Fysische geologie

Magma’s kunnen qua samenstelling sterk variëren, maar over het algemeen bestaan ze uit slechts acht elementen; in volgorde van belangrijkheid: zuurstof, silicium, aluminium, ijzer, calcium, natrium, magnesium en kalium (figuur 3.6). Zuurstof, het meest overvloedige element in magma, bestaat uit iets minder dan de helft van het totaal, gevolgd door silicium met iets meer dan een kwart. De overige elementen vormen de overige een kwart. Magma’s die zijn afgeleid van materiaal uit de aardkorst worden gedomineerd door zuurstof, silicium, aluminium, natrium en kalium.

De samenstelling van magma hangt af van het gesteente waaruit het is gevormd (door smelten), en van de omstandigheden waaronder dat smelten plaatsvond. Uit de mantel afkomstige magma’s hebben een hoger gehalte aan ijzer, magnesium en calcium, maar worden waarschijnlijk nog steeds gedomineerd door zuurstof en silicium. Alle magma’s hebben variërende verhoudingen van elementen zoals waterstof, koolstof en zwavel, die worden omgezet in gassen zoals waterdamp, kooldioxide en waterstofsulfide wanneer het magma afkoelt.

Virtueel alle stollingsgesteenten die we op aarde zien, zijn afkomstig van magma’s die zijn gevormd door gedeeltelijk smelten van bestaand gesteente, hetzij in de bovenmantel, hetzij in de korst. Gedeeltelijk smelten is wat er gebeurt wanneer slechts enkele delen van een gesteente smelten; het vindt plaats omdat gesteenten geen zuivere materialen zijn. De meeste gesteenten zijn opgebouwd uit verschillende mineralen, die elk een andere smelttemperatuur hebben. De was in een kaars is een zuiver materiaal. Als je wat was in een warme oven legt (50°C is voldoende, aangezien de smelttemperatuur van de meeste was ongeveer 40°C is) en je laat het daar een tijdje zitten, zal het snel beginnen te smelten. Dat is volledig smelten, niet gedeeltelijk smelten. Als je in plaats daarvan een mengsel van was, plastic, aluminium en glas in dezelfde warme oven legt, zal de was snel beginnen te smelten, maar het plastic, aluminium en glas zullen niet smelten (figuur 3.7a). Dat is gedeeltelijk smelten en het resultaat zou vaste kunststof, aluminium en glas zijn, omgeven door vloeibare was (figuur 3.7b). Als we de oven opwarmen tot ongeveer 120°C, zal de kunststof ook smelten en zich vermengen met de vloeibare was, maar het aluminium en glas zullen vast blijven (figuur 3.7c). Ook dit is gedeeltelijk smelten. Als we het was/kunststof “magma” van de andere componenten scheiden en het laten afkoelen, zou het uiteindelijk hard worden. Zoals je in figuur 3.7d kunt zien, hebben de vloeibare was en de kunststof zich vermengd, en bij afkoeling gevormd wat lijkt op een enkele vaste stof. Waarschijnlijk is dit een zeer fijnkorrelig mengsel van vaste was en vaste kunststof, maar het kan ook een andere stof zijn die uit de combinatie van de twee is gevormd.

In dit voorbeeld hebben we wat nepgesteente gedeeltelijk gesmolten om wat nepmagma te maken. Vervolgens hebben we het magma van de bron gescheiden en het laten afkoelen om een nieuw nepgesteente te maken met een samenstelling die nogal verschilt van die van het oorspronkelijke materiaal (het bevat geen glas en aluminium).

Natuurlijk is het gedeeltelijk smelten in de echte wereld niet precies hetzelfde als in ons nepgesteente-voorbeeld. De belangrijkste verschillen zijn dat gesteenten veel complexer zijn dan het viercomponentensysteem dat we hebben gebruikt, en dat de minerale bestanddelen van de meeste gesteenten een meer vergelijkbare smelttemperatuur hebben, zodat twee of meer mineralen waarschijnlijk in verschillende mate tegelijk zullen smelten. Een ander belangrijk verschil is dat het smelten van gesteenten duizenden tot miljoenen jaren in beslag neemt, en niet de 90 minuten die nodig waren in het voorbeeld van het nepgesteente.

In tegenstelling tot wat men zou verwachten, en in tegenstelling tot wat wij deden om ons nepgesteente te maken, wordt bij het meeste gedeeltelijke smelten van echt gesteente het gesteente niet opgewarmd. De twee belangrijkste mechanismen waardoor gesteenten smelten zijn decompressiesmelting en fluxsmelting. Decompressie smelten vindt binnen de Aarde plaats wanneer een rotsblok op ongeveer dezelfde temperatuur wordt gehouden maar de druk wordt verminderd. Dit gebeurt doordat het gesteente naar het oppervlak wordt verplaatst, hetzij in een mantelpluim (ook wel hotspot genoemd), hetzij in het opwaartse deel van een mantelconvectiecel. Het mechanisme van decompressiesmelting is weergegeven in figuur 3.8a. Als een gesteente dat heet genoeg is om dicht bij zijn smeltpunt te zijn naar het oppervlak wordt bewogen, neemt de druk af, en kan het gesteente overgaan naar de vloeibare kant van zijn smeltcurve. Op dit punt begint het gedeeltelijk smelten. Het proces van fluxsmelten is weergegeven in figuur 3.8b. Als een gesteente dicht bij zijn smeltpunt is en er wat water (een flux die het smelten bevordert) aan het gesteente wordt toegevoegd, wordt de smelttemperatuur verlaagd (getrokken lijn versus stippellijn), en begint het gedeeltelijk smelten.

Het gedeeltelijk smelten van gesteente komt in een groot aantal situaties voor, waarvan de meeste verband houden met platentektoniek. De belangrijkste daarvan zijn weergegeven in figuur 3.9. Zowel bij mantelpluimen als in de opwaartse delen van convectiesystemen wordt gesteente naar het oppervlak bewogen, de druk neemt af, en op een gegeven moment gaat het gesteente over naar de vloeibare kant van zijn smeltcurve. In subductiezones wordt water uit de natte, subducterende oceanische korst overgebracht in de bovenliggende hete mantel. Dit levert de flux op die nodig is om de smelttemperatuur te verlagen. In beide gevallen vindt slechts een gedeeltelijke versmelting plaats – typisch slechts ongeveer 10% van het gesteente smelt – en het zijn altijd de meest silicarijke bestanddelen van het gesteente die smelten, waardoor een magma ontstaat dat rijker is aan siliciumdioxide dan het gesteente waaruit het is ontstaan. (Naar analogie is de smelt van ons voorgewend gesteente rijker aan was en plastic dan het “gesteente” waarvan het is afgeleid). Het geproduceerde magma, dat minder dicht is dan het omringende gesteente, beweegt zich omhoog door de mantel, en uiteindelijk naar de korst.

Als het naar de oppervlakte beweegt, en vooral als het van de mantel naar de lagere korst beweegt, treedt het hete magma in wisselwerking met het omringende gesteente. Dit leidt meestal tot het gedeeltelijk smelten van het omringende gesteente, omdat de meeste van dergelijke magma’s heter zijn dan de smelttemperatuur van korstgesteente. (Ook hier worden de meer silicarijke delen van het omringende gesteente bij voorkeur gesmolten, en dit draagt bij tot een verhoging van het silicagehalte van het magma.

Bij zeer hoge temperaturen (meer dan 1300°C) is het meeste magma volledig vloeibaar, omdat er te veel energie is voor de atomen om zich te binden. Als de temperatuur daalt, meestal omdat het magma zich langzaam omhoog beweegt, beginnen de dingen te veranderen. Silicium en zuurstof verbinden zich tot silica tetraëders, en dan, als de afkoeling verder gaat, beginnen de tetraëders zich aan elkaar te binden om ketens te vormen (polymeriseren). Deze silica ketens hebben het belangrijke effect dat het magma viskeuzer (minder lopend) wordt, en zoals we in hoofdstuk 4 zullen zien, heeft de viscositeit van magma belangrijke implicaties voor vulkaanuitbarstingen. Als het magma verder afkoelt, beginnen zich kristallen te vormen.