Petrología Ígnea: El magma y sus características Fundamentos de Petrología GL 41C Prof. Martin Reich 12/03/2007
Mecanismos de generación de magmas Aumento de temperatura Descompresión Adición de volátiles
- fluidez? - volátiles/gases? - explosividad? Puu oo, Hawaii
- fluidez? - volátiles/gases? - explosividad? Etna, Sicilia
- fluidez? - volátiles/gases? - explosividad? Lonquimay, Chile
- fluidez? - volátiles/gases? - explosividad? Villarrica, Chile
Monte St. Helena, Washington, USA - fluidez? - volátiles/gases? - explosividad?
Líquido? Sólido? Temperatura? Estructura cristalina? Densidad? Viscosidad? Volátiles?
Estructura y composición de los magmas MAGMA = mezcla silicatada y viscosa compuesta por 3 fases: FUNDIDO o LIQUIDO + CRISTALES + GAS FUNDIDO o LIQUIDO: en general es de composición silicática, pero puede ser sulfídica o carbonática Componentes químicos principales: Cuáles son los elementos más abundantes en la corteza? O-Si-Al-Fe-Ca-Mg-Na-K-Ti-Mn Los componentes químicos principales en los magmas, en general: SiO 2 > Al 2 O 3 > FeO, Fe 2 O 3 > MgO > CaO > Na 2 O > K 2 O [wt%] Qué es un componente y una fase, de un punto de vista termodinámico?
Estructura del fundido (líquido) En la clase anterior vimos que los magmas se formaban por fusión de rocas del manto. La pregunta es, cuál es la estructura atómica de los magmas?
Supongamos (sólo para ejemplificar!) que una roca del manto está compuesta de albita (NaAlSi 3 O 8 ):
fundido (o vidrio) amorfo aumentar T mineral estructura cristalina tomado de Henderson et al., (2006) Elements
Elementos formadores de redes (network formers): cationes de coordinación 3 o 4, que tienen tendencia a formar enlaces con el oxígeno ( puentes de oxígeno o bridging oxygens ) Si 4+, Al 3+ Na +, K + Elementos modificadores de redes (network modifiers): cationes que tienden a modificar las redes, y producen oxígenos unidos a sólo 1 elemento formador de red ( non-bridging oxygens ). Tienen coordinación 6 Fe 2+, Mg 2+, Ti 4+,H 2 O
Qué implica ésto de un punto de vista físico? Bajo contenido de sílice (SiO 2 ) Menor cantidad de elementos formadores de redes Redes (networks) más débiles Magma más fluido (menos viscoso) ejemplo: basalto
Propiedades físicas de los magmas En general, existen 2 propiedades físicas que influencian otras propiedades físicas de los magmas 1. Composición Contenido de SiO 2, varía entre 40 y 75 wt% SiO 2 2. Temperatura (T) Varía entre ~700 y 1400 C. En general, los magmas pobres en SiO 2 tienen temperaturas más bajas que los ricos en SiO 2 Magma basáltico - 1000 to 1200 o C Magma andesítico - 800 to 1000 o C Magma riolítico- 650 to 800 o C. Cómo sabemos la temperatura de los magmas? Método directo: medir la T de los magmas (ej. Hawaii) Método indirecto: realizar exprimentos y medir T
3. Viscosidad (η) La viscosidad es la resistencia a fluir ante el esfuerzo, y se mide en Pa.s = 1 poise η=f(t, P, SiO2, qq cxs, gas) 3.1 Efecto de la temperatura Ramsay, Volcanology Online Course Al disminuir T, el los componentes del magma comienzan a formar más enlaces, cristales, etc., haciendo el magma más viscoso
3.2 Efecto del contenido de cristales El contenido de cristales aumenta o disminuye la viscosidad? η cxs =η 0 (1- Φ) -2.5 η cxs : viscosidad con cristales η 0 : viscosidad sin cristales Φ: factor de empaque ~1.67 3.3 Efecto del contenido de SiO2 La sílice aumenta o disminuye la viscosidad? Si:O K (Pa*s) rock type 1:2 0.02 basalt 1:2.5 0.15 1:3 2.8 1:4 10 9 rhyolite
3.4 Efecto del contenido de volátiles (gases) El contenido de volátiles aumenta o disminuye la viscosidad? Los volátiles (ej. H 2 O) son elementos modificadores de redes, por ende rompen enlaces y redes de polihedros % volátiles = f (T, P) - Si aumenta T? - Si aumenta P? 3.4 Efecto de la presión La presión aumenta o disminuye la viscosidad? Depende de cambios de fase, cristalización, cambios en la estructura del fundido, etc.
4. Densidad (ρ) La densidad = masa/unidad de volúmen (grs/cm 3 o kg/m 3 ) ρ =f(t, P, composición) La densidad aumenta o disminuye con la temperatura, presión y contenido de SiO2? La densidad disminuye con la temperatura, y aumenta con la disminución de SiO2 (magmas komatíticos menos densos que los magmas riolíticos). La densidad aumenta con la presión.
Comportamiento reológico de magmas - La viscosidad está relacionada con el esfuerzo (stress) y la deformación (strain) - Esto implica que bajo un determinado stress, un magma reaccionará vía deformación a través de una proporcionalidad de η - Esta relación puede ser lineal, exponencial, etc., y determina el comportamiento reológico de los magmas Relaciones de viscosidad 1- Comportamiento elástico lineal σ=eε τ=ηε - Típico para la mayoría de los sólidos y fluidos - Aquellos fluidos que cumplen esta ley se denominan Newtonianos
2- Comportamiento plástico Bingham (no-newtoniano) - En este caso el stress es proporcional a la razón de deformación (dε/dt) luego de la aplicación de un stress inicial (τ) σ= τ + η(dε/dt) - τ se conoce como esfuerzo límite (yield stress) y es el resultado de la presencia de cristales, burbujas, etc. en el fluido
3- Comportamiento de potencia - En este caso el stress es exponencialmente proporcional a la razón de deformación (dε/dt): σ= η(dε/dt) n - si n<1, el comportamiento se denomina pseudo-plástico - si n>1, el comportamiento se denomina reopéctico (o tixotrópico) 4- Comportamiento híbrido - En este caso el stress es exponencialmente proporcional a la razón de deformación (dε/dt) luego de la aplicación de un stress inicial : σ= τ + η(dε/dt) n
- si τ=0, n=1 y t=0 es fluido es? Generalización σ= τ + η(dε/dt) n Newtoniano (ej. agua) - si τ 0, n=1 el fluido es? Bingham (ej. lavas poco viscosas) - si τ=0, n 1 el fluido es? Pseudo plástico (ej. lavas más viscosas) - si τ se hace muy grande (ej. debido a una costra endurecida), el flujo se hace muy lento (ej. domos silícicos)