3.2: Formación Magma y Magma

Los magmas pueden variar ampliamente en su composición, pero en general están constituidos por sólo ocho elementos; en orden de importancia: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, magnesio y potasio (Figura\(\PageIndex{1}\)). El oxígeno, el elemento más abundante en el magma, comprende poco menos de la mitad del total, seguido del silicio en poco más de un cuarto. Los elementos restantes conforman el otro cuarto. Los magmas derivados del material cortical están dominados por oxígeno, silicio, aluminio, sodio y potasio.

La composición del magma depende de la roca de la que se formó (por fusión), y de las condiciones de ese derretimiento. Los magmas derivados del manto tienen niveles más altos de hierro, magnesio y calcio, pero aún es probable que estén dominados por oxígeno y silicio. Todos los magmas tienen proporciones variables de elementos como hidrógeno, carbono y azufre, que se convierten en gases como vapor de agua, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno a medida que el magma se enfría.

Figura Proporciones elementales\(\PageIndex{1}\) promedio en la corteza terrestre, que es cercana a la composición promedio de magmas dentro de la corteza. Las proporciones elementales promedio en la corteza terrestre desde la mayor cantidad hasta la menor cantidad. Oxígeno (46.6%), Silicio (27.7%), Aluminio (8.1%), Hierro (5.0%), Calcio (3.6%), Sodio (2.8%), Potasio (2.6%), Magnesio (2.1%), Otros (1.5%).

Prácticamente todas las rocas ígneas que vemos en la Tierra se derivan de magmas que se formaron a partir del derretimiento parcial de la roca existente, ya sea en el manto superior o en la corteza. La fusión parcial es lo que ocurre cuando solo algunas partes de una roca se funden; se produce porque las rocas no son materiales puros. La mayoría de las rocas están compuestas por varios minerales, cada uno de los cuales tiene una temperatura de fusión diferente. La cera en una vela es un material puro. Si pones un poco de cera en un horno tibio (50°C servirá ya que la temperatura de fusión de la mayoría de la cera es de aproximadamente 40°C) y la dejas ahí por un tiempo, pronto comenzará a derretirse. Eso es fusión completa, no fusión parcial. Si en cambio tomaras una mezcla de cera, plástico, aluminio y vidrio y la metías en el mismo horno caliente, la cera pronto comenzaría a derretirse, pero el plástico, el aluminio y el vidrio no se derretirían (Figura\(\PageIndex{2}\) a). Eso es fusión parcial y el resultado sería plástico sólido, aluminio y vidrio rodeados de cera líquida (Figura\(\PageIndex{2}\) b). Si calentamos el horno hasta alrededor de 120°C, el plástico también se derretiría y se mezclaría con la cera líquida, pero el aluminio y el vidrio permanecerían sólidos (Figura\(\PageIndex{2}\) c). Nuevamente esto es fusión parcial. Si separamos el “magma” de cera/plástico de los demás componentes y lo dejamos enfriar, eventualmente se endurecería. Como puede ver en la Figura\(\PageIndex{2}\) d, la cera líquida y el plástico se han mezclado, y al enfriarse, han formado lo que parece una sola sustancia sólida. Lo más probable es que se trate de una mezcla de grano muy fino de cera sólida y plástico sólido, pero también podría ser alguna otra sustancia que se haya formado a partir de la combinación de los dos.

Figura Fusión\(\PageIndex{2}\) parcial de “roca simulada”: (a) los componentes originales de cera de vela blanca, tubo de plástico negro, vidrio de playa verde y alambre de aluminio, (b) después de calentar a 50˚C por 30 minutos solo la cera se ha derretido, (c) después de calentar a 120˚C durante 60 minutos gran parte del plástico se ha derretido y los dos los líquidos se han mezclado, (d) el líquido se ha separado de los sólidos y se ha dejado enfriar para hacer una “roca simulada” con una composición general diferente.

En este ejemplo, fundimos parcialmente alguna roca simulada para crear algún magma simulado. Luego separamos el magma de la fuente y dejamos que se enfriara para hacer una nueva roca simulada con una composición bastante diferente al material original (carece de vidrio y aluminio).

Por supuesto, el derretimiento parcial en el mundo real no es exactamente lo mismo que en nuestro ejemplo de roca pretendida. Las principales diferencias son que las rocas son mucho más complejas que el sistema de cuatro componentes que utilizamos, y los componentes minerales de la mayoría de las rocas tienen temperaturas de fusión más similares, por lo que es probable que dos o más minerales se derrita al mismo tiempo en diversos grados. Otra diferencia importante es que cuando las rocas se derriten, el proceso lleva de miles a millones de años, no los 90 minutos que tardó en el ejemplo de roca pretendida.

Contrario a lo que uno podría esperar, y contrario a lo que hicimos para hacer nuestra roca simulada, la fusión más parcial de la roca real no implica calentar la roca. Los dos mecanismos principales a través de los cuales se funden las rocas son la fusión por descompresión y la fusión La fusión por descompresión tiene lugar dentro de la Tierra cuando un cuerpo de roca se mantiene aproximadamente a la misma temperatura pero la presión se reduce. Esto sucede porque la roca se mueve hacia la superficie, ya sea en un penacho del manto (también conocido como punto caliente), o en la parte ascendente de una celda de convección del manto. ^[1] El mecanismo de fusión por descompresión se muestra en la Figura\(\PageIndex{3a}\). Si una roca que está lo suficientemente caliente como para estar cerca de su punto de fusión se mueve hacia la superficie, la presión se reduce y la roca puede pasar al lado líquido de su curva de fusión. En este punto, comienza a producirse un derretimiento parcial. El proceso de fusión por fundente se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) b. Si una roca está cerca de su punto de fusión y se agrega algo de agua (un fundente que promueve la fusión) a la roca, la temperatura de fusión se reduce (línea continua versus línea punteada) y comienza la fusión parcial.

Figura\(\PageIndex{3}\) Mecanismos para (a) fusión por descompresión (la roca se mueve hacia la superficie) y (b) fusión de flujo (se agrega agua a la roca) y se desplaza la curva de fusión. (a) La roca del manto seco es predominantemente sólida. Sin embargo, su punto de fusión depende de la temperatura y presión a la que se encuentra la roca. Cuanto mayor sea la presión (es decir, cuanto más lejos esté la roca de la superficie de la Tierra), más probable es que la roca del manto seco sea sólida. La roca seca del manto bajo presión extrema requiere una temperatura mucho más alta para fundirse que la roca seca del manto bajo menos presión. A medida que cae la presión (es decir, a medida que la roca se eleva hacia la superficie de la Tierra), la temperatura requerida para derretir la roca del manto también disminuye. (b) En comparación con la roca seca del manto, la roca húmeda del manto bajo la misma cantidad de presión (a la misma distancia de la superficie de la tierra) requiere una temperatura más baja para fundirse. Cuando se agrega líquido a la roca de la chimenea seca a un punto de presión y temperatura en el que la roca húmeda del manto se fundiría, se produce la fusión de fundente.

El derretimiento parcial de la roca ocurre en una amplia gama de situaciones, la mayoría de las cuales están relacionadas con la tectónica de placas. Los más importantes de estos se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\). Tanto en las plumas del manto como en las partes ascendentes de los sistemas de convección, la roca se mueve hacia la superficie, la presión disminuye y, en algún momento, la roca cruza hacia el lado líquido de su curva de fusión. En las zonas de subducción, el agua de la corteza oceánica húmeda subducente se transfiere al manto caliente suprayacente. Esto proporciona el fundente necesario para bajar la temperatura de fusión. En ambos casos, solo se produce una fusión parcial, típicamente solo alrededor del 10% de la roca se funde, y siempre son los componentes más ricos en sílice de la roca los que se funden, creando un magma que es más rico en sílice que la roca de la que se deriva. (Por analogía, el derretimiento de nuestra roca simulada es más rico en cera y plástico que la “roca” de la que se derivó). El magma producido, siendo menos denso que la roca circundante, se mueve hacia arriba a través del manto, y eventualmente hacia la corteza.

Figura Sitios\(\PageIndex{4}\) comunes de formación de magma en el manto superior. Los círculos negros son regiones de fusión parcial. Las flechas azules representan el agua que se transfiere desde las placas de subducción al manto suprayacente.

A medida que se mueve hacia la superficie, y especialmente cuando se mueve del manto a la corteza inferior, el magma caliente interactúa con la roca circundante. Esto generalmente conduce a la fusión parcial de la roca circundante porque la mayoría de estos magmas son más calientes que la temperatura de fusión de la roca cortical. (En este caso, el derretimiento es causado por un aumento de la temperatura.) Nuevamente, las partes más ricas en sílice de la roca circundante se funden preferentemente, y esto contribuye a un aumento en el contenido de sílice del magma.

A temperaturas muy altas (superiores a 1300°C), la mayor parte del magma es completamente líquido porque hay demasiada energía para que los átomos se unan entre sí. A medida que baja la temperatura, generalmente debido a que el magma se mueve lentamente hacia arriba, las cosas empiezan a cambiar. El silicio y el oxígeno se combinan para formar tetraedros de sílice, y luego, a medida que continúa el enfriamiento, los tetraedros comienzan a unirse para hacer cadenas (polimerizar). Estas cadenas de sílice tienen el importante efecto de hacer que el magma sea más viscoso (menos líquido), y como veremos en el Capítulo 4, la viscosidad del magma tiene implicaciones significativas para las erupciones volcánicas. A medida que el magma continúa enfriándose, comienzan a formarse cristales.

Ejercicio 3.2 Hacer que el magma sea viscoso

Este es un experimento que puedes hacer en casa para ayudarte a entender las propiedades del magma. Solo tardará unos 15 minutos, y todo lo que necesitas es media taza de agua y unas cucharadas de harina.

Si alguna vez has hecho salsa, salsa blanca o roux, sabrás cómo funciona esto.

Coloca aproximadamente 1/2 taza (125 mL) de agua en una cacerola a fuego medio. Agrega 2 cucharaditas (10 mL) de harina blanca (esto representa sílice) y revuelve mientras la mezcla se acerca a hervir. Se debe espesar como salsa porque el gluten en la harina se polimeriza en cadenas durante este proceso.

Ahora vas a agregar más “sílice” para ver cómo esto cambia la viscosidad de tu magma. Toma otras 4 cucharaditas (20 mL) de harina y mézclala bien con aproximadamente 4 cucharaditas (20 mL) de agua en una taza y luego agrega toda esa mezcla al resto del agua y harina en la cacerola. Revuelva mientras lo vuelve a subir a la temperatura casi de ebullición, y luego dejar que se enfríe. Esta mezcla lentamente debería volverse mucho más espesa —algo así como papilla— porque hay más gluten y se han formado más cadenas (ver la foto).

Figura Experimento de magma de\(\PageIndex{5}\) harina y agua.

Esto es análogo al magma, por supuesto. Como veremos a continuación, los magmas tienen contenidos bastante variables de sílice y por lo tanto tienen viscosidades (“espesores”) ampliamente variables durante el enfriamiento.

Consulte el Apéndice 3 para las respuestas del Ejercicio 3.2.

Atribuciones de medios

• Figura\(\PageIndex{1}\), 3.2.2, 3.2.3, 3.2.5: © Steven Earle. CC POR.
• Figura\(\PageIndex{4}\): “Sección transversal” de José F. Vigil de This Dynamic Planet, un mapa mural producido conjuntamente por el Servicio Geológico de los Estados Unidos, la Institución Smithsonian y el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos. Adaptado por Steven Earle. Dominio público.

---

1. Las plumas del manto se describen en el Capítulo 4 y la convección del manto en el Capítulo 9.