Processo di separazione nucleo-mantello (differenziazione geochimica primaria) – riassunto

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E’ caratteristica di tutti gli elementi la tendenza a raggiungere una configurazione elettronica stabile completando l’ottetto (ed è per questo che gli elementi si combinano tra loro).
E’ importante ricordare la differenza tra metalli e non metalli, ovvero che i primi tendono a cedere elettroni mentre i secondi tendono ad acquistarli.
Tra gli elementi più abbondanti che tendono a prendere gli elettroni c’è l’ossigeno (O). Gli elementi prima del ferro (Fe) tendono maggiormente a legarsi con l’ossigeno e formare ossidi, rispetto agli elementi che, sulla tavola periodica, vengono dopo il ferro. I primi vengono detti elementi “
litofili” (arricchiti nel mantello e nella crosta terrestre), i secondi vengono detti elementi “siderofili” (arricchiti nel nucleo).
Ci sono anche elementi “
calcofili” (ovvero gli elementi che hanno affinità con lo zolfo e tendono, quindi, a formare solfuri).
Elementi calcofili, siderofili e litofili compongono la
sfera geochimica interna. La sfera geochimica esterna invece è composta da altri tre tipi di elementi:
– elementi “
atmofili”: che costituiscono l’atmosfera;
– elementi “
talassofili”: che costituiscono l’idrosfera (hanno affinità con l’acqua);
– elementi “
biofili”: che hanno affinità con le specie viventi.

Processo di separazione nucleo-mantello (differenziazione geochimica primaria)

Cosa succede ai silicati dopo la separazione nucleo-mantello, ora che il Fe è migrato nel nucleo?

Cosa succede ai silicati dopo la separazione nucleo-mantello
In questo grafico viene rappresentata la curva del gradiente geotermico a 3.5 miliardi di anni fa e le due curve (solidus e liquidus) che delimitano l’intervallo di fusione delle rocce del mantello (quest’ultimo, infatti, fonde in maniera incongruente). Com’è possibile notare dal grafico, la curva del gradiente geotermico sfiora l’inizio fusione e porta all’inizio fusione il mantello (ne fonde circa l’1%). Si forma quindi una percentuale di liquido che rende le rocce capaci di deformarsi; questo fenomeno determina l’instaurarsi dei “moti convettivi del mantello” (per espellere il calore che contiene) che, con i loro movimenti ellittici verso la superficie, causano movimenti di placche, orogenesi …
Analizziamo in dettaglio il processo: il materiale peridotitico del mantello sale verso l’alto sotto l’effetto della corrente convettiva (a condizione isoterma, infatti la sua T varia di pochissimo).
Quando arriviamo in prossimità della superficie, quell’1% di fuso diventa circa il 15% (ed avrà una composizione differente dal solido di partenza) sottoforma di magma basaltico che andrà a formare la crosta terrestre (oceanica). La restante parte solida (circa l’85%), invece, rimane al di sotto della crosta che si forma. Questo residuo refrattario, ormai solido, va a formare la “litosfera”; la linea di separazione tra solido (litosfera) e liquido (magma basaltico) è detta “
discontinuità di Mohorovicic”.
Questo processo di fusione parziale del mantello è una “
differenziazione geochimica secondaria”.

Il meccanismo che abbiamo appena analizzato riguarda i “margini di placca divergenti” causato da spinte ascendenti. Ma come esiste un ramo ascendente che porta alla creazione di un margine divergente, esistono anche rami discendenti che portano invece alla formazioni di “margini di placca convergenti”.

sistema di formazione di magmi

Anche in questo caso abbiamo un sistema di formazione di magmi; la parte della litosfera che sprofonda è fredda (portando basse temperature a profondità di centinaia di km). La placca in subduzione trascina nel mantello l’acqua (infatti, il plagioclasio dei basalti, a contato con l’acqua di mare, si altera e si trasforma in minerale idrato, diventando fillosilicato). La T rimane bassa ma la P aumenta e si forma un processo di metamorfismo di alta P e bassa T e l’acqua viene espulsa.
L’acqua che contenevano risale e va ad idratare la parte di mantello sovrastante la placca in subduzione. Tale mantello si modificherà ed abbasserà di molto la sua T d’inizio fusione, formando magmi.

mantello si modificherà ed abbasserà di molto la sua T d’inizio fusione

Che tipo di magma si forma?
Si formano magmi basalti-andesitici (ricchi di acqua, alluminio e sodio-potassio) che, a loro volta, andranno a formare la crosta terrestre. Tali magmi generano un tipo di vulcanismo esplosivo!
Questa è un’altra differenziazione geochimica.

differenziazione geochimica

Andiamo nel merito della questione e osserviamo i vari meccanismi:

Diagramma Forsterite – Anortite (riscaldamento)

Diagramma di cristallizzazione Anortite – Albite: raffreddamento

Continuiamo con la Crosta Continentale …
La crosta continentale continua ad accrescersi in prossimità dei margini convergenti ed iniziano a formarsi magmi non basaltici (come quelli che oggi possiamo osservare su tale crosta).
Oltretutto, la situazione di convergenza (al contrario di quella di divergenza) blocca, a meglio rallenta, questo processo di risalita; infatti il magma riolitico, a differenza di quello basaltico, si forma a modeste profondità (circa 70 km).
Si formano così corpi intrusivi che possono avere dimensioni di migliaia di kmᶟ. In questi corpi avvengono cristallizzazioni lente e, durante il raffreddamento, producono un’ulteriore differenziazione chimica:
la cristallizzazione dell’olivina fa si che i cristalli già formati precipitino sul fondo, impoverendo il magma e formando uno strato di cristalli sedimentari; pertanto, il mio liquido rimane isolato dai cristalli che si sono formati e cambia la sua composizione (questo processo è detto “cristallizzazione frazionata”). L’effetto di tale processo è una differenziazione geochimica per cristallizzazione frazionata e per effetto gravitativo dei cristalli.
Tale magma andesitico contiene anche molta acqua in percentuale (circa 5%). I primi minerali a cristallizzare sono olivina, pirosseni (insomma, i minerali anidri); di conseguenza la percentuale di acqua aumenta (perché il magma diminuisce, ma l’acqua no!). Il magma non riesce più a trattenere la sempre più alta percentuale d’acqua, liberando gas (per “evaporazione retrograda”, ovvero ebollizione per raffreddamento) che porta a violente eruzioni esplosive.
Con questi processi magmatici otteniamo svariati tipi di magmi, differenti dai fusi capostipiti, e si riescono a produrre quelle rocce ignee tipiche sia della crosta oceanica che quella continentale (da magmi andesitici a magmi granodioritici, granitici … insomma, molto differenti, tutto per effetto della cristallizzazione frazionata).
NB: “Na” è arricchito principalmente nella crosta continentale (come “K” ed “Al”)
“Ca” è arricchito principalmente nella crosta oceanica (come “Mg” e “Fe”)

Processo Idrico:
Parallelamente, inizia un altro processo, ovvero il “ciclo idrico”.
Da dove viene l’acqua?
Nel mantello, tra i minerali presenti in quantità minori, ci sono anche minerali idrati (come detto precedentemente, grazie alle condriti carbonacee) tra cui il più importante è la “flogopite” (ovvero una biotite a magnesio). Quest’ultima, nella fusione parziale del mantello, fonde completamente e forma il magma basaltico. Una volta che raggiunge la superficie, con conseguente diminuzione di pressione, l magma perde il gas che contiene; quest’ultimo va a finire in atmosfera e, condensando, diventa acqua e cade sulla superficie terrestre.
La quantità di acqua emessa con tale processo è di gran lunga sufficiente per formare i mari che oggi osserviamo (a dimostrazione che questa teoria è quindi attendibile). Quest’acqua che condensa va a finire nelle depressioni della superfici del pianeta, accumulandosi nei bassi topografici. L’arrivo d’energia da parte dell’irraggiamento solare è fondamentale per dare il via a questo ciclo idrologico, ma ci vuole anche un altro fattore importante oltre al sole e l’acqua: il “dislivello”.
A tal punto, l’acqua evapora dal basso, diventa nube, si sposta in alto, condensa, piove e casca su superfici elevate per poi scorrere e tornare al punto di partenza grazie alla gravità:
questo è il processo idrologico.

   
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