Magmă

Flux de lavă hawaiană de tip Pahoehoe

În vulcanologie , magma este un sistem complex de roci topite, incluzând apa, alte fluide și substanțe gazoase dizolvate în ea și fenocristale , în cazul în care nu s-au depășit condițiile de presiune și temperatură ale lichidului .

Din punct de vedere geochimic, magma este distinctă de lavă , deoarece are încă componenta gazoasă dizolvată. Magma este prezentă numai în situații hipogene , deoarece, când magma scapă din scoarță prin aparate vulcanice , devine lavă , pierzând o parte din componentele sale volatile, cum ar fi apa și gazele dizolvate, deoarece nu mai există condiții de presiune suficiente pentru a le menține în soluție în masa. ronronare.

Natura magmei

Magma poate fi definită aproximativ ca un fluid vâscos cu temperatură ridicată și presiune ridicată care, atunci când este răcit, formează roci magmatice . În natură, magma este de fapt un sistem complex, eterogen, constând dintr-o fază lichidă de silicat , o fază gazoasă dizolvată și o fază solidă compusă din unul sau mai mulți componenți, care în unele condiții pot fi absente (magme supraîncălzite). Faza solidă este constituită din cristale separate de topitură și eventual de xenoliți rupți și încorporați în timpul ascensiunii. Faza gazoasă este constituită în principal de apă în stare de vapori (care provine apă juvenilă în timpul degazării), CO ₂ și, în mod secundar, de compuși de hidrogen , sulf , oxigen și elemente rare ; faza gazoasă poate fi mai mult sau mai puțin abundentă și modul său de eliberare guvernează mecanismele eruptive.

De obicei, o magmă este în principal de natură silicată , cu o compoziție chimică variabilă pentru magmă (40-75% din siliciu ) și îi afectează proprietățile fizice. În plus față de apă și siliciu, o magmă conține în general unele elemente chimice precum aluminiu, fier, magneziu, calciu, sodiu, potasiu, titan, fosfor, mangan și altele cunoscute ca oligoelemente, prezente cu procente de greutate mai mici de 0,1% .

În natură există și magme cu compoziție non-silicată, dar sunt foarte rare și dau naștere la produse care sunt identificate de faza minerală predominantă; cele mai cunoscute produse sunt carbonatitele , roci compuse din peste 50% din carbonați primari.

Mișcări de magmă

O magmă se poate ridica în interiorul scoarței terestre la suprafață și poate da naștere unui flux ( activitate efuzivă ) sau a unui flux piroclastic ( activitate explozivă ). Fluidul magmatic este adesea concentrat în interiorul unei camere de magmă , în scoarța terestră, dar formarea acestuia poate avea loc și la adâncimi mai mari, în manta . Magma se găsește, în general, la o temperatură cuprinsă între 650 și 1 200 ° C. Compoziția chimică a magmei este extrem de variabilă și îi caracterizează sursa, de aceea poate fi utilizată ca parametru pentru clasificarea rocilor produse, atât în termeni compoziționali, cât și genetici.
Procesul vulcanic poate fi rezumat în patru etape:

geneza magmei prin topirea parțială a sursei (magma primară) sau anathexia crustală;
creșterea topiturii datorită contrastului densității cu rocile din jur;
stagnare într-o cameră magmatică în care are loc procesul fracționat de cristalizare și / sau amestecare (magme neprimare);
din camera magmatică topitura se ridică spre suprafață printr-o conductă care poate avea o formă cilindrică sau liniară.

Instruire

Compoziția rocilor terestre la momentul formării planetei noastre nu era atât de variată ca acum: rocile ultrafemice care au caracterizat mantaua primordială au suferit numeroase și repetate extracții de magmă prin procese de topire parțiale. Unele elemente cu intensitate redusă a câmpului, cum ar fi siliciu și alte nemetale, au fost extrase preferențial din aceste roci și apoi dau naștere la magme și, prin urmare, la noi roci, diferențiate. Rocile derivate din aceste prime magme au fost apoi preluate în procesele de topire ulterioare, inclusiv procesele anactectice, legate de subducția benzilor din scoarța terestră. Aceste procese se desfășoară și astăzi doar pe planete tectonic active, cum ar fi Pământul.

Magmele primare formate prin fuziunea parțială a mantalei pământului. Acest proces are loc în anumite condiții de presiune, temperatură și conținut de apă dizolvată în soluție: în general, creșterea temperaturii și a presiunii vaporilor favorizează topirea, în timp ce creșterea presiunii tinde să o scadă. Roca sursă care intră în topitura parțială este o rocă ultrafemică , o peridotită caracterizată printr-o compoziție sărăcită în silice . Această magmă se caracterizează printr-un conținut de silice de aproximativ 50% din greutate (este o valoare scăzută pentru o rocă), sărac în apă și gaze, este fluid și, prin urmare, rapid în traversarea scoarței terestre și din aceasta derivă lava de bază. Rata ridicată de ascensiune a acestor magme împiedică răcirea lor, astfel încât temperatura în momentul erupției poate fi, de asemenea, în jur 1 200 ° C.
Magmele secundare sau acide sau anathexisice: se formează în condiții particulare de subducție a scoarței terestre: porțiuni din scoarță sunt împinse la adâncime și, prin urmare, în condiții de presiune și temperatură similare celor care favorizează topirea mantalei. Cu toate acestea, roca care se topește are o compoziție acidă, adică îmbogățită cu silice. Magmele acide se formează și prin diferențierea magmatică după cristalizarea fracționată : datorită creșterii lente și răcirii progresive a unei magme de bază care pierde treptat mineralele mai feminine, cum ar fi olivina . Sunt magme bogate în siliciu și adesea în apă . Ca urmare, acestea sunt deosebit de vâscoase și tind să se solidifice în scoarța terestră formând un pluton . Rareori ajung la suprafața pământului și atunci când ajung, se întâmplă violent și exploziv.

Tipuri de magmă

Magmele (și rocile care derivă din ele) pot avea compoziții diferite, astfel cristalizarea poate duce în diferite cazuri la roci care diferă între ele prin tipurile de minerale pe care le agregă. Magmele sunt clasificate în prezent în funcție de procentul de silice prezent în topitură: pe această bază, magmele sunt împărțite în: acid, neutru, bazic și ultra-bazic.

Magmele acide . Sunt foarte bogate în siliciu și aluminiu , dând naștere unor roci cu o densitate de aproximativ 2,7 g / cm³, formate din câțiva nesosilicați și mulți inosilicați și tectosilicați precum silice, care se solidifică în cristale de cuarț . În total, silica atinge peste 65% din greutate. Rocile derivate din aceste magme se numesc acide sau sialice (de la inițialele celor mai abundente elemente, siliciu și aluminiu).
Magmele neutre . Au o compoziție intermediară (de la 52 la 65% în greutate silice) și dau naștere rocilor neutre, cu o densitate mai mare decât cea a rocilor acide și cu un raport echilibrat între aluminosilicați și silicați.
Magmele de bază . Au o cantitate mică de silice (mai puțin de 52%), dar sunt relativ mai bogate în fier , magneziu și calciu ; dau naștere unor roci în general întunecate (de la verde la gri închis și negru), cu o densitate apropiată de 3 g / cm³; sunt alcătuite din numeroși inosilicați și fără cuarț: rocile derivate din aceste magme se numesc de bază sau, generic, femice (de la inițialele fierului și magneziului).
Magmele ultra-bazice (foarte sărace în silice). În aceste magme, partea de silice este mai mică de 45% din greutate. Rocile pe care le dau naștere sunt numite ultrabazice sau ultrafemice; toate sunt de culoare foarte închisă, au o densitate mare (3 g / cm³ sau mai mare) și sunt formate din silicați de fier și magneziu.

Structura lichidelor silicatice

Lichidele de silicat au o structură care prefigurează cea a mineralelor (silicat) de la care vor proveni prin răcire: ele constau în esență din două unități elementare, care pe baza funcției lor sunt definite ca constructori de structuri și modificatori de structură. Primele sunt reprezentate de tetraedre de siliciu și oxigen (SiO 4− 4 ), conectate între ele în polimeri de diferite structuri; elementele modificatoare sunt cationii metalici care tind să se lege de anionii de oxigen , întrerupând lanțul de silicat. Astfel de elemente sunt, de exemplu: potasiu (K ⁺ ), sodiu (Na ⁺ ), calciu (Ca ²⁺ ), magneziu (Mg ²⁺ ).

Aluminiul (Al ₂ O ₃ ) poate îndeplini atât funcția de constructor, înlocuind siliciul din tetraedru, cât și de modificator, presupunând o coordonare octaedrică . Condițiile care reglementează poziția Al ³⁺ sunt compoziția chimică a magmei și presiunea: în același mol % din _SiO2 în condiții de presiune joasă Al ³⁺ presupune , de preferință , o coordonare tetraedrică dacă moli% Al ₂ O ₃ sunt mai mică decât suma mol% a metalelor mono și divalente (Na ₂ O, K ₂ O, CaO, MgO etc.). Coordonarea octaedrică a Al ³⁺ este favorizată de creșterea presiunii.

Proprietățile fizice ale magmelor

Densitate

Densitatea unei magme depinde în esență de compoziția sa: variază de la aproximativ 2,2 g / cm³ pentru magmele acide la aproximativ 2,8 g / cm³ pentru magmele bazaltice; crește odată cu presiunea și scade odată cu temperatura și cu conținutul de H ₂ O. Contrastul de densitate dintre magmă și mediul înconjurător reglează creșterea topiturii. În cadrul sistemului magmatic, contrastul densității dintre lichidul rezidual și fazele minerale segregate reglează mecanismul prin care are loc procesul de cristalizare fracționată .

Viscozitate

Vâscozitatea (η) a unei magmă este rezistența se opune debitului și se măsoară în poise sau Pascal secunde. Inversul său este fluiditatea. Vâscozitatea este puternic influențată de structura internă a lichidului, astfel încât topiturile de silicat puternic polimerizate au o vâscozitate ridicată. Prezența elementelor volatile sau a apei, pe de altă parte, are efectul opus, reducând vâscozitatea, care este influențată și de presiune și temperatură.
Vâscozitatea pentru temperaturi mai mari decât cele ale lichidului , adică în absența fazelor cristalizate, este exprimată ca:

$\eta =A_{\eta }^{(E^{*}+PV^{*}) \over RT}$ ${\ displaystyle \ eta = A _ {\ eta} ^ {(E ^ {*} + PV ^ {*}) \ over RT}}$ ${\ displaystyle \ eta = A _ {\ eta} ^ {(E ^ {*} + PV ^ {*}) \ over RT}}$

unde este:

η = vâscozitate
A _η = constantă
E * = energie de activare
P = presiune
V * = volumul de activare
R = constanta gazului
T = temperatura

Solubilitatea apei și a altor constituenți volatili

După cum sa menționat deja, magma poate conține componente volatile, a căror eliberare, în procesul de veziculare, influențează puternic tipul de activitate vulcanică. Gazele magmatice au o compoziție chimică foarte complexă și variabilă. Componenta principală este cu siguranță H ₂ O , care este adesea asociat cu CO ₂ în cantități chiar semnificative. În cantități mai mici găsim HCI , HF , H ₂ S , S , SO ₂ , SO ₃ . Gazele magmatice pot fi, prin urmare, considerate ca asociații de H, C, S și O, care dau naștere compușilor care se schimbă în funcție de presiune și temperatură.

Diferențierea magmatică

Diferențierea magmatică este ansamblul proceselor prin care, pornind de la o magmă progenitoare specifică, pot să apară asocieri de roci cu compoziții mineralogice și chimice foarte diferite. Pe scurt, fenomenul este cel care duce la formarea diferitelor tipuri de roci magmatice pornind de la aceeași topire inițială. Plecând de la o magmă, mineralele care se răcesc la cele mai înalte temperaturi se solidifică mai întâi, lipsind topirea anumitor ioni, schimbând astfel conținutul chimic al topiturii rămase.

Diferențierea poate avea loc prin:

Fracționarea prin gravitație: o acumulare descendentă a cristalelor mai grele; dacă se repetă de mai multe ori duce la o stratificare a rocilor ultramafice în partea de jos, mafică în centru și felsică în partea de sus.
Compresie: Fluidul este injectat în fracturi și lasă cristalele la locul lor.
Amestecarea: magmele de diferite origini și origini se reunesc.

Un mecanism eficient pentru separarea diferitelor minerale de lichid este reprezentat de gravitație. În reziduurile încă lichide ale unei magme solidifiante, magneziul , calciu și fier lipsesc din ce în ce mai mult, în timp ce sodiul , potasiul și siliciul sunt dobândite. Pe lângă procesele gravitaționale, diferențierea magmatică poate apărea prin procese gazoase, transportul cărora eliberează substanțe dizolvate. O variație a chimismului original poate fi asociată cu contaminarea prin asimilarea rocilor învelitoare, dând naștere magmelor hibride.

Pe măsură ce reziduul topit se răcește, diferitele cristale se formează la temperaturile lor cu schimbarea consecventă a chimismului topiturii reziduale (cristalizare fracționată).