Physikalische Geologie

Magmen können in ihrer Zusammensetzung stark variieren, aber im Allgemeinen bestehen sie aus nur acht Elementen; in der Reihenfolge ihrer Bedeutung: Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen, Kalzium, Natrium, Magnesium und Kalium (Abbildung 3.6). Sauerstoff, das am häufigsten in Magma vorkommende Element, macht etwas weniger als die Hälfte der Gesamtmenge aus, gefolgt von Silizium mit etwas mehr als einem Viertel. Die übrigen Elemente machen das andere Viertel aus. In Magmen, die aus Krustenmaterial stammen, dominieren Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Natrium und Kalium.

Die Zusammensetzung von Magma hängt von dem Gestein ab, aus dem es (durch Schmelzen) entstanden ist, sowie von den Bedingungen dieses Schmelzvorgangs. Magmen, die aus dem Erdmantel stammen, haben einen höheren Anteil an Eisen, Magnesium und Kalzium, aber sie werden wahrscheinlich immer noch von Sauerstoff und Silizium dominiert. Alle Magmen haben unterschiedliche Anteile an Elementen wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Schwefel, die beim Abkühlen des Magmas in Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff umgewandelt werden.

Fast alle Eruptivgesteine, die wir auf der Erde sehen, stammen aus Magmen, die durch teilweises Aufschmelzen von bereits vorhandenem Gestein entstanden sind, entweder im oberen Erdmantel oder in der Kruste. Von partiellem Schmelzen spricht man, wenn nur einige Teile eines Gesteins schmelzen; dies geschieht, weil Gesteine keine reinen Materialien sind. Die meisten Gesteine setzen sich aus mehreren Mineralien zusammen, von denen jedes eine andere Schmelztemperatur hat. Das Wachs in einer Kerze ist ein reines Material. Wenn Sie etwas Wachs in einen warmen Ofen geben (50 °C reichen aus, da die Schmelztemperatur der meisten Wachse bei etwa 40 °C liegt) und es dort eine Weile stehen lassen, wird es bald zu schmelzen beginnen. Das ist ein vollständiges Schmelzen, kein teilweises Schmelzen. Würde man stattdessen eine Mischung aus Wachs, Kunststoff, Aluminium und Glas in denselben warmen Ofen geben, würde das Wachs bald zu schmelzen beginnen, aber der Kunststoff, das Aluminium und das Glas würden nicht schmelzen (Abbildung 3.7a). Das ist ein teilweises Schmelzen, und das Ergebnis wäre ein fester Kunststoff, Aluminium und Glas, umgeben von flüssigem Wachs (Abbildung 3.7b). Wenn wir den Ofen auf etwa 120 °C erhitzen, würde der Kunststoff ebenfalls schmelzen und sich mit dem flüssigen Wachs vermischen, aber das Aluminium und das Glas würden fest bleiben (Abbildung 3.7c). Auch hier handelt es sich um ein teilweises Schmelzen. Wenn wir das Wachs/Kunststoff-„Magma“ von den anderen Komponenten trennen und abkühlen lassen, würde es schließlich aushärten. Wie Sie in Abbildung 3.7d sehen können, haben sich das flüssige Wachs und der Kunststoff vermischt und beim Abkühlen etwas gebildet, das wie eine einzige feste Substanz aussieht. Höchstwahrscheinlich handelt es sich dabei um ein sehr feinkörniges Gemisch aus festem Wachs und festem Kunststoff, aber es könnte sich auch um eine andere Substanz handeln, die sich aus der Kombination der beiden Stoffe gebildet hat.

In diesem Beispiel haben wir einen Teil des künstlichen Gesteins geschmolzen, um ein künstliches Magma zu erzeugen. Dann haben wir das Magma von der Quelle getrennt und es abkühlen lassen, um ein neues Scheingestein mit einer ganz anderen Zusammensetzung als das ursprüngliche Material zu erzeugen (ihm fehlen Glas und Aluminium).

Natürlich ist das partielle Schmelzen in der realen Welt nicht genau dasselbe wie in unserem Beispiel mit dem Scheingestein. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass Gesteine viel komplexer sind als das Vier-Komponenten-System, das wir verwendet haben, und dass die mineralischen Bestandteile der meisten Gesteine ähnliche Schmelztemperaturen haben, so dass zwei oder mehr Mineralien wahrscheinlich in unterschiedlichem Maße gleichzeitig schmelzen. Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass das Schmelzen von Gesteinen Tausende bis Millionen von Jahren dauert und nicht nur 90 Minuten wie bei dem Beispiel mit dem vorgetäuschten Gestein.

Im Gegensatz zu dem, was man erwarten könnte, und im Gegensatz zu dem, was wir bei der Herstellung unseres vorgetäuschten Gesteins getan haben, ist beim teilweisen Schmelzen von echtem Gestein keine Erhitzung des Gesteins erforderlich. Die beiden wichtigsten Mechanismen, durch die Gesteine schmelzen, sind das Dekompressionsschmelzen und das Fluxschmelzen. Dekompressionsschmelzen findet im Erdinneren statt, wenn ein Gesteinskörper bei annähernd gleicher Temperatur gehalten wird, der Druck jedoch abnimmt. Dies geschieht, weil das Gestein in Richtung Oberfläche bewegt wird, entweder an einem Mantelplume (auch bekannt als Hot Spot) oder im aufsteigenden Teil einer Mantelkonvektionszelle. Der Mechanismus des Dekompressionsschmelzens ist in Abbildung 3.8a dargestellt. Wenn ein Gestein, das heiß genug ist, um nahe an seinem Schmelzpunkt zu sein, in Richtung Oberfläche bewegt wird, verringert sich der Druck, und das Gestein kann auf die flüssige Seite seiner Schmelzkurve übergehen. An diesem Punkt beginnt das partielle Schmelzen. Der Prozess des Flussschmelzens ist in Abbildung 3.8b dargestellt. Wenn ein Gestein in der Nähe seines Schmelzpunktes liegt und dem Gestein etwas Wasser (ein Flussmittel, das das Schmelzen fördert) zugesetzt wird, sinkt die Schmelztemperatur (durchgezogene Linie gegenüber gestrichelter Linie), und das partielle Schmelzen beginnt.

Das partielle Schmelzen von Gestein kommt in einer Vielzahl von Situationen vor, von denen die meisten mit der Plattentektonik zusammenhängen. Die wichtigsten davon sind in Abbildung 3.9 dargestellt. Sowohl in Mantelplumes als auch in den aufwärts gerichteten Teilen von Konvektionssystemen wird Gestein in Richtung Oberfläche bewegt, der Druck sinkt, und an einem bestimmten Punkt wechselt das Gestein auf die flüssige Seite seiner Schmelzkurve. An Subduktionszonen wird Wasser aus der feuchten, subduzierenden ozeanischen Kruste in den darüber liegenden heißen Mantel übertragen. Dadurch wird der für die Absenkung der Schmelztemperatur erforderliche Fluss erzeugt. In beiden Fällen findet nur ein teilweises Schmelzen statt – in der Regel schmelzen nur etwa 10 % des Gesteins – und es sind immer die kieselsäurereichsten Bestandteile des Gesteins, die schmelzen, so dass ein Magma entsteht, das kieselsäurereicher ist als das Gestein, aus dem es entstanden ist. (In Analogie dazu ist die Schmelze unseres vorgetäuschten Gesteins reicher an Wachs und Kunststoff als das „Gestein“, aus dem es gewonnen wurde.) Das entstandene Magma, das eine geringere Dichte als das umgebende Gestein aufweist, bewegt sich durch den Erdmantel nach oben und gelangt schließlich in die Kruste.

Auf dem Weg zur Oberfläche und insbesondere bei der Bewegung vom Mantel in die untere Kruste tritt das heiße Magma in Wechselwirkung mit dem umgebenden Gestein. Dies führt in der Regel zu einem teilweisen Schmelzen des umgebenden Gesteins, da die meisten dieser Magmen heißer sind als die Schmelztemperatur von Krustengestein. (Auch hier werden die kieselsäurereicheren Teile des umgebenden Gesteins bevorzugt geschmolzen, was zu einem Anstieg des Kieselsäuregehalts des Magmas beiträgt.

Bei sehr hohen Temperaturen (über 1300 °C) ist das meiste Magma vollständig flüssig, da zu viel Energie für die Atome vorhanden ist, um sich zu verbinden. Wenn die Temperatur sinkt, was in der Regel darauf zurückzuführen ist, dass sich das Magma langsam nach oben bewegt, beginnen sich die Dinge zu ändern. Silicium und Sauerstoff verbinden sich zu Siliciumdioxid-Tetraedern, und mit fortschreitender Abkühlung beginnen die Tetraeder, sich zu Ketten zu verbinden (zu polymerisieren). Diese Siliziumdioxidketten haben den wichtigen Effekt, dass das Magma zähflüssiger wird (weniger flüssig), und wie wir in Kapitel 4 sehen werden, hat die Viskosität des Magmas erhebliche Auswirkungen auf Vulkaneruptionen. Wenn das Magma weiter abkühlt, beginnen sich Kristalle zu bilden.