Aspetti didattici. 4. La cristallizzazione
Da magma a roccia: la cristallizzazione
Il magma è un sistema complesso, con molti componenti, una fase liquida non necessariamente omogenea, varie fasi gassose (disciolte o separate a seconda delle relative pressioni parziali), variabili quantità di fasi solide immerse nel liquido.
Non è l'esempio più semplice da portare quando si parla ai ragazzi di trasformazioni di stato...
L'argomento generale deve essere già stato affrontato in modo adeguato, possibilmente sulla base di osservazioni dirette dei passaggi di stato, e con una estesa discussione degli aspetti fondamentali. Se sono state effettuate e discusse alcune esperienze pratiche (acqua-ghiaccio, cristallizzazione da soluzioni, passaggi di stato dell'acido stearico, cristallizzazione su un vetrino da microscopio del salolo ecc..) si può mettere in evidenza la differenza principale - o almeno quella che ci interessa di più adesso: non cristallizza una fase sola (come avveniva per il ghiaccio al diminuire della temperatura o per il solfato di rame in soluzione all'aumentare della concentrazione, v. filmato) ma si formano cristalli di diverse fasi, a temperature diverse.
Quando il magma si raffredda, cioè, cominciano a cristallizzare minerali, ciascuno (in generale) caratterizzato da un certo intervallo di temperatura in cui fonde (o cristallizza). Mano a mano che il calore si disperde, infatti, la temperatura del magma diminuisce e scende al di sotto della temperatura di fusione dei vari minerali. Questi cristallizzano in sequenza, da quello con la temperatura di fusione più alta a quello con la temperatura di fusione più bassa. L'ordine di cristallizzazione è esattamente l'inverso di quello che avviene nel processo di fusione.
La serie di Bowen
Bowen (**-**) studiò la sequenza dei minerali che cristallizzavano durante il raffreddamento di un magma. Per fare questo, riduceva in polvere sia rocce magmatiche sia miscele di composti chimici simili alla composizione delle rocce magmatiche reali; introduceva poi queste polveri in recipienti di acciaio ("bombe") capaci di resistere ad altissime temperature e pressioni interne, senza esplodere (ma qualche volta sono esplose...). Portava questi reattori a temperature superiori a 1600°C, in modo da avere la fusione del campione, e poi li teneva per lungo tempo (ore, giorni, settimane) a temperature inferiori, per esempio 1400°C, in modo che cristallizzassero i minerali con punto di fusione più alto. Per "congelare" l'equilibrio così raggiunto, immergeva i reattori velocemente in acqua fredda e poi studiava cosa era successo. Il campione risultava formato da alcuni minerali, che poteva identificare con i raggi X e le analisi chimiche, e da vetro.
Bowen trovò che esistevano due sequenze di minerali che cristallizzavano a temperature via via più basse: una serie discontinua ed una serie continua.
La serie di reazioni discontinue (parte sinistra della figura)
Presenta un gruppo di minerali di ferro e magnesio ("femici"): dall'alto verso il basso sono olivina, pirosseno, anfibolo e biotite. Se il magma presenta una quantità sufficiente di silice, al diminuire della temperatura ciascun minerale della serie discontinua reagirà con il magma residuo e formerà il minerale che si trova immediatamente al di sotto nella serie. Dall'olivina si ottiene il pirosseno, dal pirosseno l'anfibolo, dall'anfibolo la biotite. In questi passaggi aumenta la frazione di silice nella composizione del minerale finale.
Esempio "ideale" di cristallizzazione. Partiamo da un magma basaltico. Il primo minerale a cristallizzare è l'olivina. Quando la temperatura diminuisce, il minerale stabile è il pirosseno: tutta l'olivina formata reagisce con il liquido e si forma il pirosseno. Quando la temperatura diminuisce ulteriormente, tutto il pirosseno presente reagisce con il liquido (il "fuso") e si forma anfibolo. Quando si entra nel campo di stabilità della biotite, a temperature inferiori, tutto l'anfibolo reagisce per formare biotite. Il risultato di questo processo dovrebbe portare a rocce magmatiche formate da sola biotite.... perché questo non avviene? Per esempio:
il magma di partenza potrebbe non contenere sufficiente silice per consentire le trasformazioni,
oppure la diminuzione di temperatura potrebbe essere stata troppo veloce per consentire alle trasformazioni di avere luogo.
Oppure ancora: la temperatura diminuisce molto lentamente, ma nel frattempo la fase solida formata si allontana dal liquido perché, per esempio, ha una densità maggiore e si accumula sul fondo della camera magmatica.
La serie di reazioni continue (parte destra del diagramma)
Presenta la serie dei plagioclasi, con formula (Ca,Na)(Al,Si)4O8. Il plagioclasio stabile ad alta temperatura contiene calcio e non sodio: CaAl2Si2O8. Il plagioclasio stabile a bassa temperatura contiene solo sodio: NaAlSi3O8 (notare che per ottenere il bilancio delle cariche nella formula chimica abbiamo dovuto anche modificare il rapporto Si/Al). Per temperature intermedie, il rapporto calcio:sodio varia in modo continuo, in funzione della temperatura. Partiamo per esempio da un cristallo con 100% Ca. Al diminuire di T, il cristallo reagisce con il fuso per formare un solido con 99%Ca e 1%Na. Con il procedere del raffreddamento, i cristalli formati reagiranno a loro volta con il fuso per formare solidi con 98%Ca e 2%Na e così via, in modo continuo. Perché avvengano queste reazioni continue, però, è necessario che il raffreddamento sia sufficientemente lento e che nel fuso ci sia sufficiente sodio e silicio. Il risultato finale sarà una roccia che contiene un plagioclasio in cui il rapporto Ca:Na è uguale a quello del magma di partenza.
In entrambe le serie di reazioni, il contenuto in silice (SiO2) dei minerali formati aumenta al procedere della cristallizzazione.
Quello che i geologi "deducono" della serie di Bowen:
1) La serie di Bowen ci consente di interpretare la condizioni chimiche e fisiche in cui un minerale è cristallizzato. Per esempio, l'olivina è un minerale di alta temperatura e pressione con un alto contenuto in ferro e magnesio e poco silicio. Trovare dell'olivina in una roccia, quindi, suggerisce qualcosa sulle condizioni (pressione, temperatura, composizione chimica) presenti al momento in cui la roccia ha cominciato a formarsi.
2) Dall'esame del diagramma è' possibile ottenere informazioni sulle associazioni di minerali presenti in una roccia, e sulle conseguenti esclusioni. Per esempio, un basalto conterrà olivina, pirosseno e plagioclasio calcico, ma non potrà contenere quarzo e feldspato potassico.
3) Le condizioni superficiali della crosta sono 1 bar e 25°C. I minerali che si trovano più in alto nella serie di Bowen sono anche quelli meno stabili in tali condizioni . Essi quindi reagiranno facilmente per formare minerali argillosi, più stabili nelle condizioni P-T di superficie. Un granito è formato sostanzialmente da quarzo, feldspato potassico e muscovite. Feldspato e muscovite si alterano facilmente, mentre il quarzo è assai più resistente. I prodotti dell'alterazione vengono erosi e depositati altrove e ci aspettiamo di trovarvi molto quarzo, un po' di feldspato e muscovite, per niente olivina e plagioclasio calcico. Una sabbia in cui siano presenti olivina e pirosseni è una sabbia giovane (geologicamente), perché nemmeno olivina e pirosseno hanno avuto il tempo di alterarsi.
4) Rocce che si trovano in alto ed in basso nella serie di Bowen non dovrebbero trovarsi nello stesso affioramento. Le condizioni che producono i basalti non sono le stesse che producono una riolite. Se le due rocce si trovano assieme, è probabile che provengano da due magmi diversi.
La cristallizzazione frazionata
Immaginiamo ora una grossa intrusione di magma basaltico, dell'ordine del migliaio di km3, a 20 km di profondità. Raffredderà molto lentamente, formando grossi cristalli.
I primi saranno olivina e plagioclasio calcico. Per differenza di densità, affonderanno nel liquido e si depositeranno sul fondo. A questo punto, saranno isolati rispetto al magma liquido, e non potranno più reagire con quest'ultimo. Al diminuire della temperatura resteranno comunque presenti, formando uno strato di olivina e plagioclasio calcico sul fondo della camera magmatica (gabbro).
Quando la temperatura raggiunge la temperatura di cristallizzazione del pirosseno e del plagioclasio calcio-sodico, si formerà un nuovo strato, o due nuovi strati, sulla base della diversa densità (diorite). In questo processo vengono sottratti al fuso gli elementi Fe, Mg, Ca (e poco Na).
Il magma quindi si arricchisce in proporzione di Na, K, Si e Al. Lo strato successivo sarà formato da anfibolo e plagioclasio sodico-calcico.
Il magma residuo ha composizione granitica. Cristallizzano biotite e plagioclasio sodico. Il magma residuo, ricco in Na, K e Si, formerà un granito.
L'ordine di cristallizzazione rappresentato nella serie di Bowen, e l'effetto della gravità, possono farci capire come da un magma basaltico possa, alla fine, cristallizzare un granito.
Tutto questo ci può dare almeno un'idea del perché, nonostante siamo partiti da due o tre magmi diversi, abbiamo poi decine di rocce magmatiche molto diverse tra loro.
La viscosità
In costruzione....
I materiali
In costruzione....
Osservo dei cristalli ben formati (discussione)
Guardo con la lente le dimensioni dei cristalli.
I modelli
(nota: abbiamo esaminato l'uso di modelli nelle scienze della Terra , pagina ancora in costruzione)
Modello formazione di cristallo o vetro
Il modello un po' naive che è riportato qui accanto, e che viene descritto nella sezione dedicata ai "Vulcani" per spiegare la differenza tra un vetro ed un cristallo, era stato pensato per i ragazzi delle scuole medie (in terza).
In realtà, ci siamo accorti che è utile anche alle scuole superiori per discutere vari aspetti del fenomeno che non sono affatto scontati. Per esempio: perché - avendo tempo a sufficienza - si formano delle strutture ordinate? Qual è la vera differenza tra le due situazioni finali? E poi, è sufficiente avere tempo?
[Stabilità, metastabilità ecc..., ma anche rapporto tra velocità di nucleazione e velocità di accrescimento. Tutti argomenti non banali...]
Simulazione-gioco della cristallizzazione
Una versione di questo gioco era stata discussa in una lezione in cui era emersa la difficoltà di spiegare ai ragazzi della scuola media perché le rocce intrusive presentano cristalli grandi e le rocce effusive non presentano cristalli, o ne presentano alcuni grandi immersi in una matrice apparentemente omogenea. Addirittura, l'obiettivo era far distinguere il caso di un magma fluido (viscosità bassa, alta temperatura, presenza di acqua) dal caso di un magma poco fluido (bassa temperatura, alta viscosità, assenza di acqua).
L'idea di fondo è quella di dare a ciascun ragazzo un "pezzetto" (nel nostro caso di Lego, ma vanno bene anche dei cartoncini colorati) con il quale deve costruire un "cristallo" attaccandolo in modo opportuno agli altri pezzetti. La regola potrebbe essere quella del colore (solo pezzetti dello stesso colore possono agganciarsi insieme) oppure quella della forma ecc.
