Rochas ígneas organização: Prof. Vicente Caputo introduçÃO



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ROCHAS ÍGNEAS
Organização: Prof. Vicente Caputo
INTRODUÇÃO
A parte sólida da Terra que é acessível as nossas observações é denominada Crosta Terrestre. Essa crosta terrestre é constituída por massas grandes e pequenas, distintas entre si, mas que se reduzem a um número ilimitado de tipos que são conhecidos como rochas.

Uma rocha pode ser constituída de um ou vários minerais. Quando formada por um mineral chama-se monominerálica. Exemplo típico é dado pelos calcários (calcita) e quartzitos (quartzo). Quando formada por mais de um mineral é denominada de poliminerálica. O exemplo mais comum é o granito (basicamente quartzo, feldspato e mica). Estas últimas são as mais comuns.



Existem rochas, todavia, que fogem aos exemplos acima, porquanto são constituídas de material vítreo, amorfo e de composição variada, que resultam de um rápido resfriamento (lavas vulcânicas). Outra exceção é fornecida pelas rochas de origem biológica, como o carvão.

Portanto, rocha pode ser definida como sendo um agregado natural de minerais, material vítreo ou orgânico, que forma uma parte essencial da crosta terrestre e tem características químicas e mineralógicas específicas, distintas dos agregados mineralógicos adjacentes.

Minerais ainda não consolidados, tais como argila, areia e cascalho são designados de sedimentos (se já sofreram algum processo de transporte pelo vento, águas, etc.) ou do solo (se ainda não sofreram transporte)

Os solos são sempre rasos e formam um manto ou regolito que recobre as rochas da crosta terrestre e se originaram pela alteração superficial das rochas do substrato. O conhecimento dos solos tem uma importância especial para a agricultura e as ciências que cuidam dessa parte é a Pedologia e a Edafologia.

Petrologia é o estudo geral das rochas, envolvendo a sua constituição, modo de ocorrência, distribuição e origem.

Petrografía é a parte da Petrologia que se ocupa do estudo descritivo dos tipos de rochas. Na Petrografia são utilizados métodos macroscópicos e microscópicos. Estes últimos não serão abordados neste curso. Petrogênese é a parte da Petrologia que se ocupa da origem das rochas.

2. CLASSIFICAÇÃO DAS ROCHAS

De acordo com a sua origem ou gênese, as rochas podem ser classificadas em três grandes grupos:





Ígneas ou Magmáticas




Sedimentares

Rochas

Metamórficas

As rochas de origem ígnea (e metamorfizadas) constituem cerca de 95% do volume total da crosta, mas ocupam apenas 25% da sua superfície. As rochas sedimentares (e metamorfizadas) contribuem com 5 % do volume, mas cobrem 75 % da superfície da crosta da Terra.

Rochas ígneas - O termo ígneo vem do Latim ignis significando fogo. As rochas ígneas se originam da solidificação de uma fusão de silicatos produzidos no interior da Terra. As rochas ígneas são também consideradas como sendo primárias, pelo fato de se originarem por resfriamento e consolidação de uma material fundido; elas podem posteriormente derivar a rochas sedimentares e metamórficas. São formadas no interior da crosta ou na superfície da Terra.

Rochas Sedimentares - As rochas sedimentares são formadas na superfície da Terra, portanto a pouca profundidade e a temperatura ambiente, como resultado da desagregação e decomposição das rochas preexistentes e a subseqüente deposição mecânica ou química dos produtos desta destruição, incluindo nelas também os produtos da atividade orgânica dos seres vivos.

Rochas Metamórficas - As rochas metamórficas são formadas no interior da crosta terrestre pela ação de altas temperaturas, pressões e fluidos quimicamente ativos, atuando sobre rochas preexistentes, produzindo modificações mais ou menos acentuadas.

A rocha transformada não perde sua individualidade como unidade estrutural da crosta terrestre. A posição em relação as rochas vizinhas permanece a mesma.


3. ROCHAS ÍGNEAS
Origem - Rochas ígneas são agregados de minerais produzidas pelo resfriamento e solidificação de um material fundido que é gerado profundamente no manto ou na crosta inferior da Terra. O calor requerido para gerar este material fundido vem do interior da Terra. De acordo com o grau geotérmico, a uma profundidade de 35 km a temperatura é suficiente para fundir uma rocha. O material fundido, magma, é uma solução complexa de silicatos mais água e gases, apresentando as vezes alguns cristais já solidificados. O magma se forma por fusão completa ou parcial de rochas preexistentes. Uma rocha ígnea difere da outra por sua textura e sua composição mineralógica e química. Os tipos mais abundantes de rochas ígneas são basalto, gabro, andesito, diorito, riólito e granito.

Os cientistas descobriram que uma rocha de composição variada geralmente não funde completamente a uma dada temperatura. A fusão parcial ocorre porque os minerais que compõem uma rocha fundem a temperaturas diferentes. Em muitos casos, os próprios minerais fundem parcialmente. A medida que a temperatura sobe, alguns minerais fundem e outros permanecem sólidos. A fração da rocha que fundiu a uma dada temperatura é chamada de fusão parcial.

A razão de líquido para sólido na fusão parcial depende da composição e temperatura de fusão das rochas originais em profundidade na crosta ou no manto, onde ocorre a fusão parcial. A fusão parcial pode ser menos do que 1% do volume da rocha original. Muitas fusões parciais de magmas basálticos no manto superior, por exemplo, são estimadas ser 1 ou 2 % de fusão. Por outro lado, a maior parte da rocha pode fundir, com pequenas quantidades de cristais permanecendo sólidos. Isto seria o caso para reservatórios de magma granítico e cristais abaixo dos cones vulcânicos.

Algum magma pode alcançar a superfície da Terra onde ele é derramado como lava, mas outros magmas solidificam antes de alcançarem a superfície. As rochas formadas pela solidificação do magma dentro do manto ou da crosta são chamadas rochas ígneas intrusivas e aquelas que se formam na superfície são chamadas rochas ígneas extrusivas. A rocha preexistente que é penetrada pela rocha ígnea intrusiva é dado o nome de rocha encaixante.

A composição de um dado magma depende da percentagem de fusão e composição da rocha que foi fundida para formá-lo. Uma vez ocorrida a fusão, o magma por apresentar baixa densidade tende a ascender em direção a superfície da Terra. A pressão exercida pelas rochas sobrejacentes espreme a fração líquida para zonas de menor pressão; a fluidez do magma facilita a mobilidade. A medida que ele sobe, começa o esfriamento e a cristalização, ultimando com a solidificação de toda a massa fundida em uma rocha sólida. O tipo de rocha ígnea formado depende de um número de fatores, incluindo a composição inicial da fusão, a taxa de esfriamento e as reações que se operaram dentro do magma a medida que o esfriamento se processou.
Efeitos da Pressão
A medida que a temperatura de um sólido é aumentada, os átomos individuais vibram muito mais vigorosamente, até que sua energia seja suficiente para quebrar as ligações que os mantém em seus lugares dentro da estrutura cristalina sólida. Os átomos então fluem livremente em um líquido desordenado.

Para muitas substâncias, o sólido cristalino é mais denso que o líquido. Portanto um aumento da pressão favorece o mais compacto, isto é, o arranjo sólido dos átomos. Assim à alta pressão, uma correspondente mais alta temperatura é necessária para fornecer energia suficiente aos átomos para causar a fusão. Isto explica porque a maior parte do interior da Terra não é fundido. As temperaturas são, na verdade altas o suficiente através do interior da Terra para fundir as rochas se elas estivessem submetidas à pressão atmosférica. Mas o peso das rochas sobrejacentes exerce suficiente pressão sobre essas rochas que a maioria permanece sólida mesmo a temperaturas de milhares de graus. Caso essa pressão for diminuída - por exemplo, pela abertura de fraturas nas rochas acima - o sólido pode começar a fundir.



Os efeitos da pressão podem ser ilustrados por dois exemplos envolvendo a água. O primeiro é a diferença na temperatura de ebulição com a altitude. A vaporização da água envolve uma transição de um líquido a um gás desordenado menos denso. Ao nível do mar a água ferve a 100 oC. Nas altas montanhas, onde o ar é rarefeito e a pressão atmosférica reduzida a água ferverá a temperaturas vários graus mais baixa; menos calor será necessário para as moléculas se liberarem do líquido. O gelo é uma forma menos densa que a água, por isso ele flutua na água. Uma pressão sobre o gelo favorecerá a forma mais densa que é a água. Por exemplo, os patins dos patinadores no gelo exercem pressão sobre o gelo, liquefazendo-o e isto possibilita um melhor deslizamento dos patins sobre o gelo sem muito atrito.
Efeitos de Voláteis
Os magmas naturais contém água dissolvida e vários gases (entre eles oxigênio, dióxido de carbono, ácido sulfídrico e outros). As vezes isto é óbvio pelas bolhas de gás visíveis em algumas rochas extrusivas. O efeito geral dos gases é baixar a temperatura de fusão dos minerais de silicatos. O aumento da pressão da água baixa a temperatura de fusão dos plagioclásios sódicos, mais efetivamente para pequenos acréscimos de água; o efeito diminui para altas pressões de água. Exatamente, quanto a temperatura de fusão é abaixada, na presença de voláteis, depende da natureza dos voláteis e os minerais que estão sendo fundidos, mas o princípio geral mantém-se em qualquer caso: mais voláteis, mais baixas as temperaturas de fusão.
Efeitos de outros Sólidos Presentes
Quando dois ou mais minerais diferentes estão em contato, a presença de um abaixa a temperatura de fusão do outro. Por isso sal pode ser usado para fundir o gelo das calçadas no inverno dos países de clima frio. Outro exemplo, é fornecido pela solda de estanho-chumbo de várias composições. Chumbo e estanho quase puros fundem a 327 e 230 oC respectivamente. (Na figura consta grau oF). Colocando algum estanho ao chumbo abaixa o ponto de fusão deste último e vice-versa. Quando a solda fundida esfria, a temperatura de solidificação varia com a composição. Para uma mistura de 63% de estanho e 37 % de chumbo, a cristalização ocorre a temperaturas abaixo de 200 oC. Efeitos semelhantes são observados com minerais. A figura é um diagrama semelhante para misturas de quartzo e plagioclásio sódico (albita). Enquanto o quartzo neste caso parece ter pequeno efeito sobre a cristalização da albita, o efeito da adição de albita no quartzo é dramática, reduzindo sua temperatura de 1713 oC a acerca de 1100 oC para uma mistura de 40 % de quartzo e 60 % de albita. Desde que a vasta maioria das rochas contém muitos minerais é seguro dizer que pode-se esperar que as rochas fundem a temperaturas um pouco mais baixas do que alguns minerais puros fundiriam, mas as relações provavelmente são muito complexas e talvez não possa ser determinado o ponto de fusão exato de uma rocha. Note também que a fusão em rochas naturais tipicamente ocorre em uma faixa de temperatura, com minerais diferentes fundindo a diferentes temperaturas. A transição de um material completamente sólido a completamente fundido pode ser de várias centenas de graus, e de fato fusão completa pode não ser necessária para o magma fluir. Muitos magmas são um tipo de papa de cristais suspensos em uma fusão de silicatos líquidos.

Efeitos de Soluções Sólidas
Muitas soluções sólidas podem ser vistas como uma composição de mistura de dois ou mais membros extremos. Por exemplo, a olivina (Fe,Mg)2SiO4 pode ser pensada como uma composição intermediária entre os compostos Fe2SiO4 e Mg2SiO4. Esses membros extremos não fundem à mesma temperatura: a olivina ferrosa (faialita) funde a 1205 oC, enquanto a olivina magnesiana (forsterita) funde a 1890 oC. Uma composição intermediária fundirá entre esses extremos, a uma temperatura determinada por sua composição exata (a proporção de ferro e magnésio), bem como pressão e outros fatores discutidos.
Outras Fontes de Calor
A fonte básica de temperatura elevada é a profundidade. Localmente, outros fatores podem ser também importantes na produção de calor. Nos notamos a existência de elementos naturalmente radiativos. A desintegração radiativa produz calor, e em rochas contendo altas concentrações de elementos radiativos, isto pode ser uma fonte suplementar significativa de calor. A fricção produz calor também. A fricção de duas rochas não causará suficiente calor para iniciar a fusão, mas a fricção de dois continentes pode adicionar calor extra para aquecer rochas em profundidade e dar início a fusão. Mesmo o movimento de um magma existente pode ser um fator: caso uma massa quente de magma subir até a crosta, ela aquecerá as rochas vizinhas e sob algumas condições pode começar a fundi-las.
CRISTALIZAÇÃO DOS MAGMAS
No processo de cristalização, o resfriamento inverte os eventos da fusão. A medida que a temperatura do líquido cai, os íons ficam mais próximos e começam a perder sua liberdade de movimento. Quando o esfriamento é suficiente, as forças de ligação química confinarão novamente os átomos a um arranjo cristalino ordenado. Normalmente, todo o material fundido não solidifica no mesmo tempo. Ao contrário, a medida que o magma esfria, numerosos embriões de cristais se desenvolvem. De uma maneira sistemática, íons são adicionados a esses centros de crescimento de cristais. Quando os cristais crescem muito e entram em contato com cristais vizinhos seu crescimento para e a cristalização desenvolve-se em outro lugar. Eventualmente, toda o líquido transforma-se em uma massa sólida de cristais intercrescidos (interlocking).

A taxa de esfriamento fortemente influencia o processo de cristalização, em particular o tamanho dos cristais. Quando o magma esfria muito lentamente, se desenvolvem, relativamente poucos centros de crescimento de cristal. Esfriamento lento também permite íons migrar distâncias relativamente grandes. Conseqüentemente, esfriamento lento resulta na formação de cristais grandes. Por outro lado, quando o esfriamento ocorre bastante rapidamente, os íons significativamente reduzem seu movimento e velozmente se combinam. Isto resulta na formação de grande número de núcleos os quais competem pelos íons disponíveis. O resultado é uma massa sólida por intercrescimentos de cristais muito pequenos. Quando o material fundido é esfriado quase instantaneamente, não há tempo suficiente para os íons se arranjarem em um retículo cristalino. Portanto, os sólidos produzidos desta maneira consistem de íons distribuídos randomicamente. Rochas que consistem de átomos desordenados são referidas como vidros e são semelhantes aos vidros feitos pelo homem.


Seqüência de Cristalização
Nos observamos que uma mistura de minerais fundirá dentro de uma faixa de temperatura. Igualmente um magma fundirá dentro de uma faixa de temperatura, ou em outras palavras, sobre algum período de tempo, durante o esfriamento, minerais diferentes começam cristalizar em diferentes temperaturas e tempos. Sobretudo, porque a maioria dos magmas se origina no manto superior eles são em um sentido muito geral semelhantes em composição, consistindo predominantemente de sílica (SiO2), com proporções menores de alumínio, ferro, magnésio, cálcio, sódio, potássio e outros elementos. Os magmas tendem a seguir uma seqüência previsível de cristalização em termos dos principais minerais formadores de rochas, embora a proporção desses minerais na rocha final variará; esta seqüência foi estabelecida há mais do que meio século atrás pelo geólogo Bowen, que combinou estudos cuidadosos de laboratório de sistema de silicatos composicionalmente simples com amplas observações de campo das rochas naturais mais complexas.

O resultado, conhecido como Série de Reações de Bowen, é ilustrado na figura abaixo. Aqueles minerais que tendem a cristalizar a altas temperaturas são mostrados próximos ao topo da série e são chamados pirogenéticos; os últimos, minerais de baixa temperatura estão próximos a base. Em geral os primeiros minerais que cristalizam têm relativamente pouca sílica, são óxidos, ideomorfos (forma cristalina quase perfeita) e anidros, de tal maneira que o magma residual remanescente após sua cristalização é mais enriquecido em sílica em relação a sua composição inicial. A porção de alta temperatura é também subdividida em um ramo ferromagnesiano e um ramo envolvendo os feldspatos plagioclásios que são isomorfos.

O ramo do plagioclásio apresenta uma série de reação contínua. Isto refere-se a interação entre cristais já formados e a fusão remanescente. Lembre-se que o plagioclásio é uma solução sólida (isomorfos) entre o membro extremo rico em cálcio (anortita - CaAl2Si2O8) e o membro extremo rico em sódio (albita - NaALSi3O8). As composições mais cálcicas são os membros de alta temperatura da série. A anortita pura funde a 1550 oC, albita pura a 1100 oC. Sódio e cálcio são livremente intercambiáveis na estrutura cristalina do plagioclásio. O primeiro plagioclásio a cristalizar do magma, a alta temperatura será o cálcico; mas a medida que o magma esfria o cristal já formado reagirá continuamente com a fusão, se reforma com mais e mais sódio entrando no plagioclásio, mas sem mudanças na estrutura cristalina básica. (Note que o plagioclásio sódico também contém uma proporção mais alta em sílica, então os plagioclásios posteriores são mais ricos em sílica também). Caso o esfriamento for muito rápido, para realizar-se a reação completa entre os cristais e a fusão durante o esfriamento, os cristais resultantes mostrarão zonas composicionais concêntricas, com núcleos ricos em cálcio gradando para fora para termos mais ricos em sódio. O cristal zonado, é um cristal único de um mineral que tem uma composição química diferente na sua parte interna e externa. Isto pode ser observado através de propriedades óticas diferentes.



O lado ferromagnesiano da seqüência de cristalização é uma série de reação descontínua. A olivina é o primeiro mineral ferromagnesiano a cristalizar. Após um período de cristalização, a olivina fica tão desequilibrada quimicamente com o resíduo líquido rico em sílica que a olivina e a fusão reagem para formar piroxênio. (Lembre-se que a razão de ferro mais magnésio e sílica na olivina é 2:1, enquanto no piroxênio é cerca de 1:1). Assumindo que haja sílica suficiente disponível, toda a olivina será convertida a piroxênio através de reação com o magma residual. Após um intervalo de cristalização do piroxênio, o piroxênio, também ao ficar em desequilíbrio químico com a fusão remanescente, reage com ela e piroxênios serão convertidos a anfibólios e assim sucessivamente. O último ferromagnesiano a cristalizar é a biotita. Esta série de reações descontínuas, então, é marcada por várias mudanças na mineralogia/estrutura cristalina durante o esfriamento e cristalização. É uma série descontínua porque forma minerais diferentes em forma e composição.

No final da seqüência de cristalização, a mais baixa temperatura, cristaliza feldspato potássico, mica muscovita e quartzo. Note que os silicatos hidratados - anfibólios e micas - são relativamente tardios na seqüência. A temperaturas muito altas os minerais hidratados são instáveis e qualquer água fica na fusão. Também, nem todo magma progredirá através de toda a seqüência. Um magma mais máfico (rico em magnésio e ferro e mais pobre em sílica) será completamente cristalizado antes que os últimos estágios da seqüência sejam alcançados, pois não existirá sílica suficiente para formar quartzo. Um magma muito silicoso (rico em sílica e pobre em ferro e magnésio) alcançará o estágio final eliminando olivina, piroxênio e plagioclásios básicos.
CRISTALIZAÇÃO DE FELDSPATOS PLAGIOCLÁSIOS
Os resultados de muitas experiências de cristalização com fusões de composição correspondente a aquela dos vários membros da série dos plagioclásios são mostradas na figura. abaixo. A composição química é mostrada no eixo horizontal do gráfico como a percentagem de uma mistura simples de dois componentes, albita e anortita. Os plagioclásios naturais são uma série de soluções sólidas, isto é, há uma gama contínua de composição de um componente ao outro, a estrutura básica do cristal permanecendo sempre a mesma. São os chamados minerais isomorfos. Como ocorre com esses minerais sólidos, as fusões de albita e anortita são completamente miscíveis em todas as proporções.

Devido estarmos interessados em temperatura de cristalização, nós plotamos a temperatura, em graus centígrados, sobre o eixo vertical. O gráfico nos diz o que esperar se a composição da fusão de composição X (cerca de 30 % de anortita) aquecida a cerca de 1500 oC for deixada esfriar lentamente. Não há mudança enquanto o líquido esfria até que a temperatura alcance cerca de 1370 oC; nesse ponto os primeiros cristais de plagioclásio se formam. Esses cristais são muito diferentes da composição do líquido; eles têm uma composição de 70 % de anortita, em vez de ter apenas 30 % de anortita que é a composição inicial da fusão. A medida que os primeiros cristais se formam, devido a proporção de anortita em relação a albita tomada da fusão ser muito mais alta do que o proporção original de X, o líquido torna-se depletado em anortita e começa a mover-se para baixo na curva superior.



A medida que mais cristal cresce, eles se formam de um líquido de composição levemente mudada, e assim são menos ricos em anortita. Nesse ínterim, os cristais primeiro formados não estão mais em equilíbrio com líquido, porque a fusão é agora mais albítica. Caso a cristalização for lenta, esses primeiros cristais reagirão continuamente com o líquido que está constantemente mudando e conforme os novos cristais se formam, a composição de todos os cristais seguirá a curva inferior. Este processo continua - o líquido se movendo para baixo segundo a curva superior e os sólidos se movendo para baixo segundo a curva inferior - até a temperatura de cerca de 1190 oC, quando a última gota de líquido (agora contendo cerca de 5 % de anortita) forma cristais com a composição original X. Após isso, a massa cristalina inteira continua a esfriar sem mais modificações. A fusão cristalizou plagioclásio com a mesma composição da fusão original, mas através de uma rota complicada. Quando o plagioclásio sólido é fundido, ele segue uma rota exatamente a mesma em ordem inversa. O primeiro líquido formado é da mesma composição da última gota de líquido no processo de cristalização, e o líquido e cristal movem-se para cima em suas respectivas curvas até que o último cristal é fundido, quando o líquido atinge a composição X original.


Resumindo podemos estabelecer várias estágios de cristalização dos magmas.
1. Estágio Ortomagmático (T >800 oC) que compreende a separação dos minerais pirogenéticos e, no caso de uma rocha básica, envolve a cristalização minerais anídricos e a maioria dos minerais membros iniciais da séries de reações de Bowen. Pouca interferência de elementos voláteis.



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