Ricevo un sacco di domande qui a Eruptions, ma uno dei temi più comuni è quello delle proprietà delle rocce – e in particolare perché fondono dove fondono per produrre magma? Ci sono un sacco di idee sbagliate sull’interno della Terra, in particolare che le placche tettoniche che ci ospitano (sia quelle continentali che quelle oceaniche) sono sedute su un “mare di magma” che costituisce il mantello. Come ho detto prima, il mantello della Terra, quello strato di rocce silicatiche che inizia a ~10-70 km di profondità e scende fino al nucleo esterno a ~2900 km di profondità che costituisce un grande volume del pianeta, non è fuso, ma piuttosto un solido che può comportarsi plasticamente. Questo significa che può scorrere e convogliare, che è uno dei modi in cui i geologi hanno teorizzato che il movimento delle placche è iniziato e sostenuto. Tuttavia, come sappiamo, le rocce si trovano interamente fuse all’interno della Terra, quindi come può la maggior parte del pianeta essere solida ma poi anche alcune parti fondere?
Questo schizzo illustra perché le rocce si fondono sulla Terra. La geotermia (linea solida) suggerirebbe che la roccia non dovrebbe fondere perché non attraversa mai il solidus del mantello asciutto (il punto in cui la roccia del mantello si fonderebbe semplicemente riscaldandola). L’aggiunta di acqua sposta il solidus verso il solidus del mantello umido (linea tratteggiata corta). La decompressione del mantello a temperatura costante permette al mantello di attraversare il solidus mentre il mantello sale (linea solida spessa). Vedi il testo per maggiori dettagli. Immagine: Erik Klemetti
Parte dalla domanda “come si fonde una roccia”? Il modo più diretto che potrebbe venirti in mente è “aumenta la temperatura! Questo è quello che succede con il ghiaccio – è acqua solida che si scioglie quando la temperatura supera i 0ºC/32F. Tuttavia, quando si tratta di rocce, incontriamo un problema. La Terra in realtà non è abbastanza calda per sciogliere le rocce del mantello, che sono la fonte del basalto nelle dorsali medio-oceaniche, nei punti caldi e nelle zone di subduzione. Se assumiamo che il mantello che fonde sia fatto di peridotite*, il solidus (il punto in cui la roccia inizia a fondere) è ~2000ºC a 2o0 km di profondità (nel mantello superiore). Ora, i modelli per il gradiente geotermico (quanto diventa caldo con la profondità; vedi sopra) sulla Terra, quando si scende attraverso la crosta nel mantello superiore, fissano la temperatura a 200 km a circa 1300-1800ºC, ben al di sotto del punto di fusione della peridotite. Quindi, se è più freddo man mano che si sale, perché questa peridotite si fonde per formare il basalto?
Ebbene, è qui che bisogna smettere di pensare a come riscaldare la roccia fino alla fusione, ma piuttosto a come cambiare il punto di fusione della roccia (solidus). Pensate alla nostra analogia con il ghiaccio. Durante l’inverno, ci sono molte volte in cui vorresti liberarti di quel
Schizzo che illustra la fusione in una zona di subduzione. L’acqua della lastra in discesa viene rilasciata in profondità mentre si riscalda, causando la parziale fusione del mantello sopra la lastra, formando il basalto. Immagine: Erik Klemetti
ghiaccio ma la temperatura ambiente è inferiore a quella dell’aria. Quindi, cosa si fa? Una soluzione è quella di far sciogliere il ghiaccio a una temperatura più bassa interrompendo il legame tra le molecole di H2O – quindi, arrestando la formazione di ghiaccio rigido. I sali sono un ottimo modo per interrompere questo processo, quindi butta un po’ di NaCl o KCl sul ghiaccio ed esso si scioglierà ad una temperatura inferiore a 0ºC. Per una roccia, l’acqua si comporta come il suo sale. Aggiungendo acqua in una peridotite del mantello, questa si scioglierà a una temperatura inferiore perché i legami nei minerali che compongono la roccia saranno interrotti dalla molecola d’acqua (la chiamiamo “modificatore di rete”). In una zona di subduzione (come le Cascate o le Ande), dove una placca oceanica scivola sotto un’altra placca, la placca in discesa rilascia la sua acqua mentre si riscalda. Quell’acqua risale poi nel mantello sovrastante, facendolo fondere a una temperatura più bassa e, bam! Il basalto viene prodotto nel processo chiamato fusione di flusso.
Schizzo che illustra la fusione per decompressione sulla dorsale medio-oceanica. Il mantello caldo e fertile sale, si fonde parzialmente per formare basalto, poi si allontana lateralmente dalla dorsale mentre si raffredda. Immagine: Erik Klemetti
Aspettate! Il più grande sistema vulcanico sulla Terra è il sistema della dorsale medio-oceanica, dove non c’è alcuna subduzione che porti acqua nel mantello per aiutare la fusione. Ora, perché si ottiene il basalto lì? Questa volta dobbiamo usare un altro metodo per fondere quella peridotite – dobbiamo decomprimerla a temperatura costante. Questo si chiama risalita adiabatica. Il mantello sta convogliando, portando il mantello caldo dalla profondità verso la superficie e mentre lo fa, il materiale del mantello rimane caldo, più caldo delle rocce circostanti. Il punto di fusione (solidus) della peridotite cambia con la pressione, quindi il punto di fusione di 2000ºC a 200 km è solo ~1400ºC a 50 km. Quindi, tieni quel materiale del mantello caldo e decomprimilo e ottieni la fusione per formare il basalto! Quindi, sotto le dorsali medio-oceaniche (e in punti caldi come le Hawaii), il mantello è in risalita, causando la fusione per decompressione.
Riflettiamo: In condizioni normali, le rocce del mantello come la peridotite non dovrebbero fondere nell’alto mantello terrestre – sono troppo fredde. Tuttavia, aggiungendo acqua si può abbassare il punto di fusione della roccia. In alternativa, decomprimendo la roccia, la si può portare ad una pressione in cui il punto di fusione è più basso. In entrambi i casi, si formerà del magma basaltico che, essendo più caldo e meno denso della roccia circostante, percolerà verso la superficie… e in parte erutterà!
*Il mantello non è sicuramente omogeneo, ma per i nostri scopi, siamo interessati a quello che chiamiamo “mantello fertile”, cioè un mantello che non ha subito fusioni in precedenza e può produrre liquido basaltico.