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MAGMA Universidade Estadual Paulista Instituto de Geociências e Ciências Exatas Campus de Rio Claro Disciplina de Petrologia Magmática ☻MAGMA☻ ► Scope (1825) = “líquido composto”, consistindo de partículas sólidas suspensas em um líquido. ► Mixtura móvel de fases: Sólida Líquida Gasosa 1- porção líquida (melt) → rocha fundida 2- porção sólida → cristais formados a partir do magma ou fragmentos sólidos transportados pelo mesmo. 3- porção gasosa → voláteis, tais como H2O, CO2 , H2S, etc. ☻MAGMA☻ Depende (sob condições de equilíbrio) de 3 variáveis intensivas: Pressão (P) Temperatura (T) Concentrações de componentes químicos (X) MELT (líquido/fundido) ≠ MAGMA Melt = - apenas 1 parte do magma como um todo - está sempre presente - suas propriedades governam o comportamento dinâmico geral do magma Magmatismo Na superfície ↓ Vulcanismo Domínio profundo ↓ Plutonismo ORIGEM Núcleo externo = a única parte da terra que é líquida, porém... ...não tem a composição química correta = basicamente Fe ≠ magmas = líquidos silicáticos NÃO VÊM DO NÚCLEO EXTERNO!!! Crosta continental inferior: metamórficas (gnaisses, granulitos, anfibolitos) Manto: ultrabásicas (peridotitos) Principal fonte! Rochas Geradoras Fusão astenosférica gera volume muito maior de magma do que as fusões litosféricas o transporte de massa na astenosfera é muito mais rápido. Magmas primários ou ortomagmas: Origem muito profunda (manto superior, cristalização 700ºC a 1300 ºC, pobres em voláteis) – magmas basálticos Formados (in situ), sem ter sofrido processos de diferenciação COMO? Fusão parcial (partial melting/anatexis) Processo que cria um líquido magmático a partir de uma porção de rocha sólida. Porção líquida é extraída para formar o magma. Mas pq “parcial”??? Rocha = composta de diferentes minerais, cada um com seu próprio comportamento de fusão a fusão ocorre em uma faixa de temperaturas Líquidos - enriquecidos nos componentes de minerais com temperaturas de fusão mais baixas. Porção restante não fundida - composta de minerais com as mais altas temperaturas de fusão. Líquido/magma (menos denso) se separa da fonte, movendo-se para níveis superiores através de fraturas (diques) ou como diápiros. Fusão parcial (partial melting/anatexis) Fusão parcial em equilíbrio (batch) líquido em equilíbrio com o resíduo cristalino até o líquido se separar/deixar a fonte. Em um sistema fechado = reverso da cristalização em equilíbrio. Fusão parcial fracionada líquido gerado é imediatamente isolado do resíduo cristalino. Não ocorre reação entre líquido e cristais; Processo em desequilíbrio = não é o reverso da cristalização fracionada! Fusão parcial em equilíbrio (batch) L = fonte de lherzolito (Fo + En + Di) M = 1° líquido a se formar (mais enriquecido em SiO2 e Di q a fonte). Mais fusão = mais líquido de composição M. Equilíbrio invariante persiste – T e comp. do líquido permanecem constantes. Di exaurido – resíduo cristalino H = harzburgito (Fo + En). O líquido segue para baixo na curva liquidus, entre os campos “líq.+Fo” e líq.+En”. M’ coexiste em equilíbrio com H’. Mais fusão: líquido = M’’ – resíduo = D (dunito – Fo pura). Fo = forsterita/ En = enstatita/ Di = diopsídio P = 20 kbar Water-saturated Fusão parcial fracionada Começa como a anterior, com a geração do líquido M. Porém, cada parcela gerada de M é removida: deslocamento em linha reta de M para H (harzburgito) Mais fusão = produtos diferentes da do anterior. O sistema não tem “memória” de ter sido L, apenas H. MA (Fo + En) = único líquido q pode coexistir*. *Porém, requer aumento de 75°C para fundir. Por isso, não há mais fusão até chegar a 1295°C, onde o processo retoma, gerando o líquido MA, dissolvendo principamente En. P = 20 kbar Water-saturated ONDE? O magma só se forma em lugares especiais, onde certas condições desencadeiam a fusão da rocha sólida pré-existente: Descompressão Adição de voláteis Transferência de calor Fusão por DESCOMPRESSÃO Descompressão adiabática de rocha quente (manto), próxima da sólidus Sem troca de calor Principal mecanismo volumes gigantescos de magmas gerados Convecção = material do manto quente sobe para pressões/profundidades menores, carregando seu calor com ele Ambientes de geração de magma via fusão por descompressão Fusão devido à ADIÇÃO DE VOLÁTEIS (Flux Melting) • Aumento na concentração ou adição de água mudança química + importante q induz fusão. • CO2 e outros voláteis tb podem induzir fusão, mais localmente. • Pequenos aumentos na concentração de H2O = depressão significante da solidus em sistemas silicáticos. Fusão devido à ADIÇÃO DE VOLÁTEIS (Flux Melting) Mais significante em zonas de subdução: crosta oceânica hidratada subducta desidrata libera H2O advecção na cunha do manto acima Crosta oceânica = H2O + CO2 em espaços de poros em sedimentos e fraturas em basaltos. = basalto metamorfisado assembléias minerais hidratadas (hidrotermalismo nas cadeias oceânicas) aquecidas a centenas de km reações sequenciais de desidratação liberação de voláteis. Crosta continental Fusão devido à ADIÇÃO DE VOLÁTEIS (Flux Melting) Reações de desidratação em minerais acompanahndo o metamorfismo H2O fusão. Underplating de basaltos do manto cristalização H2O + CO2 fusão. Fusão por AUMENTO DE T (fluxo de calor) Movimento em massa de rocha/magma: Transferência de calor associada com movimento convectivo ou advectivo de rocha ou magma. T = Temperatura (1) Litosfera oceânica jovem e quente subductando absorve calor do manto ao redor (+ quente) fusão (2) Crosta continental inferior aquecida por intrusão de magma derivado do manto acima de placa subductando ou de manto ascendendo e descomprimindo (underplating) fusão (1) (2) Fusão por AUMENTO DE T (fluxo de calor) Trabalho mecânico de cisalhamento: Cisalhamento concentrado em certas zonas energia termal localizada ↑T reduz a viscosidade aparente até a T de fusão ser atingida fusão localizada em pequenos volumes. ☼ Impactos de meteoritos e zonas de falha Fusão por AUMENTO DE T (fluxo de calor) Energia termal gerada pelo lento decaimento de K, Th, U e outros. Taxa de produção muito baixa (dezenas de milhões de anos). Sozinho não consegue produzir perturbação suficiente na T para a fusão. Decaimento de isótopos radioativos: Fusão por AUMENTO DE T (fluxo de calor) Espessamento tectônico: Cinturões orogênicos = crosta espessada > 50 km Reajuste de geoterma = ↑T + > produção de calor radioativo = 600°C (30 km espessura) vai para 1000°C (50 km de espessura), acima da solidus de muitas rochas crustais. Em geral, é de composição silicática, mas pode ser sulfídica ou carbonática. ● Principais componentes químicos: ?Quais são os elementos mais abundantes na crosta terrestre? O-Si-Al-Fe-Ca-Mg-Na-K-Ti-Mn Os principais componentes químicos nos magmas, em geral: SiO2 > Al2O3 > FeO, Fe2O3 > MgO > CaO > Na2O > K2O [wt%] Composição química dos magmas Composição química dos magmas Convencionalmente expressa em termos de elementos maiores, menores (expressos como óxidos - SiO2, Al2O3, FeO...) e traços. Elementos maiores: em geral em quantidades superiores a 1% (SiO2, Al2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O, K2O); Elementos menores: em geral em quantidadesentre 0,1 e 1% (TiO2, MnO , P2O5); Elementos traços: em geral em quantidades inferiores a 0,1 % ; expressos em ppm (partes por milhão 1 % = 104 ppm): Rb, Sr, Ba, Ni, Cr, Zr, ETR (La-Lu), etc... Isótopos: expressos em razões entre isótopos (razões isotópicas) e/ou parâmetros específicos. Isótopos radiogênicos: 87Sr/86Sr; 143Nd/144Nd, Nd, etc...Isótopos estáveis: 18O, etc... Composição química dos magmas Quatro tipos principais de composição dependendo da proporção de sílica (SiO2) em relação ao MgO e FeO ou Fe2O3 no líquido: Magmas básicos (máficos) = quantidade relativamente alta de MgO e FeO em comparação com a sílica. Magmas ultrabásicos (ultramáficos) = proporção ainda maior de MgO e FeO, em relação à sílica. Magmas ácidos (félsicos) = proporção razoavelmente alta de sílica (SiO2) em comparação com MgO e FeO. Magmas intermediários = valores intermediários entre os magmas básico e ácido. Composição química dos magmas Em profundidade, todos os magmas contêm gás - o gás se exsolve à medida que a pressão é reduzida: Gases (voláteis) Principalmente H2O com algum CO2; Quantidades menores de enxofre (S), F, Cl e N; Os magmas ácidos geralmente têm maiores teores de voláteis que os magmas básicos. Composição química dos magmas Magma SiO2 (wt %) Outros componentes Ex. Rochas Ácido > 63 Baixo em Fe, Mg, Ca; alto em K, Na Riolito/Granito Intermediário 52 - 63 Intermediário em Fe, Mg, Ca, Na, K Andesito/Diorito Básico 45 - 52 Alto em Fe, Mg, Ca; baixo em K, Na Basalto/Gabro Ultrabásico < 45 >> Mg, Fe Peridotito Variabilidade Química dos Magmas A composição química do magma pode variar dependendo: Composição da rocha geradora; Grau de fusão parcial; Processo(s) que ocorre durante a fusão parcial e o transporte. Em geral, a fusão de uma fonte do manto (ex. granada peridotito) magmas básicos/basálticos = magmas primários. A fusão de fontes crustais magmas mais silicosos = magmas secundários. Variabilidade Química dos Magmas Em geral, magmas mais silicosos baixos graus de fusão parcial. Aumento no grau de fusão parcial composições menos silicosas. A fusão de uma fonte básica produz um magma ácido ou intermediário. A fusão de fontes ultrabásicas (peridotito) produz um magma basáltico. Variabilidade Química dos Magmas Processos que operam durante o transporte para a superfície ou durante o armazenamento na crosta: São referidos como diferenciação magmática e incluem: ►Assimilação ►Mistura ►Cristalização fracionada. Variabilidade Química dos Magmas Assimilação No caminho para a superfície, o magma pode incorporar elementos químicos dissolvidos de rochas da parede ou de blocos que se destacaram da parede e afundaram no magma. A adição deste material ao magma o tornará mais silicioso. Variabilidade Química dos Magmas Mistura Se dois magmas com composições diferentes entram em contato um com o outro, eles podem se misturar. O magma híbrido com composição em algum lugar entre as duas composições originais. Evidência de mistura frequentemente preservada nas rochas resultantes. Variabilidade Química dos Magmas Cristalização Fracionada Cada mineral começa a cristalizar a uma temperatura diferente minerais são de alguma forma ‘removidos’* do líquido a composição do líquido muda *- Cristais mais densos que o líquido = afundam. - Cristais menos densos que o líquido = flutuam. - Se o líquido for espremido pela pressão, os cristais serão deixados para trás. Minerais máficos (ex. olivina e piroxênio), cristalizam primeiro: remoção de Mg, Fe e Ca enriquecimento do líquido em sílica O fracionamento de cristais pode transformar um magma máfico em um magma félsico. Esses processos podem ocorrer em um mesmo sistema, concomitantemente... Cristalização dos Magmas Quando o magma ascende para níveis menos profundos e começa a perder calor, os minerais começam a cristalizar. A cristalização = processo inverso da fusão: minerais mais refractários (fundem a maiores T) = primeiros a cristalizar. Sequência de cristalização = determinada pela termodinâmica do processo de cristalização e a composição do magma que está cristalizando. Norman L. Bowen (década de 1920) = experimentos de laboratório para determinar a seqüência na qual os minerais de silicato se cristalizam a partir de um líquido. Cristalização dos Magmas Séries de Reação de Bowen: Descontínua = mudanças na mineralogia/estrutura cristalina durante a cristalização - forma minerais diferentes em forma e composição. Contínua = interação entre cristais já formados e o líquido. Plagioclásio = solução sólida (isomorfos) entre o membro rico em cálcio (anortita) e o membro rico em sódio (albita). Estágios de cristalização dos magmas 1. Estágio Ortomagmático (> 800°C): - separação dos minerais pirogenéticos (↑T); - cristalização de minerais anidros, maioria dos minerais membros iniciais das séries de reação de Bowen; - Pouca interferência de elementos voláteis. 2. Estágio Pegmatítico (800 a 600°C): - Cristalização dos silicatos de baixa T. - 3 fases ocorrem simultaneamente = líquida, sólida e gasosa. - 700°C = intervenção de voláteis torna-se significativa cristais muito grandes (Pegmatitos). Estágios de cristalização dos magmas 3. Estágio pneumatolítico (600 a 400°C): - Alta concentração de voláteis = soluções ricas em H2O e SiO2 - Penetração nas rochas encaixantes, podendo ser mineralizadas por minerais metálicos; - Certos minerais (turmalina, topázio e fluorita), são característicos de tais condições; - Os produtos segregam-se geralmente sob a forma de veios e diques, formando rochas muito características. Estágios de cristalização dos magmas 4. Estágio Hidrotermal (400 a 100°C): - Soluções hidrotermais = praticamente água e metais em solução; - Equilíbrio entre as fases gasosa, líquida e sólida; - Divide-se em várias categorias, precipitando alguns metais conforme a redução da temperatura: a) Hipotermal (> T) Au, selênio (Se), arsênio (As), Co, Fe e Cu b) Mesotermal (T interm.) Zn, Pb, Ag c) Epitermal (< T) mercúrio (Hg), antimônio (Sb) d) Teletermal (rasos e T média) Carbonatos complexos Façam suas apostas! Propriedades físico-químicas dos magmas Estrutura do líquido ?Qual é a estrutura atômica dos magmas? Propriedades físico-químicas dos magmas Estrutura atômica do líquido = configuração dos íons ►Dita muitas das propriedades significantes Propriedades físico-químicas dos magmas Sílica → constituinte mais abundante em quase todos os líquidos naturais → unidade estrutural fundamental = tetraedro (SiO4) 4- Líquido silicático => rede tridimensional de cadeias interligadas, ou polímeros, de tetraedros de Si-O. Propriedades físico-químicas dos magmas Elementos formadores de rede (network formers): ● cátions de coordenação 3 ou 4 → tendência a se ligar com o oxigêno (”pontes de oxigêno” ou “bridging oxygens”). Propriedades físico-químicas dos magmas Propriedades físico-químicas dos magmas Elementos modificadores de rede (network modifiers): ● cátions que tendem a modificar as redes → produzem oxigênos unidos a apenas 1 elemento formador de rede (“non-bridging oxygens”); têm coordenação 6. Na, K, Ca, F, Cl... Propriedades físico-químicas dos magmas Cristais Cátions com sítios +ou- fixos de uma dada coordenação na estrutura ordenada. Líquidos Cátions móveis competem por ânions disponíveis (O) → satisfazer condições de ligação e minimizar a energia livre.Propriedades físico-químicas dos magmas Por exemplo: Suponhamos que uma rocha do manto é composta de albita (NaAlSi3O8): T +fundido (ou vidro) mineral estructura cristalina Propriedades físico-químicas dos magmas A razão: oxigênios “não ligados” (non-bridging oxygens) / cátions tetraédricamente ordenados (Si – Al), formadores de rede Grau de polimerização em um líquido ♯ Razões pequenas altos graus de polimerização ♯ Fe papel significante em estruturas de líquidos Ocorre em 2 estados de oxidação: Fe2+ = modificador de rede Fe3+ = modificador ou formador de rede Mudanças no estado de oxidação afetam o grau de polimerização! O que tudo isso implica do ponto de vista físico? Viscosidade ►Propriedade dinâmica mais importante de um líquido; ►Facilidade ou resistência a fluir; mobilidade dos íons. ►Fortemente influenciada pela composição e temperatura (2 outras propriedades físicas). Propriedades físico-químicas dos magmas Viscosidade > O conteúdo de sílica > o grau de polimerização > a viscosidade Composição: Conteúdo de SiO2, varia entre 40 e 75 wt% SiO2 CRISTALIZAÇÃO x ESTRUTURA CRISTALINA inossilicatos filossilicatos tectossilicatos KAlSi3O8 feldspato K CaMgSi2O6 piroxênio NaMg3Fe4Al3Si5O22(0H)2 anfibólio KMgFe2AlSi3O10(0H)2 biotita Mg2SiO4 olivina KAl3Si3O10(0H)2 muscovita SiO2 quartzo CaAl2Si2O8 anortita NaAlSi3O8 albita Propriedades físico-químicas dos magmas Viscosidade ↑ Temperatura (T) ↓ Viscosidade (ƞ) Temperatura: Varia entre ̴ 700 e 1400 °C. < viscosidade > viscosidade Ao diminuir a T, os componentes do magma começam a formar mais ligações, cristais, etc., tornando o magma mais viscoso. Propriedades físico-químicas dos magmas Viscosidade Efeito do conteúdo de cristais: *O conteúdo de cristais aumenta a viscosidade! ηcxs: viscosidade com cristais η0: viscosidade sem cristais Φ: fator de empacotamento ~1,67 Propriedades físico-químicas dos magmas Viscosidade Efeito do conteúdo de voláteis (gases): são elementos modificadores de rede - rompem as ligações e redes de poliedros H2O Discutido mais à frente... Baixo teor de sílica (SiO2) Menor quantidade de elementos formadores de rede Redes (networks) mais fracas Magma mais fluido (menos viscoso) Ex: basalto Instabilidades de Rayleigh-Taylor: Camada de menor densidade sotoposta por material mais denso é gravitacionalmente instável. O limite superior da camada menos densa, instável, desenvolve protuberâncias sinusoidais q crescem até a inversão de densidade ser estabilizada. Propriedades físico-químicas dos magmas Densidade Massa/unidade de volume (gr/cm3 ou kg/m3) Controlada pela composição do magma - FeO wt% mais importante: Basalto: 2.65 - 2.80 gr/cm3 – ricos em Fe, Ca e Ti Andesito: 2.45 - 2.50 gr/cm3 Riolito: 2.18 - 2.25 gr/cm3 – ricos em Na, Al e Si Propriedades físico-químicas dos magmas Densidade Também controlada pela temperatura e pressão: Temperaturas elevadas causam a expansão do líquido Densidade mais baixa Pressões mais elevadas causam a compressão do líquido Densidade maior Fluidos Voláteis Espécies químicas que, próximas à pressão (P) atmosférica, mas em altas T, existem como gás ou vapor - H2O, CO2, H2, HCl, N2, HF, F, Cl, SO2, H2S, CO, CH4, O2, NH3, S2... A maioria = 6 elementos de baixo peso atômico – H, C, O, S, Cl e F. Dissolvidos no líquido e nas fases cristalinas coexistentes. Dominados por água e, geralmente, em menor extensão por CO2. Fluidos Voláteis Acima do ponto crítico (aumento da pressão confinante, P) → estados gasoso e líquido não são mais distinguíveis. H2O pura: ponto crítico = 218 bars e 371°C CO2 puro: ponto crítico = 73 bars e 31°C Solubilidade (concentração do volátil dissolvida no líquido) - depende da P, T e composição química do magma. Fluidos Voláteis Vlíquido rico em voláteis < (Vlíquido pobre em voláteis + Vfluido volátil) Aumento de P – maiores concentrações de voláteis Aumento de T – favorece estado expandido – menor concentração de voláteis Efeitos opostos, mas a P domina. Fluidos Voláteis Água • Aumento da solubilidade com a P. • Solubilidade em líquidos ácidos > q em líquidos máficos. • Muitos líquidos naturais = insaturados em água no local de geração. Fluidos Voláteis Água H2O + O 2- = 2(OH)-Água dissolvida no líquido → 2 íons (OH)- por 1 ponte de O Grande diferença entre o peso por mol de água e o peso dos constituintes (Si, Ca, Fe, etc) dos líquidos silicáticos. Fluidos Voláteis Água Líquidos riolíticos: • Água iônica ((OH)-) e água molecular (H2O) • Concentração de (OH)- → depende da T • H2O → aumenta com a concentração de água; independente de T Fluidos Voláteis CO2 Menos concentrado do q a água, exceto em kimberlitos, carbonatitos e basaltos MORB. Aumento de solubilidade: - aumento de P - diminuição de T - diminuição em sílica - aumento de água (alguns líquidos a alta P) Fluidos Voláteis CO2 Líquidos pobres em sílica → (CO3) 2- Líquidos ácidos → CO2 Fluido separado = CO2 + H2O Fluidos Voláteis Enxofre (S) Concentração < alguns milhares de partes por milhão (ppm) Alguns magmas Ca-alcalinos contêm concentrações significantes Solubilidade depende fortemente: Composição Fugacidade de O Íon sulfeto, S2-, → magmas máficos e ultramáficos pobres em água Íon sulfato oxidado, (SO4) 2-, → magmas intermediários a ácidos ricos em água Fluidos Voláteis Enxofre (S) S2- + 2 O2 = (SO4) 2- Fugacidades < do buffer QFM (quartzo-faialita-magnetita) = redução do S (H2S) Fugacidades > do buffer QFM = oxidação do S (SO2) MH, magnetite-hematite; NiNiO, Nickel-nickel oxide; FMQ, fayalite-magnetite- quartz; WM, wustite-magnetite; IW, iron-wustite; QIF, quartz-iron-fayalite Mineral redox buffer Fluidos Voláteis Enxofre (S) Magmas máficos reduzidos → líquido imiscível – sulfeto-Fe-Cu – deprimi a concentração de S Alguns magmas ácidos (mais oxidados) → íons de sulfato podem se combinar com Ca = anidrita (CaSO4) → tb deprimi a concentração de S Fluidos Voláteis Vidros ácidos → várias wt.% de flúor Solubilidade = até 10 wt.%; as maiores em líquidos hidratados (dados experimentais) Causa substancial depolimerização 1 atm: líquidos graníticos contêm apenas 0,1 wt.% de água alguns líquidos simples (Na-Ca-Al-Si-O) contêm até 10 wt.% de F Flúor (F) Fluidos Voláteis Cloro (Cl) Máxima solubilidade em líquidos silicáticos < 2 wt.% Provavelmente se liga aos cátions modificadores de rede (Na, K e Fe) Magma saturado em água → fluido aquoso separado coexiste com o líquido → Cl se particiona fortemente na fase aquosa → Melhora as solubilidades dos metais Exsolução de Voláteis 2 Processos básicos: 1 – Um líquido, inicialmente insaturado → ascende, se descomprime, se torna saturado e exsolve fluido (ambientes de crosta rasa, vulcânico); 2 – Magma estagnado (P constante), inicialmente insaturado → perde calor para o redor, resfriamento se torna saturado pela cristalização = boiling secundário/resurgente/retrógrado Fenômenos associados com a exsolução de voláteis Conduto vulcânico de um sistema magmático explodindo. Carbonatitos Principais minerais: vários carbonatos (calcita, dolomita, ankerita, siderita, bastnäsita, nyerereita, gregoryita, burbankita, parisita). Compostos por pelo menos 50% de minerais de carbonato Apatita e monazita;fluorita, silvita e halita; pirocloro, magnetita, perovskita, baddeleyita, hematita, ilmenita; pirita, pirrotita, galena e esferalerita; e olivina, micas (phlogopita, vermiculite), piroxênios (diopsídeo, aegirina-augita) e anfibólios. Carbonatitos A principal propriedade física que separa magma carbonatítico do magma ácido/intermediário é a viscosidade O magma carbonático é um líquido iônico - não há polimerização entre tetraedros de sílica - tetraedros quase ausentes - viajam muito rapidamente na crosta (dezenas de metros por segundo) LEITURA! Cap. 1, 4, 9 e 11 BEST, M. G. & CHRISTIANSEN, E. H. 2001. Igneous Petrology. Oxford: Blackwell Science. xvi+458 pp. Cap. 1.1 e 3.1 SIAL, A. N.; MCREATH, I. Petrologia ígnea. Salvador: SBG/CNPq/Burea, 1984. v 1.
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