Apuntes Geología General: Las rocas ígneas

Página:  Diferenciación magmática / Serie de BOWEN

4.3. Procesos magmáticos y relacionados al magma

Durante la presencia del magma se puede definir varios procesos físicos y químicos internos en la cámara de magma, procesos relacionados a la fundición de la roca, procesos relacionadas a la migración del magma y finalmente procesos durante la cristalización. la interacción del magma con la roca de caja y fluidos de la roca de caja son otro factor de no menor importancia. La petrografía y la geoquímica de las rocas intrusivas, hipabisales y extrusivas indica que los procesos dentro de la cámara magmática son significativos, el resultado "la roca volcánica" no coincide con el magma inicial en la profundidad. Para explicar estos cambios se usa modelos como:

● La diferenciación por cristalización (Bowen, 1928)
● La fundición parcial
● La contaminación
● El modelo MASH, melting-assimilation-storage-homogenization zone in plate tectonics (Hildreth and Moorbath, 1988)

En general se observa que magmas provenientes del manto superior tienen una pauta muy notoria semejante a la composición de la corteza sí llegan a la cercanía de la superficie.



La figura (arriba) muestra algunos procesos durante el ascenso de la cámara magmática. En todas formas el magma cambia considerablemente su composición inicial a un magma más rica en silicatos entre otros. Fenómenos como asimilación, contaminación, mingling y mixing. De acuerdo del modelo Mash el limite inferior de la corteza podría provocar una detención del cuerpo magmático en conjunto con procesos de asimilación y refundición de rocas de mayores cantidades de silicatos.
De toda manera, en 10 kilómetros de profundidad se detiene la cámara magmática y si el campo tectónico lo permite, se pueden generar cuerpos hipabisales que llegan hacia la superficie: El proceso se concluye marcada por una actividad volánica.

4.3.1  Diferenciación por cristalización - Cristalización de un magma de silicatos

Términos y Definiciones:

Diferenciación: formación de magmas parciales de distintas composiciones.
Fraccionamiento: separación de los minerales cristalizados del magma restante por gravitación, por ejemplo.

A partir del magma los cristales de silicatos se forman sucesivamente cuando la temperatura del magma llega a la temperatura de fusión típica para cada tipo de cristal. Los primeros cristales formados a altas temperaturas después pueden cambiar su composición o pueden disolverse nuevamente. De tal modo los cristales ya formados contribuyen con sus iones, moléculas y átomos al magma y se combinan nuevamente formando nuevos cristales cuya temperatura de fusión es más baja que la de los primeros cristales formados. Se dice que los nuevos cristales son estables a las temperaturas más bajas establecidas ahora. Estos procesos de cambio se llaman reacciones. Como ocurren varias reacciones sucesivas conforme disminuye la temperatura del magma la serie ordenada de reacciones se llama la serie de BOWEN en honor al científico canadiense que formuló este concepto. Se distingue dos tipos de reacciones, la reacción continua y la reacción discontinua.

Por reacción continua un cristal formado a altas temperaturas como una plagioclasa rica en el componente Ca²⁺ varía gradualmente su composición reemplazando una porción de los iones de Ca²⁺ por los iones de Na⁺ y una porción de los iones Al³⁺ por los iones de Si⁴⁺. Para mantener su neutralidad el reemplazo de Ca²⁺ por Na⁺ está acoplado con el reemplazo de Al³⁺ por Si⁴⁺. La serie de reacción continua parte de la plagioclasa rica en Ca²⁺, pasa por varias plagioclasas de composición intermedia hacia la plagioclasa rica en Na⁺.

Por reacción discontinua un cristal máfico formado a alta temperatura reacciona con el líquido restante, una porción de los cristales formados a alta temperatura se disuelve y sus iones constituyen juntos con otros iones del magma otro mineral más rico en Si y estable a una temperatura más baja que la del primero mineral cristalizado. La serie de reacción discontinua inicia con la cristalización de olivino pasa hacia el piroxeno seguido por el anfíbol seguido por la biotita.

La serie de BOWEN incluye las dos ramas convergentes de las series continua y discontinua. La plagioclasa rica en Na⁺ cristaliza casi simultáneamente con la biotita. Ambos siguen el feldespato alcalino, la moscovita y el cuarzo en el orden de la temperatura disminuyéndose.
Considerando la estructura cristalina de los minerales máficos de la serie de reacción discontinua se observa a altas temperaturas la cristalización de las estructuras de tetraedros de (SiO₄)4 - sencillas y con la temperatura sucesivamente disminuyéndose las estructuras de tetraedros de (SiO₄)4 - se vuelven más complejos. El olivino, cuya estructura se constituye de los tetraedros de (SiO₄)4- independientes cristaliza al primero a las temperaturas más altas, seguido por el piroxeno con cadenas simples de tetraedros de (SiO₄)4-, seguido por el anfíbol con cadenas dobles de tetraedros de (SiO₄)4 - y al final se forma la biotita con su estructura compleja de láminas de tetraedros de (SiO₄)4 -.

Se distinguen algunos pocos tipos primarios de magmas como por ejemplo el magma basáltico.
Entre otras causas la diferenciación magmática se debe al descenso de los cristales precipitados temprano y de mayor densidad en comparación con el magma restante, tales minerales como olivino, piroxeno y espinela. El descenso de estos cristales es en gran parte un efecto de la gravitación. Por esto se habla de una diferenciación gravitativa. Los cristales precipitados temprano se acumulan en el fondo de la cámara magmática. La acumulación de los cristales se denomina cúmulos. Los cúmulos son ricos en los elementos Mg, Fe, Cr y Ni. El magma restante es rico en los elementos Si, Al, Na y K. Ocasionalmente algunos minerales relativamente livianos precipitados tempranos se separan del magma restante más denso y suben hacia arriba. Este proceso se ha observado en la chimenea del volcán Vesubio, Italia, donde los cristales menos densos de leucita se precipitaron temprano, se separaron del magma restante más denso y subieron.
Durante un enfriamiento paulatino del magma el proceso de la diferenciación gravitativa entre el cúmulo de cristales y el magma restante puede ocurrir varias veces supuesto que los cristales sean separados del magma restante.

Las fábricas de cúmulo están realizadas principalmente en los cuerpos plutónicos máficos y ultramáficos y se las llaman 'layered intrusions' o es decir intrusiones estratificadas. La 'layered intrusion' la más grande es el complejo de Bushveld, África del Sur y es un cuerpo magmático de 450 x 350km de 9 km de espesor, compuesto de estratos de peridotita, piroxenita, gabro, norita y anortosita. En su parte inferior se sitúan 15 bandas de cromita de espesores hasta 1m suprayacentes por 25 bandas de magnetita. Otros cúmulos son la intrusión de Skaergard en Groenlandia y el complejo de Stillwater en Montana, EE.UU.

Diversos procesos químicos, físicos y termodinámicos dentro de la cámara magmática provocan cambios en la composición del magma. Factores relevantes serían la diferenciación magmática, cristalización fraccionada, flow - cristalización, contaminación, asimilación y migración de volátiles. Además importa, en conjunto de los fenómenos "mixing" y "mingling" la miscibilidad o inmiscibilidad de magmas diferentes.
Donde el "mixing" es la mezcla de los dos líquidos (magma 1 y magma 2) que ambos se quedan irreconocibles (como agua y coca cola por ejemplo). Mingling significa que se juntan los líquidos, pero los componentes se quedan "aisladas" reconocibles. (como se mezclan porotos y lentejas).
Además existen fenómenos de diferenciación mecánica, como resultado de diferentes viscosidades de los magmas.
Contaminaciones y asimilación son procesos de interacción con la roca de caja.




La formación de magmas parciales se explica por 
a)  La diferenciación gravitativa 
b)  El principio de reacción de BOWEN (véase figura izquierda):
Las reacciones de los minerales cristalizados temprano con el magma restante se puede describir esencialmente con los dos siguientes sistemas sencillos de modelo: 
Forsterita (Mg₂SiO₄) - SiO₂ apropiado para los minerales máficos como olivino y piroxeno: 
Cristalización del olivino  → 
separación parcial del magma restante por gravitación (acumulación del olivino en el fondo de la cámara magmática) o por la formación de una aureola de piroxeno alrededor del olivino, la cual funciona como un escudo de protección impidiendo que el olivino reaccione con el magma → 
magma restante enriquecido en SiO₂ y en Fe²⁺, más pobre en MgO respecto al magma originario →   descenso de la temperatura →   formación de (Mg, Fe) piroxeno → 
(Mg, Fe) Ca-piroxeno → hornblenda → biotita.
Los minerales cristalizados relativamente tarde como hornblenda y piroxeno incorporan grupos de OH en su estructura.

Factores importantes de la diferenciación del magma son:
- la temperatura,
- la composición del magma restante variándose,
- la presión parcial del gas de H₂O a partir de la cristalización de los minerales caracterizados por grupos de OH.

Otra forma para visualizar la diferenciación magmática: La cristalización de acuerdo de las condiciones internos del magma (aquí la temperatura), produce una cristalización y además un empobrecimiento del mismo magma.
Véase también la descripción de las rocas correspondientes: Basalto / Andesita / Traquita / Riolita / Gabro / Diorita / Sienita / Granito

El contenido mineral modal de las magmatitas varia ampliamente con los contenidos en los óxidos.
La variabilidad de las rocas magmáticas se basa en los procesos de su formación mencionados en lo siguiente:

a) Formación de magmas primarios diferentes en el manto superior.
b) Formación de magmas en la corteza oceánica profundamente hundida.
c) Diferenciación de estos magmas por cristalización fraccionada.
d) Interacción de los magmas de origen profundo con las rocas de la corteza terrestre y su evolución por medio de diferenciación y otros procesos.