Fysikalisk geologi

Magma kan variera kraftigt i sammansättning, men i allmänhet består den av endast åtta grundämnen, i ordningsföljd: syre, kisel, aluminium, järn, kalcium, natrium, magnesium och kalium (figur 3.6). Syre, som är det vanligaste grundämnet i magma, utgör lite mindre än hälften av den totala mängden, följt av kisel med drygt en fjärdedel. De övriga grundämnena utgör den andra fjärdedelen. Magma som härrör från material från jordskorpan domineras av syre, kisel, aluminium, natrium och kalium.

Sammansättningen av magma beror på den bergart som den bildades ur (genom smältning) och på förhållandena vid denna smältning. Magma som härrör från manteln har högre halter av järn, magnesium och kalcium, men de domineras troligen fortfarande av syre och kisel. Alla magmaer har varierande proportioner av grundämnen som väte, kol och svavel, som omvandlas till gaser som vattenånga, koldioxid och vätesulfid när magman svalnar.

Nästan alla magmatiska bergarter som vi ser på jorden härstammar från magmaer som bildats genom partiell smältning av befintlig bergart, antingen i den övre manteln eller i jordskorpan. Partiell smältning är vad som händer när endast vissa delar av en sten smälter; det sker eftersom stenar inte är rena material. De flesta bergarter består av flera olika mineraler som alla har olika smälttemperaturer. Vaxet i ett ljus är ett rent material. Om du lägger in lite vax i en varm ugn (50 °C räcker eftersom smältningstemperaturen för de flesta vaxer är cirka 40 °C) och låter det stå där ett tag kommer det snart att börja smälta. Det är fullständig smältning, inte partiell smältning. Om du i stället tar en blandning av vax, plast, aluminium och glas och sätter in den i samma varma ugn kommer vaxet snart att börja smälta, men plasten, aluminiumet och glaset kommer inte att smälta (figur 3.7a). Det är partiell smältning och resultatet skulle vara fast plast, aluminium och glas omgivet av flytande vax (figur 3.7b). Om vi värmer upp ugnen till cirka 120 °C skulle plasten också smälta och blandas med det flytande vaxet, men aluminiumet och glaset skulle förbli fasta (figur 3.7c). Återigen är detta en partiell smältning. Om vi separerade ”magman” av vax/plast från de andra komponenterna och lät den svalna skulle den så småningom hårdna. Som du kan se i figur 3.7d har det flytande vaxet och plasten blandats, och vid avkylning har de bildat något som ser ut som en enda fast substans. Det är mest troligt att detta är en mycket finkornig blandning av fast vax och fast plast, men det kan också vara något annat ämne som har bildats av kombinationen av de två.

I det här exemplet smälte vi delvis en låtsassten för att skapa en låtsasmagma. Vi separerade sedan magman från källan och lät den svalna för att skapa en ny låtsassten med en helt annan sammansättning än det ursprungliga materialet (den saknar glas och aluminium).

Självklart är partiell smältning i den verkliga världen inte exakt samma sak som i vårt exempel med låtsassten. De viktigaste skillnaderna är att stenar är mycket mer komplexa än det fyrkomponentsystem vi använde, och att mineralkomponenterna i de flesta stenar har mer likartade smälttemperaturer, så det är troligt att två eller flera mineraler smälter samtidigt i varierande grad. En annan viktig skillnad är att när stenar smälter tar processen tusentals till miljontals år, inte de 90 minuter som det tog i exemplet med låtsasstenen.

I motsats till vad man skulle kunna förvänta sig, och i motsats till vad vi gjorde för att göra vår låtsassten, innebär de flesta partiella smältningar av riktiga stenar inte att stenen värms upp. De två huvudsakliga mekanismerna genom vilka bergarter smälter är dekompressionssmältning och flusssmältning. Dekompressionssmältning äger rum på jorden när en bergkropp hålls vid ungefär samma temperatur men trycket minskas. Detta sker eftersom berget flyttas mot ytan, antingen vid en mantelplym (även kallad hot spot) eller i den uppåtgående delen av en konvektionscell i manteln. Mekanismen för dekompressionssmältning visas i figur 3.8a. Om en sten som är tillräckligt varm för att vara nära sin smältpunkt flyttas mot ytan minskar trycket och stenen kan övergå till den flytande sidan av sin smältkurva. Vid denna punkt börjar en partiell smältning äga rum. Processen för flödessmältning visas i figur 3.8b. Om en sten är nära sin smältpunkt och lite vatten (ett flussmedel som främjar smältningen) tillsätts till stenen sänks smälttemperaturen (heldragen linje mot streckad linje) och den partiella smältningen startar.

Den partiella smältningen av berg sker i många olika situationer, varav de flesta är relaterade till plattektonik. De viktigaste av dessa visas i figur 3.9. Vid både mantelplymer och i de uppåtgående delarna av konvektionssystem förflyttas bergarten mot ytan, trycket sjunker och vid någon tidpunkt övergår bergarten till den flytande sidan av sin smältkurva. Vid subduktionszoner överförs vatten från den våta, subducerande oceaniska skorpan till den överliggande varma manteln. Detta ger det flöde som behövs för att sänka smälttemperaturen. I båda dessa fall sker endast en partiell smältning – vanligtvis smälter endast cirka 10 % av berget – och det är alltid de mest kiselrika komponenterna i berget som smälter, vilket skapar en magma som är mer kiselrik än berget som den härstammar från. (På motsvarande sätt är smältan från vår låtsassten rikare på vax och plast än den ”sten” som den härstammar från). Den producerade magman, som är mindre tät än den omgivande berggrunden, rör sig upp genom manteln och så småningom in i jordskorpan.

När den rör sig mot ytan, och särskilt när den rör sig från manteln in i den nedre skorpan, interagerar den heta magman med det omgivande berget. Detta leder vanligtvis till partiell smältning av den omgivande berggrunden eftersom de flesta sådana magmer är hetare än smälttemperaturen för berg i jordskorpan. (I det här fallet orsakas smältning av en temperaturökning.) Återigen smälts företrädesvis de mer kiselrika delarna av den omgivande berggrunden, vilket bidrar till en ökning av kiselhalten i magman.

Vid mycket höga temperaturer (över 1 300 °C) är de flesta magman helt flytande eftersom det finns för mycket energi för att atomerna ska kunna binda samman. När temperaturen sjunker, vanligtvis på grund av att magman långsamt rör sig uppåt, börjar saker och ting förändras. Kisel och syre kombineras för att bilda kiseltetraeder, och när nedkylningen fortsätter börjar tetraederna sedan att knytas samman för att bilda kedjor (polymeriseras). Dessa kiselkedjor har den viktiga effekten att göra magman mer viskös (mindre rinnande), och som vi kommer att se i kapitel 4 har magmans viskositet betydande konsekvenser för vulkanutbrott. När magman fortsätter att svalna börjar kristaller bildas.