Diferenciación ígnea

Este artículo se basa en gran medida en un artículo de la Encyclopædia Britannica Undécima Edición , que ya no está protegida por derechos de autor y que se publicó en 1911. Debe actualizarse para reflejar la historia o los estudios posteriores (incluidas las referencias, si las hubiera). Cuando haya completado la revisión, reemplace este aviso con una nota simple en la página de discusión de este artículo. ( Enero de 2011 )

En geología , la diferenciación ígnea o diferenciación magmática es un término general para los diversos procesos mediante los cuales los magmas experimentan cambios químicos masivos durante el proceso de fusión parcial , enfriamiento, emplazamiento o erupción . La secuencia de magmas (generalmente cada vez más silícicos) producidos por la diferenciación ígnea se conoce como serie de magmas .

Cuando una roca se funde para formar un líquido, el líquido se conoce como fundido primario . Los fundidos primarios no han sufrido ninguna diferenciación y representan la composición inicial de un magma. En la naturaleza, los fundidos primarios rara vez se ven. Algunos leucosomas de migmatitas son ejemplos de fundidos primarios. Los fundidos primarios derivados del manto son especialmente importantes y se conocen como fundidos primitivos o magmas primitivos . Al encontrar la composición del magma primitivo de una serie de magmas, es posible modelar la composición de la roca a partir de la cual se formó un fundido, lo cual es importante porque tenemos poca evidencia directa del manto de la Tierra.

Cuando no es posible determinar la composición del magma primitivo o primario, suele ser útil intentar identificar un fundido parental. Un fundido parental es una composición de magma a partir de la cual se ha obtenido el rango observado de químicas del magma mediante procesos de diferenciación ígnea. No es necesario que sea un fundido primitivo.

Por ejemplo, se supone que una serie de flujos de lava basáltica están relacionados entre sí. Una composición a partir de la cual podrían producirse razonablemente mediante cristalización fraccionada se denomina fusión parental . Para demostrarlo, se producirían modelos de cristalización fraccionada para probar la hipótesis de que comparten una fusión parental común.

La cristalización fraccionada y la acumulación de cristales formados durante el proceso de diferenciación de un evento magmático se conocen como rocas cumuladas , y esas partes son las primeras que cristalizan fuera del magma. Identificar si una roca es una cumulada o no es crucial para entender si se puede modelar de nuevo como una fusión primaria o una fusión primitiva, e identificar si el magma ha dejado caer minerales cumulados es igualmente importante incluso para rocas que no tienen fenocristales .

La causa principal del cambio en la composición de un magma es el enfriamiento , que es una consecuencia inevitable de la formación del magma y su migración desde el sitio de fusión parcial a un área de menor estrés, generalmente un volumen más frío de la corteza.

El enfriamiento hace que el magma comience a cristalizar minerales de la parte líquida o fundida del magma. La mayoría de los magmas son una mezcla de roca líquida (fundición) y minerales cristalinos (fenocristales).

La contaminación es otra causa de diferenciación del magma. La contaminación puede ser causada por la asimilación de rocas de la pared, la mezcla de dos o más magmas o incluso por la reposición de la cámara magmática con magma fresco y caliente.

El conjunto de mecanismos de diferenciación se ha denominado proceso FARM, que significa cristalización fraccionada, asimilación, reposición y mezcla de magma.

La cristalización fraccionada es la eliminación y segregación de precipitados minerales de un material fundido, lo que modifica su composición. Se trata de uno de los procesos geoquímicos y físicos más importantes que se producen en la corteza y el manto terrestres .

La cristalización fraccionada en silicatos fundidos (magmas) es un proceso muy complejo en comparación con los sistemas químicos de laboratorio, ya que se ve afectado por una amplia variedad de fenómenos, entre los que destacan la composición, la temperatura y la presión de un magma durante su enfriamiento.

La composición de un magma es el principal factor que determina qué mineral se cristaliza a medida que el material fundido se enfría más allá del estado líquido . Por ejemplo, en los materiales fundidos máficos y ultramáficos , los contenidos _de MgO y SiO2 determinan si se precipita el olivino de forsterita o si se precipita el piroxeno de enstatita .

Dos magmas de composición y temperatura similares a diferentes presiones pueden cristalizar minerales diferentes. Un ejemplo es la cristalización fraccionada de granitos a alta presión y alta temperatura para producir granito de un solo feldespato , y las condiciones de baja presión y baja temperatura que producen granitos de dos feldespatos.

La presión parcial de las fases volátiles en los fundidos de silicato también es de importancia primordial, especialmente en la cristalización cercana al solidus de los granitos.

La asimilación puede definirse en términos generales como un proceso en el que una masa de magma se homogeneiza total o parcialmente con materiales derivados de la roca de la pared del cuerpo magmático. ^[1] La asimilación es un mecanismo popular para explicar en parte la felsificación de magmas ultramáficos y máficos a medida que ascienden a través de la corteza: un material fundido primitivo caliente que se introduce en una corteza félsica más fría fundirá la corteza y se mezclará con el material fundido resultante. ^[2] Esto luego altera la composición del magma primitivo. Además, las rocas anfitrionas máficas preexistentes pueden ser asimiladas por magmas primitivos muy calientes. ^{[3] [4]}

Los efectos de la asimilación sobre la química y la evolución de los cuerpos de magma son de esperar y han sido claramente demostrados en muchos lugares. A principios del siglo XX hubo un intenso debate sobre la importancia relativa del proceso en la diferenciación ígnea. ^{[5] [6]} Sin embargo, investigaciones más recientes han demostrado que la asimilación tiene un papel fundamental en la alteración de la composición isotópica y de oligoelementos de los magmas, ^[7] en la formación de algunos depósitos minerales económicamente importantes, ^[8] y en la causa de las erupciones volcánicas. ^[9]

Cuando un material fundido se enfría a lo largo de la línea de descenso del líquido, los resultados se limitan a la producción de un cuerpo sólido homogéneo de roca intrusiva, con mineralogía y composición uniformes, o una masa acumulada parcialmente diferenciada con capas, zonas de composición, etc. Este comportamiento es bastante predecible y bastante fácil de demostrar con investigaciones geoquímicas. En tales casos, una cámara de magma formará una aproximación cercana de la serie de reacción de Bowen ideal . Sin embargo, la mayoría de los sistemas magmáticos son eventos polifásicos, con varios pulsos de magmatismo. En tal caso, la línea de descenso del líquido se interrumpe por la inyección de un nuevo lote de magma caliente e indiferenciado. Esto puede causar una cristalización fraccionada extrema debido a tres efectos principales:

• El calor adicional proporciona energía adicional para permitir una convección más vigorosa, permite la reabsorción de las fases minerales existentes nuevamente en la masa fundida y puede hacer que una forma de mayor temperatura de un mineral u otros minerales de mayor temperatura comiencen a precipitarse.
• El magma fresco modifica la composición del material fundido, modificando la química de las fases que se precipitan. Por ejemplo, la plagioclasa se ajusta a la línea de descenso líquida formando anortita inicial que, si se elimina, cambia la composición mineral de equilibrio a oligoclasa o albita . La reposición del magma puede revertir esta tendencia, de modo que se precipite más anortita sobre las capas acumuladas de albita.
• El magma fresco desestabiliza los minerales que se precipitan en series de soluciones sólidas o en una fase eutéctica ; un cambio en la composición y la temperatura puede provocar una cristalización extremadamente rápida de ciertas fases minerales que están atravesando una fase de cristalización eutéctica.

La mezcla de magmas es el proceso mediante el cual dos magmas se encuentran, se unen y forman un magma con una composición intermedia entre los dos magmas de los miembros finales.

La mezcla de magma es un proceso común en las cámaras de magma volcánicas, que son cámaras de sistema abierto donde los magmas ingresan a la cámara, ^[10] experimentan alguna forma de asimilación, cristalización fraccionada y extracción parcial de masa fundida (a través de la erupción de lava), y se reponen.

La mezcla de magmas también tiende a ocurrir en niveles más profundos de la corteza y se considera uno de los mecanismos primarios para la formación de rocas intermedias como la monzonita y la andesita . Aquí, debido a la transferencia de calor y al aumento del flujo volátil de la subducción , la corteza silícica se funde para formar un magma félsico (de composición esencialmente granítica). Estos fundidos graníticos se conocen como subplaca . Los fundidos primarios basálticos formados en el manto debajo de la corteza se elevan y se mezclan con los magmas de la subplaca, siendo el resultado algo intermedio entre el basalto y la riolita ; literalmente, una composición "intermedia".

La convección en una gran cámara de magma está sujeta a la interacción de fuerzas generadas por la convección térmica y la resistencia ofrecida por la fricción, la viscosidad y el arrastre sobre el magma ofrecido por las paredes de la cámara de magma. A menudo, cerca de los márgenes de una cámara de magma que está en convección, se forman capas más frías y viscosas de forma concéntrica desde el exterior hacia el interior, definidas por rupturas en la viscosidad y la temperatura. Esto forma un flujo laminar , que separa varios dominios de la cámara de magma que pueden comenzar a diferenciarse por separado.

La formación de bandas de flujo es el resultado de un proceso de cristalización fraccionada que ocurre por convección, si los cristales que quedan atrapados en los márgenes de las bandas de flujo se retiran del material fundido. La fricción y la viscosidad del magma hacen que los fenocristales y los xenolitos dentro del magma o la lava disminuyan su velocidad cerca de la interfaz y queden atrapados en una capa viscosa. Esto puede cambiar la composición del material fundido en grandes intrusiones , lo que conduce a la diferenciación.

Con referencia a las definiciones anteriores, una cámara de magma tenderá a enfriarse y cristalizar minerales de acuerdo con la línea de descenso del líquido. Cuando esto ocurre, especialmente en conjunción con la zonificación y la acumulación de cristales, y se elimina la porción fundida, esto puede cambiar la composición de una cámara de magma. De hecho, se trata básicamente de cristalización fraccionada, excepto que en este caso estamos observando una cámara de magma que es el remanente que queda atrás del cual se ha extraído una masa fundida hija.

Si dicha cámara de magma continúa enfriándose, los minerales que forma y su composición general no coincidirán con una línea de descendencia líquida de muestra ni con una composición de magma parental.

Vale la pena reiterar que las cámaras de magma no suelen ser entidades estáticas y aisladas. La cámara de magma típica se forma a partir de una serie de inyecciones de material fundido y magma, y ​​la mayoría también está sujeta a alguna forma de extracción parcial del material fundido.

Los magmas graníticos son generalmente mucho más viscosos que los magmas máficos y suelen tener una composición más homogénea. En general, se considera que esto se debe a la viscosidad del magma, que es órdenes de magnitud mayor que la de los magmas máficos. La mayor viscosidad significa que, cuando se funde, un magma granítico tenderá a moverse en una masa concertada más grande y se emplazará como una masa más grande porque es menos fluido y capaz de moverse. Esta es la razón por la que los granitos tienden a presentarse como grandes plutones y las rocas máficas como diques y umbrales .

Los granitos son más fríos y, por lo tanto, tienen menos capacidad para fundirse y asimilar rocas del terreno. Por lo tanto, la contaminación a gran escala es menor e inusual, aunque no es desconocida la mezcla de fundidos graníticos y basálticos cuando se inyecta basalto en cámaras de magma graníticas.

Los magmas máficos son más propensos a fluir y, por lo tanto, es más probable que experimenten una reposición periódica de una cámara magmática. Debido a que son más fluidos, la precipitación de cristales se produce mucho más rápidamente, lo que da lugar a mayores cambios por cristalización fraccionada. Las temperaturas más altas también permiten que los magmas máficos asimilen las rocas de la pared con mayor facilidad y, por lo tanto, la contaminación es más común y está mejor desarrollada.

Todos los magmas ígneos contienen gases disueltos ( agua , ácido carbónico , sulfuro de hidrógeno , cloro, flúor, ácido bórico , etc.). De éstos, el agua es el principal, y antiguamente se creía que se filtraba hacia abajo desde la superficie de la Tierra hasta las rocas calentadas que se encontraban debajo, pero ahora se admite generalmente que es una parte integral del magma. Muchas peculiaridades de la estructura de las rocas plutónicas en contraste con las lavas pueden explicarse razonablemente por el funcionamiento de estos gases, que no pudieron escapar a medida que las masas profundas se enfriaban lentamente, mientras que fueron rápidamente liberados por las efusiones superficiales. Las rocas plutónicas ácidas o intrusivas nunca han sido reproducidas por experimentos de laboratorio, y los únicos intentos exitosos de obtener sus minerales artificialmente han sido aquellos en los que se tomaron medidas especiales para la retención de los gases "mineralizantes" en los crisoles o tubos sellados empleados. Estos gases no suelen entrar en la composición de los minerales que forman las rocas, ya que la mayoría de ellos están libres de agua, ácido carbónico, etc. Por lo tanto, a medida que avanza la cristalización, el material fundido residual debe contener una proporción cada vez mayor de componentes volátiles. Es concebible que en las etapas finales, la parte aún no cristalizada del magma tenga más semejanza con una solución de materia mineral en vapor sobrecalentado que con una fusión ígnea seca. El cuarzo , por ejemplo, es el último mineral que se forma en un granito. Lleva mucho del sello del cuarzo que sabemos que se ha depositado a partir de una solución acuosa en vetas , etc. Es al mismo tiempo el más infusible de todos los minerales comunes de las rocas. Su formación tardía muestra que en este caso surgió a temperaturas comparativamente bajas y señala claramente la importancia especial de los gases del magma como determinantes de la secuencia de cristalización. ^[6]

Cuando la solidificación está casi completa, los gases ya no pueden ser retenidos en la roca y escapan a través de fisuras hacia la superficie. Son poderosos agentes de ataque a los minerales de las rocas que atraviesan, y ejemplos de su acción se encuentran en la caolinización de granitos, turmalinización y formación de greisen , deposición de vetas de cuarzo y el grupo de cambios conocido como propilitización. Estos procesos "neumatolíticos" son de primera importancia en la génesis de muchos depósitos minerales . Son una parte real de la historia del magma mismo y constituyen las fases terminales de la secuencia volcánica. ^[6]

Existen varios métodos para medir y cuantificar directamente los procesos de diferenciación ígnea;

• Geoquímica de rocas completas de muestras representativas, para rastrear cambios y evolución de los sistemas de magma.
  • Utilizando lo anterior, calcular la mineralogía normativa e investigar tendencias.
• Geoquímica de oligoelementos
• Geoquímica de isótopos
  • Investigación de la contaminación de los sistemas de magma por asimilación de rocas de pared utilizando isótopos radiogénicos

En todos los casos, el método principal y más valioso para identificar los procesos de diferenciación del magma es el mapeo de las rocas expuestas, el seguimiento de los cambios mineralógicos dentro de las rocas ígneas y la descripción de las relaciones de campo y la evidencia textural de la diferenciación del magma. La termobarometría con clinopiroxeno se puede utilizar para determinar las presiones y temperaturas de la diferenciación del magma.

• Petrología  – Rama de la geología que estudia la formación, composición, distribución y estructura de las rocas.
• Bandas de flujo  : bandas o capas que a veces se pueden ver en la roca que se formó a partir del magma.
• Intrusión estratificada  : gran cuerpo de roca ígnea en forma de umbralPáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Roca acumulada  – Rocas ígneas formadas por la acumulación de cristales de un magma ya sea por sedimentación o flotación.
• Microestructura de la roca  – Relación entre los materiales que componen una rocaPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Mineralogía normativa  – Cálculo de la composición de una roca
• Serie de magmas alcalinos  – Serie de magmas alcalinos producidos por diferenciación ígnea
• Serie de magmas calcoalcalinos  – Subdivisión de la serie de magmas subalcalinos
• Serie de magmas toleíticos  – Serie de magmas subalcalinos

• Paquete de software COMAGMAT diseñado para facilitar el modelado termodinámico de la diferenciación ígnea.
• Paquete de software MELTS diseñado para facilitar el modelado termodinámico de equilibrios de fases en sistemas magmáticos.