El Magma y Sus Caracteristicas

Petrología Ígnea:

El magma y sus características

Fundamentos de Petrología GL 41CProf. 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


Lonquimay, Chile


Villarrica, Chile


Monte St. Helena,Washington, USA


Líquido? Sólido?Estructura cristalina?

Temperatura?Densidad?

Viscosidad?

Volátiles?

Estructura y composición de los magmas

• Componentes químicos principales:

MAGMA = mezcla silicatada y viscosa compuesta por 3 fases:

FUNDIDO o LIQUIDO +CRISTALES + GAS

Cuáles son los elementos más abundantes en la corteza?O-Si-Al-Fe-Ca-Mg-Na-K-Ti-Mn

SiO2 > Al2O3 > FeO, Fe2O3 > MgO > CaO > Na2O > K2O [wt%]

Los componentes químicos principales en los magmas, en general:

Qué es un componente y una fase, de un punto de vista termodinámico?

FUNDIDO o LIQUIDO: en general es de composición silicática, pero puede ser sulfídica o carbonática

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?

Estructura del fundido (líquido)

Supongamos (sólo para ejemplificar!) que una roca del manto está compuesta de albita (NaAlSi3O8):

tomado de Henderson et al., (2006) Elements

aumentar T

mineral

estructuracristalina

fundido(o vidrio)

amorfo

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

Cómo sabemos la temperatura de los magmas?

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

En general, existen 2 propiedades físicas que influencian otras propiedades físicas de los magmas

• Magma basáltico - 1000 to 1200 oC • Magma andesítico - 800 to 1000 oC • Magma riolítico- 650 to 800 oC.

1. Composición

Contenido de SiO2, varía entre 40 y 75 wt% SiO2

• 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

GEOL 27500 Ramsey

Volcanology Fall, 2003

LECTURE #8: PHYSICAL PROPERTIES OF MAGMAS Date: 23 September 2003

I. Viscosity (!) as a ƒ(external factors) 1. temperature:

o increase in T => decrease in crystallization, # atomic bonds and viscosity

2. crystal content o increase in crystal content => increase in viscosity o general numeric relationship

!s = !o (1 - ") -2.5

o where,

!"" ~ 1.67 (scaling factor dependant on the packing factor of the phenocrysts)

!"!s = viscosity with phenocrysts

!"!o = viscosity without phenocrysts

3. silica content (SiO2): o increase in SiO2 => increase in viscosity

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?

ηcxs=η0 (1- Φ)-2.5

ηcxs: viscosidad con cristalesη0: viscosidad sin cristalesΦ: factor de empaque ~1.67

3.3 Efecto del contenido de SiO2

La sílice aumenta o disminuye la viscosidad?

Si:O ! (Pa*s) rock type 1:2 0.02 basalt 1:2.5 0.15 1:3 2.8 1:4 10

9 rhyolite

4. percent volatiles: o increase in volatile wt. % => decrease in viscosity

!"breaks SiO2 chains !"as T decreases, volatile % increases !"as P decreases, volatile % decreases

5. pressure: 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

3.4 Efecto del contenido de volátiles (gases)

El contenido de volátiles aumenta o disminuye la viscosidad?

Los volátiles (ej. H2O) son elementos modificadores de redes, por enderompen enlaces y redes de polihedros

% volátiles = f (T, P)

- Si aumenta T?- Si aumenta P?


9 rhyolite





3.4 Efecto de la presión

La presión aumenta o disminuye la viscosidad?


9 rhyolite





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)

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.

ρ =f(T, P, composición) II. Density (!) 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

2. pressure: o increase in P => increase in density o minor variation with temperature

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 o the relationship of this proportionality depends on the material itself

!"could be linear, non-linear, exponential, discontinuous, …

• Viscosity relationships

1. linear elastic behavior (most solids) !"stress is linearly proportional to strain (Newtonian behavior) !"the slope of that linearity is defined as the modulus of elasticity (E) !"true for most fluids

" = E * #

!"stress is linearly proportional to strain rate !"most lavas only behave as a Newtonian fluid if they are very hot (very low

viscosity)

La densidad aumenta o disminuye con la temperatura, presión y contenido de SiO2?

- La viscosidad está relacionada con el esfuerzo (stress) y la deformación (strain)

Comportamiento reológico de magmas

- 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

2. Bingham Plastic behavior !"stress is linearly proportional to strain rate ( ) after an initial amount is

applied

! = " + #

!"this offset is known as the yield stress (")

!"caused by: solidifying crust, bubbles, phenocrysts

3. Power Fluid behavior !"stress is exponentially proportional to strain rate

! = # n

!"if exponential is less than 1.0 (termed psuedo-plastic) !"if exponential is greater than 1.0 (termed rheopectic) !"lavas tend toward psuedo-plastic

Bingham Plastic behavior Power Fluid behavior

$$..$$..

$$..$$..

$$..$$..

- Típico para la mayoría de los sólidos y fluidos

τ=ηεσ=Eε

- Aquellos fluidos que cumplen esta ley se denominan “Newtonianos”

2- Comportamiento plástico Bingham (no-Newtoniano)

σ= τ + η(dε/dt)


applied

! = " + #




! = # n



$$..$$..

$$..$$..

$$..$$..

- En este caso el stress es proporcional a la razón de deformación (dε/dt) luego de la aplicación de un stress inicial (τ)


applied

! = " + #

!"this offset is known as the yield stress (") !"caused by: solidifying crust, bubbles, phenocrysts


! = # n



$$..$$..

$$..$$..

$$..$$..

- τ se conoce como esfuerzo límite (yield stress) y es el resultado de la presenciade 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 sedenomina pseudo-plástico- si n>1, el comportamiento se denomina reopéctico (o tixotrópico)


applied

! = " + #




! = # n



$$..$$..

$$..$$..

$$..$$..

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

4. Hybrid behavior !"best estimate for erupting/flowing magmas !"stress is exponentially proportional to strain rate

#"could be linear, non-linear, exponential, discontinuous, …

!"addition of a yield stress to a Power Fluid

! = " + # n

!"if n=1.0: Bingham Plastic !"if n=1.0 and t =0: Newtonian Fluid

!"if " gets very large, “plug flow” initiates #"behavior of most silicic domes #"large yield stress caused by very thick, cool carapace

IV. Rheology

• study of flowing material (fluid dynamics)

• different flow regimes depending on velocity, channel depth and viscosity

o laminar: particles in the fluid all move with a constant velocity and direction o turbulent: particles become highly disorganized with variable speeds and

directions

• relationship of velocity, channel depth and viscosity is by way of the unit-less Reynold’s Number (Re)

Re = U h / #k

• where, U = velocity and h = channel depth

• at Re > 1000-2000, laminar flow transitions to turbulent

• silicic lavas have low velocities and high viscosities o therefore low Reynold’s Numbers (flow laminarly) o some pyroclastic flows become turbulent

$$..$$..

σ= τ + η(dε/dt)n

Generalización

- si τ=0, n=1 y t=0 es fluido es ?

- si τ≠0, n=1 el fluido es?

Newtoniano (ej. agua)

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)

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