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Lezioni di geologia:
I vulcani

Indice Lezioni di Geologia


I vulcani

il vulcanismo - distribuzione dei vulcani - origine del magma - i prodotti dell'attività vulcanica - classificazione dell'attività vulcanica - struttura di un vulcano e caratteristiche degli edifici vulcanici


IL VULCANISMO:

Il vulcanismo è il fenomeno di risalita in superficie di materiale magmatico (silicati fusi e gas) derivante dalla fusione locale e parziale della crosta terrestre o del mantello. L'attività vulcanica è quindi una manifestazione esterna del dinamismo interno della Terra dovuto a flussi di calore avviati da valori anomali di temperatura esistenti in profondità .
Nella crosta terrestre la temperatura aumenta con la profondità secondo un gradiente termico dT (°C/m). Tale gradiente varia da (1-2)°/100m nelle zone più stabili (o scudi), a 10°/100m nelle zone più instabili (zone orogeniche).
Nelle aree continentali l'andamento del flusso di calore dipende dal variare di due fattori: la composizione e lo spessore della crosta. Infatti la capacità di una roccia di trasmettere calore - conducibilità termica K(W/m/°) - è maggiore nei calcari e nei graniti ed è invece minore nelle argilliti:

CONDUCIBILITA' TERMICA
CALCARI K=3,5
GRANITI K=3,3
ARGILLITI K=1,5


DISTRIBUZIONE DEI VULCANI

I vulcani sono distribuiti in zone ad alto flusso di calore:
  • LUNGO I MARGINI ATTIVI dove si ha collisione tra zolle continentali e oceaniche con conseguente consunzione (subduzione) di crosta oceanica.
  • LUNGO LE DORSALI OCEANICHE
  • ALL'INTERNO DELLE PLACCHE (vulcanismo intraplacca di tipo ocenico o continentale)
Dei 500 vulcani attivi in tempi storici circa il 62% è distribuito ad anello intorno all'Oceano Pacifico (Cordigliera delle Ande, Sierra Madre Occidentale, Catena delle Cascate, Alaska, Isole Aleutine, Penisola della Kamchatka, Giappone, Indonesia). Gli altri si trovano nel Mediterraneo, in Africa (in particolare lungo la Rift Valley), in Antartide.
ORIGINE DEL MAGMA

Il magma si origina ad una profondità tra 50 e 200 km dalla fusione parziale del mantello superiore o della crosta continentale inferiore.
Si distinguono due tipi di magma:
- magma primario o di tipo basico
- magma secondario o di tipo acido.

Il magma primario (basico) si origina nel mantello superiore (astenosfera) ed è costituito quasi esclusivamente di peridotite (olivina + pirosseno). Si tratta di un magma fluido avente un contenuto in silice pari al 45-50%. I gas contenuti in un magma basico si liberano gradualmente, permettendo così alla lava di fuoriuscire tranquillamente e di consolidarsi in colate con superficie liscia.
Esso si forma in corrispondenza di zone di divergenza delle placche tettoniche dove il materiale del mantello risale per convezione; la diminuzione della pressione conseguente alla minore profondità del materiale di risalita ne causa la fusione, e origina così un magma che, meno denso delle rocce incassanti, risale in superficie lungo le dorsali oceaniche.

Il magma secondario (acido o riolitico), che si origina nelle zone di collisione tra due placche dalla conseguente fusione parziale della crosta, è invece viscoso. Il suo contenuto in silice si aggira sul 70-75%. I gas imprigionati in un magma riolitico esercitano forti pressioni e si liberano violentemente. L'intensa degassazione avviene con esplosioni e sulla superficie della colata si formano innumerevoli bolle.
Nel caso in cui la collisione sia tra una placca oceanica ed una placca continentale, la crosta oceanica, formata da basalto, sedimenti marini ed acqua, scende per subduzione nel mantello al di sotto della crosta continentale. Qui si riscalda ed inizia a fondere. Il fuso così risultante è più acido perché, al magma basico derivato dalla fusione della crosta oceanica, si è aggiunto sia materiale sedimentario ricco di silicati sia materiale derivato dalla fusione parziale e locale della crosta continentale.
Nel caso in cui la collisione sia tra due placche continentali, nelle zone più profonde delle fasce orogeniche, dalla fusione parziale della crosta continentale, si origina magma acido.

Tipo di magma Tipo di movimento delle placche Placche tettoniche interessate
Basico Divergente Placca oceanica (Dorsale medio-ocenica)
Basico ed acido Convergente Placca oceanica + placca continentale
Acido Convergente Placca continentale + placca continentale



I PRODOTTI DELL'ATTIVITA' VULCANICA

Sono 3:
  • i gas
  • le lave
  • i materiali piroclastici
I gas:
Il vapore d'acqua è il più importante dei gas con tenori che possono superare il 98% del totale dei gas. Seguono idrogeno, acido cloridrico, acido fluoridrico, acido solfidrico, anidride solforosa, ossido di carbonio, anidride carbonica, e, in minori percentuali, metano, azoto, ammoniaca, argo ed altri gas nobili.

Le lave:
Una volta eruttato in ambiente subacqueo o subaereo, il magma prende il nome di lava. Il termine, dal latino "labes" significa caduta, scivolamento.
La lava, solidificandosi, forma rocce ignee effusive. La forma che le lave assumono durante la solidificazione dipende dalla loro viscosità, funzione a sua volta della composizione chimica e del tenore in gas, dalla velocit à di raffreddamento e dalla pendenza della superficie sulla quale scorrono.

Fattori che determinano la forma che la lava assume solidificandosi Viscosità (contenuto in silice)
Velocità di raffreddamento
Pendenza superficie di scorrimento


La parte superficiale della colata è la prima a solidificare, raffreddandosi più velocemente. Essa forma una sorta di corteccia ricca di vetro vulcanico e di bollosità lasciate dai gas che tendono a sfuggire nell'atmosfera. Al di sotto della corteccia può accadere che la lava fluisca talora lasciando un tunnel svuotato. La corteccia può essere anche frantumata minutamente e riinglobata nella lava formando con questa, dopo la solidificazione dell'insieme, le cosiddette brecce di colata.

La superficie di colata può assumere principalmente due forme:
- forme lisce (lava a corda), indicate con il termine hawaiiano PAHOEHOE nel caso di lave fluide. Forme lisce quindi sono caratteristiche di lava a basso contenuto di silice, quindi poco viscose che si raffreddano consolidandosi in una superficie compatta. Non a caso il termine hawaiiano significa "pietra su cui si può camminare".
- forme scabre a blocchi per lave viscose (lava a blocchi, termine hawaiiano AA) ricche di gas che esercitano forti pressioni per liberarsi. L'eruzione per l'intensa degassazione avviene con esplosioni e sulla superficie delle colate laviche si formano innumerevoli bolle.
Inoltre vi è la forma "a cuscino" (pillow), tipiche delle lave basaltiche di ambiente sottomarino.
Infine il raffreddamento può determinare una contrazione della massa lavica con sviluppo di una fissurazione colonnare tipica dei basalti.

Altre forme:
- Perliti. Una lava più silicica che consolidi in ambiente subacqueo o comunque rapidamente acquista struttura perlitica. Una roccia perlitica ha struttura vetrosa e microfessurata. Le microfessure si aprono secondo superfici sferiche e concentriche tanto che la roccia, se frattturata, si divide appunto in "perle".

- Ialoclastiti. L'orgine di queste rocce vetrose sarebbe dovuta ad un consolidamento ultrarapido e ad una fratturazione così fitta che la roccia appare frantumata.


I materiali piroclastici:
Sono i prodotti dell'attività vulcanica eiettati allo stato solido o semisolido. Si tratta prevalentemente di materiali magmatici e subordinatamente di rocce preesistenti. Nel primo caso abbiamo i cristalli, minute gocce o brandelli di lava già solidificatisi al momento dell'impatto con il suolo. Nel secondo caso si tratta di prodotti vulcanici già solidificatisi e originatisi in precedenti eruzioni oppure di frammenti di rocce incassanti.

Classificazione schematica dei materiali piroclastici in base alla granulometria:

Diametro elementi Rocce incoerenti Rocce cementate
>30mm Blocchi Breccia
da 30mm a 2mm Lapilli Tufi
<2mm Ceneri Cineriti


Inoltre i tufi possono essere suddivisi in 4 categorie, a seconda del loro contenuto in vetro ed individui cristallini.

classificazione tufi



CLASSIFICAZIONE DELL'ATTIVITA' VULCANICA

L'attività vulcanica può essere distinta in:

- ESALATIVA
- EFFUSIVA
- EIETTIVA

Nel primo caso i prodotti emessi sono prevalentemente gassosi; nel secondo prevalentemente fluidi; nel terzo prevalentemente solidi.
Quando i gas possono liberarsi agevolmente dalla lava l'attività vulcanica effusiva si manifesta con emissioni relativamente tranquille. Quando invece i processi di degassazione sono ostacolati (ad esempio perché il cratere è ostruito) i gas si liberano solo quando la tensione di vapore supera la pressione esterna e l'attività vulcanica è di tipo esplosivo cio è con notevole produzione di materiali piroclastici che vengono eiettati con forte violenza.
Il grado di esplosività può essere valutato calcolando il rapporto percentuale tra il materiale piroclastico eiettato e il totale del materiale emesso. Ecco qualche esempio: VULCANI ANDINI: indice di esplosività 97% (attività esplosiva)
VULCANI ITALIA MERIDIONALE: indice di esplosività 41% (attività mista)

Classificazione dell'attività vulcanica secondo Rittmann:
Secondo la classificazione proposta dal vulcanologo Rittmann, si distinguono anzitutto un'attività persistente e un'attività parossistica. La prima è di lunga durata, anche plurisecolare, la seconda si misura in mesi.
L'attività persistente si suddivide a sua volta in: diffusa, quando è egata ad emissioni da reticolati di fratture; centrale, se l'eruzione avviene da un punto o area ristretta corrispondente al condotto eruttivo; lineare se l'eruzione avviene in numerosi punti che giacciano su di una superficie di frattura sub-verticale.



ATTIVITA' PERSISTENTE
Diffusa
Termale Fumarolica
Sorgenti termali
Geyser
Mofete (CO2 +H2O)
Vapori (H2O)
Solfatare (H2S)
Fumarole (HCL, H2SO4)
Centrale
Esalazioni Eiezioni Effusioni
Vapori Scorie
Laghi di lava
Magmi fluidi: effusioni lente

Magmi viscosi: Cupole di ristagno
protusioni solide
Lineare
Magmi fluidi: - effusioni di lave
(piattaforme basaltiche, dorsali oceaniche)
- eruzioni miste
- eruzioni di materiale piroclastico
Magmi viscosi: - eruzioni ignimbritiche
(piattaforme riolitiche)

ATTIVITA' PAROSSISTICA
Centrale
A condotto aperto A condotto ostruito Iniziale
Effusioni di lava
Eruzioni miste
Magmi fluidi: eruzioni di scorie e ceneri

Magmi viscosi: eruzioni di pomici - nubi ardenti



L' attività diffusa può essere termale e fumarolica:
Non tutta l'acqua dei fluidi idrotermali è però di origine magmatica. Parte di essa di origina in superficie. Si tratta di acqua marina e meteorica che, scendendo in profondità si riscalda, si arricchisce di minerali e si accumula in falde acquifere entro rocce porose.
Le sorgenti calde, a seconda della temperatura, si suddividono in:
- fumarola: temperature superiori ai 200°C con emissione di vapore acqueo e anidride carbonica.
- solfatare, per temperature comprese tra i 100° e i 200° con emissione di capore acqueo, anidride carbonica, idrogeno solforato e deposizione di zolfo (es: solfatara di Pozzuoli)
- sorgente termale o mofetta per temperature inferiori ai 100° con emissione di anidride carbonica e di acque mineralizzate.


STRUTTURA DI UN VULCANO E CARATTERISTICHE DEGLI EDIFICI VULCANICI

L'apparato vulcanico è formato da:
- il serbatoio magmatico ad una profondità limitata dove si concentrano i materiali allo stato fluido e gassoso.
- il condotto vulcanico centrale, a sezione subcircolare attraverso il quale fuoriescono il magma fluido ed i materiali detritici sotto la spinta di gas e volatili. Il condotto termina nel cratere.
- edirficio esterno o cono (può anche non esistere), formato dall'accumulo dei materiali lavici e piroclastici che si sono depositati in forma di cono con fianchi a pendenza più o meno accentauta a seconda della minore o maggiore basicità del magma. Sui fianchi del cono possono aprirsi crateri e formarsi eventuali coni laterali alimentati da un condotto a fessura il cui riempimento costituisce un filone o dicco.

Eruzioni lineari: (vedi anche tabella sopra)
Le colate basaltiche o palteau che si formano per eruzini lineari si estendono per centinaia di migliaia di Km2.
Esempi di eruzioni lineari, basalti di copertura del:
  • Karroo (Sud Africa)
  • Paranà (Sud America)
  • Deccan (India)
  • Columbia River (Nord America)
Questi rappresentano un antico vulcanismo collegato ai margini divergenti. Attualmente eruzioni lineari si hanno sui fondi oceanici e, in ambiente subaereo in Islanda.
Quando si hanno eruzioni lineari, il condotto vulcanico è rappresentato da una frattura crostale lungo la quale fuoriesce la lava.

Eruzioni centrali (vedi anche tabella sopra)
Nei vulcani con eruzione centrale, il condotto vulcanico è rappresentato da un centro attorno al quale si costituisce il cono sui cui fianchi possono aprirsi crateri collegati a fratture che tagliano l'apparato vulcanico dal condotto ai fianchi.

Tipo di magma e tipo di attività vulcanica -> Forma del vulcano
Le caratteristiche e la forma che un vulcano assume dipende dalla diversa composizione del magma e di conseguenza dal tipo di attività vulcanica a cui è associato.
Possiamo quindi distinguere:
  • vulcani lavici
  • vulcani piroclastici
  • vulcani misti
(vedi figura sotto).

Quando il magma è basico e fluido, con un basso indice di esplosività esce molto rapidamente. Ne consegue che nei vulcani di lava questa può raggiungere notevoli distanze prima di consolidare: si forma così un apparato a forma di scudo con pendii molto estesi e poco inclinati (es. Vulcani delle Hawaii).
Più un magma è viscoso, cioè acido, più rapidamento consolida in forma di cupola di ristagno o di guglia.
Frequentemente i vulcani sono misti o vulcano-strato in cui il cono creatosi alterna strati di lava a strati di materiale piroclastico con immersione perinclinale. I pendii dei vulcani misti hanno una pendenza più accentuata rispetto a quelli dei vulcani di lava.

Fig. 1 (*)
Vulcani lavici
A: Vulcano lavico a scudo - B: Vulcano lavico con cupola di ristagno
C: Vulcano piroclastico (cono di ceneri)
Vulcani misti
D: Sezione e blocco-diagramma di un vulcano composto o misto o strato-vulcano
in cui si alternano colate laviche e livelli piroclastici

Bibliografia:
- C. Elmi, M. Diretto, "Geologia", 1996, Pitagora Editrice
- G. Marchetti, L. Pellegrini, R. Rossetti, M. Vanossi, "La terra ieri e oggi", 1986, La Nuova Italia
- Enciclpedia Motta di Scienze Naturali - Vol. IX: Mineralogia, geologia, paleontologia - Federico Motta Editore.
Note:
(*) tratto da "Geologia", C. Elmi, M. Diretto, 1996, Pitagora Editrice, pag.102
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