Geologia fizyczna

Magmy mogą się bardzo różnić składem, ale generalnie składają się tylko z ośmiu pierwiastków; w kolejności ich znaczenia: tlenu, krzemu, glinu, żelaza, wapnia, sodu, magnezu i potasu (rysunek 3.6). Tlen, najobficiej występujący w magmie pierwiastek, stanowi nieco mniej niż połowę całości, a następnie krzem – nieco ponad jedną czwartą. Pozostałą jedną czwartą stanowią pozostałe pierwiastki. W magmie pochodzącej z materiału skorupy ziemskiej dominują tlen, krzem, glin, sód i potas.

Skład magmy zależy od skały, z której została utworzona (przez stopienie), oraz od warunków tego stopienia. Magmy pochodzące z płaszcza mają wyższy poziom żelaza, magnezu i wapnia, ale nadal są zdominowane przez tlen i krzem. Wszystkie magmy mają różne proporcje pierwiastków takich jak wodór, węgiel i siarka, które są przekształcane w gazy takie jak para wodna, dwutlenek węgla i siarkowodór w miarę stygnięcia magmy.

Prawie wszystkie skały iglaste, które widzimy na Ziemi, pochodzą z magm, które powstały z częściowego stopienia istniejącej skały, albo w górnym płaszczu, albo w skorupie. Częściowe topienie jest tym, co dzieje się, gdy tylko niektóre części skały topią się; dzieje się tak, ponieważ skały nie są czystymi materiałami. Większość skał składa się z kilku minerałów, z których każdy ma inną temperaturę topnienia. Wosk w świecy jest czystym materiałem. Jeśli włożysz trochę wosku do ciepłego piekarnika (wystarczy 50°C, ponieważ temperatura topnienia większości wosków wynosi około 40°C) i pozostawisz go tam na jakiś czas, wkrótce zacznie się topić. Jest to topnienie całkowite, a nie częściowe. Gdyby zamiast tego włożyć do tego samego ciepłego piekarnika mieszaninę wosku, plastiku, aluminium i szkła, to wosk wkrótce zacząłby się topić, ale plastik, aluminium i szkło nie stopiłyby się (rysunek 3.7a). Byłoby to częściowe stopienie, a rezultatem byłby stały plastik, aluminium i szkło otoczone płynnym woskiem (rysunek 3.7b). Jeśli rozgrzejemy piekarnik do około 120°C, plastik również się stopi i zmiesza z płynnym woskiem, ale aluminium i szkło pozostaną w stanie stałym (rysunek 3.7c). Również w tym przypadku mamy do czynienia z częściowym stopieniem. Gdybyśmy oddzielili woskowo-plastikową „magmę” od pozostałych składników i pozwolili jej ostygnąć, w końcu by stwardniała. Jak widać na rysunku 3.7d, płynny wosk i plastik zmieszały się, a po ostygnięciu utworzyły coś, co wygląda jak jednolita substancja stała. Najprawdopodobniej jest to bardzo drobnoziarnista mieszanina stałego wosku i stałego plastiku, ale może to być również jakaś inna substancja, która powstała z połączenia tych dwóch substancji.

W tym przykładzie, częściowo stopiliśmy trochę udawanej skały, aby stworzyć trochę udawanej magmy. Następnie oddzieliliśmy magmę od źródła i pozwoliliśmy jej ostygnąć, aby stworzyć nową udawaną skałę o składzie całkiem innym niż oryginalny materiał (brakuje w niej szkła i aluminium).

Oczywiście częściowe topienie w prawdziwym świecie nie jest dokładnie takie samo jak w naszym przykładzie udawanej skały. Główne różnice polegają na tym, że skały są znacznie bardziej złożone niż czteroskładnikowy system, którego używaliśmy, a składniki mineralne większości skał mają bardziej zbliżone temperatury topnienia, więc dwa lub więcej minerałów prawdopodobnie stopi się w tym samym czasie w różnym stopniu. Inną ważną różnicą jest to, że kiedy skały się topią, proces ten trwa od tysięcy do milionów lat, a nie 90 minut, jak w przykładzie z udawaną skałą.

W przeciwieństwie do tego, czego można by się spodziewać, i w przeciwieństwie do tego, co zrobiliśmy, aby stworzyć naszą udawaną skałę, większość częściowego topnienia prawdziwej skały nie wymaga jej podgrzania. Dwa główne mechanizmy, dzięki którym skały się topią, to topnienie dekompresyjne i topnienie strumieniowe. Topnienie dekompresyjne ma miejsce w Ziemi, gdy skała jest utrzymywana w mniej więcej tej samej temperaturze, ale jej ciśnienie ulega zmniejszeniu. Dzieje się tak, ponieważ skała jest przemieszczana w kierunku powierzchni, albo w pióropuszu płaszczowym (tzw. gorącym punkcie), albo w górnej części komórki konwekcyjnej płaszcza. Mechanizm topnienia dekompresyjnego pokazany jest na rysunku 3.8a. Jeżeli skała, która jest wystarczająco gorąca, by być blisko punktu topnienia, jest przesuwana ku powierzchni, ciśnienie ulega zmniejszeniu i skała może przejść na ciekłą stronę swojej krzywej topnienia. W tym momencie zaczyna zachodzić częściowe topnienie. Proces topnienia strumieniowego pokazany jest na rysunku 3.8b. Jeśli skała jest bliska swojej temperatury topnienia i dodamy do niej trochę wody (topnika, który sprzyja topnieniu), to temperatura topnienia obniży się (linia ciągła w stosunku do linii kropkowanej) i rozpocznie się częściowe topnienie.

Częściowe topnienie skał zdarza się w bardzo wielu sytuacjach, z których większość związana jest z tektoniką płyt. Najważniejsze z nich pokazane są na Rysunku 3.9. Zarówno w pióropuszach płaszczowych, jak i w górnych częściach systemów konwekcyjnych, skały przemieszczają się ku powierzchni, ciśnienie spada i w pewnym momencie skała przechodzi na płynną stronę swojej krzywej topnienia. W strefach subdukcji, woda z wilgotnej, subdukującej skorupy oceanicznej jest przenoszona do leżącego nad nią gorącego płaszcza. Zapewnia to strumień niezbędny do obniżenia temperatury topnienia. W obu tych przypadkach następuje tylko częściowe stopienie – zwykle topi się tylko około 10% skały – i zawsze topią się najbardziej bogate w krzemionkę składniki skały, tworząc magmę, która jest bardziej bogata w krzemionkę niż skała, z której powstała. (Analogicznie, stopiona skała, którą udajemy, jest bogatsza w wosk i plastik niż „skała”, z której powstała). Wytworzona magma, będąc mniej gęsta od otaczających ją skał, przemieszcza się w górę płaszcza, a w końcu do skorupy.

Podążając ku powierzchni, a zwłaszcza gdy przechodzi z płaszcza do dolnej skorupy, gorąca magma wchodzi w interakcje z otaczającymi ją skałami. Zazwyczaj prowadzi to do częściowego stopienia otaczających ją skał, ponieważ większość takich magm jest gorętsza niż temperatura topnienia skał skorupowych. (Ponownie, bardziej bogate w krzemionkę części otaczającej skały są preferencyjnie topione, co przyczynia się do wzrostu zawartości krzemionki w magmie.

W bardzo wysokich temperaturach (ponad 1300°C), większość magmy jest całkowicie płynna, ponieważ atomy mają zbyt dużo energii, by się ze sobą związać. Gdy temperatura spada, zazwyczaj dlatego, że magma powoli przemieszcza się w górę, sytuacja zaczyna się zmieniać. Krzem i tlen łączą się tworząc czworościany krzemionki, a następnie, w miarę dalszego ochładzania, czworościany te zaczynają łączyć się ze sobą tworząc łańcuchy (polimeryzują). Te łańcuchy krzemionkowe powodują, że magma staje się bardziej lepka (mniej płynna), a jak zobaczymy w Rozdziale 4, lepkość magmy ma znaczący wpływ na erupcje wulkaniczne. Gdy magma nadal stygnie, zaczynają się tworzyć kryształy.