RICERCA ITALIANA     

Proprietà chimico-fisiche dei fusi silicatici in presenza di componenti volatili: sperimentazione, modellizzazione ed applicazioni al degassamento magmatico

Università degli Studi Roma Tre

Abstract

I processi magmatici sono governati dalle proprietà di trasporto e termodinamiche dei fusi silicatici, e dai rapporti di coesistenza dei fusi hanno con le frazioni solide (minerali) e la fase gas essolta. Proprietà che più condizionano il comportamento del magma sono viscosita’, densità, e tutte le variabili termodinamiche di primo (entalpia, entropia, V) e di secondo ordine (Cp, compressibilità adiabatica e espansività termica isobarica). Sebbene in continuo aumento, gli studi sulle proprietà fisico-chimiche dei fusi sono effettuati per lo più su sistemi sintetici semplici. Per la comprensione dei processi magmatici è quindi necessaria la determinazione diretta e la modellizzazione di queste proprietà in sistemi multicomponente naturali di specifico interesse.

Questo progetto di ricerca si prefigge tre obiettivi principali.
1)Parametrizzazione di proprietà di trasporto e termodinamiche dei fusi naturali e delle fasi volatili associate, e in particolare:
a.equazioni costitutive della reologia dei magmi in funzione di T, volatili, cristalli, bolle e regime deformativo;
b.implementazione dell’equazioni di stato PVT per i fusi silicatici includendo l’effetto dei volatili da misure di espansività termica e compressibilità;
c.implementazione delle equazioni di calcolo di Cp dei fusi silicatici e di Cpconf includendo l’effetto dei volatili.
2)Sviluppo di uno strumento computazionale atto a descrivere le proprietà termochimiche di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudia Romano Università degli Studi ROMA TRE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto di ricerca si prefigge tre obiettivi principali.

1)Parametrizzazione di proprieta’ di trasporto e termodinamiche dei fusi naturali e delle fasi volatili ad esse associate, che governano i processi magmatici e vulcanici. In particolare, questo progetto si prefigge di determinare:
a.Equazioni costitutive della reologia dei magmi in funzione della T, contenuto in volatili, cristalli e bolle e regime deformativo;
b.Implementazione dell’equazioni di stato PVT per i fusi silicatici includendo l’effetto dei volatili, da misure di espansività termica e compressibilità;
c.Implementazione delle equazioni di calcolo della capacita’ termica dei fusi silicatici e del suo contributo configurazionale includendo l’effetto dei volatili.

2)Sviluppo di uno strumento computazionale atto a descrivere le proprietà termochimiche di fusi silicatici complessi in un vasto regime P-T. In particolare, il modello polimerico di reattivita’ chimica implementato in questo progetto verrà applicato alla modellizzazione di:
a.Proprieta’ volumetriche in ampio regime di P e T (vedi 1b);
b.Viscosita’ dei liquidi silicatici in funzione di Sconf (vedi 1a);
c.Solubilità nel sistema CO2-H2O-H2S-Cl-F-fuso silicatico;
d.Diffusività dei volatili nei fusi silicatici.

3)Sviluppo di un modello di degassamento magmatico che tenga conto della solubilità multicomponente (vedi 2a e 2c) della diffusivita’ (2d) e della >>>

Risultati parziali attesi

Come già precedentemente illustrato, i risultati generali attesi dalla ricerca consistono (1) nella parametrizzazione delle proprieta’ termodinamiche e di trasporto dei magmi, (2) nella definizione di un modello generale di reattività chimica dei fusi silicatici e (3) nella definizione, sulla base teorica di questo modello, di un modello di degassamento dei volatili durante la risalita del magma lungo il condotto vulcanico. Tali risultati rappresentano, si può dire, la sintesi dei “singoli” risultati di UR. Peraltro, vari risultati individuali delle UR e gli stessi risultati di sintesi presentano forti potenzialità applicative.
Il raggiungimento di tali risultato richiederà la stretta collaborazione e sinergia tra tutte
le UR impegnate nel progetto.

L’unità di ricerca 1 (Romano) si occuperà della parametrizzazione delle proprietà di trasporto e termodinamiche dei fusi naturali e delle fasi volatili ad esse associate. Per giungere a questo risultato, si effettuerà un attento lavoro sperimentale volto alla determinazione di:
(1) viscosità dei liquidi e delle miscele (liquido+cristalli, liquidi+bolle) magmatiche, e (2) reologia dei sistemi naturali multifase e multicomponente al variare del regime deformativo applicato, (3) Cp dei vetri e dei liquidi con e senza volatili (4) espansività termica e compressibilità di vetri e liquidi silicatici in funzione di P e T. Il lavoro sperimentale si avvarrà dell’uso di metodologie innovative e originali >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I processi magmatici(fusione parziale, formazione, risalita, cristallizzazione, cinetica di degassamento, frammentazione e stile eruttivo) sono governati dalle proprietà di trasporto (la densità, la viscosità) e dalle proprietà che governano gli scambi di energia tra le varie fasi e componenti che costituiscono le miscele magmatiche silicatiche. In particolare, la densità e le proprietà reologiche ( viscosità) controllano le forze di spinta, la fluidodinamica, lo stile eruttivo e la velocità dei processi fisico-chimici (degassamento e cristallizzazione) che agiscono nei magmi [1-3]. Per contro, le proprietà calorimetriche di primo (H, S, V) e di secondo ordine (Cp, compressibilità adiabatica, espansività isobara) ci danno informazioni sulla energia interna associata alle miscele magmatiche e a come esse possono evolvere al variare delle condizioni termodinamiche.
Conseguentemente, capire i meccanismi che determinano i processi sopra riportati, ed il loro impatto sull’ambiente, dipende, dapprima, dalla nostra capacità di sapere descrivere le proprietà fisico-chimiche tramite l’impiego di appositi strumenti di calcolo e, successivamente, dalla capacità di saperle impiegare per la valutazione dell’evoluzione futura di un processo.
Lo studio sperimentale delle proprietà chimiche, fisiche e strutturali dei sistemi naturali è di estrema complessità, a causa dell’estrema difficoltà tecnica di ottenere dati rilevanti alle condizioni naturali, e di conseguenza tali >>>