4.3: Generación Magma
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Gradiente geotérmico
Por debajo de la superficie, la temperatura de la Tierra se eleva. Este calor es causado por el calor residual que queda de la formación de la Tierra y la continua desintegración radiactiva. La velocidad a la que la temperatura aumenta con la profundidad se denomina gradiente geotérmico. El gradiente geotérmico promedio en los 100 km superiores (62 mi) de la corteza es de aproximadamente 25°C por kilómetro de profundidad. Entonces, por cada kilómetro de profundidad, la temperatura aumenta aproximadamente 25°C.
El gráfico profundidad-temperatura (ver figura) ilustra la relación entre el gradiente geotérmico (geoterma, línea roja) y el inicio del derretimiento de la roca (solidus, línea verde). El gradiente geotérmico cambia con la profundidad (que tiene una relación directa con la presión) a través de la corteza hacia el manto superior. El área a la izquierda de la línea verde incluye componentes sólidos; a la derecha es donde comienzan a formarse los componentes líquidos. El aumento de la temperatura con la profundidad hace que la profundidad sea de unos 125 kilómetros (78 millas) donde el gradiente geotérmico natural es el más cercano al solidus.
La temperatura a 100 km (62 mi) de profundidad es de aproximadamente 1,200°C (2,192°F). En el fondo de la corteza, a 35 km (22 mi) de profundidad, la presión es de aproximadamente 10,000 bares [7]. Una barra es una medida de presión, siendo 1 bar la presión atmosférica normal al nivel del mar. A estas presiones y temperaturas, la corteza y el manto son sólidos. A una profundidad de 150 km (93 mi), la línea de gradiente geotérmico permanece a la izquierda de la línea solidus. Esta relación continúa a través del manto hasta el límite núcleo-manto, a 2,880 km (1,790 millas).
La línea de solidus se inclina hacia la derecha porque la temperatura de fusión de cualquier sustancia depende de la presión. La mayor presión creada a mayor profundidad aumenta la temperatura necesaria para fundir la roca. En otro ejemplo, a nivel del mar con una presión atmosférica cercana a 1 bar, el agua hierve a 100°C Pero si se baja la presión, como se muestra en el video a continuación, el agua hierve a una temperatura mucho menor.
Hay tres formas principales en que el comportamiento de la roca cruza a la derecha de la línea de sólido verde para crear magma fundido: 1) fusión por descompresión causada por la disminución de la presión, 2) fusión de flujo causada por la adición de volátiles (ver más abajo) y 3) fusión inducida por calor causada por el aumento de la temperatura. La Serie Reacción de Bowen muestra que los minerales se funden a diferentes temperaturas. Dado que el magma es una mezcla de diferentes minerales, el límite del solidus es más una zona borrosa que una línea bien definida; algunos minerales se funden y otros permanecen sólidos. Este tipo de comportamiento de la roca se llama fusión parcial y representa magmas del mundo real, que típicamente contienen componentes sólidos, líquidos y volátiles.
La siguiente figura utiliza diagramas P-T para mostrar cómo puede ocurrir la fusión en tres configuraciones tectónicas de placa diferentes. La línea verde se llama el solidus, la temperatura del punto de fusión de la roca a esa presión. El ajuste A es una situación (llamada “normal”) en medio de una placa estable en la que no se genera magma. En las otras tres situaciones, la roca en una ubicación rotulada con una temperatura en el gradiente geotérmico se mueve a una nueva situación P-T en el diagrama. Este desplazamiento es indicado por la flecha y su temperatura relativa al solidus se muestra por la línea roja. La fusión parcial ocurre donde la temperatura de la línea roja de la roca cruza el sólido verde en el diagrama. El ajuste B se encuentra en una cresta oceánica (fusión por descompresión) donde la reducción de la presión lleva a la roca a su temperatura a través del sólido. El ajuste C es un punto de acceso donde la fusión por descompresión más la adición de calor transporta la roca a través del sólido, y el ajuste D es una zona de subducción donde tiene lugar un proceso llamado fusión de flujo donde el sólido (punto de fusión) realmente se desplaza a por debajo de la temperatura de la roca.
Las gráficas A-D a continuación, junto con la vista lateral de las capas de la Tierra en diversos escenarios tectónicos (ver figura), muestran cómo se produce el derretimiento en diferentes situaciones. La gráfica A ilustra una situación normal, ubicada en medio de una placa estable, donde no se puede encontrar roca derretida. Los tres gráficos restantes ilustran el comportamiento de las rocas en relación con los cambios en el gradiente geotérmico o en las líneas sólidas. La fusión parcial ocurre cuando la línea de gradiente geotérmico cruza la línea sólida. La gráfica B ilustra el comportamiento de la roca ubicada en una cresta oceánica, etiquetada como X en la gráfica y vista lateral. La presión reducida desplaza la geoterma hacia la derecha del solidus, provocando la fusión por descompresión. La gráfica C y la etiqueta Y ilustran una situación de hotspot. La fusión por descompresión, más una adición de calor, desplaza la geoterma a través del sólido. La gráfica D y la etiqueta Z muestran una zona de subducción, donde una adición de volátiles disminuye el punto de fusión, desplazando el sólido a la izquierda del gradiente geotérmico. B, C y D muestran diferentes formas en que la Tierra produce intersecciones del gradiente geotérmico y el sólido, lo que resulta en el derretimiento cada vez.
GFDL o CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons" width="840" src="https://geo.libretexts.org/@api/deki...e-1024x585.jpg">Fusión de descompresión
El magma se crea en las crestas oceánicas a través de la fusión por descompresión Las fuertes corrientes de convección hacen que la astenosfera sólida fluya lentamente por debajo de la litosfera. La parte superior de la litosfera (corteza) es un mal conductor de calor, por lo que la temperatura permanece aproximadamente la misma en todo el material del manto subyacente. Donde las corrientes de convección hacen que el material del manto suba, la presión disminuye, lo que hace que el punto de fusión baje. En esta situación, la roca a la temperatura del gradiente geotérmico se eleva hacia la superficie, por lo que la roca más caliente es ahora menos profunda, a menor presión, y la roca, aún a la temperatura del gradiente geotérmico en su antigua ubicación, se desplaza más allá de su punto de fusión (mostrado como el cruce de la línea roja sobre el solidus o la línea verde en el ejemplo B en la figura anterior) y comienza la fusión parcial. A medida que este magma sigue subiendo, se enfría y cristaliza para formar una nueva corteza litosférica.
Fusión de fundente
La fusión por flujo o la fusión inducida por fluidos ocurre en los arcos isleños y zonas de subducción cuando se agregan gases volátiles al material del manto (ver figura: gráfico D, etiqueta Z). El magma fundido por fundente produce muchos de los volcanes en las zonas de subducción circunpacífica, también conocidas como el Anillo de Fuego. La losa de subducción contiene litosfera oceánica y minerales hidratados. Como se recoge en el Capítulo 2, estas formas hidratadas se crean cuando los iones de agua se unen con la estructura cristalina de los minerales de silicato. A medida que la losa desciende al manto caliente, el aumento de la temperatura hace que los minerales hidratados emitan vapor de agua y otros gases volátiles, los cuales son expulsados del agua similar a una losa que se exprime de una esponja. Los volátiles se disuelven en el manto astenosférico suprayacente y disminuyen su punto de fusión. En esta situación la presión aplicada y la temperatura no han cambiado, el punto de fusión del manto se ha reducido por la adición de sustancias volátiles. La figura anterior (gráfica D) muestra la línea de solidus verde desplazándose hacia la izquierda y por debajo de la línea roja del gradiente geotérmico, y comienza el derretimiento. Esto es análogo a agregar sal a una calzada helada. La sal baja la temperatura de congelación del hielo sólido por lo que se convierte en agua líquida.
Fusión inducida por calor
La fusión inducida por calor, transformando el manto sólido en magma líquido simplemente aplicando calor, es el proceso menos común para generar magma (ver figura: gráfico C, etiqueta Y). La fusión inducida por el calor ocurre en las plumas o puntos calientes del manto. La roca que rodea el penacho está expuesta a temperaturas más altas, el gradiente geotérmico cruza a la derecha de la línea verde del sólido, y la roca comienza a derretirse. El penacho del manto incluye material del manto ascendente, lo que significa que también se está produciendo cierta fusión por descompresión. Una pequeña cantidad de magma también es generada por el intenso metamorfismo regional (ver Capítulo 6). Este magma se convierte en una roca híbrida metamorfo-ígnea llamada migmatita.