3.3: Cristalización de Magma
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Los minerales que componen las rocas ígneas cristalizan en un rango de diferentes temperaturas. Esto explica por qué un magma refrescante puede tener algunos cristales dentro de él y, sin embargo, permanecer predominantemente líquido. La secuencia en la que los minerales cristalizan a partir de un magma se conoce como la serie de reacciones de Bowen (Figura\(\PageIndex{1}\) y Figura\(\PageIndex{3}\)).
De los minerales de silicato comunes, el olivino normalmente cristaliza primero, entre 1200° y 1300°C.A medida que baja la temperatura, y asumiendo que algo de sílice permanece en el magma, los cristales de olivino reaccionarán (se combinarán) con parte de la sílice en el magma para formar piroxeno. Mientras quede sílice y la velocidad de enfriamiento sea lenta, este proceso continúa por la rama discontinua: olivino a piroxeno, piroxeno a anfíbol y (en las condiciones adecuadas) de anfíbol a biotita.
Aproximadamente en el punto donde el piroxeno comienza a cristalizar, el feldespato plagioclasa también comienza a cristalizar. A esa temperatura, la plagioclasa es rica en calcio (anortita) (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). A medida que baja la temperatura, y siempre que quede sodio en el magma, la plagioclasa que se forma es una variedad más rica en sodio.
En algunos casos, los cristales individuales de plagioclasa se pueden zonificar de ricos en calcio en el centro a más ricos en sodio alrededor del exterior. Esto ocurre cuando los cristales de plagioclasa de formación temprana ricos en calcio se recubren con plagioclasa progresivamente más rica en sodio a medida que el magma se enfría. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra una plagioclasa zonificada bajo un microscopio.
Por último, si el magma es bastante rico en sílice para empezar, todavía quedará algo alrededor de 750° a 800°C, y a partir de este último magma se formarán feldespato potásico, cuarzo y tal vez mica moscovita.
Norman Levi Bowen, nacido en Kingston Ontario, estudió geología en la Queen's University y luego en el MIT en Boston. En 1912, Norman Levi Bowen se incorporó a la Institución Carnegie en Washington, D.C., donde realizó investigaciones experimentales innovadoras sobre los procesos de enfriamiento de magmas. Trabajando principalmente con magmas basálticos, determinó el orden de cristalización de los minerales a medida que baja la temperatura. El método, en resumen, fue fundir la roca a un magma en un horno especialmente hecho, dejarla enfriar lentamente a una temperatura específica (permitiendo que se formen algunos minerales), y luego apagarla (enfriarla rápidamente) para que no se formen nuevos minerales (solo vidrio). Los resultados se estudiaron bajo el microscopio y mediante análisis químico. Esto se hizo una y otra vez, permitiendo cada vez que el magma se enfriara a una temperatura más baja antes de apagarlo.
La serie de reacciones de Bowen es uno de los resultados de su trabajo, e incluso un siglo después, es una base importante para nuestra comprensión de las rocas ígneas. La palabra reacción es crítica. En la rama discontinua, el olivino es típicamente el primer mineral que se forma (justo por debajo de 1300°C). A medida que la temperatura continúa bajando, el olivino se vuelve inestable mientras que el piroxeno se vuelve estable. Los cristales de olivino de formación temprana reaccionan con sílice en el magma líquido restante y se convierten en piroxeno, algo así:
Mg 2 SiO 4 + SiO 2 (olivino) se convierte en 2MgSiO 3 (proxeno)
Esto continúa por la cadena, siempre y cuando aún quede sílice en el líquido.
La composición del magma original es crítica para la cristalización del magma porque determina hasta qué punto puede continuar el proceso de reacción antes de que se agote toda la sílice. Las composiciones de magmas máficos, intermedios y félsicos típicos se muestran en la Figura\(\PageIndex{4}\). Obsérvese que\(\PageIndex{1}\), a diferencia de la Figura, estas composiciones se expresan en términos de “óxidos” (por ejemplo, Al 2 O 3 en lugar de solo Al). Hay dos razones para ello: una es que en los primeros procedimientos analíticos, los resultados siempre se expresaron de esa manera, y la otra es que todos estos elementos se combinan fácilmente con el oxígeno para formar óxidos.
Los magmas mafic tienen 45% a 55% SiO 2, aproximadamente 25% total de FeO y MgO más CaO, y aproximadamente 5% Na 2 O + K 2 O. Los magmas felsic, por otro lado, tienen mucho más SiO 2 (65% a 75%) y Na 2 O + K 2 O (alrededor del 10%) y mucho menos FeO y MgO más CaO (alrededor del 5%).
Las proporciones de los principales componentes químicos de magmas félsicos, intermedios y máficos se enumeran en la siguiente tabla. (Los valores son similares a los mostrados en la Figura\(\PageIndex{4}\).)
| Óxido | Magma félsico | Magma Intermedio | Mafic Magma |
|---|---|---|---|
| SiO 2 | 65% a 75% | 55% a 65% | 45% a 55% |
| Al 2 O 3 | 12% a 16% | 14% a 18% | 14% a 18% |
| FeO | 2% a 4% | 4% a 8% | 8% a 12% |
| CaO | 1% a 4% | 4% a 7% | 7% a 11% |
| MgO | 0% a 3% | 2% a 6% | 5% a 9% |
| Na 2 O | 2% a 6% | 3% a 7% | 1% a 3% |
| K 2 O | 3% a 5% | 2% a 4% | 0.5% a 3% |
Los datos químicos para cuatro muestras de roca se muestran en la siguiente tabla. Compárelos con los de la tabla anterior para determinar si cada una de estas muestras es félsica, intermedia o máfica.
| Muestra de Roca | SiO 2 | Al 2 O 3 | FeO | CaO | MgO | Na 2 O | K 2 O | ¿Qué tipo de magma es? |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Roca 1 | 55% | 17% | 5% | 6% | 3% | 4% | 3% | |
| Roca 2 | 74% | 14% | 3% | 3% | 0.5% | 5% | 4% | |
| Roca 3 | 47% | 14% | 8% | 10% | 8% | 1% | 2% | |
| Roca 4 | 65% | 14% | 4% | 5% | 4% | 3% | 3% |
Consulte el Apéndice 3 para las respuestas del Ejercicio 3.3.
A medida que un magma máfico comienza a enfriarse, parte de la sílice se combina con hierro y magnesio para hacer olivino. A medida que se enfría aún más, gran parte de la sílice restante se convierte en plagioclasa rica en calcio, y cualquier sílice que quede puede usarse para convertir parte del olivino en piroxeno. Poco después de eso, todo el magma se agota y no se producen más cambios. Los minerales presentes serán olivino, piroxeno y plagioclasa rica en calcio. Si el magma se enfría lentamente bajo tierra, el producto será gabro; si se enfría rápidamente en la superficie, el producto será basalto (Figura\(\PageIndex{5}\)).
Los magmas félsicos tienden a ser más fríos que los magmas máficos cuando comienza la cristalización (porque no tienen que estar tan calientes para permanecer líquidos), por lo que pueden comenzar a cristalizar piroxeno (no olivino) y plagioclasa. A medida que continúe el enfriamiento, las diversas reacciones en la rama discontinua continuarán porque la sílice es abundante, la plagioclasa se volverá cada vez más rica en sodio y eventualmente se formarán feldespato potásico y cuarzo. Comúnmente incluso las rocas muy félsicas no tendrán biotita o moscovita porque pueden no tener suficiente aluminio o suficiente hidrógeno para hacer los complejos OH que son necesarios para los minerales de mica. Las rocas félsicas típicas son el granito y la riolita (Figura\(\PageIndex{5}\)).
El comportamiento de enfriamiento de los magmas intermedios se encuentra en algún lugar entre los magmas máficos y félsicos. Las rocas máficas típicas son el gabro (intrusivo) y el basalto (extrusivo). Las rocas intermedias típicas son la diorita y la andesita. Las rocas félsicas típicas son el granito y la riolita (Figura\(\PageIndex{5}\)).
Una serie de procesos que tienen lugar dentro de una cámara de magma pueden afectar los tipos de rocas producidas al final. Si el magma tiene una viscosidad baja (es decir, está líquida) —lo cual es probable si es máfic—los cristales que se forman temprano, como el olivino (Figura\(\PageIndex{6}\) a), pueden asentarse lentamente hacia el fondo de la cámara de magma (Figura\(\PageIndex{6}\) b). Esto significa que la composición general del magma cerca de la parte superior de la cámara de magma se volverá más félsica, ya que está perdiendo algunos componentes ricos en hierro y magnesio. Este proceso se conoce como cristalización fraccionada. Los cristales que se asientan podrían formar una capa rica en olivino cerca del fondo de la cámara de magma, o podrían volver a fundirse porque es probable que la parte inferior esté más caliente que la parte superior (recuerde, del Capítulo 1, que las temperaturas aumentan constantemente con la profundidad en la Tierra debido al gradiente geotérmico). Si se produce alguna fusión, la sedimentación cristalina hará que el magma en el fondo de la cámara sea más máfico de lo que era para empezar (Figura\(\PageIndex{6}\) c).
Si no se produce la sedimentación de cristales, debido a que el magma es demasiado viscoso, entonces el proceso de enfriamiento continuará como lo predijo la serie de reacciones de Bowen. En algunos casos, sin embargo, el magma parcialmente enfriado pero aún líquido, con cristales en él, se moverá más hacia arriba en una parte más fría de la corteza, o todo el camino hasta la superficie durante una erupción volcánica. En cualquiera de estas situaciones, es probable que el magma que se ha movido hacia la superficie se enfríe mucho más rápido que dentro de la cámara de magma, y el resto de la roca tendrá una textura cristalina más fina. Una roca ígnea con grandes cristales incrustados en una matriz de cristales mucho más finos es indicativa de un proceso de enfriamiento de dos etapas, y la textura es porfirítica (Figura\(\PageIndex{7}\)). Para que la roca se llame “porfirítica” tiene que haber una diferencia significativa en el tamaño de los cristales, donde los cristales más grandes son al menos 10 veces mayores que el tamaño promedio de los cristales más pequeños.
A medida que un magma se enfría por debajo de 1300°C, los minerales comienzan a cristalizar dentro de él. Si ese magma está entonces involucrado en una erupción volcánica, el resto del líquido se enfriará rápidamente para formar una textura porfirítica. La roca tendrá algunos cristales relativamente grandes (fenocristales) de los minerales que cristalizaron temprano, y el resto será de grano muy fino o incluso vítreo. Usando la Figura\(\PageIndex{8}\), prediga qué fenocristos podrían estar presentes donde el magma se enfrió hasta la línea a en un caso, y la línea b en otro.
Consulte el Apéndice 3 para el Ejercicio 3.4 respuestas.
Atribuciones de medios
- Figura\(\PageIndex{1}\), 3.3.4, 3.3.5, 3.3.6, 3.3.7, 3.3.8: © Steven Earle. CC POR.
- Figura\(\PageIndex{2}\): © Sandra Johnstone. CC POR.
- Figura\(\PageIndex{3}\): “Norman L. Bowen”. Dominio público.