CARACTERÍSTICAS DE UN FUNDIDO
Traducción y resúmen del capítulo 5 de Volcanoes.
A planetary perspective. P. Francis
(Remitido por MM de No. 25-5-2000)
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Contenido:
1-EL
FUNDIDO.
2-FENOCRISTALES.
3-VOLÁTILES.
4-VISCOSIDAD:
- 4.1 La viscosidad en los diferentes materiales.
- 4.2 Factores que afectan a la viscosidad.
5-REOLOGÍA:FLUJO TURBULENTO VRS FLUJO LAMINAR.
6-VESICULACIÓN.
7-BIBLIOGRAFÍA.
1-EL
FUNDIDO:
Se puede decir que el magma es
químicamente complejo. Este está compuesto por moléculas de
silicatos, en los que se combinan una amplia gama de elementos.
Esta complejidad tiene dos consecuencias para la vulcanología:
el fundido no consiste en moléculas libres sino que está
polimerizado y no tiene un punto de fusión único y concreto.
Los polímeros de silicatos son
importantes por que afectan a la viscosidad de un fundido y en
consecuencia sobre el modo en que se da su erupción.
La polimerización de magmas silicatados
se debe a fuertes enlaces que existen entre los átomos de
silício y oxígeno los cuales forman redes de tetraedros
enlazados. Los magmas silícicos contienen más tetraedros de
sílice y por ese motivo están más altamente polimerizados y
son más viscosos que los basálticos. Podemos hacer un símil
culinario comparando el magma con una sopa: la pasta de la sopa
serian los polímeros, de forma que cuando más alargada fuese la
pasta, más espesa y visocsa seria esta sopa. Así una sopa de
cortos fideos seria menos viscosa que una de largos espaguetis.
Para reducir la viscosidad de un fundido
silicatado los enlaces Si-O deben romperse.Un modo de hacer eso
es añadiendo agua, la cual, formando iones OH- que se interponen
en el polímero, rompe los enlaces y causa la despolimerización.
Contrariamente, añadir CO2 a un fundido ayuda a la
polimerización y por tanto incrementa su viscosidad.
Tres factores influyen en la temperatura
de fusión de materiales silicatados: la composición, la
presión y el contenido en volátiles.
A altas presiones, un silicato de
composición fija, fundirá a mayor temperatura que en bajas
presiones. Un silicato "húmedo" (que contenga
volátiles) fundirá a menor tempertura que uno seco. Todas estas
variables, junto con la polimerización) hacen que cuando una
roca se calienta no empiece a fundirse a una temperatura fija y
que siga fundiendo a la misma temperatura hasta que esté todo
fundido (como es el caso del hielo). Para un conjunto de
condiciones dadas (composición, presión y contenido en
volátiles) empezará a reblandecerse a una cierta temperatura y
progresivamente se irá fundiendo a medida que aumente la
temperatura hasta que en el punto máximo fijado esté
completamente fundida.
2-FENOCRISTALES:
Muchos magmas empiezan a cristalizar
mucho antes de que salgan en erupción. Por eso las lavas que
aparecen en superficie en una erupción contienen abundantes
fenocristales. Normalmente tienen sólo algunos milímetros pero
excepcionalmente pueden alcanzar algunos centímetros.
Los minerales que forman fenocristales
por su propia naturaleza son aquellos que cristalizan a altas
temperaturas. En un basalto son típicamente el olivino y el
piroxeno, mientras que en rocas ácidas los más comunes son los
feldespatos. En lavas basálticas, los fenocristales forman un
pequeño tanto por ciento del total. En lavas ácidas son mucho
más abundantes.
Los fenocristales empiezan su
cristalización antes de la erupción y por eso tienen historias
complejas. Los fenocristales de plagioclasa a menudo presentan
zonaciones composicionales espectaculares. La zonación se
describe como normal cuando la composición cambia de más
cálcica a más sódica desde el núcleo hasta las partes
distales del cristal y viceversa cuando se observa lo contrario.
Es oscilatoria cuando la composición varía erráticamente de
una a otra.
Estas variaciones mineralógicas pueden
usarse como pistas de la evolución de las condiciones físicas
dentro de la cámara magmática, mostrando que la presión ha
variado abruptamente en cortos períodos de tiempo, quizás en
respuesta a las erupciones que se daban en la superficie. Otros
fenocristales tienen composiciones minerales que varían con la
composición de la lava que los contiene, sugiriendo que magmas
de diferente composición se han mezclado.
Los fenocristales de distinto origen que
no sea el magma en que se encuentran se denominan xenocristales.
3-VOLÁTILES:
Aunque un volcán no este en erupción
puede echar miles de toneladas de dióxido de sulfuro cada día.
Los gases tienen un papel importante en
la erupción de los magmas. La determinación de las cantidades y
composiciones de gases presentes en un magma es difícil no sólo
por la dificultad física de muestrear la masa caliente de
material. sino por que algunos gases que son estables dentro del
magma reaccionan químicamente en el momento en que son expuestos
al aire.
El SO2 es el gas volcánico más
fácilmente reconocible, no obstante el vapor de agua y el CO2
son los más abundantes .En las lavas alcalinas los más
abundantes son los gases de cloro y flúor
Existen diferentes técnicas para medir
la composición y abundancia de gases en el magama:
1.-Uso de largos tubos como lanzas para
recoger muestras de gas en matraces. Aunque es difícil obtener
muestras no contaminadas por el aire atmosférico , de este modo
se han obtenido datos muy útiles. Una limitación de esta
técnica es que , por definición, sólo pueden muestrearse zonas
pequeñas y de fácil acceso.
2.-Pequeñas gotas vítreas del fundido
original quedan a menudo atrapadas entre los fenocristales
cristalizando a partir del magma. Los análisis de los volátiles
que contienen estas inclusiones nos permiten estimar el contenido
de volátiles del magma original, pero de nuevo, es difícil
saber hasta qué punto es representativo.
3.-Las concentraciones de algunos gases
en una pluma que erupciona pueden medirse con sensores remotos,
usando instrumentos como el COSPEC.
El COSPEC se basa en la medición de la
absorción de luz solar por el dióxido de azufre en un cielo
despejado como referencia estándar, y puede localizarse en el
suelo, o en un avión por encima de la pluma. Aunque esta
técnica funciona bien con el dióxido de azufre, es más
difícil medir otros gases como el CO2 o el vapor de agua ya que
estos, de por si, también son abundantes en la atmósfera.
Unos basaltos de dorsal oceánica
típicos contienen menos de un 0.5 % de vapor de agua, mientras
que una riolita puede contener entre 4-5 %.
Los gases magmáticos son más solubles
a alta presión que no a baja. Los gases escapan del magma a
medida que este se despresuriza al acercarse a la superfície
dando resultados explosivos.
4-VISCOSIDAD:
4.1 La viscosidad en los diferentes materiales:
La viscosidad puede definirse como la
resistencia interna a fluir de una sustancia cuando se le aplica
un esfuerzo de cizalla.
Hay sustancias que a bajos esfuerzos no
fluyen, se comportan como sólidos. Cuando se excede un mínimo
del esfuerzo, este empieza a fluir y en niveles de mayor esfuerzo
se comportan como fluidos newtonianos (como el agua). El stress
inicial que se requiere para hacer que un fluido empiece a fluir
es el punto de fluencia viscosa. Los fluidos que tienen este
punto de fluencia viscosa se denominan sustancias Bingham. Hay
otros fluidos que no poseen un punto de fluencia viscosa definido
y muestran una relación no lineal entre el esfuerzo de cizalla y
el grado de deformación interna. Se denomina pseudoplásticos.
Mientras que algunas lavas se aproximan
excepcionalmente a un comportamiento newtoniano, la mayoría
tienen cualidades pseudoplásticas.
Sin embargo, para simplificar podemos
decir que la mayoría de lavas son sustancias Bingham.
4.2 Factores que afectan a la viscosidad:
En fluidos riolíticos la viscosidad se
incrementa en más de 8 órdenes de magnitud entre 1300-600 ºC.
Los basaltos muestran una tendencia similar aunque no llegan tan
lejos. Los basaltos son prácticamente basaltos por debajo de los
1000 ºC.
Aunque fundidos de cualquier
composición disminuyen su viscosidad a altas temperaturas, los
fundidos silícicos (más ácidos) son siempre más viscosos que
los basálticos a igual temperatura.
El agua disuelta tiene también un
efecto importante en la viscosidad del magma debido a su
habilidad de despolimerizarlo, rompiendo enlaces Si-O.
Los materiales sólidos como los
fenocristales naturalmente incrementan la viscosidad pero los
efectos son difíciles de cuantificar debido a la amplia gama de
tamaños y formas de los cristales. Las burbujas de gas tienen
efectos aún más difíciles de desmarañar debido a que un magma
bien vesiculado es una espuma cuyas propiedades de fluido están
controladas por factores como la tensión superficial y el grosor
de las paredes de las burbujas.
5-REOLOGÍA:FLUJO TURBULENTO VRS FLUJO
LAMINAR:
Es común observar que un río que fluye
lentamente lo hace de un modo ordenado. Todas las partes de la
masa de agua fluyen en calma, en la misma dirección y velocidad,
sin remolinos ni vórtices excepto en los extremos. Esto es un
flujo laminar. Si el río se encuentra con una pendiente
escarpada su comportamiento cambiará bruscamente. Se vuelve una
masa bulliciosa desorganizada con remolinos y vórtices. Las
líneas de flujo en la masa de agua son caóticas. Esto es un
flujo turbulento.
Que un fluido fluya de un modo
turbulento o laminar , con todo lo que conlleva, depende de su
grado de fluidez y de la viscosidad .
El trabajo de Reynolds nos dió un
parámetro adimensional muy útil, el número de Reynolds (Re)
que relaciona la velocidad de fluido (U),la profundidad (h) i la
viscosidad cinemática (n ) de un fluido en movimiento:
La transición de un
flujo laminar a unos turbulento tiene lugar cuando el número de
Reynolds es mayor a 1000-2000. Los fundidos silicatados tienen
relativamente alta viscosidad y así casi todas las lavas fluyen
de un modo laminar excepto unos pocos basaltos de baja viscosidad
en altas temperaturas , como las komatiitas.
Algunos flujos piroclásticos tienen una
velocidad tan grande y una viscosidad tan baja que pueden fluir
de modo turbulento.
Muchos materiales naturales, incluyendo
algunas lavas, tienen un punto de fluencia viscosa tan alto que
cuando fluyen, el cizallamiento se da sólo en los bordes. Su
centro permanece casi indeformado y el material esempujado en
masa.
6-VESICULACIÓN:
La pumita es un ejemplo de una roca
volcánica altamente vesiculada. Las vesículas son pequeñas
burbujas que se encuentran en las lavas de todas las
composiciones. A menudo su tamaño es de unos pocos milímetros y
están dispersas, pero en algunas lavas hay más agujeros que
sólido.
Las vesículas se forman cuando los
gases disueltos salen de la solución a partir de un magma cuando
éste se despresuriza. Si las burbujas de gas pueden escapar
libremente la lava que resulte estará desgasificada. Si el gas
sigue en el magma en el momento de la erupción las burbujas
seguirán creciendo y las encontraremos "congeladas"
dentro de la lava cuando ésta se enfríe. El comportamiento de
los gases dentro de un fundido se puede comparar al del CO2 en el
champan: cuando la botella esta cerrada (presurizada) no vemos
burbujas porque el gas esta disuelto en el liquido, mientras que
si abrimos la botella (la despresurizamos) la ausencia de
presión hace que el CO2 (que antes estaba disuelto) se agrupe en
forma de burbujas para salir a la superficie.
Dos aspectos requieren nuestro interés:
la formación de las vesículas y su crecimiento. Las formación
de las vesículas en un magma depende de la cantidad de
volátiles disueltos como el vapor de agua, el CO2.y de la
presión de vapor que éstos ejerzan en relación con la presión
confinante del magma.
La exolución empezará cuando la
presión de vapor iguale o exceda a la presión confinante, al
igual que las burbujas de vapor de agua empiezan a crecer en el
agua hirviendo cuando la presión de vapor se equilibra con la
presión del agua. De este modo la formación de vesículas se
iniciará a mayor profundidad (mayor presión) en un magma rico
en volátiles que en uno pobre en volátiles. Un modo de iniciar
la vesiculación entonces, es despresurizar un magma. A esto se
le llama primera ebullición
La vesiculación también puede darse
como resultado de un segundo y más complejo fenómeno. Cuando
empieza la cristalización en un magma que se enfría, la
extracción de cristales del magma concentra los volátiles en el
fluido residual aumentando así su concentración de vapor. La
cristalización de minerales también libera calor latente de
fusión, manteniendo altas temperaturas lo cual en su momento
hace que la presión de vapor permanezca alta, causando
finalmente la formación de burbujas. Cuando el crecimiento de
las burbujas se da debido a la cristalización, el proceso se
denomina segunda ebullición. En un estudio de cómo las
vesículas se desarrollan en los magmas, Stephen Sparks
argumentó que la presión se sobresaturación de los volátiles
disueltos en un magma requerida para que las vesículas se
nucleen es bastante pequeña, sólo unos pocos bares, debido a la
presencia en el magma de especies moleculares que son activas en
superfície y promueven el crecimiento vesicular.
Las vesículas se desarrollan
fácilmente sólo en magmas que están poco sobresaturados en
volátiles. Debido a las relaciones entre la tensión superficial
del magma, el radio de las burbujas y la presión de
sobresaturación, las vesículas pequeñas no son estables y en
la naturaleza no se encuentran vesículas de menos de 5 [S1]( de
diámetro.
Una vez nucleadas, el crecimiento de la
vesículas de mayor tamaño está controlado por el contenido en
volátiles del magma, y otras variables como la densidad,
viscosidad y tensión superficial del magma. La formación
inicial de vesículas tiene un interesante efecto secundario: la
pérdida de agua del magma provoca un incremento de su viscosidad
y del punto de fluencia viscosa . Cerca de la superficie, donde
las erupciones explosivas son posibles, el control extrínseco
principal es la proporción de crecimiento de las burbujas, es la
velocidad de descompresión de la columna de magma. El efecto de
estas variables es que las burbujas crecen hasta 0.1-5 cm en
erupciones explosivas basálticas pero sólo 0.001-0.1 en
erupciones riolíticas.
En un magma vigorosamente vesiculado hay
un momento en que las burbujas no pueden considerarse aisladas.
Interactuan unas con otras. Mientras los volátiles continúen
difundiéndose por el magma, las burbujas continuarán creciendo
hasta que la presión de dentro de éstas sea la misma que la
presión de vapor de la fase volátil del magma que las rodea.
Las burbujas no se juntarán para formar una más grande debido a
que todas tendrán presiones similares.
En una columna de magma en el centro de
un volcán, el cambio de volumen causado por la formación de las
burbujas, propele al magma hacia arriba del conducto. El
equilibrio de la presión se mantiene entre los gases contenidos
en las burbujas y los que aún están en el líquido.
En una columna de magma basáltico debe
haber una superficie libre, es decir en contacto con la
atmósfera, en el centro del volcán (un estanque de lava). Un
gradiente enorme de presión se forma en esta superficie. Las
burbujas próximas a la superficie rápidamente superan la fuerza
de las paredes hasta que estallan, rompiendo y expulsando magma.
Una "superficie de rotura", donde se da la
fragmentación se desplaza hacia abajo a través de la columna de
magma hasta que las burbujas y el magma suben lo suficientemente
rápido como para permanecer en el mismo nivel.
Las erupciones explosivas riolíticas
son un poco más complejas, ya que se inician a mayor
profundidad. La fuerza litostática ejercida por las rocas, que
supera a un cuerpo magmático que se enfría y vesicula , se
excede fácilmente mucho antes de que el magma solidifique. Sólo
si esto ocurre se da una erupción explosiva.
7-BIBLIOGRAFÍA:
Francis, P ?. Volcanoes. A planetary
perspective. Cap 5. Clarendon Press.
Volcano World. Web dedicado a la
vulcanología. http://www.?
<VOLVER AL ÍNDICE
DE GEOLOGÍA>
Geo_Info. J.B.R.