Indagine sperimentale delle proprietà termodinamiche e volumetriche dei magmi alcalini italiani

Abstract

I processi magmatici e vulcanici (fusione parziale, risalita lungo il condotto, cristallizzazione, cinetica di degassamento, frammentazione e stile eruttivo), insieme alla fluidodinamica dei sistemi silicatici, e alla morfologia e tessitura dei flussi e dei depositi sono tutti fattori governati sia dalle proprietà di trasporto (viscosità e densità) sia dalle proprietà termodinamiche dei fusi silicatici. Queste ultime sono rappresentate dalle proprietà calorimetriche e da tutte le variabili termodinamiche di primo (entalpia, entropia, volume) e di secondo ordine (calore specifico, compressibilità adiabatica e espansività termica isobarica). Tali proprietà dipendono dalla temperatura, pressione, composizione chimica, contenuto in volatili, cristalli, bolle e stress applicato. La viscosità controlla i meccanismi di trasporto, lo stile eruttivo e i processi fisico-chimici (il degassamento e la cristallizzazione) che avvengono nei fusi magmatici. La viscosità di un magma può variare fino a 15 ordini di grandezza, da 10-1 a 1014 Pa s, in funzione della composizione chimica del fuso, della temperatura e pressione, e del contenuto in cristalli e bolle (Webb and Dingwell, 1990; Dingwell et al., 1992; Dingwell, 1996; Papale, 1999; Llewellin et al. 2002; Llewellin and Manga, 2005; Vetere et al., 2006; Ardia et al., 2008; Giordano et al., 2009; Vona et al., 2011). La combinazione di questi parametri è responsabile delle grandi differenze negli stili eruttivi osservate nei sistemi vulcanici (Papale, 1999; Polacci et al., 2004). Insieme alla viscosità, anche la densità e la sua variazione rispetto a T, P e alla composizione chimica, è di fondamentale importanza per studiare i processi di segregazione di fuso dalla roccia sorgente, di differenziazione magmatica (es: frazionamento convettivo e gravitativo) e per determinare le forze di spinta agenti, la direzione e la velocità di trasporto del magma durante la sua storia pre-, sin- e post-eruttiva. Lo studio dell’espansività termica (variazione di volume del fuso in funzione della temperatura) permette di determinare la variazione di densità dei magmi di diversa composizione. Alcune proprietà termodinamiche (entalpia, entropia e volume) forniscono informazioni sull’equilibrio chimico e quindi sull’energia interna dei fusi e dei cristalli. Queste proprietà, insieme a quelle ad esse collegate (calore specifico, espansività termica), variano al variare della temperatura e alla composizione, condizionando i processi di fusione parziale, cristallizzazione frazionata, magma mixing, assimilazione e convezione, trasporto advettivo di calore, essoluzione di volatili e degassamento. Infine le variazioni e l’interazione tra la temperatura, pressione, composizione chimica e stress applicato influenzano la transizione vetrosa, il limite cinetico che separa il comportamento fragile (non rilassato) da quello duttile di un fuso silicatico (rilassato). Tale limite incide fortemente nella determinazione degli stili eruttivi e quindi sulla pericolosità e sul rischio vulcanico. H2O e CO2 sono i due volatili più abbondanti presenti nei sistemi silicatici. Conoscere l’effetto di tali specie, su tutte le proprietà sopra elencate, è di fondamentale importanza in quanto la loro presenza determina notevoli variazioni delle stesse. Una adeguata conoscenza delle proprietà di trasporto e termodinamiche, in funzione della temperatura, pressione, composizione chimica e volatili disciolti è necessaria per la formulazione di modelli termodinamici capaci di descrivere le variazione chimico-fisiche di un corpo magmatico durante la sua storia. La bontà di qualunque modello termodinamico che possa predire la variazione di tutte le proprietà e degli equilibri tra fuso e fasi cristalline, nel più ampio spettro composizionale possibile, dipende fortemente dalla qualità e quantità di dati termodinamici usati per la costruzione e calibrazione del modello stesso. Sebbene il numero di indagini sperimentali sulle proprietà fisico-chimiche dei magmi sia in aumento, rimangono ancora molte incertezze nel valutare la loro variazione in funzione dei diversi parametri chimico-fisici. Si rende quindi necessaria la determinazione diretta di queste proprietà in sistemi multicomponente naturali di specifico interesse. Questo lavoro intende caratterizzare e investigare le proprietà reologiche e termodinamiche dei vetri e liquidi silicatici naturali, allo scopo di ampliare le conoscenze sulle relazioni tra tali proprietà, temperatura e composizione (incluso l’effetto di H2O, CO2). In particolare è stata investigata la viscosità e l’energia di attivazione del flusso viscoso dei liquidi silicatici in funzione della T e della composizione, anche in presenza di H2O e CO2. E’ stato dunque derivato l’effetto di tali specie volatili sulla temperatura di transizione vetrosa (Tg), sulla densità e sul calore specifico di magmi naturali di diversa composizione. Infine, è stata anche investigata l’entropia configurazionale dei liquidi, e quella residuale a Tg al fine di parametrizzare la variazione della viscosità in funzione della T e della composizione utilizzando la teoria di Adam & Gibbs (1965). Le misure di viscosità sono state svolte utilizzando le tecniche del cilindro concentrico e della micropenetrazione. Un calorimetro a scansione differenziale è stato utilizzato per misure la variazione di temperatura di transizione vetrosa nei singoli campioni, la variazione del calore specifico e dell’entropia configurazionale dei liquidi. Infine è stato impiegato un dilatometro verticale per la determinazione dell’espansività termica dei liquidi, e quindi della loro densità a diverse T, in funzione della composizione chimica e del contenuto in acqua. Lo studio dell’espansività termica dei campioni investigati ha infine reso possibile la determinazione del volume parziale molare dell’acqua nei fusi silicatici. I risultati di questo lavoro contribuiscono ad ampliare le conoscenze sulle proprietà fisico-chimiche dei magmi naturali, e possono essere utilizzati per implementare la formulazione dei modelli termodinamici esistenti (es. Papale, 1999) comunemente utilizzati per descrivere possibili scenari eruttivi in aree soggette a rischio vulcanico.