Cristallizzazione frazionata (geologia)
La cristallizzazione frazionata è la rimozione e la segregazione da una fusione di precipitati minerali; tranne in casi speciali, la rimozione dei cristalli modifica la composizione del magma. In sostanza, la cristallizzazione frazionata è la rimozione di cristalli formati precocemente da un magma originariamente omogeneo (ad esempio, per sedimentazione gravitazionale) in modo che questi cristalli siano impediti da un’ulteriore reazione con il fuso residuo. La composizione del fuso rimanente diventa relativamente esaurita in alcuni componenti e arricchita in altri, con conseguente precipitazione di una sequenza di diversi minerali.
La cristallizzazione frazionata nei silicati fusi (magmi) è complessa rispetto alla cristallizzazione nei sistemi chimici a pressione e composizione costanti, perché i cambiamenti nella pressione e nella composizione possono avere effetti drammatici sull’evoluzione del magma. L’aggiunta e la perdita di acqua, anidride carbonica e ossigeno sono tra i cambiamenti compositivi che devono essere considerati. Ad esempio, la pressione parziale (fugacità) dell’acqua nei silicati si scioglie può essere di primaria importanza, come nella cristallizzazione quasi solida di magmi di composizione granitica. La sequenza di cristallizzazione di minerali di ossido come magnetite e ulvospinel è sensibile alla fugacità dell’ossigeno dei fusioni e la separazione delle fasi di ossido può essere un importante controllo della concentrazione di silice nel magma in evoluzione e può essere importante nella genesi dell’andesite.
Gli esperimenti hanno fornito molti esempi delle complessità che controllano quale minerale viene cristallizzato per primo mentre la fusione si raffredda oltre il liquidus.
Un esempio riguarda la cristallizzazione di fusioni che formano rocce mafiche e ultramafiche. Le concentrazioni di MgO e SiO2 nelle fusioni sono tra le variabili che determinano se la forsterite olivina o il pirossene di enatite è precipitato, ma anche il contenuto di acqua e la pressione sono importanti. In alcune composizioni, ad alte pressioni senza acqua viene favorita la cristallizzazione dell’statite, ma in presenza di acqua ad alte pressioni viene favorita l’olivina.
I magmi granitici forniscono ulteriori esempi di come fusioni di composizione e temperatura generalmente simili, ma a pressione diversa, possano cristallizzare diversi minerali. La pressione determina il contenuto massimo di acqua di un magma di composizione granitica. La cristallizzazione frazionaria ad alta temperatura di magmi di granito relativamente poveri di acqua può produrre granito a feldspato singolo-alcalino e la cristallizzazione a bassa temperatura di magma relativamente ricco di acqua può produrre granito a due feldspati.
Durante il processo di cristallizzazione frazionata, i fusioni si arricchiscono in elementi incompatibili. Quindi, la conoscenza della sequenza di cristallizzazione è fondamentale per capire come evolvono le composizioni di fusione. Le trame delle rocce forniscono approfondimenti, come documentato nei primi anni del 1900 dalla serie reaction di Bowen. Un esempio di tale struttura, relativa alla cristallizzazione frazionata, è texture intergranulari (noto anche come intercumulus) che si sviluppano ovunque un minerale cristallizza più tardi rispetto alla matrice circostante, riempiendo quindi lo spazio interstiziale rimasto. Vari ossidi di cromo, ferro e titanio mostrano tali trame, come la cromite intergranulare in una matrice silicea. I diagrammi di fase determinati sperimentalmente per miscele semplici forniscono informazioni sui principi generali. I calcoli numerici con software speciali sono diventati sempre più in grado di simulare con precisione i processi naturali.