Fizikai geológia

A magmák összetétele igen változatos lehet, de általában csak nyolc elemből állnak; fontossági sorrendben: oxigén, szilícium, alumínium, vas, kalcium, nátrium, magnézium és kálium (3.6. ábra). Az oxigén, a magmában leggyakrabban előforduló elem, valamivel kevesebb, mint a felét teszi ki, ezt követi a szilícium valamivel több, mint egynegyedével. A többi elem alkotja a maradék egynegyedet. A kéreganyagból származó magmákban az oxigén, a szilícium, az alumínium, a nátrium és a kálium dominál.

A magma összetétele attól a kőzettől függ, amelyből (olvadással) keletkezett, és az olvadás körülményeitől. A köpenyből származó magmák magasabb vas-, magnézium- és kalciumtartalommal rendelkeznek, de valószínűleg még mindig az oxigén és a szilícium dominál bennük. Minden magma különböző arányban tartalmaz olyan elemeket, mint a hidrogén, a szén és a kén, amelyek a magma lehűlése során olyan gázokká alakulnak át, mint a vízgőz, a szén-dioxid és a kénhidrogén.

A Földön látható vulkáni kőzetek szinte mindegyike olyan magmákból származik, amelyek meglévő kőzetek részleges olvadásából keletkeztek, akár a felső köpenyben, akár a kéregben. Részleges olvadásról akkor beszélünk, amikor egy kőzetnek csak egyes részei olvadnak meg; ez azért következik be, mert a kőzetek nem tiszta anyagok. A legtöbb kőzet több ásványból áll, amelyek mindegyike más-más olvadási hőmérsékletű. A gyertyában lévő viasz tiszta anyag. Ha egy kis viaszt meleg sütőbe teszünk (50 °C elég, mivel a legtöbb viasz olvadási hőmérséklete körülbelül 40 °C), és ott hagyjuk egy ideig, hamarosan olvadni kezd. Ez teljes olvadás, nem részleges olvadás. Ha ehelyett fogunk egy viasz, műanyag, alumínium és üveg keveréket, és betesszük ugyanebbe a meleg sütőbe, a viasz hamarosan olvadni kezd, de a műanyag, az alumínium és az üveg nem olvad el (3.7a. ábra). Ez részleges olvadás, és az eredmény szilárd műanyag, alumínium és üveg lenne, amelyet folyékony viasz venne körül (3.7b. ábra). Ha a sütőt kb. 120 °C-ra melegítenénk, a műanyag is megolvadna és összekeveredne a folyékony viasszal, de az alumínium és az üveg szilárd maradna (3.7c. ábra). Ez ismét részleges olvadás. Ha a viasz/műanyag “magmát” elválasztanánk a többi komponenstől, és hagynánk kihűlni, végül megkeményedne. Amint a 3.7d. ábrán látható, a folyékony viasz és a műanyag összekeveredett, és lehűlve egyetlen szilárd anyagnak látszó anyagot alkotott. A legvalószínűbb, hogy ez a szilárd viasz és a szilárd műanyag nagyon finom szemcsés keveréke, de lehet, hogy valamilyen más anyag is, amely a kettő keveredéséből alakult ki.

Ebben a példában részben megolvasztottunk néhány színlelt követ, hogy színlelt magmát hozzunk létre. Ezután elválasztottuk a magmát a forrástól, és hagytuk kihűlni, hogy egy új, az eredeti anyagtól teljesen eltérő összetételű (nincs benne üveg és alumínium) színlelt kőzetet hozzunk létre.

A valóságban persze a részleges olvadás nem teljesen olyan, mint a mi színlelt kőzet példánkban. A fő különbség az, hogy a kőzetek sokkal összetettebbek, mint az általunk használt négykomponensű rendszer, és a legtöbb kőzet ásványi összetevőinek olvadási hőmérséklete sokkal hasonlóbb, így két vagy több ásvány valószínűleg különböző mértékben egyszerre olvad meg. Egy másik fontos különbség, hogy amikor a kőzetek megolvadnak, a folyamat évezredekig vagy évmilliókig tart, nem pedig 90 percig, mint a színlelt kőzet példájában.

Azzal ellentétben, amit várnánk, és azzal ellentétben, amit mi tettünk a színlelt kőzet elkészítéséhez, a valódi kőzetek legtöbb részleges olvadása nem jár a kőzet felmelegítésével. A kőzetek olvadásának két fő mechanizmusa a dekompressziós olvadás és a fluxusolvadás. A dekompressziós olvadás akkor megy végbe a Földön belül, amikor egy kőzettestet megközelítőleg azonos hőmérsékleten tartanak, de a nyomást csökkentik. Ez azért történik, mert a kőzet a felszín felé mozog, vagy egy köpenytölcsérben (más néven forró pont), vagy egy köpeny konvekciós cella feláramló részében. A dekompressziós olvadás mechanizmusa a 3.8a. ábrán látható. Ha egy olyan kőzetet, amely elég forró ahhoz, hogy közel legyen az olvadáspontjához, a felszín felé mozgatunk, a nyomás csökken, és a kőzet átmehet az olvadási görbe folyékony oldalára. Ezen a ponton részleges olvadás kezdődik. A folyékony olvadás folyamatát a 3.8b. ábra mutatja. Ha egy kőzet közel van az olvadáspontjához, és némi vizet (az olvadást elősegítő fluxust) adunk a kőzethez, az olvadási hőmérséklet csökken (folytonos vonal kontra szaggatott vonal), és megindul a részleges olvadás.

A kőzet részleges olvadása számos helyzetben előfordul, amelyek többsége a lemeztektonikához kapcsolódik. Ezek közül a fontosabbakat a 3.9. ábra mutatja be. Mind a köpenytölcséreknél, mind a konvekciós rendszerek felfelé irányuló részeinél a kőzet a felszín felé mozog, a nyomás csökken, és egy bizonyos ponton a kőzet átmegy az olvadási görbe folyékony oldalára. A szubdukciós zónáknál a nedves, szubdukálódó óceáni kéregből víz kerül a felette lévő forró köpenybe. Ez biztosítja az olvadási hőmérséklet csökkentéséhez szükséges áramlást. Mindkét esetben csak részleges olvadás megy végbe – jellemzően a kőzetnek csak kb. 10%-a olvad meg -, és mindig a kőzet szilícium-dioxidban leggazdagabb összetevői olvadnak meg, így olyan magma jön létre, amely szilícium-dioxidban gazdagabb, mint a kőzet, amelyből származik. (Ennek analógiájára a színlelt kőzetünk olvadéka viaszban és műanyagban gazdagabb, mint a “kőzet”, amelyből származik). A keletkezett magma, mivel kevésbé sűrű, mint a környező kőzet, felfelé halad a köpenyben, és végül a kéregbe kerül.

A felszín felé haladva, és különösen, amikor a köpenyből az alsó kéregbe kerül, a forró magma kölcsönhatásba lép a környező kőzetekkel. Ez általában a környező kőzet részleges megolvadásához vezet, mivel a legtöbb ilyen magma forróbb, mint a kéreg kőzetének olvadási hőmérséklete. (Ebben az esetben az olvadást a hőmérséklet emelkedése okozza.) Ismét a környező kőzet szilícium-dioxidban gazdagabb részei olvadnak meg előnyben, és ez hozzájárul a magma szilícium-dioxid-tartalmának növekedéséhez.

A nagyon magas hőmérsékleten (1300 °C felett) a legtöbb magma teljesen folyékony, mert túl sok energia áll rendelkezésre az atomok összekapcsolódásához. Ahogy a hőmérséklet csökken, általában azért, mert a magma lassan felfelé mozog, a dolgok változni kezdenek. A szilícium és az oxigén szilícium-dioxid-tetraéderekké egyesülnek, majd a hűtés előrehaladtával a tetraéderek láncokká kapcsolódnak össze (polimerizálódnak). Ezeknek a szilícium-dioxid-láncoknak fontos hatása, hogy a magma viszkózusabbá (kevésbé folyós) válik, és amint azt a 4. fejezetben látni fogjuk, a magma viszkozitása jelentős hatással van a vulkánkitörésekre. Ahogy a magma tovább hűl, kristályok kezdenek kialakulni.