Aspetti didattici. 2. Fusione parziale
Tratto da Earth Learning Idea che potete scaricare qui in formato pdf (testo in inglese). Il contenuto è in parte tradotto in questa pagina, insieme ad altro.
Fusione parziale - un processo semplice, con un enorme impatto globale
La fusione parziale, insieme alla tettonica delle placche,
ha cambiato la chimica sotto ai nostri piedi
Come avviene il processo di fusione di una roccia?
Le rocce sono formate da minerali diversi, che hanno diversi punti (temperature) di fusione. Quando la roccia raggiunge le opportune condizioni di temperatura e pressione, alcuni dei minerali cominciano a fondere. Si tratta dei minerali che hanno temperatura di fusione più bassa. I minerali con il più alto punto di fusione spesso invece restano allo stato solido, e affondano nel liquido che ha densità minore. Il materiale fuso, contemporaneamente, risale verso l'alto per differenza di densità. Quando solidifica (cristallizza) produrrà una roccia con una composizione diversa da quella di partenza, arricchita nei materiali con punto di fusione più basso.
Questo processo può essere mostrato utilizzando il modello di roccia mostrato in figura: un miscuglio di materiali (ghiaia e frammenti di cera) con punti di fusione diversi. Chiedere cosa ci si aspetta che succeda, quando si scalda il becher con il miscuglio, discutere e alla fine confermare le ipotesi fatte mostrando il secondo becher (oppure effettuare la fusione parziale su una piastra riscaldante, v. in fondo)
Discussione, ipotesi
Fusione parziale
Solido e magma hanno densità diverse
Si separano
Le due rocce finali avranno composizione diversa
Nelle rocce, i minerali che hanno temperature di fusione più basse sono quelli ricchi in silicio Si e ossigeno O, mentre quelli che hanno temperature di fusione più alte sono quelli più ricchi in ferro Fe e magnesio Mg.
Dove avviene la fusione?
Non c'è uno strato di roccia fusa sotto la crosta terrestre, pronto ad uscire fuori! Le rocce della crosta e del mantello superiore cominciano a fondere solo in poche e ben precise zone, in cui vengono 'disturbate' in qualche modo. I meccanismi possibili sono riportati nella pagina Genesi del magma.
La fusione parziale ha avuto (e continua ad avere) effetti a scala planetaria. Ogni volta che, nel ciclo della tettonica a placche, si hanno fenomeni di fusione parziale, si formano e si separano materiali con diversa composizione chimica e diverse proprietà fisiche.
Il punto di partenza di questi processi è il mantello, la cui composizione chimica è approssimabile con quattro elementi principali, in ordine di abbondanza decrescente: ossigeno, silicio, magnesio e ferro.
La crosta, d'altra parte, contiene molto più silicio ed ossigeno e molto meno magnesio e ferro del mantello.
Possiamo schematizzare la formazione di una crosta con questa composizione in diversi stadi (v. figura; cliccare per ingrandire)
In quali zone della Terra questi meccanismi sono attivi? Un indizio possiamo averlo dalla distribuzione dei vulcani sul globo terrestre. Per visualizzarla, potete utilizzare Google Earth, includendo il file Volcanoes.kml (scegliere l'opzione "Apri file" selezionando Google Earth come programma). Un altro modo di visualizzare questa informazione è scaricare Seismic/Eruption, di Alan Jones, un programma per visualizzare l'attività sismica e vulcanica nello spazio e nel tempo.
Che effetto ha questo processo?
Fase 1: fusione parziale del mantello sotto le dorsali oceaniche (per diminuzione della pressione dovuta ad assottigliamento della crosta). Il magma che si forma è più ricco in silicio ed ossigeno (e più povero in ferro e magnesio) della roccia di partenza. Il magma risale e si raffredda velocemente in superficie (fondo degli oceani), dove forma le dorsali vulcaniche e nuova crosta oceanica mano a mano che le placche si allontanano.
Dal sito http://blogs.agu.org/geospace/ "Þingvellir, Iceland – There aren’t many places in the world where you can walk along a “mid-ocean ridge” and still keep your feet dry. But here the separation of two vast slabs of Earth’s crust—a slow-moving drama usually hidden far below the ocean waves at the bottom of the sea—takes place in plain view. The North American plate is pulling away from the European plate, creating spectacular cracks in the lava-covered landscape and a wide rift zone. As the continental plates move apart, lava fills the gap creating a bed of fresh crust between them."
Fase 2: durante la subduzione, la crosta oceanica portata in profondità al di sotto di una placca oceanica può fondere a sua volta, producendo un magma ancora più ricco in ossigeno e silicio (e più povero in magnesio e ferro) della crosta oceanica di partenza. Il magma risale e forma gli archi di isole vulcaniche, spesso con eruzioni esplosive. [Nota: il magma che forma le isole vulcaniche si forma attraverso una serie di processi complessi, di cui la fusione parziale è solo uno dei meccanismi].
Fase 3: durante la subduzione, la crosta oceanica portata in profondità al di sotto di una placca continentale fonde parzialmente, ma fonde parzialmente anche la base della placca continentale. Di nuovo, il magma è più ricco in silicio ed ossigeno delle rocce di partenza e risale formando nuova crosta continentale con due diverse modalità: per raffreddamento lento all'interno della crosta, con formazione di rocce intrusive granitiche, o con violente eruzioni esplosive se raggiunge la superficie.
Attraverso questo meccanismo in tre fasi, si è differenziata la crosta dal mantello, e per quanto riguarda la crosta, si sono differenziate crosta oceanica e crosta continentale. Le rocce più ricche in silicio ed ossigeno, e più povere in ferro e magnesio, hanno infatti una densità minore delle altre e non possono essere subdotte e quindi portate in profondità. "Galleggiano" per sempre sulla superficie terrestre e formano i continenti. La maggior parte delle persone, quindi, vive su quella che possiamo considerare la "schiuma" dei processi della tettonica a placche.
Cosa succede quando il magma (basaltico o riolitico) cristallizza?
Visto che i tipi di magma sono così pochi, ci aspettiamo che le rocce magmatiche, che si ottengono dalla solidificazione del magma, siano anch'esse poche.... o no? Non è così semplice, in realtà.
Per vedere come le cose si complicano, vai al capitolo Cristallizzazione (frazionata)
Il ciclo diventa un ...biciclo
Quindi il magma si forma per fusione parziale del mantello o della crosta (oceanica e continentale). Aggiungiamo il mantello nel nostro ciclo, come sorgente di parte dei magmi e come destinazione delle placche in subduzione.
