origine dei magmi

Lezione 10

Riassunto della puntata precedente:Microstruttura ignea (raffreddamento lento, rapido e a pi stadi).Classificazione mineralogica (triangoli di Streckeisen), chimica (diagramma TAS) e normativa (norma CIPW) delle rocce ignee.Minerali fondamentali ed accessori; elementi maggiori ed in traccia.Serie subalcaline (tholeiitiche e calcalcaline) e serie alcaline (sodiche, potassiche ed ultrapotassiche).Giacitura delle rocce ignee.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Passiamo adesso ad un altro argomento:Origine(ed evoluzione) dei magmiPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Esistono decine di tipi diversi di rocce ignee (plutoniche e corrispettive vulcaniche).Ogni roccia ignea deriva dalla solidificazione di un magma.Cosa vuol dire?Esistono decine di tipi diversi di magmi?Si?(Anzi No)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Ricordate che:Quali tipi di roccia possono fondere?Praticamente tutte.Per convenzione, nello studio dellorigine delle rocce ignee (Petrogenesi) in genere vengono identificate due tipi di sorgenti:Rocce (sorgenti) di MantelloRocce (sorgenti) di CrostaUn magma si forma quando una roccia madre (roccia sorgente o semplicemente sorgente) comincia a fondere.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Ricordate che:Quali tipi di roccia possono fondere?Ditemi almeno due-tre nomi di rocce di mantello ed almeno cinque-sei nomi di rocce di crosta:Un magma si forma quando una roccia madre (roccia sorgente o semplicemente sorgente) comincia a fondere.

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Per quali motivi una sorgente (mantellica o crostale) viene indotta alla fusione?In alcuni casi due (o tre) di questi processi possono avvenire contemporaneamente.1. Diminuzione di pressione2. Aumento di pressione3. Aumento di temperatura4. Aggiunta di volatili (H2O)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Per quali motivi una sorgente (mantellica o crostale) viene indotta alla fusione?IMPORTANTE DA RICORDARE:Una volta formato, il magma difficilmente arriva in superficie tal quale.Quasi sempre subisce importanti modificazioni della composizione chimica.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Cosa vuol dire questo?1. Le rocce formate dalla solidificazione di magmi generati per fusione parziale diretta dai due tipi principali di sorgenti (mantellica e crostale) sono relativamente rari.2. I vari tipi di rocce ignee esistenti in natura sono legate a processi di differenziazione secondaria che si verificano dopo che il magma si formato.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Per quale motivo un magma derivato dalla fusione parziale di una peridotite in genere non arriva in superficie?Le rocce di MANTELLO sono pi dense del fuso che pu essere prodotto da esse.

La differenza di densit tra fuso e solido fornisce la spinta verso lalto per galleggiamento del fuso stesso.r Peridotite = 3,2-3,5 g/cm3r Fuso basaltico = 2,7-2,9 g/cm3La differenza di densit (0,3-0,8 g/cm3) fornisce la spinta per la risalita del fuso.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Per quale motivo un magma derivato dalla fusione parziale di una peridotite in genere non arriva in superficie?Le rocce della CROSTA sono tipicamente meno dense dei fusi basaltici.

Le rocce della crosta continentale sono tipicamente pi leggere rispetto alle rocce del mantello e rispetto ai fusi basaltici.r Crosta Continentale = 2,3-2,8 g/cm3r Fuso basaltico = 2,7-2,9 g/cm3I fusi basaltici non riescono ad oltrepassare questa trappola di densit.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Per quale motivo un magma derivato dalla fusione parziale di una peridotite in genere non arriva in superficie?Mantello(Molto denso)Crosta Bassa(Mediamente densa)Crosta Alta(Poco densa)Fuso BasalticoIl fuso risale perch meno denso delle rocce di mantelloAl livello della crosta inferiore il fuso si ferma nella risalita, staziona e comincia a raffreddarsiPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Differenziazione secondaria?I magmi possono subire variazioni chimiche (possono differenziarsi o evolversi) in seguito a vari processi. I pi importanti sono:1. Cristallizzazione frazionata2. Contaminazione crostale3. Mescolamento di magmiPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Differenziazione secondaria?

1. Cristallizzazione frazionata2. Contaminazione crostale3. Mescolamento di magmiPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Differenziazione secondaria?

1. Cristallizzazione frazionata

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Differenziazione secondaria?





2. Contaminazione crostale


2. Contaminazione crostale


3. Mescolamento di magmi


3. Mescolamento di magmi

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Tratteremo (sommariamente) questi processi evolutivi in seguito.Ora passiamo a vedere le possibili cause di formazione dei vari tipi di rocce ignee divise in termini di contenuto in Fe-Mg(femiche, intermedie e felsiche).Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Sorgenti delle rocce igneeRocce femiche: - Fusione del mantello (peridotite; roccia ultrafemica)

Rocce intermedie:- Fusione di rocce ultrafemiche e differenziazione magmatica (cristallizzazione frazionata e/o contaminazione crostale);- Fusione di rocce femiche;- Mescolamento tra magmi felsici e magmi femici.

Rocce felsiche:- Fusione di materiale povero in Fe-Mg (rocce crostali: sedimenti e sedimenti metamorfosati);- Fusione di rocce femiche;- Fusione di rocce ultrafemiche e differenziazione magmatica spinta (cristallizzazione frazionata e/o contaminazione crostale).Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Rocce femiche: - Fusione del mantello (ultrafemico)Tettonica delle placche: genesi delle rocce femicheVediamo adesso per quali motivi una roccia di mantello pu cominciare a fondere.Ditemi il nome di una roccia ignea vulcanica femica

MmmhhPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Genesi dei magmi per fusione da mantelloPerch un aggregato di minerali comincia a fondere?Diminuzione di PAumento di TAggiunta di volatili

Mmmhhh Fusione per decompressione?Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Genesi dei magmi per fusione da mantelloPerch un aggregato di minerali comincia a fondere?

In alta montagna fa pi caldo o pi freddo rispetto alla pianura?

Il principio di funzionamento dei sistemi di raffreddamento

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Genesi dei magmi per fusione da mantelloPerch un aggregato di minerali comincia a fondere?

SuperficieAltitudine (m)Pressione atmosferica (mb)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Genesi dei magmi per fusione da mantelloPerch un aggregato di minerali comincia a fondere?Profondit (m)1000200025Temperatura (C)50753000Il gradiente adiabatico dei gas molto elevato perch si espandono (raffreddano) pi facilmente dei liquidi.Il gradiente adiabatico dei liquidi relativamente basso perch si espandono (raffreddano) pi difficilmente.~10 C/km~1 C/kmIl gradiente adiabatico dei solidi molto basso perch si espandono (raffreddano) poco.~0,6 C/kmDi quanto si raffredder un volume di mantello portato da 200 km fino alla superficie?Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Genesi dei magmi per fusione da mantelloTemperaturaPressioneSolidoLiquidoInizio fusioneFusione completaLiquidoInizio fusioneFusione completaLiquidoInizio fusioneFusione completaCurva di SOLIDUSCurva di LIQUIDUSTutto solidoTutto liquidoSolido + liquidoDecompressione: raffreddamento con fusione!Aumento di temperatura = fusioneAggiunta di volatili = fusionePetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014La Wadsleyite e la ringwoodite possono contenere fino al 2-3% di H2ODiminuzione di PAumento di TAggiunta di volatili

From: Hirschmann (2006) Ann. Rev. Earth Planet. Sci. Lett., 34, 629-653Aumento di PIl mantello inferiore non contiene minerali idrati.Cosa succede se una roccia con wadsleyite viene trasportata nel mantello inferiore?Rilascio di H2O, quindiPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Come fa una regione del mantello a subire decompressione?(ossia: come fa a diminuire la pressione?)Tettonica delle placche: genesi delle rocce femicheNei casi in cui la litosfera (sia continentale che oceanica) in fase di distensione (ossia un continente che si sta fratturando o nel caso di due placche litosferiche che si separano).I fusi parziali del mantello possono raggiungere la crosta e anche la superficie.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014I basalti sono le rocce pi comuni della crosta, soprattutto a causa della costante attivit ignea delle zone di distensione, come le dorsali medio-oceaniche. Fusione per decompressione:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014I basalti sono le rocce pi comuni della crosta, soprattutto a causa della costante attivit ignea delle zone di distensione, come le dorsali medio-oceaniche. Fusione per decompressione:

Trappola di densitPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

MORBMid-Ocean Ridge Basalts (basalti di dorsale medio-oceanica)Fusione per decompressione:Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Fusione per decompressione:

Rift ContinentaleAnche la crosta continentale pu essere soggetta a fenomeni di distensione, favorendo la decompressione delle rocce del mantello e la formazione di fusi basaltici. Questo quello che avviene quando placche continentali divergono in zone di rift (es. nellAfrica orientale o, in modo pi spinto, nel Mar Rosso) o in zone di trans-tensione (es. Mar Morto).Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Rift ContinentaleFusione per decompressione:East African Rift System

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Rift ContinentaleFusione per decompressione:East African Rift System

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Fusione per decompressione:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Rift ContinentaleFusione per decompressione:

IslandaPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Fusione per decompressione:Formazione di un oceano

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Fusione per decompressione:

Formazione di un oceanoPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Fusione per decompressione:

Formazione di un oceanoPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Fusione per decompressione:Formazione di un oceanoATTENZIONE:Non tutti i rift continentali evolvono in bacini oceanici!Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaNel 1971 venne proposta per la prima volta la teoria dellHot Spot (Punto Caldo) o Mantle Plume (Pennacchio di mantello).

Cos (o, meglio, cosa sarebbe) un Mantle Plume?

Un Plume di mantello rappresenta una risalita convettiva di mantello allo stato solido.Tale risalita sarebbe causata da unanomalia termica alla base del mantello (contatto mantello-nucleo). Il mantello pi caldo a causa del contrasto in densit (pi leggero) subirebbe una spinta verso lalto.Fusione per aumento di calore:Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaNel 1971 venne proposta per la prima volta la teoria dellHot Spot (Punto Caldo).

Il ricercatore che propose questo modello (J.P. Morgan) cercava di spiegare tre fenomeni molto importanti:

1. Elevata produttivit magmatica (attivit magmatica molto voluminosa in tempi geologici relativamente molto brevi);2. Immobilit dei vari Punti Caldi;3. Catene lineari di isole oceaniche.Fusione per aumento di calore:Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaNel 1990 fu dimostrato in laboratorio che i plumes di mantello potevano veramente verificarsi.Come?Utilizzando una tanica con liquidi a differente densit e viscosit (es. silicone e sciroppo di glucosio).Fusione per aumento di calore:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaFusione per aumento di calore:

Lohmann et al. 2009 (EPSL)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaFusione per aumento di calore:

Direzione di movimento della placcaVulcani estinti pi antichiVulcano Hot SpotPetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaFusione per aumento di calore:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaFusione per aumento di calore:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaQuanti mantle plumes sono stati identificati?Fusione per aumento di calore:Da: U.S. Geological Survey's "This Dynamic Earth"

Qui sono riportati le localizzazioni dei principali 25 ipotetici mantle plumes.

Il numero totale ha superato i 200 alla fine degli anni 90Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaIn rosso sono identificati gli espandimenti basaltici ritenuti essere generati in conseguenza dellimpatto di un mantle plume con la superficie terrestre.Fusione per aumento di calore:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaNumerosi sono i problemi riguardanti lipotesi dei mantle plumes. In particolare:

Ci sono poche evidenze che i mantle plumes siano regioni effettivamente calde. In pratica gli Hot-Spots non sono particolarmente Hot.La temperatura misurata (come HFU) in aree ritenute calde o Hot-Spot non pi elevata rispetto ad aree senza attivit vulcanica;Aree con HFU leggermente superiore alla media non sono caratterizzate da attivit vulcanica;Zone anomalmente calde dovrebbero essere caratterizzate da velocit delle Vp e Vs pi basse, ma questo non si registra sempre;Fusione per aumento di calore:Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaNumerosi sono i problemi riguardanti lipotesi dei mantle plumes. In particolare:

Tutte le aree dove si verifica vulcanismo sono aree Hot. In teoria i luoghi dove sono presenti i vulcani sono tutti punti caldi o Hot-Spot;Alcuni di questi ipotetici mantle plumes avrebbero generato piccoli volumi di magmi;Molte catene oceaniche non hanno unet progressiva;Tutti i cosiddetti Hot-Spot si trovano lungo fratture litosferiche o al limite di placche;Lo studio geochimico dei prodotti generati da Hot-Spot indica la possibilit di unorigine molto pi superficiale.Fusione per aumento di calore:Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaCosa viene proposto allora per contrastare lipotesi dei mantle plumes?

Plate Tectonic Processes(Processi legati alla tettonica delle placche)

Questo approccio chiamato anche

TOP-DOWN TECTONICSFusione per aumento di calore:In pratica lattivit magmatica non legata a processi tipo Bottom-Up ma a dinamiche pi superficiali, tipo Top-Down.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Plume di mantello: Punti caldi nella crostaIN CONCLUSIONE:Io non credo molto allesistenza dei mantle plumes.

Vi consiglio vivamente di consultare il sito:

www.mantleplumes.orgFusione per aumento di calore:

Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014Isole di arco: convergenza di placche oceanicheFusione per aggiunta di volatili (H2O + CO2):

Si raffredda il mantello e si innesca la fusione parzialeTemperaturaPressioneTemperaturaPressione(a)(b)Fusione del cuneo di mantelloQui c fusioneQui NON c fusione(a)(b)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Fusione per aggiunta di volatili (H2O + CO2):Volatili e fusi rilasciati dalla placca in subduzioneCuneo di mantello(dove avviene la fusione indotta dallabbassamento della T di solidus)Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Granuli dei sedimentiAcquaAstenosferaLitosfera oceanicaBasaltiSedimentiCosa succede ad una spugna piena dacqua se la stringete tra le mani?LH2O rilasciata permea il cuneo di mantello che in questo modo comincia a fondereFusione per aggiunta di volatili (H2O + CO2):Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Granuli dei sedimentiAcquaAstenosferaLitosfera oceanicaBasaltiSedimentiLH2O rilasciata permea il cuneo di mantello che in questo modo comincia a fondereTemperaturaPressioneMagmatismo di margine continentaleTutto solidoTutto liquidoSolido + liquidoCosa succede ad una spugna piena dacqua se la stringete tra le mani?Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014In realt il discorso sulla fusione parziale del mantello MOLTO pi complicato e molti pi parametri entrano in gioco.Ad esempio i volatili entrano in gioco anche in regioni intraplacca ed il ruolo della CO2 di fondamentale importanza nel determinare la pressione e la temperatura alla quale il materiale del mantello (peridotiti + pirosseniti) pu cominciare a fondere.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014CreditsAlcune figure e schemi da:

J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous PetrologyPress, Siever, Grotzinger, Jordan Understanting EarthTarbuck e Lutgens An introduction to physical geologyG.R. Foulger Lezioni per il corso Frontiers of Earth SciencePetrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

Per commenti, chiarimenti o informazioni su queste slides:

[email protected] anno cerco di migliorare la qualit della presentazione ed aggiungo nuove informazioni. Cercate quindi su internet di scaricare sempre la versione pi aggiornata di queste slides.Petrografia (Scienze Geologiche) Michele Lustrino. Univ. La Sapienza Roma A.A. 2013/2014

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