Geologia fizică

admin

Magmele pot varia foarte mult în compoziție, dar în general sunt alcătuite din numai opt elemente; în ordinea importanței: oxigen, siliciu, aluminiu, fier, calciu, sodiu, magneziu și potasiu (figura 3.6). Oxigenul, elementul cel mai abundent în magmă, cuprinde puțin mai puțin de jumătate din total, urmat de siliciu, cu puțin peste un sfert. Celelalte elemente alcătuiesc celălalt sfert. Magmele derivate din material crustal sunt dominate de oxigen, siliciu, aluminiu, sodiu și potasiu.

Compoziția magmei depinde de roca din care a fost formată (prin topire) și de condițiile în care a avut loc această topire. Magmele derivate din mantaua au niveluri mai ridicate de fier, magneziu și calciu, dar este probabil ca ele să fie în continuare dominate de oxigen și siliciu. Toate magmele au proporții variabile de elemente cum ar fi hidrogenul, carbonul și sulful, care sunt transformate în gaze precum vaporii de apă, dioxidul de carbon și hidrogenul sulfurat pe măsură ce magma se răcește.

Figura 3.6 Proporțiile elementare medii din scoarța terestră, care se apropie de compoziția medie a magmelor din interiorul scoarței

Practic toate rocile igoase pe care le vedem pe Pământ sunt derivate din magme care s-au format prin topirea parțială a rocilor existente, fie în mantaua superioară, fie în scoarță. Topirea parțială este ceea ce se întâmplă atunci când doar unele părți ale unei roci se topesc; aceasta are loc deoarece rocile nu sunt materiale pure. Majoritatea rocilor sunt alcătuite din mai multe minerale, fiecare dintre acestea având o temperatură de topire diferită. Ceara dintr-o lumânare este un material pur. Dacă puneți puțină ceară într-un cuptor cald (50°C este suficient, deoarece temperatura de topire a majorității cerii este de aproximativ 40°C) și o lăsați acolo pentru o perioadă de timp, aceasta va începe să se topească în curând. Aceasta este o topire completă, nu o topire parțială. Dacă, în schimb, ați lua un amestec de ceară, plastic, aluminiu și sticlă și l-ați pune în același cuptor cald, ceara va începe curând să se topească, dar plasticul, aluminiul și sticla nu se vor topi (figura 3.7a). Aceasta este o topire parțială, iar rezultatul ar fi plasticul, aluminiul și sticla solide, înconjurate de ceară lichidă (figura 3.7b). Dacă am încălzi cuptorul până la aproximativ 120°C, plasticul s-ar topi și el și s-ar amesteca cu ceara lichidă, dar aluminiul și sticla ar rămâne solide (figura 3.7c). Din nou, aceasta este o topire parțială. Dacă am separa „magma” de ceară/plastic de celelalte componente și am lăsa-o să se răcească, aceasta s-ar întări în cele din urmă. După cum puteți vedea în figura 3.7d, ceara lichidă și plasticul s-au amestecat și, la răcire, au format ceea ce pare a fi o singură substanță solidă. Cel mai probabil, acesta este un amestec cu granulație foarte fină de ceară solidă și plastic solid, dar ar putea fi, de asemenea, o altă substanță care s-a format din combinarea celor două.

Figura 3.7 Topirea parțială a „rocii prefăcute”: (a) componentele inițiale de ceară de lumânare albă, țeavă de plastic neagră, sticlă de plajă verde și sârmă de aluminiu, (b) după încălzirea la 50˚C timp de 30 de minute, doar ceara s-a topit, (c) după încălzirea la 120˚C timp de 60 de minute, o mare parte din plastic s-a topit și cele două lichide s-au amestecat, (d) lichidul a fost separat de solide și lăsat să se răcească pentru a obține o „piatră falsă” cu o compoziție generală diferită.

În acest exemplu, am topit parțial niște rocă falsă pentru a crea niște magmă falsă. Apoi am separat magma de la sursă și am lăsat-o să se răcească pentru a obține o nouă rocă prefăcută cu o compoziție destul de diferită de materialul original (îi lipsesc sticla și aluminiul).

Desigur topirea parțială în lumea reală nu este exact la fel ca în exemplul nostru de rocă prefăcută. Principalele diferențe constau în faptul că rocile sunt mult mai complexe decât sistemul cu patru componente pe care l-am folosit, iar componentele minerale ale majorității rocilor au temperaturi de topire mai asemănătoare, astfel încât este probabil ca două sau mai multe minerale să se topească în același timp, în grade diferite. O altă diferență importantă este că, atunci când rocile se topesc, procesul durează de la mii până la milioane de ani, nu cele 90 de minute cât a durat în exemplul de rocă prefăcută.

În ciuda a ceea ce s-ar putea aștepta și contrar a ceea ce am făcut noi pentru a face roca noastră prefăcută, cea mai mare parte a topirii parțiale a rocilor reale nu implică încălzirea rocii. Cele două mecanisme principale prin care se topesc rocile sunt topirea prin decompresie și topirea prin flux. Topirea prin decompresiune are loc în interiorul Pământului atunci când un corp de rocă este menținut la aproximativ aceeași temperatură, dar presiunea este redusă. Acest lucru se întâmplă deoarece rocile sunt deplasate spre suprafață, fie la nivelul unui penaj al mantalei (cunoscut și ca punct fierbinte), fie în partea ascendentă a unei celule de convecție a mantalei. Mecanismul de topire prin decompresiune este prezentat în figura 3.8a. Dacă o rocă suficient de fierbinte pentru a fi aproape de punctul său de topire este deplasată spre suprafață, presiunea este redusă, iar roca poate trece în partea lichidă a curbei sale de topire. În acest punct, începe să aibă loc o topire parțială. Procesul de topire a fluxului este prezentat în figura 3.8b. Dacă o rocă este aproape de punctul său de topire și se adaugă puțină apă (un flux care favorizează topirea) în rocă, temperatura de topire este redusă (linia continuă față de linia punctată), iar topirea parțială începe.

Figura 3.8 Mecanisme pentru (a) topirea prin decompresie (roca este deplasată spre suprafață) și (b) topirea prin flux (se adaugă apă în rocă) și curba de topire este deplasată.

Fundarea parțială a rocilor are loc într-o gamă largă de situații, dintre care majoritatea sunt legate de tectonica plăcilor. Cele mai importante dintre acestea sunt prezentate în figura 3.9. Atât la nivelul coloanelor mantalei, cât și în părțile ascendente ale sistemelor de convecție, rocile sunt deplasate spre suprafață, presiunea scade și, la un moment dat, rocile trec pe partea lichidă a curbei lor de topire. În zonele de subducție, apa din crusta oceanică umedă, aflată în subducție, este transferată în mantaua fierbinte suprapusă. Acest lucru asigură fluxul necesar pentru a reduce temperatura de topire. În ambele cazuri, are loc doar o topire parțială – de obicei, doar aproximativ 10% din rocă se topește – și întotdeauna se topesc componentele cele mai bogate în siliciu ale rocii, creând un magma care este mai bogat în siliciu decât roca din care provine. (Prin analogie, topitura din roca noastră prefăcută este mai bogată în ceară și plastic decât „roca” din care a fost derivată). Magma produsă, fiind mai puțin densă decât roca înconjurătoare, se deplasează în sus prin mantaua și, în cele din urmă, în crustă.

Figura 3.9 Locuri comune de formare a magmei în mantaua superioară. Cercurile negre sunt regiuni de topire parțială. Săgețile albastre reprezintă apa transferată de la plăcile de subducție în mantaua suprapusă.

În timp ce se deplasează spre suprafață, și mai ales când se deplasează din mantaua în crusta inferioară, magma fierbinte interacționează cu rocile din jur. Acest lucru duce, de obicei, la topirea parțială a rocii înconjurătoare, deoarece majoritatea acestor magme sunt mai fierbinți decât temperatura de topire a rocilor din crustă. (În acest caz, topirea este cauzată de o creștere a temperaturii.) Din nou, părțile mai bogate în siliciu ale rocii înconjurătoare sunt topite preferențial, iar acest lucru contribuie la creșterea conținutului de siliciu al magmei.

La temperaturi foarte ridicate (peste 1300°C), cea mai mare parte a magmei este în întregime lichidă, deoarece există prea multă energie pentru ca atomii să se lege între ei. Pe măsură ce temperatura scade, de obicei pentru că magma se deplasează încet în sus, lucrurile încep să se schimbe. Siliciul și oxigenul se combină pentru a forma tetraedre de siliciu, iar apoi, pe măsură ce răcirea continuă, tetraedrele încep să se lege între ele pentru a forma lanțuri (se polimerizează). Aceste lanțuri de silice au efectul important de a face magma mai vâscoasă (mai puțin curgătoare) și, după cum vom vedea în capitolul 4, vâscozitatea magmei are implicații semnificative pentru erupțiile vulcanice. Pe măsură ce magma continuă să se răcească, încep să se formeze cristale.

Exercițiu 3.2 Cum se face magma vâscoasă

Acesta este un experiment pe care îl puteți face acasă pentru a vă ajuta să înțelegeți proprietățile magmei. Va dura doar aproximativ 15 minute și tot ce aveți nevoie este o jumătate de cană de apă și câteva linguri de făină.

Dacă ați făcut vreodată sos, sos alb sau roux, veți ști cum funcționează acest lucru.

Puneți aproximativ 1/2 cană (125 ml) de apă într-o cratiță la foc mediu. Adăugați 2 lingurițe (10 ml) de făină albă (aceasta reprezintă silica) și amestecați în timp ce amestecul se apropie de fierbere. Ar trebui să se îngroașe ca un sos, deoarece glutenul din făină se polimerizează în lanțuri în timpul acestui proces.

Acum veți adăuga mai multă „silice” pentru a vedea cum se modifică vâscozitatea magmei dumneavoastră. Luați alte 4 lingurițe (20 ml)de făină și amestecați-o bine cu aproximativ 4 lingurițe (20 ml) de apă într-o ceașcă și apoi adăugați tot acest amestec la restul de apă și făină din cratiță. Amestecați în timp ce aduceți din nou la o temperatură aproape de fierbere și apoi lăsați-o să se răcească. Acest amestec ar trebui să devină încet-încet mult mai gros – ceva asemănător cu terciul – deoarece există mai mult gluten și s-au format mai multe lanțuri (vezi fotografia).

Acest lucru este analog cu magma, bineînțeles. După cum vom vedea mai jos, magmele au conținuturi destul de variabile de siliciu și, prin urmare, au vâscozități („grosimi”) foarte variate în timpul răcirii.

  1. Plantele mantalei sunt descrise în capitolul 4, iar convecția mantalei în capitolul 9. ↵

.