El magma y sus características - U

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
Puu oo, Hawaii
- fluidez?
- volátiles/gases?
- explosividad?
Etna, Sicilia
- fluidez?
- volátiles/gases?
- explosividad?
Lonquimay, Chile
- fluidez?
- volátiles/gases?
- explosividad?
Villarrica, Chile
- fluidez?
- volátiles/gases?
- explosividad?
Monte St. Helena,
Washington, USA
- fluidez?
- volátiles/gases?
- explosividad?
Líquido? Sólido?
Estructura cristalina?
Temperatura?
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:
SiO2 > Al2O3 > FeO, Fe2O3 > MgO > CaO > Na2O > K2O [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 (NaAlSi3O8):
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”)
Si4+, Al3+
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
Fe2+, Mg2+, Ti4+,H2O
Qué implica ésto de un punto de vista físico?
Bajo contenido de sílice (SiO2)
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 SiO2, varía entre 40 y 75 wt% SiO2
2. Temperatura (T)
Varía entre ~700 y 1400 °C. En general, los magmas pobres en
SiO2 tienen temperaturas más bajas que los ricos en SiO2
• Magma basáltico - 1000 to 1200 oC
• Magma andesítico - 800 to 1000 oC
• Magma riolítico- 650 to 800 oC.
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)
GEOL 27500
La viscosidad es la resistencia a fluir ante el
esfuerzo, y se mide en Pa.s = 1 poise
Volcanology
Ramsey
Fall, 2003
LECTURE #8: PHYSICAL PROPERTIES OF MAGMAS
Date: 23 September 2003
η=f(T, P, SiO2, qq cxs, gas)
3.1
I. Viscosity (η) as a ƒ(external factors)
1. temperature:
o increase
in T => decrease in crystallization, # atomic bonds and viscosity
Efecto de
la temperatura
Ramsay, Volcanology Online Course
Al disminuir T, el los componentes del magma comienzan a formar
2. crystal content
más enlaces,
cristales,
etc., haciendo
el magma más viscoso
o increase
in crystal content
=> increase in viscosity
o general numeric relationship
ηs = ηo (1 - φ) -2.5
3.2 Efecto del contenido de cristales
El contenido de cristales aumenta o disminuye la viscosidad?
ηcxs=η0 (1- Φ)-2.5
ηcxs: viscosidad con cristales
η0: 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
1:2
1:2.5
1:3
1:4
! (Pa*s)
0.02
0.15
2.8
109
rock type
basalt
rhyolite
4. percent volatiles:
o increase in volatile wt. % => decrease in viscosity
!"breaks SiO2 chains
!"as T decreases, volatile % increases
1:2
1:2.5
1:3
1:4
0.02
0.15
2.8
9
10
basalt
rhyolite
Si:O
1:2
1:2.5
1:3
1:4
! (Pa*s)
0.02
0.15
2.8
9
10
rock type
basalt
rhyolite
3.4 Efecto del contenido de volátiles (gases)
4. percent volatiles:
o increase in volatile wt. % => decrease in viscosity 4. percent volatiles:
!"breaks SiO2 chains
o increase in volatile wt. % => decrease in viscosity
!"as T decreases, volatile % increases
!"breaks SiO2 chains
!"as P decreases, volatile % decreases
El contenido de volátiles aumenta o disminuye la viscosidad?
!"as T decreases, volatile % increases
Los volátiles (ej. H2O) son elementos!"as
modificadores
de redes,
por ende
P decreases, volatile
% decreases
rompen enlaces y redes de polihedros
% volátiles = f (T, P)
- Si aumenta T?
- Si aumenta P?
3.4 Efecto de la presión
5. pressure:
o increase in P => decrease in viscosity
o not a steady rate
!"associate with mineral phase changes and/or
5. pressure:
!"changes in the structure of the melt
La presión aumenta o
disminuye la viscosidad?
o increase in P => decrease in viscosity
o not a steady rate
!"associate with mineral phase changes and/or
!"changes in the structure of the melt
Depende de cambios de fase,
cristalización, cambios en la
estructura del fundido, etc.
4. Densidad (ρ)
La densidad = masa/unidad de volúmen (grs/cm3 o kg/m3)
ρ =f(T, P, composición)
II. Density (ρ) as a ƒ(external factors)
1. temperature:
o increase in T => decrease in density
o varies with composition
!"more a function of the constituent minerals & the partial molar volumes
La densidad aumenta o disminuye con la temperatura, presión y
contenido de SiO2?
2. pressure:
La densidad
disminuye con la temperatura, y aumenta con la
o increase in P => increase in density
o minor variation with temperature
disminución
de SiO2 (magmas komatíticos menos densos que los
magmas
riolíticos). La densidad aumenta con la presión.
III. Modes of Behavior
•
•
already examined the factors that affect changes in viscosity
recall, viscosity is defined as a resistance to flow (strain) by a substance when
subjected to shear (stress)
o therefore, it is related to both stress and strain
•
this relation means that an applied stress produces a resulting strain through
some proportionality => viscosity
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. Bingham Plastic behavior
.
!"stress is linearly proportional to strain rate (ε)
applied
.
σ = τ + ηε
2. Bingham Plastic behavior
!"stress is linearly proportional to strain rate (
applied
.
σ = τ + ηε
!"this offset is known as the yield stress (τ)
!"caused by: solidifying crust, bubbles, pheno
3. Power Fluid behavior
!"stress is exponentially proportional to strain
.
σ = ηε n
2. Bingham Plastic behavior
.
!"stress is linearly proportional to strain rate (ε) after an initial amount is
applied
!"if exponential is less than 1.0 (termed psue
2- Comportamiento plástico Bingham (no-Newtoniano)
!"if exponential is greater than 1.0 (termed rh
.
!"lavas tend (dε/dt)
toward psuedo-plastic
- En este caso el stress es proporcional a la razón de deformación
luego de
!"this
offset is known
thestress
yield stress
(τ) (τ)
la aplicación
deasun
inicial
σ = τ + ηε
!"caused by: solidifying crust, bubbles, phenocrysts
σ= τ + η(dε/dt)
3. Power Fluid behavior
!"stress is exponentially proportional to strain rate
.
- τ se conoce como esfuerzo límite
!"if exponential
lessel
than
1.0 (termed de
psuedo-plastic)
(yield
stress) yis es
resultado
la presencia
!"if exponential is greater than 1.0 (termed rheopectic)
de
cristales,
burbujas,
etc. en el fluido
!"lavas
tend toward
psuedo-plastic
σ = ηε n
Bingham Plastic behavior
Po
3. Power Fluid behavior
!"stress is exponentially proportional to strain rate
.
σ = ηε n
3- Comportamiento de potencia
!"if exponential is less than 1.0 (termed psuedo-plastic)
- En este caso el!"if
stress
es exponencialmente
proporcional
a la razón de
exponential
is greater than 1.0 (termed
rheopectic)
!"lavas tend toward psuedo-plastic
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. Hybrid behavior
4- Comportamiento
híbrido
Bingham Plastic behavior
!"best estimate for erupting/flowing magmas
!"stress is exponentially proportional to strain rate
#"could be linear, non-linear, exponential, discontinuous, …
Power Fluid behavior
!"addition of a yield stress to a Power Fluid
.
- En este caso el stress es exponencialmente proporcional a la razón
de
σ = τ + ηε n
deformación (dε/dt) luego de la aplicación de un stress inicial :
σ= τ + η(dε/dt)n
!"if n=1.0: Bingham Plastic
!"if n=1.0 and t =0: Newtonian Fluid
Generalización
σ= τ + η(dε/dt)n
- si τ=0, n=1 y t=0 es fluido es ?
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)