Fyzikální geologie

Magma může mít velmi rozdílné složení, ale obecně se skládá pouze z osmi prvků, v pořadí podle důležitosti: kyslík, křemík, hliník, železo, vápník, sodík, hořčík a draslík (obrázek 3.6). Kyslík, nejhojněji zastoupený prvek v magmatu, tvoří o něco méně než polovinu celkového množství, následovaný křemíkem s podílem o něco větším než jedna čtvrtina. Zbývající prvky tvoří zbylou čtvrtinu. V magmatech pocházejících z materiálu zemské kůry převažuje kyslík, křemík, hliník, sodík a draslík.

Složení magmatu závisí na hornině, ze které vzniklo (tavením), a na podmínkách tohoto tavení. Magmata pocházející z pláště mají vyšší obsah železa, hořčíku a vápníku, ale stále v nich pravděpodobně převažuje kyslík a křemík. Všechna magmata mají různý podíl prvků, jako je vodík, uhlík a síra, které se při chladnutí magmatu přeměňují na plyny, jako je vodní pára, oxid uhličitý a sirovodík.

Obrázek 3: Magmata v magmatu.6 Průměrné zastoupení prvků v zemské kůře, které se blíží průměrnému složení magmat uvnitř zemské kůry

V podstatě všechny vyvřelé horniny, se kterými se na Zemi setkáváme, pocházejí z magmat, která vznikla částečným roztavením existujících hornin buď ve svrchním plášti, nebo v zemské kůře. K částečnému tavení dochází, když se roztaví jen některé části horniny; dochází k němu proto, že horniny nejsou čisté materiály. Většina hornin se skládá z několika minerálů, z nichž každý má jinou teplotu tání. Vosk ve svíčce je čistý materiál. Pokud vložíte trochu vosku do teplé trouby (stačí 50 °C, protože teplota tání většiny vosků je asi 40 °C) a necháte ho tam chvíli, začne brzy tát. To je úplné tání, ne částečné tání. Kdybyste místo toho vzali směs vosku, plastu, hliníku a skla a vložili ji do stejné teplé trouby, vosk by se brzy začal tavit, ale plast, hliník a sklo by se neroztavily (obrázek 3.7a). To je částečné tavení a výsledkem by byl pevný plast, hliník a sklo obklopené tekutým voskem (obrázek 3.7b). Pokud bychom pec zahřáli na teplotu přibližně 120 °C, plast by se také roztavil a smísil by se s tekutým voskem, ale hliník a sklo by zůstaly pevné (obrázek 3.7c). Opět se jedná o částečné tavení. Kdybychom voskovo-plastové „magma“ oddělili od ostatních složek a nechali je vychladnout, nakonec by ztuhlo. Jak vidíte na obrázku 3.7d, tekutý vosk a plast se smísily a po ochlazení vytvořily něco, co vypadá jako jedna pevná látka. S největší pravděpodobností se jedná o velmi jemnozrnnou směs pevného vosku a pevného plastu, ale mohlo by se také jednat o nějakou jinou látku, která vznikla spojením obou látek.

V tomto příkladu jsme částečně roztavili předstíranou horninu a vytvořili předstírané magma. Poté jsme magma oddělili od zdroje a nechali ho vychladnout, abychom vytvořili novou předstíranou horninu se složením zcela odlišným od původního materiálu (chybí v něm sklo a hliník).

Samozřejmě částečné tavení v reálném světě není úplně stejné jako v našem příkladu s předstíranou horninou. Hlavní rozdíly spočívají v tom, že horniny jsou mnohem složitější než čtyřsložkový systém, který jsme použili, a minerální složky většiny hornin mají podobnější teploty tání, takže dva nebo více minerálů se pravděpodobně roztaví současně v různé míře. Dalším důležitým rozdílem je, že při tání hornin tento proces trvá tisíce až miliony let, nikoliv 90 minut jako v příkladu s předstíranou horninou.

Na rozdíl od toho, co by se dalo očekávat, a na rozdíl od toho, co jsme udělali při výrobě naší předstírané horniny, většina částečného tání skutečné horniny nezahrnuje zahřívání horniny. Dva hlavní mechanismy, kterými horniny tají, jsou dekompresní tání a tavení. Dekompresní tání probíhá v Zemi, když je horninové těleso udržováno při přibližně stejné teplotě, ale tlak je snížen. K tomu dochází proto, že se hornina pohybuje směrem k povrchu, a to buď v plášťovém plumenu (tzv. horké skvrně), nebo ve vzestupné části plášťové konvekční buňky. Mechanismus dekompresního tání je znázorněn na obrázku 3.8a. Pokud se hornina, která je dostatečně horká, aby se blížila bodu tání, pohybuje směrem k povrchu, tlak se sníží a hornina může přejít na kapalnou stranu své křivky tání. V tomto bodě začne docházet k částečnému tání. Proces tekutého tání je znázorněn na obrázku 3.8b. Pokud je hornina blízko bodu tání a do horniny se přidá trochu vody (tavidlo, které podporuje tání), teplota tání se sníží (plná čára versus tečkovaná čára) a začne částečné tání.

K částečnému tavení hornin dochází v celé řadě situací, z nichž většina souvisí s deskovou tektonikou. Nejdůležitější z nich jsou znázorněny na obrázku 3.9. Jak u plášťových plášťů, tak ve vzestupných částech konvekčních systémů dochází k pohybu horniny směrem k povrchu, tlak klesá a v určitém okamžiku hornina přechází na kapalnou stranu své křivky tání. V subdukčních zónách přechází voda z vlhké, subdukující oceánské kůry do nadložního horkého pláště. Tím je zajištěn tok potřebný ke snížení teploty tání. V obou těchto případech dochází pouze k částečnému tavení – obvykle se taví jen asi 10 % horniny – a vždy se taví složky horniny bohaté na křemík, čímž vzniká magma bohatší na křemík než hornina, z níž pochází. (Analogicky je tavenina naší předstírané horniny bohatší na vosk a plasty než „hornina“, z níž byla získána.) Vzniklé magma, které má menší hustotu než okolní hornina, postupuje vzhůru pláštěm a nakonec se dostane do zemské kůry.

Při pohybu směrem k povrchu, a zejména při přechodu z pláště do spodní kůry, dochází k interakci horkého magmatu s okolními horninami. To obvykle vede k částečnému roztavení okolních hornin, protože většina takových magmat je teplejší než teplota tání hornin zemské kůry. (V tomto případě je tání způsobeno zvýšením teploty.) Opět se přednostně taví části okolní horniny bohatší na křemík, což přispívá ke zvýšení obsahu křemíku v magmatu.

Při velmi vysokých teplotách (nad 1300 °C) je většina magmatu zcela tekutá, protože je zde příliš mnoho energie na to, aby se atomy spojily. S klesající teplotou, obvykle proto, že magma pomalu stoupá vzhůru, se situace začíná měnit. Křemík a kyslík se spojují do křemíkových tetraedrů, které se s pokračujícím ochlazováním začínají spojovat do řetězců (polymerizují). Tyto řetězce oxidu křemičitého mají důležitý vliv na to, že se magma stává viskóznějším (méně tekoucím), a jak uvidíme v kapitole 4, viskozita magmatu má významné důsledky pro sopečné erupce. Jak magma dále chladne, začínají se tvořit krystaly.