magma

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


22


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


25

North SeaTrude et al., Geology (2003)

seafloor uplift

saucer-shaped sill

Miocene unconformity

sediment onlap


Trude et al (Geology, 2003)

• seafloor uplift• forced folding

saucer-shaped sill

Trude et al (Geology, 2003)


• hydrothermal venting

26

saucer-shaped sills


North SeaSvensen et al., Nature (2004)



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


30

Rocchi et al (Geology, 2002)


• 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)


• Henry Mts (Utah)• Trachyte Mesa Sill

35


• AMS (Anisotropy of Magnetic Susceptibility)

• Henry Mts (Utah)• Trachyte Mesa Sill

36

Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)


37

Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)Horsman et al. (TrRSocEd, 2010)


• Henry Mts, Black Mesa Sill

38


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)


40



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


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


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


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


margini divergentistruttura della crosta oceanica

78


79

margini divergentistruttura crosta oceanica


margini divergentiattività vulcanica

80

margini divergentiofioliti

81


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


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


• fusione sperimentale•

85


86


liquidoliquido


87


liquido


(inizio 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


90

www.usgs.gov

91


• 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



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


• modello numerico della struttura termica della zona di subduzione Honshu (Giappone)

van Keken et al. (G3, 2002)



• time-integrated mantle seismic tomography

96

Liu et al. (Science, 2008)

100 Ma

70 Ma

40 Ma

today

97

zone di subduzione


zone di subduzionequadro generale e distribuzione magmi

98

99

zone di subduzionegenesi magmi


zone di subduzionerapporti sorgente - magma

100


liquido


(inizio fusione)


completa)

geoterma

TEMPERATURA

PRES

SIO

NE

- PR

OFO

ND

ITA'

C

A

B


zone di subduzionerapporti sorgente - magma

• contributo dei sedimenti subdotti al magmatismo

101


attività igneamargini convergenti - zone di collisione

102

litosfera oceanica - litosfera oceanica

litosfera oceanica - litosfera continentale

litosfera continentale - litosfera continentale

103


• 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




105

attività igneazone di collisione - genesi del magma

106


liquido


(inizio 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


110



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


liquido


(inizio fusione)


completa)

geoterma

TEMPERATURA

PRES

SIO

NE

- PR

OFO

ND

ITA'

C

A

B

attività igneazone intraplacca - isole oceaniche

119


attività igneazone intraplacca - mantle plumes/hot spots

120


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


liquido


(inizio 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


124

Wignall (ESR, 2001)


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

magma

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sospensioneil magma

tipi di magma

corrispondente magma

eruzioni laviche

particolare tipo

temperatura c50

fluire viscosit

h2o temperatura pressione