Experimental modelling of differentiation processes in magma chambers

Zusammenfassung

La generación, emplazamiento y solidificación de los sistemas magmáticos son procesos esenciales en la formación de nueva corteza continental, la concentración de metales en yacimientos minerales y la potencial explosividad de volcanes. Tras su generación y ascenso el magma se emplaza en cámaras magmáticas, donde experimenta procesos de diferenciación, los cuales no son accesibles a nuestra observación. La cristalización de sistemas magmáticos silíceos (SiO2 > 53 % en peso) de afinidad calcoalcalina resulta ser un mecanismo efectivo en los procesos de diferenciación magmática. En concreto, la separación de cristales y líquido en una cámara magmática que está cristalizando permite explicar algunos tipos de diferenciación química que se manifiesta a lo largo de las tendencias evolutivas en la geoquímica de las rocas ígneas. Sin embargo, los procesos que ocasionan la separación del líquido de un entramado cristalino en composiciones silíceas, y por tanto altamente viscosas, no han sido aún estudiados. En este trabajo de Tesis Doctoral se presentan experimentos de cristalización que demuestran la existencia de importantes procesos de fraccionación en magmas con agua. Dichos experimentos han sido diseñados de manera que la longitud de las cápsulas experimentales es mayor de lo usual aprovechando de este modo, el gradiente térmico inherente a la propia configuración de las celdas experimentales y las prensas de alta presión. En general, se suele abarcar un rango de temperatura que varía entre el liquidus y el solidus del sistema magmático estudiado. Aunque el efecto de la gravedad en los mecanismos de diferenciación de sistemas calcoalcalinos se puede considerar despreciable a la escala de cámaras magmáticas naturales, puede ser importante en las reducidas dimensiones de una cápsula experimental. De este modo, el equipo de alta presión ha sido modificado para permanecer horizontal, forzando con ello a la localización del efecto de la gravedad a lo largo del eje mínimo de la cápsula experimental, ortogonal al gradiente térmico. La escalación de estos experimentos es esencial para la posterior aplicación de los resultados obtenidos a ejemplos naturales. Para ello, se ha llevado a cabo la comparación del gradiente térmico establecido en la cápsula experimental con perfiles térmicos de cámaras magmáticas. Las cámaras magmáticas se han simulado mediante modelización numérica, contemplando para ello diversas geometrías de reservorios. Los resultados de la escalación demuestran que la variación de temperatura establecida para la pequeña celda experimental permite simular el gradiente térmico de cámaras magmáticas de 10 a 30 km de diámetro y desde 2 a 10 km de altura. El tiempo bajo el que el gradiente experimental es reproducido en estos ejemplos naturales varía desde las etapas iniciales hasta los 120 ka. En los estudios experimentales de diferenciación magmática se han empleado cápsulas diseñadas especialmente para simular la completa cristalización de un magma en un sistema cerrado y a una presión constante. Se han elegido distintas tasas de enfriamiento teniendo en cuenta factores cinéticos de escala con el fin de reproducir las condiciones más cercanas al equilibrio. Concretamente, se establecieron dos tasas de cristalización distintas, una rápida (9.6 ºC/hora) y otra lenta (0.6 ºC/hora) con el fin de identificar posibles efectos cinéticos en los procesos de diferenciación. En general, los experimentos de cristalización bajo un gradiente térmico han revelado importantes diferencias en la abundancia global (líquido y cristales) de elementos mayores y traza a lo largo del intervalo de temperatura ensayado, entre el solidus y el liquidus de los sistemas magmáticos estudiados. Elementos como el Si, K, Rb, Nb y el agua se encuentran enriquecidos en el extremo caliente de estos experimentos, que es rico en fundido. Por el contrario, estos mismos elementos se ven empobrecidos en el extremo frío residual de estos experimentos, con alta cristalinidad. Elementos refractarios como el Ca o el Mg se comportan de manera opuesta concentrándose en el residuo cristalino en la zona más alejada del centro del horno de la celda experimental. Los resultados experimentales muestran cambios composicionales dentro de las cápsulas de 10 mm de longitud que responden a procesos de auto-diferenciación del magmas. Los cambios composicionales observados pueden explicarse por procesos de advección de una fase fluida rica en agua, la cual migra desde el extremo más frío de mayor cristalinidad al más caliente rico en fundido, compensado de este modo la sobrepresión causada por la segunda ebullición (resultado de la cristalización de fases anhidras). En el presente trabajo se ha constatado también que la tasa de enfriamiento lenta (más cercana al equilibrio natural) es más efectiva en el proceso de diferenciación, dando cambios composicionales más marcados que los obtenidos en los experimentos de cristalización bajo enfriamiento rápido. Por otra parte, los experimentos de cristalización rápida evidencian de forma muy clara la operatividad de los mecanismos de separación de líquido y cristales por efecto de la presión filtrante originada por la creación de burbujas como consecuencia de la segunda ebullición. Análogamente, cabe esperar procesos similares en los bordes fríos de las cámaras magmáticas cristalizados bajo tasas de enfriamiento aceleradas. Igualmente, los resultados experimentales de este trabajo confirman algunas de las inferencias realizadas a partir de los estudios de campo acerca del papel de los fluidos en la diferenciación de magmas silíceos. En este sentido, la modelización geoquímica del avance de un líquido intersticial producido en relación con zonas de alta cristalinidad dentro de una cámara magmática, y que es expelido hacia la zona caliente con abundante fundido (cristalización in situ) apoya estos resultados experimentales. Sobre la base de los resultados obtenidos, se propone la saturación en volátiles dentro de dominios discretos en un frente de solidificación como fuerza motriz para la segregación del líquido a partir de una fracción rica en cristales. El aporte sucesivo del líquido intersticial desde el frente de solidificación que avanza desde el borde hacia el núcleo en el caso de una cámara sometida a enfriamiento permite explicar la diferenciación y zonación observadas en las cámaras magmáticas silíceas. Los mecanismos aquí propuestos no sólo explican la génesis de los distintos tipos de magmas y rocas dentro del espectro andesita-dacita-riolita; sino que también dan cuenta de las altas concentraciones en metales y de la formación de yacimientos minerales en relación con pulsos magmáticos tardíos y cúpulas de intrusiones graníticas zonadas.