Los magmas pueden variar mucho en su composición, pero en general están formados por solo ocho elementos, ordenados por importancia: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, magnesio y potasio (Figura 3.2.1). El oxígeno, el elemento más abundante en el magma, constituye algo menos de la mitad del total, seguido del silicio, con algo más de una cuarta parte. Los elementos restantes constituyen la otra cuarta parte. Los magmas derivados del material cortical están dominados por el oxígeno, el silicio, el aluminio, el sodio y el potasio.
La composición del magma depende de la roca a partir de la cual se formó (por fusión) y de las condiciones de dicha fusión. Los magmas derivados del manto tienen niveles más altos de hierro, magnesio y calcio, pero es probable que sigan estando dominados por el oxígeno y el silicio. Todos los magmas tienen proporciones variables de elementos como el hidrógeno, el carbono y el azufre, que se convierten en gases como el vapor de agua, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno a medida que el magma se enfría.
Prácticamente todas las rocas ígneas que vemos en la Tierra se derivan de magmas que se formaron a partir de la fusión parcial de rocas existentes, ya sea en el manto superior o en la corteza. La fusión parcial es lo que ocurre cuando solo se funden algunas partes de una roca; tiene lugar porque las rocas no son materiales puros. La mayoría de las rocas están compuestas por varios minerales, cada uno de los cuales tiene una temperatura de fusión diferente.
Veamos unos ejemplos para clarificar esto: La cera de una vela es un material puro. Si se introduce un poco de cera en un horno caliente (50 °C es suficiente, ya que la temperatura de fusión de la mayoría de las ceras es de unos 40 °C) y se deja allí durante un rato, pronto comenzará a fundirse. Eso es fusión completa, no fusión parcial. Si, en cambio, se toma una mezcla de cera, plástico, aluminio y vidrio y se coloca en el mismo horno caliente, la cera pronto comenzará a derretirse, pero el plástico, el aluminio y el vidrio no se derretirán (Figura 3.2.2a). Eso es fusión parcial y el resultado sería plástico, aluminio y vidrio sólidos rodeados de cera líquida (Figura 3.2.2b).
Si calentamos el horno a unos 120 °C, el plástico también se derretiría y se mezclaría con la cera líquida, pero el aluminio y el vidrio permanecerían sólidos (Figura 3.2.2c). De nuevo, se trata de una fusión parcial. Si separáramos el “magma” de cera y plástico de los demás componentes y lo dejáramos enfriar, acabaría endureciéndose. Como se puede ver en la figura 3.2.2d, la cera líquida y el plástico se han mezclado y, al enfriarse, han formado lo que parece una sola sustancia sólida. Lo más probable es que se trate de una mezcla muy fina de cera sólida y plástico sólido, pero también podría ser alguna otra sustancia que se ha formado a partir de la combinación de ambos.
En este ejemplo, fundimos parcialmente una roca ficticia para crear magma ficticio. A continuación, separamos el magma de la fuente y lo dejamos enfriar para crear una nueva roca ficticia con una composición bastante diferente del material original (carece de vidrio y aluminio).
Por supuesto, la fusión parcial en el mundo real no es exactamente igual que en nuestro ejemplo de roca ficticia. Las principales diferencias son que las rocas son mucho más complejas que el sistema de cuatro componentes que utilizamos, y que los componentes minerales de la mayoría de las rocas tienen temperaturas de fusión más similares, por lo que es probable que dos o más minerales se fundan al mismo tiempo en distintos grados. Otra diferencia importante es que, cuando las rocas se funden, el proceso dura entre miles y millones de años, y no los 90 minutos que tardó en el ejemplo de la roca ficticia.
Contrariamente a lo que cabría esperar, y contrariamente a lo que hicimos para crear nuestra roca ficticia, la mayor parte de la fusión parcial de la roca real no implica calentar la roca. Los dos mecanismos principales por los que se funden las rocas son la fusión por descompresión y la fusión por flujo. La fusión por descompresión tiene lugar dentro de la Tierra cuando un cuerpo rocoso se mantiene aproximadamente a la misma temperatura, pero se reduce la presión. Esto ocurre porque la roca se desplaza hacia la superficie, ya sea en una pluma del manto (también conocida como punto caliente) o en la parte ascendente de una célula de convección del manto. El mecanismo de la fusión por descompresión se muestra en la figura 3.2.3a. Si una roca lo suficientemente caliente como para estar cerca de su punto de fusión se desplaza hacia la superficie, la presión se reduce y la roca puede pasar al lado líquido de su curva de fusión. En este punto, comienza a producirse la fusión parcial. El proceso de fusión por flujo se muestra en la figura 3.2.3b. Si una roca está cerca de su punto de fusión y se le añade agua (un fundente que favorece la fusión), la temperatura de fusión se reduce (línea continua frente a línea punteada) y comienza la fusión parcial.
Descripción de la imagen de la figura 3.2.3a: La roca seca del manto es predominantemente sólida. Sin embargo, su punto de fusión depende de la temperatura y la presión a las que está sometida. Cuanto mayor es la presión (es decir, cuanto más lejos está la roca de la superficie terrestre), más probable es que la roca seca del manto sea sólida. La roca del manto seco sometida a una presión extrema requiere una temperatura mucho más alta para fundirse que la roca del manto seco sometida a una presión menor. A medida que la presión disminuye (es decir, a medida que la roca se eleva hacia la superficie terrestre), la temperatura necesaria para fundir la roca del manto también disminuye.
Descripción de la imagen de la figura 3.2.3b: En comparación con la roca seca del manto, la roca húmeda del manto sometida a la misma presión (a la misma distancia de la superficie terrestre) requiere una temperatura más baja para fundirse. Cuando se añade líquido a la roca seca del manto a una presión y temperatura en las que se fundiría la roca húmeda del manto, se produce una fusión por flujo
La fusión parcial de la roca se produce en una amplia variedad de situaciones, la mayoría de las cuales están relacionadas con la tectónica de placas. Las más importantes se muestran en la figura 3.2.3. Tanto en las plumas del manto como en las partes ascendentes de los sistemas de convección, la roca se desplaza hacia la superficie, la presión disminuye y, en algún momento, la roca cruza al lado líquido de su curva de fusión. En las zonas de subducción, el agua de la corteza oceánica subducida se transfiere al manto caliente suprayacente. Esto proporciona el flujo necesario para reducir la temperatura de fusión. En ambos casos, solo se produce una fusión parcial, normalmente solo se funde alrededor del 10 % de la roca, y siempre son los componentes más ricos en sílice de la roca los que se funden, creando un magma más rico en sílice que la roca de la que se deriva. (Por analogía, el fundido de nuestra roca ficticia es más rico en cera y plástico que la “roca” de la que se deriva). El magma producido, al ser menos denso que la roca circundante, se desplaza hacia arriba a través del manto y, finalmente, llega a la corteza.
A medida que se desplaza hacia la superficie, y especialmente cuando pasa del manto a la corteza inferior, el magma caliente interactúa con la roca circundante. Esto suele provocar la fusión parcial de la roca circundante, ya que la mayoría de estos magmas son más calientes que la temperatura de fusión de la roca cortical. (En este caso, la fusión se debe a un aumento de la temperatura). Una vez más, las partes más ricas en sílice de la roca circundante se funden preferentemente, lo que contribuye a aumentar el contenido de sílice del magma.
A temperaturas muy altas (más de 1300 °C), la mayor parte del magma es completamente líquido porque hay demasiada energía para que los átomos se unan entre sí. A medida que la temperatura desciende, normalmente porque el magma se mueve lentamente hacia arriba, las cosas comienzan a cambiar. El silicio y el oxígeno se combinan para formar tetraedros de sílice y, a medida que continúa el enfriamiento, los tetraedros comienzan a unirse para formar cadenas. Estas cadenas de sílice tienen el importante efecto de hacer que el magma sea más viscoso (menos líquido) y, como veremos en el capítulo 4, la viscosidad del magma tiene importantes implicaciones para las erupciones volcánicas. A medida que el magma continúa enfriándose, comienzan a formarse cristales.
Ejercicio 3.2 Hacer que el magma sea viscoso.
Este es un experimento que puedes hacer en casa para ayudarte a comprender las propiedades del magma. Solo te llevará unos 15 minutos y todo lo que necesitas es media taza de agua y unas cucharadas de harina.
Si alguna vez has preparado salsa bechamel, sabrás cómo funciona.
Pon aproximadamente 1/2 taza (125 ml) de agua en una cacerola a fuego medio. Añade 2 cucharaditas (10 ml) de harina blanca (que representa el sílice) y remueve mientras la mezcla se acerca al punto de ebullición. Debería espesarse como una salsa, ya que el gluten de la harina se polimeriza en cadenas durante este proceso.
Ahora vas a añadir más «Sílice» para ver cómo cambia la viscosidad de tu magma. Toma otras 4 cucharaditas (20 ml) de harina y mézclalas bien con unas 4 cucharaditas (20 ml) de agua en una taza y, a continuación, añade toda esa mezcla al resto del agua y la harina de la cacerola. Remueve mientras vuelve a alcanzar una temperatura cercana al punto de ebullición y, a continuación, deja que se enfríe. Esta mezcla debería volverse poco a poco mucho más espesa, algo parecido a unas gachas, porque hay más gluten y se han formado más cadenas (véase la foto).
Esto es análogo al magma, por supuesto. Como veremos más adelante, los magmas tienen contenidos de sílice bastante variables y, por lo tanto, presentan viscosidades muy diferentes durante el enfriamiento.
Media Attributions
- Figure 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.5: © Steven Earle. CC BY.
- Figure 3.2.4: “Cross section” by José F. Vigil from This Dynamic Planet — a wall map produced jointly by the U.S. Geological Survey, the Smithsonian Institution, and the U.S. Naval Research Laboratory. Adapted by Steven Earle. Public domain.
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