vulcanismo

1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI” di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

VULCANISMO

vulcanismo

2

vulcanismo

3

La maggioranza dei vulcani si distribuisce lungo fasce strette ed allungate, parzialmente corrispondenti alle aree di localizzazione dei terremoti

Dorsali oceaniche

Zone di subduzione

Si hanno poi alcuni vulcani isolati associati a punti caldi

Attività vulcanica: modo in cui i magmi fuoriescono dal vulcano (ad es. effusioni - esplosioni)

L’attività vulcanica dipende innanzitutto dalle caratteristiche del magma eruttato (composizione chimica, contenuto in gas, viscosità), che dipendono a loro volta dall’ambiente geologico in cui si sviluppa il vulcano

vulcanismo

4

L’eruzione è una dissipazione nell’atmosfera dell’energia termica contenuta nel magma.

L’esplosività di una eruzione dipende dall’efficienza con cui il calore è trasformato in lavoro meccanico.

Il vapore acqueo è il tramite attraverso cui avviene tale trasformazione.

Esso spinge il magma come l’anidride carbonica spinge lo spumante di una bottiglia agitata o scaldata

Maggiore è il contenuto in gas del magma e più sono esplosive le eruzioni del vulcano

acqua naturale spumante

esplosività crescente→

acqua Ferrarelle acqua gassata

Contenuto in gas

vulcanismo

5

Il vulcano quindi non è altro che una macchina termica più o meno efficiente

Gas (disciolti nel magma): soprattutto H2O, segue CO2, quindi in misura ancora minore HF, HCl, SO2, H2S

Il contenuto in gas cresce col contenuto in silice (acidità) del magma

E’ la resistenza allo scorrimento ed è l’opposto della fluidità

acqua miele cera

viscosità crescente→

←fluidità crescente

olio

Viscosità

La viscosità cresce col contenuto in silice (acidità) del magma e decresce all’aumentare della temperatura

vulcanismo

6

I magmi acidi contengono disciolti tectosilicati (quarzo, feldspati ecc.), in cui la forte concatenazione tridimensionale dei tetraedri crea ostacoli allo scorrimento

I magmi basici contengono disciolti neso ed inosilicati (olivina, pirosseni ecc.), in cui la scarsa concatenazione tridimensionale dei tetraedri non crea ostacoli allo scorrimento

I magmi più viscosi liberano i gas con più difficoltà ed originano quindi eruzioni più esplosive

Un esempio in cucina: ebollizione e violenza degli schizzi dalla pentola

acqua marmellata polenta

viscosità crescente→

violenza crescente degli schizzi→

olio

Altaviscosità

Bassaviscosità

vulcanismo

7

CLASSIFICAZIONE DEI MAGMI

Magmi basaltici (basici, mafici): contengono il 45 – 55% in peso di SiO2, ricchi di Fe, Mg e Ca e poveri di K e Na. Poveri in gas, hanno temperatura intorno ai 1.000 – 1.200 °C e bassa viscosità.

Magmi andesitici (intermedi): contengono il 55 – 65% in peso di SiO2, hanno un contenuto intermedio di Fe, Mg, Ca, K, Na e gas, hanno temperatura intorno agli 800 – 1.000 °C e viscosità intermedia.

Magmi riolitici (acidi, salici, felsici): contengono il 65 – 75% in peso di SiO2, ricchi di K e Na e poveri di Fe, Mg e Ca. Ricchi in gas, hanno temperatura intorno ai 700 – 800 °C e alta viscosità.

Si può avere inoltre una vasta gamma di composizioni intermedie

L’esplosività delle eruzioni aumenta col contenuto in gas e con la viscosità del magma, che a loro volta crescono con l’acidità del magma

Magmi più acidi → eruzioni più esplosive

Magmi più basici → eruzioni più effusive

vulcanismo

8

Il magma che giunge in superficie nelle eruzioni effusive si dice lava

La lava ha stessa composizione e stesse caratteristiche (temperatura, viscosità ecc.) del magma da cui deriva, senza però le sostanze volatili

Avremo quindi lave basaltiche, andesitiche, riolitiche ecc.

PRODOTTI DELL’ATTIVITA’ VULCANICA

La lava, roccia fusa, scorre lungo i pendii sotto la spinta della gravità

Lave calde e fluide, formano colate sottili molto estese (fino oltre 100 km)

Lave “fredde” e viscose formano colate spesse e poco estese

vulcanismo

9

Piroclasti: frammenti solidi o liquidi, lanciati in aria nelle eruzioni esplosive, che si depositano con modalità simili a quelle delle rocce detritiche

Blocchi: frammenti grossolani (> 64mm) e angolati che erano solidi al momento dell’emissione (derivano dalla frammentazione dell’edifico vulcanico)

Bombe: frammenti grossolani (> 64mm) emessi in fase liquida, assumono forma affusolata nel tragitto in aria

blocco

bombaLapilli: frammenti fini (2 - 64mm) di magma solidificato in l’aria e/o di elementi solidi dell’edificio vulcanico

Ceneri: frammenti finissimi di magma (< 2mm) solidificato in aria

I piroclasti si depositano a distanza variabile dalla bocca del vulcano a seconda delle loro dimensioni

vulcanismo

10

Rocce piroclastiche: derivano dall’accumulo dei piroclasti, sono in genere stratificate

Pomici: rocce a bassissima densità, derivanti dall’accumulo di bombe o lapilli molto ricchi in gas

Tufi: rocce a bassa densità, derivanti dall’accumulo di ceneri

pomice

tufoORIGINE ED EVOLUZIONE DEI MAGMI

I magmi vulcanici si originano per fusione parziale del mantello

Il fuso iniziale che si forma è sempre di tipo basaltico

A seconda dell’ambiente geologico in cui si sviluppa, il magma iniziale può subire o meno una evoluzione prima di giungere in superficie

vulcanismo

11

L’evoluzione magmatica produce in genere una acidificazione del magma ed avviene con tre possibili meccanismi:

Differenziazione: nel suo cammino verso la superficie, per vari motivi, il magma può fermarsi all’interno della crosta, raffreddandosi e solidificando parzialmente

La zona occupata in tal modo dal magma si dice camera magmatica. Essa non è una grande cavità, bensì un volume al cui interno il magma impregna le porosità della roccia.

Durante lo stazionamento nella camera magmatica il magma originario si raffredda ed i minerali basici, più alto fondenti, cominciano a cristallizzare ra

ffre

dda

men

to

vulcanismo

12

Il fuso residuo si arricchisce così in minerali sialici, più basso fondenti, ed in gas

raffr

ed

dam

ento

Più a lungo il magma stazione, più il fenomeno va avanti, più il magma diventa acido e ricco in gas

Assimilazione: il magma fonde ed ingloba parte delle rocce crostali in cui è intruso. Spesso tali rocce sono sialiche ed il magma originario diventa così più acido.

Mescolanza: magmi di composizione differente (ad es. basaltico ed anatettico) si mescolano modificando la loro composizione

A seconda dell’ambiente geologico esistono differenze nei meccanismi di fusione parziale del mantello con cui si producono i magmi originari

vulcanismo

13

Dorsali oceaniche

In tali zone le correnti convettive dell’astenosfera divergono, generando tensioni nella litosfera che finisce per lacerarsi.In conseguenza di ciò si abbassa la pressione litostatica, cosa che, a sua volta, abbassa la temperatura di fusione della peridotite del mantello

Dalla fusione parziale della peridotite si origina una magma basaltico

Il fenomeno è continuo, il magma risale verso la superficie, attraverso la sottile litosfera oceanica, senza stazionare in una camera magmatica e senza modificarsi

Il magma basaltico fuoriesce, fluido e con pochi gas, originando eruzioni effusive. In mezzo all’oceano si forma una catena vulcanica sottomarina

vulcanismo

14

Zone di subduzione

In tali aree le correnti convettive dell’astenosfera convergono, comprimendo la litosfera

Una porzione di litosfera oceanica entra in subduzione sotto un continente o sotto un’altra porzione di oceano

L’acqua contenuta nella crosta oceanica che subduce abbassa la temperatura di fusione del mantello

Il mantello sopra la zona di subduzione fonde, generando magmi basaltici che risalgono con intermittenza nella litosfera soprastante

Nel lungo cammino il magma staziona in una camera magmatica ove si differenzia; nelle zone continentali assimila anche rocce sialiche

Il magma, divenuto più o meno acido, viscoso e ricco di gas, origina eruzioni più o meno esplosive. Si formano catene arcuate di vulcani

vulcanismo

15

Punti caldi

Situati al di fuori delle fasce precedenti, costituiscono ognuno un piccolo raggruppamento di vulcani (max. 5 o 6), alimentati dalla stessa sorgente magmatica

Il magma basaltico proviene dal mantello inferiore, attraverso un “pennacchio” di calore (plume), ed arriva in superficie senza stazionare e senza modificarsi

Numerosi altri sono i punti caldi estinti, anche su crosta continentale, tra cui quello di Yellowstone

Il magma fuoriesce fluido e con pochi gas, producendo eruzioni effusive.

I punti caldi ancora oggi attivi hanno originato arcipelaghi vulcanici su crosta oceanica, come le Hawaii, le Galapagos, le Canarie, le Azzorre, Capo Verde e Reunion

Hawaii

Galapagos

Azzorre

Canarie

Capo Verde

Reunion

vulcanismo

16

Dalla zona di alimentazione nel mantello i magmi, in forma di grossi “goccioloni”, detti diapiri, risalgono verso la superficie per il galleggiamento dovuto alla differenza di temperatura.

Risalendo incontrano rocce sempre meno dense; quando la loro densità eguaglia quella delle rocce circostanti, i magmi si fermano e stazionano in un volume entro la crosta detto camera magmatica

La possibilità di stazionare o meno prima di arrivare in superficie dipende anche da altri due fattori

1) Spessore crostale da attraversare: più lungo è il percorso di risalita e maggiore è la possibilità di stazionare

2) Continuità ed abbondanza nel rifornimento di magma: se il magma giunge abbondante e con continuità dalla zona di alimentazione, la possibilità di stazionare si riduce

vulcanismo

17

Il magma che giunge in superficie direttamente dal mantello, senza stazionamento nella camera magmatica, non si differenzia

Resta quindi basaltico, caldo, fluido e povero di gas, originando eruzioni effusive

Ciò avviene nelle dorsali oceaniche e nei punti caldi, a causa dei ridotti spessori crostali e della continuità del rifornimento magmatico

Il magma che invece staziona nella camera magmatica si differenzia ed eventualmente assimila rocce crostali sialiche

Diventa quindi più acido, freddo, viscoso e ricco di gas, originando eruzioni esplosive

Ciò avviene nelle zone di subduzione, a causa dei notevoli spessori crostali e della discontinuità del rifornimento magmatico

Al variare delle condizioni (tempo di stazionamento, continuità del rifornimento magmatico ecc.) si può avere una vasta gamma di attività vulcanica più effusiva o più esplosiva

vulcanismo

18

Nel corso del tempo le condizioni descritte possono mutare anche per quanto riguarda uno stesso vulcano, sia pure nei limiti derivanti dalla sua collocazione geologica (dorsali, punti caldi o zone di subduzione)

Se ciò avviene, in tempi diversi il vulcano può alternare eruzioni più o meno effusive ad altre più o meno esplosive

La lava basaltica è basica, calda (1.000 – 1.200°C), molto fluida e povera in gas. Esce quindi con scarsa energia ed i pochi gas contenuti sono liberati in modo tranquillo.

ATTIVITA’ VULCANICA EFFUSIVA

Le esplosioni sono ridotte ed i piroclasti scarsi, spesso limitati a getti di lava fluidissima (fontane di lava), che ricadono intorno al cratere

vulcanismo

19

Le eruzioni durano a lungo (settimane, mesi, anni), producono grandi quantità di lava, creando però solo danni alle proprietà ed alle infrastrutture

Si hanno invece estese colate di lava che si muovono lungo i pendii con modalità differenti in base alla fluidità ed alla temperatura

Nei casi di fluidità e temperatura maggiori le colate sono sottili e veloci (da 300 m/h, fino ai 30 km/h nei fiumi di lava). Le distanza percorse possono arrivare a 100 km

Per viscosità maggiori le colate sono più lente (5 a 50 m/h), più spesse e meno estese

vulcanismo

20

Le colate sono brevi, la lava viscosa fluisce per distanze limitate e talvolta può uscire già semi solida dal vulcano.

ATTIVITA’ VULCANICA ESPLOSIVA

La lava riolitica è acida, più fredda (700 – 800°C), viscosa, ricca in gas ed esce quindi con molta energia.

Le eruzioni sono violente e brevi (da poche ore a qualche giorno), caratterizzate da abbondanti esplosioni, e producono molti piroclasti e poca lava.

Nella camera magmatica (sempre presente in questi casi) il magma staziona, differenziandosi sempre più verso acidità maggiore

I gas presenti si concentrano nella parte fusa, esercitando una forte pressione sulle rocce incassanti

vulcanismo

21

L’eruzione inizia quando l’equilibrio tra resistenza delle rocce incassanti e forza dei gas viene rotto a favore di questa

Si apre allora un varco verso la superficie (detto camino o condotto magmatico) e la pressione nella camera magmatica si abbassa

Come aprendo una bottiglia di Coca Cola (scaldata o agitata) i gas si separano dal liquido, formando una sorta di schiuma, spinta nel condotto verso l’esterno dalla pressione

Prima di arrivare in superficie il magma si frammenta ulteriormente ed esce come miscela di gas e piroclasti, che si espande verso l’alto in una colonna eruttiva

vulcanismo

22

La colonna sale per galleggiamento fino anche a 10 – 15 km di quota, si espande e può essere deviata dai venti vento

Ad un certo punto i piroclasti iniziano a cadere al suolo, a distanza variabile a seconda delle loro dimensioni

Si ha una pioggia di pomici, lapilli o ceneri, incandescenti o meno, che genera depositi di spessori variabili con la distanza

I danni alle proprietà ed alle infrastrutture sono notevoli: i tetti crollano, strade e campi sono ricoperti, alle prime piogge i depositi si mobilizzano, originando alluvioni e frane. I danni alle persone sono invece più limitati

vulcanismo

23

Nelle eruzioni maggiori le polveri più fini vengono trasportate nell’alta atmosfera e fanno il giro del mondo, modificando talvolta il clima

Nelle eruzioni esplosive si possono inoltre generare flussi piroclastici (nubi ardenti) che ricadono lungo i versanti del vulcano

Queste dense sospensioni di gas, ceneri e detriti più grossolani hanno temperatura di diverse centinaia di gradi centigradi e si muovono velocissime, distruggendo tutto ciò che incontrano

vulcanismo

24

I flussi piroclastici si possono generare per:

Collasso della colonna eruttiva

Esplosione laterale del vulcano

Trabocco diretto dal cratere

vulcanismo

25

In tali situazioni può generarsi una esplosione anulare, con produzione di un’ondata di vapore e scarsi piroclasti, che scivola poi lungo i fianchi del vulcano come una nube ardente

Fenomeni di questi tipo di dicono base surge (ondata basale)

In alcuni casi il magma entra in contatto con quantità notevoli di acqua (del mare o di falda), che si trasforma istantaneamente in vapore, producendo enormi esplosioni. Eruzioni di questo tipo si dicono freatomagmatiche

vulcanismo

26

I flussi piroclastici ed i base surge sono i fenomeni più pericolosi del vulcanismo esplosivo, in quanto investono molto rapidamente le zone intorno al vulcano senza lasciare scampo.

Nelle eruzioni esplosive la produzione di lava può invece essere del tutto assente oppure limitata alla emissione di corpi lavici semi solidificati (duomi) o completamente solidificati (spine e guglie)

S. Helens 1980

La Pelee 1902

vulcanismo

27

dopoprima

Tra le eruzioni marcatamente effusive e le eruzioni fortemente esplosive esiste una serie di condizioni intermedie che si realizzano al variare delle caratteristiche del magma eruttato

Inoltre anche uno stesso vulcano può avere attività di tipo diverso in fasi diverse della propria storia

Altro fenomeno assai pericoloso legato all’attività vulcanica sono i lahar, termine di origine indonesiana indicante enormi colate fredde di fango e detriti che si verificano a seguito di una eruzione

vulcanismo

28

I lahar possono generarsi in tre situazioni:

Vulcani di alta quota ricoperti da nevai o ghiacciai: l’eruzione, anche effusiva, produce per scioglimento una grande quantità di acqua, che rapidamente si riversa a valle, trascinando tutto ciò che incontra

Vulcani lungamente quiescenti nel cui cratere si è creato un lago, l’acqua del quale viene riversata a valle da una eruzione

Accumulo di spessori notevoli di piroclasti incoerenti successivamente mobilizzati da forti piogge

vulcanismo

29

LA FORMA DEL VULCANO

La montagna sub conica che chiamiamo vulcano si forma dall’accumulo dei materiali lavici che fuoriescono da una apertura della crosta

La forma dell’edificio vulcanico dipende quindi dal tipo di attività del vulcano, ovvero dalle caratteristiche dei materiali eruttati e dai tipi di eruzioni che li hanno prodotti

Vulcani a scudo: edifici con base larghissima e fianchi a dolce pendenza, prodotti da eruzioni effusive

L’edificio è prodotto dallo stratificarsi delle colate basaltiche. Ne sono esempi i vulcani dei punti caldi o dell’Islanda

vulcanismo

30

Vulcani a strato: in generale hanno fianchi un po’ concavi e più ripidi rispetto ai vulcani a scudo

Sono formati dall’alternanza di lave e strati piroclastici; la forma generale dell’edificio varia a seconda dei rapporti tra i due tipi di materiali. Le lave sono intermedie e le eruzioni moderatamente esplosive

vulcanismo

31

I vulcani a scudo sono molto più grossi di quelli a strato

Se si considera il loro dislivello totale, i vulcani a scudo costituiscono alcune delle montagne più elevate della Terra