Los volátiles son el grupo de elementos químicos y compuestos químicos que pueden vaporizarse fácilmente . A diferencia de los volátiles, los elementos y compuestos que no se vaporizan fácilmente se conocen como sustancias refractarias .
En el planeta Tierra, el término “volátiles” suele referirse a los componentes volátiles del magma . En astrogeología se investigan los volátiles en la corteza o atmósfera de un planeta o luna. Los volátiles incluyen nitrógeno , dióxido de carbono , amoníaco , hidrógeno , metano , dióxido de azufre , agua y otros.
Los científicos planetarios suelen clasificar los volátiles con puntos de fusión excepcionalmente bajos, como el hidrógeno y el helio , como gases, mientras que los volátiles con puntos de fusión superiores a aproximadamente 100 K (–173 °C , –280 °F ) se denominan hielos. Los términos "gas" y "hielo" en este contexto pueden aplicarse a compuestos que pueden ser sólidos, líquidos o gases. Así, Júpiter y Saturno son gigantes gaseosos , y Urano y Neptuno son gigantes de hielo , aunque la gran mayoría del "gas" y el "hielo" de sus interiores es un fluido caliente y muy denso que se vuelve más denso a medida que avanza el centro del planeta. se acerca. Dentro de la órbita de Júpiter, la actividad cometaria es impulsada por la sublimación del hielo de agua. Los supervolátiles como el CO y el CO 2 han generado actividad cometaria hasta 25,8 AU (3,86 mil millones de kilómetros). [1]
En petrología ígnea el término se refiere más específicamente a los componentes volátiles del magma (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) que afectan la apariencia y explosividad de los volcanes . Los volátiles en un magma de alta viscosidad, generalmente félsico con un mayor contenido de sílice (SiO 2 ), tienden a producir erupciones que son explosivas . Los volátiles en un magma de baja viscosidad, generalmente máfico con menor contenido en sílice, tienden a ventilarse en forma de erupción efusiva y pueden dar lugar a una fuente de lava .
Algunas erupciones volcánicas son explosivas debido a la mezcla entre agua y magma que llega a la superficie, lo que libera energía repentinamente. Sin embargo, en algunos casos, la erupción es causada por volátiles disueltos en el propio magma. [2] Al acercarse a la superficie, la presión disminuye y los volátiles salen de la solución, creando burbujas que circulan en el líquido . Las burbujas se conectan entre sí, formando una red. Esto favorece la fragmentación en pequeñas gotas o pulverizaciones o coagula los coágulos en gas . [2]
Generalmente, entre el 95 y el 99% del magma es roca líquida. Sin embargo, el pequeño porcentaje de gas presente representa un volumen muy grande cuando se expande al alcanzar la presión atmosférica . Por tanto, el gas es importante en un sistema volcánico porque genera erupciones explosivas. [2] El magma en el manto y la corteza inferior tiene un alto contenido volátil. El agua y el dióxido de carbono no son los únicos volátiles que liberan los volcanes ; otros volátiles incluyen sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre . El dióxido de azufre es común en las rocas basálticas y de riolita . Los volcanes también liberan una gran cantidad de cloruro de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno como volátiles. [2]
Hay tres factores principales que afectan la dispersión de los volátiles en el magma: presión de confinamiento , composición del magma y temperatura del magma. La presión y la composición son los parámetros más importantes. [2] Para comprender cómo se comporta el magma al ascender a la superficie, se debe conocer el papel de la solubilidad dentro del magma. Se ha utilizado una ley empírica para diferentes combinaciones magma-volátiles. Por ejemplo, para el agua en el magma la ecuación es n=0,1078 P donde n es la cantidad de gas disuelto como porcentaje en peso (wt%), P es la presión en megapascal (MPa) que actúa sobre el magma. El valor cambia, por ejemplo para el agua en la riolita n = 0,4111 P y para el dióxido de carbono n = 0,0023 P. Estas sencillas ecuaciones funcionan si sólo hay un volátil en un magma. Sin embargo, en realidad, la situación no es tan simple porque a menudo hay múltiples volátiles en un magma. Es una interacción química compleja entre diferentes volátiles. [2]
Simplificando, la solubilidad del agua en riolita y basalto es función de la presión y la profundidad debajo de la superficie en ausencia de otros volátiles. Tanto el basalto como la riolita pierden agua al disminuir la presión a medida que el magma sube a la superficie. La solubilidad del agua es mayor en la riolita que en el magma basáltico. El conocimiento de la solubilidad permite determinar la cantidad máxima de agua que puede disolverse en relación con la presión. [2] Si el magma contiene menos agua que la cantidad máxima posible, está subsaturado en agua. Por lo general, en la corteza profunda y el manto no hay suficiente agua ni dióxido de carbono, por lo que el magma suele estar subsaturado en estas condiciones. El magma se satura cuando alcanza la cantidad máxima de agua que se puede disolver en él. Si el magma continúa subiendo a la superficie y se disuelve más agua, se sobresatura . Si se disuelve más agua en el magma, puede expulsarse en forma de burbujas o vapor de agua. Esto sucede porque la presión disminuye en el proceso y la velocidad aumenta y el proceso también debe equilibrar la disminución de la solubilidad y la presión. [2] Haciendo una comparación con la solubilidad del dióxido de carbono en el magma, esta es considerablemente menor que la del agua y tiende a exsolverse a mayor profundidad. En este caso el agua y el dióxido de carbono se consideran independientes. [2] Lo que afecta el comportamiento del sistema magmático es la profundidad a la que se liberan dióxido de carbono y agua. La baja solubilidad del dióxido de carbono significa que comienza a liberar burbujas antes de llegar a la cámara de magma. En este punto el magma ya está sobresaturado. El magma enriquecido en dióxido de carbono burbujea, se eleva hasta el techo de la cámara y el dióxido de carbono tiende a filtrarse a través de grietas hacia la caldera suprayacente. [2] Básicamente, durante una erupción el magma pierde más dióxido de carbono que agua, que en la cámara ya está sobresaturada. En general, el agua es el principal elemento volátil durante una erupción. [2]
La nucleación de burbujas ocurre cuando un volátil se satura . En realidad las burbujas están compuestas por moléculas que tienden a agregarse espontáneamente en un proceso llamado nucleación homogénea . La tensión superficial actúa sobre las burbujas encogiendo la superficie y las obliga a regresar al líquido. [2] El proceso de nucleación es mayor cuando el espacio para encajar es irregular y las moléculas volátiles pueden aliviar el efecto de la tensión superficial. [2] La nucleación puede ocurrir gracias a la presencia de cristales sólidos , que se almacenan en la cámara de magma. Son sitios potenciales perfectos de nucleación para burbujas. Si no hay nucleación en el magma, la formación de burbujas puede tardar mucho y el magma se sobresatura significativamente. El equilibrio entre la presión de sobresaturación y los radios de la burbuja se expresa mediante esta ecuación: ∆P=2σ/r, donde ∆P es 100 MPa y σ es la tensión superficial. [2] Si la nucleación comienza más tarde, cuando el magma está muy sobresaturado, la distancia entre burbujas se vuelve más pequeña. [2] Esencialmente, si el magma sube rápidamente a la superficie, el sistema estará más desequilibrado y sobresaturado. Cuando el magma asciende hay competencia entre añadir nuevas moléculas a las existentes y crear otras nuevas. La distancia entre moléculas caracteriza la eficiencia de los volátiles para agregarse al sitio nuevo o existente. Los cristales dentro del magma pueden determinar cómo crecen y se nuclean las burbujas. [2]