale
Processi secondari
RocceSedimentarieSolido (+ liquido)
solido
Erosione Preci-Trasporto pita-Deposizione zione
Diagenesi
Processi secondari
Tessiture sequenziali
Tessiture cristalloblastiche
Tessiture clastiche
51Le roccedistinzione sul terreno
rocce sedimentarie• tipicamente stratificate, con
strati sovrapposti (principio di sovrapposizione)
• diagnostica la presenza di fossili
rocce ignee• plutoniche
• non stratificate, massive• senza fossili
• vulcaniche• stratificate (strati poco
estesi lateralmente)• fossili assenti• morfologia vulcanica
rocce metamorfiche• paraderivati
• relitti di stratificazione• scomparsa dei fossili• fissilità
• ortoderivati• relitti di struttura massiva o
porfirica• chimismo igneo
52
rocce Ignee
la classificazione si basa sulla combinazione di due tipi di dati:
microstruttura + costituenti
• struttura (o tessitura)• cristallinità • dimensioni, forma e rapporti spaziali delle sue fasi
costituenti
• struttura si forma durante il passaggio del sistema dallo stato liquido allo stato solido
• fattore esterni che influenzano il tipo di struttura: Velocità della diminuzione di temperatura• meccanismo di risalita del magma (intrusione,
effusione, esplosione)• interazione termica con superficie terrestre, aria,
acqua, ghiaccio• l'evoluzione del sistema è controllata da velocità di
raffreddamento, viscosità e caratteristiche chimico-fisiche del magma
• Fasi PRIMARIE (segregate direttamente dal magma)• Fasi minerali (reticolo cristallino
ordinato)• Vetro: materiale solido amorfo
con struttura simile a quella del liquido
• struttura e costituenti possono subire modificazioni secondarie a bassa T
• fasi SECONDARIE (formate in seguito a processi di alterazione)
53
rocce igneenomenclatura e classsificazione
• composizione• rocce intrusive: moda (abbondanza minerali)• rocce vulcaniche: moda e composizione chimica
• giacitura (litofacies)• aspetto di terreno
• tessitura• (alterazione)
54
Descrizione tessiturale rocce ignee
• cristallinità (grado di cristallizzazione)• olocristallina (tutta la roccia formata da cristalli)• ipocristallina (roccia formata in parte cristalli, in parte da vetro; specificare le %)• oloialina, vetrosa (tutta la roccia formata da vetro)
• granularità• faneritica (tutti cristalli sono visibili a occhio nudo)
• tipica di rocce plutoniche• afanitica (nessun cristallo è visibile a occhio nudo)
• tipica di rocce vulcaniche• porfirica (cristalli visibili a occhio nudo in pasta di fondo afanitica)
• tipica di rocce vulcaniche
• grana• grossa (>5 mm)• media (1-5 mm)• grana fine (< 1 mm)
• equigranulare (tutti cristalli approssimativamente delle stesse dimensioni)• disequigranulare (non necessario se si usa il termine "porfirica")
55
schema tessiture rocce ignee
plutoniche
frammentati
olocristallina
afanitica
vulcanicheesplosive
faneritica
olocristallina
interstiziale
rocce ignee
subvulcaniche
integri
ipocristallina vetrosa
continuo frammentatopast
a di
fond
o
vetro
feno
cris
talli
afiricaporfirica
pluton dicco, silllaccolite lava vitrofiro
ossidianatufo
(saldato)
equigranularedisequigranular
ipidiomorfaallotriomorf
effusive
• piroclasti (ejecta)• cristalli• frammenti di cristalli• frammenti di vetro• frammenti di roccia
• Bombe! > 64 mm, forme plastiche (fusi)• Blocchi! > 64 mm, angolari (solidi)• Lapilli! 2-64 mm• Ceneri! < 2 mm
rocce ignee rocce piroclastiche
blocchi e bombe
cenerelapillilapilli tuff (ash)
tufflapillistone
tuff breccia
pyroclastic breccia (blocks)agglomerate (bombs)
dimensioni(mm)
piroclastidepositi piroclasticidepositi piroclasticidimensioni
(mm)piroclasti
tefra (non consolidati) tufi / rocce piroclastiche (consolidati)> 64 bombe, blocchi livello agglomerato di bombe (blocchi) agglomerato, breccia piroclastica
2 - 64 lapilli livello di lapilli, tefra a lapilli lapillistone1/16 - 2 ceneri cenere grossolana tufo (cineritico) grossolano> 1/16 ceneri fini cenere fine (polvere) tufo (cineritico) fine
57indice di porfiricità = somma delle abbondanze modali (% vol.) di fenocristalliindice di colore = somma delle abbondanze modali (% vol.) di minerali femici
(colorati)
20% 30%
50%40%
1% 5%
15%10%
rocce igneei minerali primari
58
primari
secondari
fondamentali
accessori
femici
si formano in condizioni deuteriche o postmagmatiche
segregati direttamente dal magma
comunemente costituiscono parte rilevante (>5%) e caratterizzante
della roccia
amorfo, composizione variabile, soltanto in rocce vulcaniche
sialici
specifici
diffusi
vetro
quasi mai costituiscono parte rilevante di una roccia
ricchi in Si e Al
ricchi in Fe e Mg
comuni in moltissime rocce
presenti soltanto in rocce di composizione particolare
59
primari
secondari
fondamentali
accessori
femici
segregati direttamente dal magma
comunemente costituiscono parte rilevante (>5%) e caratterizzante
della roccia
sialici
specifici
diffusi
vetro
quasi mai costituiscono parte rilevante di una roccia
quarzo, feldspati alcalini,plagioclasi, feldspatoidi
olivina, ortopirosseni,clinopiroseni, anfiboli, biotite
magnetite, ilmenite, apatite, zircone
cromite, spinelli, tormalina, titanite, xenotimo, monazite, fluorite, perovskite, epidoti (allanite), granati, cordierite, andalusite, corindone
miche bianche (sericite), minerali argillosi, analcime, carbonati (calcite etc), ematite, limonite, clorite, pertiti, microclino, rutilo, titanite, zeoliti
rocce igneei minerali primari
60
colore sfaldatura abito durezza
densità
olivina oliva NO equidimensionale 3.2-4.4
pirosseno verde-nero 2, 90° prismi tozzi, 8 facce 6 3.2-3.7
anfibolo nero 2, 120° prismi allungati, 6 facce 5-6 3.0-3.5
biotite nero 1, basale prisma tozzo, 6 latifogliettato
2.5-3 2.7-3.3
plagioclasio bianco 3 tabulare 6-6-5 2.63-2.76
K-feldspato bianco-rosso 3 tabulare 6 2.55-2.63
quarzo trasparente NO equidimensionale 7 2.65
feldspatoide bianco NO tondeggiante 5.5-6 ~2.5
rocce igneei minerali primari
61
rocce igneeclassificazione modale (moda = % in volume dei minerali)
• una roccia è costituta da 5 fasi minerali• A =! 20 vol%• B =! 40 vol%• C =! 10 vol%• D =! 10 vol%• E =! 20 vol%• qual è il punto rappresentativo della sua
moda nel diagramma ternario A-B-C?
A
B C
• si ricalcolano a 100 i valori di A, B, C:• AABC = A/(A+B+C)*100 =!20/70*100=29• BABC = B/(A+B+C) *100 =!40/70*100=57• CABC = C/(A+B+C) *100 =!10/70*100=14
• si riportano nel diagramma ternario A-B-C i valori di AABC , BABC , CABC
62
PERIDOTITI
PIROSSENITI
rocce igneeclassificazione IUGS
M = minerali femici• olivina (Ol)• pirosseni
• ortopirosseni (Opx)• clinopirosseni (Cpx)
• anfiboli• biotite
• se M ≥ 90 ➠ roccia ultrafemica, classificazione con diagramma Ol-Opx-Cpx
• se M < 90 ➠ roccia da classificare con diagramma doppio triangolare QAPF
PERIDOTITI
Classificazione rocce ultrafemiche
(M≥90)
Ol
CpxOpx
dunite
websteriteolivinica
lherzolite wehrliteharzburgite
websteriteortopirossenite
clinopirossenite olivinica
ortopirossenite olivinica
clinopirossenite
63
• Q = quarzo
• A = feldspatI alcalini
• P = plagioclasi
• F = feldspatoidi
Q
PA
F
sienogranito
monzogranito
granodiorite
tonalite
granitoa feldspato alcalino
quarzosienite
quarzomonzonite
qmdqmg
monzonite md/mgsienitefoid-sienite foid-monz. fmd/fmg
gabbrodioriteanortosite
quarzosienite a felds. alc.
foid-monzo sienite
foid-monzo diorite
foid-monzo gabbro
foid-sienite foid-dioritefoid-gabbro
foidolite
granitoidiricchi in quarzo
silexite
quarzodioritequarzogabbroquarzoanortosite
foid-dioritefoid-gabbrofoid-anortosite
rocce intrusiveM < 90
foidsienite a felds. alc.
sienitea felds. alc.
rocce igneeclassificazione IUGS rocce plutoniche
64Q
PA
riolite dacite riolitea feldspato alcalino
quarzotrachite
quarzolatitelatitetrachite
foid-trachite foid-latite
foid-trachite a felds. alc.
basalto
fonolitetefritica
basanitefonolitica(ol>10%)
tefritefonolitica(ol<10%)
fonolite
foiditefonolitica
foiditetefritica
foidite
andesite
quarzotrachite a f.a.
rocce vulcanicheM < 90
tefrite
trachite a felds. alc.
• Q = quarzo
• A = feldspatI alcalini
• P = plagioclasi
• F = feldspatoidi
F
rocce igneeclassificazione IUGS r. vulcaniche
65
rocce igneeschema classificativo semplificato
feldspati
roccevulcaniche
rocceplutoniche
basalto
≈ no plagioclasio >>feldspato alcalino
plag. ≈felds.alc.
plagioclasio <feldspato alcalino
quarzo no relativam.abbondante abbondante
indice dicolore > 90 90 - 40 40 - 20 < 20
scarso scarso
plag. >felds.alc.
andesite dacite latite trachite riolite
gabbro diorite granodioritemonzonite sienite granitoperidotite
pirossenitedunite
utilizzabile sul terreno e per campioni macro
66
rocce igneedistribuzione dei minerali
Schmincke, Volcanism, Springer (2004)
67
rocce igneecomposizione chimica
vulcanica basalto andesite riolite trachite leucititeplutonica peridotite gabbro diorite granito sienite (raro)SiO2 42.3 49.2 58.0 72.8 61.2 40.6TiO2 0.6 1.8 0.9 0.3 0.7 2.66Al2O3 4.2 15.7 17.0 13.3 17.0 14.3Fe2O3 3.6 3.8 3.3 1.5 3.0 5.5FeO 6.6 7.1 4.0 1.1 2.3 6.2MnO 0.4 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3MgO 31.2 6.7 3.3 0.4 0.9 6.4CaO 5.0 9.5 6.8 1.1 2.3 11.9Na2O 0.5 2.9 3.5 3.6 5.5 3.5K2O 0.3 1.1 1.6 4.3 5.0 4.8P2O5 0.1 0.4 0.2 0.1 0.2 1.1H2O 3.9 1.0 0.8 1.1 1.2 1.6
68
rocce igneeclassificazione IUGS rocce vulcaniche - diagramma TAS
0
2
4
6
8
10
12
14
16
36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
foidite
andesitebasaltopicritico
basalto
fonolitetefritica trachite
trachidacite
riolite
trachibasalto
trachiandesite basaltica
trachiandesite
daciteandesitebasaltica
tefritefonolitica
fonolite
basanite
tefrite
0
2
4
6
8
10
12
14
16
36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
SiO2 wt%
Na 2
O +
K2O
wt%
ultrabasico basico intermedio acido
69
rocce igneecomposizione dei magmi nei diversi ambienti geodinamici
Rog
ers,
Our
dyn
amic
Pla
net,
Cam
brid
ge (2
008)
70
ambientazione geodinamica dell’attività ignea
• dove e perché• margini divergenti• margini convergenti
• zone di subduzione• sone di collisione
• margini trascorrenti• zone intraplacca• margini passivi
• legame ambiente-composizione
71
ambiente geodinamico e attività ignea
• vulcani attivi subaerei
72
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
Ambiente geodinamico e attività sismica73
• terremoti
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
74
ambientazione geodinamica dei processi ignei
75
ambiente geodinamico - volume magmi
attività ignea - margini divergenti76
margini divergentistruttura della crosta oceanica
• La dorsale è segmentata da fratture trasversali
• Le fratture oceaniche sono caratterizzate da movimento trasforme
77
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
margini divergentistruttura della crosta oceanica
78
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
79
margini divergentistruttura crosta oceanica
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
margini divergentiattività vulcanica
80
margini divergentiofioliti
81
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
82
Margini divergentiOfioliti - Struttura crosta oceanica
sedimentilave a pillow, colate di lava
gabbri
dicchi (sheeted dikes)
gabbri “layered” (cumuliti)
peridotiti “layered” (cumuliti)
peridotiti (mantello sup.)
~ 0.5
~ 1.5
~ 5
km1
2a,2b
3a
2c
3b
4
4
layer
Moho sismicaMoho petrologica
83
margini divergentigenesi dei magmi
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
Sinton & Detrick (JGR, 1992)
84
PERIDOTITI
PIROSSENITI
margini divergentirapporti sorgente-magma
M = minerali femici• olivina (Ol)• pirosseni
• ortopirosseni (Opx)• clinopirosseni (Cpx)
• anfiboli• biotite
• se M ≥ 90 ➠ roccia ultrafemica, classificazione con diagramma Ol-Opx-Cpx
• se M < 90 ➠ roccia da classificare con diagramma doppio triangolare QAPF
PERIDOTITI
Classificazione rocce ultrafemiche
(M≥90)
Ol
CpxOpx
dunite
websteriteolivinica
lherzolite wehrliteharzburgite
websteriteortopirossenite
clinopirossenite olivinica
ortopirossenite olivinica
clinopirossenite
Rog
ers,
Our
dyn
amic
Pla
net,
Cam
brid
ge (2
008)
media peridotiti ofiolitiche media xenoliti peridotitici
margini divergentirapporti sorgente-magma
• fusione sperimentale•
85
margini divergentirapporti sorgente-magma
86
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
liquidoliquido
margini divergentirapporti sorgente-magma
87
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
attività igneamargini convergenti - zone di subduzione
88
litosfera oceanica - litosfera oceanica
litosfera oceanica - litosfera continentale
litosfera continentale - litosfera continentale
zone di subduzionestruttura sismica
• sismicità 1977-1997
89
www.usgs.gov
zone di subduzionestruttura sismica
90
www.usgs.gov
91
zone di subduzionestruttura sismica
• quando la placca più pesante e meno rigida affonda sotto l'altra (SUBDUZIONE), la frizione genera terremoti localizzati sul contatto tra la placca subdotta e mantello
• i sismi sono distribuiti su una fascia detta Piano (o zona) di Wadati-Benioff
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
seismic waves anomalies
zone di subduzionestruttura sismica - piano di Benioff
92
93
zone di subduzionestruttura sismica
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
94
zone di subduzionestruttura termica
• placca vecchia (130 Ma)• spessa• pesante• subduzione veloce
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)• litosfera giovane (15 Ma)
• sottile• leggera• subduzione lenta
95
zone di subduzionestruttura termica
• modello numerico della struttura termica della zona di subduzione Honshu (Giappone)
van Keken et al. (G3, 2002)
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
zone di subduzionestruttura termica
• time-integrated mantle seismic tomography
96
Liu et al. (Science, 2008)
100 Ma
70 Ma
40 Ma
today
97
zone di subduzione
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
zone di subduzionequadro generale e distribuzione magmi
98
99
zone di subduzionegenesi magmi
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
zone di subduzionerapporti sorgente - magma
100
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
zone di subduzionerapporti sorgente - magma
• contributo dei sedimenti subdotti al magmatismo
101
Rogers, Our dynamic Planet (Cambridge, 2008)
attività igneamargini convergenti - zone di collisione
102
litosfera oceanica - litosfera oceanica
litosfera oceanica - litosfera continentale
litosfera continentale - litosfera continentale
103
attività igneamargini convergenti - zone di collisione
• Quando il movimento relativo di due placche è convergente, quella più pesante e meno rigida, affonda sotto l'altra (SUBDUZIONE)
• Quando la porzione di litosfera oceanica interpostra tra due continenti è stata completamente subdotta, i due continenti entrano in COLLISIONE: avendo caratteristiche fisiche simili, nessuno dei due tende a sprofondare sotto l'altro, per cui si accartocciano l'uno contro l'altro
104
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
attività igneamargini convergenti - zone di collisione
attività igneamargini convergenti - zone di collisione
105
attività igneazone di collisione - genesi del magma
106
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
107
Margini trascorrenti / conservativi
•Margini lungo i quali le placche scorrono l'una contro l'altra•Il margine è una faglia trasforme•Intensa attività sismica•No attività vulcanica•Esempi:
–San Andreas fault (Messico-western USA)–North Anatolian Fault (Turchia)–south Alpine Fault (New Zealand)
108
Margini trascorrenti / conservativi San Andreas Fault
http://www.ig.utexas.edu/research/projects/plates/plates.htm
109
Margini trascorrenti / conservativi San Andreas Fault
110
Margini trascorrenti / conservativi San Andreas Fault
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
111
Margini trascorrenti / conservativiNorth Anatolian Fault
PLACCAARABICA
PLACCAANATOLICA
PLACCAAFRICANA
PLACCAEUROASIATICA
112
Margini trascorrenti / conservativiDead Sea transform
http://eol.jsc.nasa.gov
113
Margini trascorrenti / conservativiSouth Alpine Fault, New Zealand
500 km
114
NEW ZEALANDdeep seismicity
Margini trascorrenti / conservativi
NEW ZEALANDshallow seismicity
Esempi: Alpine FaultNew Zealand
attività igneazone intraplacca - rift intracontinentali
• Rift continentale• depressione tettonica allungata (rift valley = depressione
fisiografica riempita da vulcaniti e sedimenti continentali• limitata da faglie (fratture della crosta) dirette• Faglie legate a estensione dellʼintera litosfera
• Caratteristiche delle zone di rift• alti flussi di calore• magmatismo bimodale (basalti e rioliti)• anomalie gravimetriche (massimi in corrispondenza della rift
valley)• anomalie magnetiche (minimi in corrispondenza della rift valley)
115
attività igneazone intraplacca - rift intracontinentali
Il continente africano si sta dividendo lungo una frattura della litosfera continentale (East African Rift)
116
Somalia
EtiopiaGolfo di Aden
Oceano Indiano
Mar Rosso Yemen
Afar
East African Rift ValleyEast African Rift Valley
attività igneazone intraplacca - East African Rift
117
Oldoinyo Lengai
Erta Ale
attività igneazone intraplacca - rift intracontinentali - genesi del magma
118
Rift attivolegato alla attività di una plume mantellica
(risalita di materiale molto caldo dal mantello profondo, dimensioni tipiche delle cupole
raggio = 500-1000 km)
Rift passivolegato alla dinamica delle placche che
possono allontanarsi provocando uno stress tensionale dellʼintera litosfera
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
attività igneazone intraplacca - isole oceaniche
119
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
attività igneazone intraplacca - mantle plumes/hot spots
120
http://www.minerals.si.edu/tdpmap/
attività igneazone intraplacca - mantle plumes/hot spots
• La localizzazione degli hot spots è considerata fissa nel tempo, rispetto a un riferimento profondo (es. interfaccia nucleo-mantello)
• La localizzazione degli hot spots è usata per ricostruire I movimenti delle placche nel passato
121
attività igneazone intraplacca - isole oceaniche- genesi del magma
122
solido solido+ liquido
liquido
curva temperaturedi Solidus
(inizio fusione)
curva T diLiquidus(fusione
completa)
geoterma
TEMPERATURA
PRES
SIO
NE
- PR
OFO
ND
ITA'
C
A
B
attività igneaLarge Igneous Provinces (LIP)
• immensi espandimenti di lava• volume di 106 km3 (migliaia di M. Etna)• tempi brevi (ca. 1 Ma)
123
attività igneaLarge Igneous Provinces (LIP)
124
Wignall (ESR, 2001)
attività igneaLarge Igneous Provinces (LIP)
125
provincia età (Ma) volume (x106 km3)Panjal-Emeishan Basalts 260 1.0
Siberian Traps 250 1.8
Central Atlantic Magmatic Province 200 4.0
Karoo-Ferrar Traps 180 2.5
Paranà-Etendeka Traps 130 1.2
Ontong-Java Plateau 120 50.0
Kerguelen Plateau 110 20.0
Caribbean-Colombian Province 90 4.0
Deccan Traps 65 2.0
Brito-Arctic Province 55 4.0
Ethiopian Traps 30 0.8
Columbia River Plateau 16 0.2
attività igneamargini passivi
126
127
Ambiente geodinamico e composizione dei magmi
Rog
ers,
Our
dyn
amic
Pla
net,
Cam
brid
ge (2
008)
128
Ambiente geodinamico e composizione dei magmi
basalti tholeiiticipoveri in Kricchi in Si
MORBbasalti calcoalcalini
ricchi in AlCAB / VAB
andesiti basalti alcaliniricchi in Na (K)
poveri in SiOIB
trachiti - rioliti
basalti alcaliniricchi in Napoveri in Si
OIB
209
Testi consigliati
• Bosellini A. (1984, I ed.; 1986 IV ed.) - Le scienze della Terra. Bovolenta (distribuito da Zanichelli). ISBN 88-08-04150-6
• D'Argenio B., Innocenti F., Sassi F.P. (1994) - Introduzione allo studio delle rocce. UTET, 162 pp. ISBN 88-02-04870-3
• Skinner B.J., Porter S.C. (1989 ) - The dynamic Earth. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-53131-6
• Gill R. (1989, II ed. 1996) - Chemical fundamentals of Geology. Chapman & Hall, 298 pp. ISBN 0 412 54930 1 (Capp 5, 6, 7, 8,9, 10)
• Gottardi, G. (1978) - I minerali. Boringhieri, 296 pp. (Parte I, capp. 1, 2)• Mottana A., Crespi R., Liborio G. (1977, V ed. 1985) - Minerali e rocce. Mondadori,
608 pp.• http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html