Magma kontra Lava Hur det smälter, reser sig och utvecklas

I lärobokbilden av bergcykeln börjar allt med smält underjordisk sten: magma. Vad vet vi om det?

Magma och Lava

Magma är mycket mer än lava. Lava är namnet på smält sten som har sprungit ut på jordens yta - det röd heta materialet som spills från vulkaner. Lava är också namnet på den resulterande fasta berget.

Däremot är magma osynlig. Varje sten underjordisk som är helt eller delvis smält kvalificerar sig som magma. Vi vet att det existerar eftersom varje stollformig bergart som stelnar från ett smält tillstånd: granit, peridotit, basalt, obsidian och allt annat.

Hur Magma smälter

Geologer kallar hela processen för smältning magmagenesis. Detta avsnitt är en mycket grundläggande introduktion till ett komplicerat ämne.

Uppenbarligen tar det mycket värme att smälta stenar. Jorden har mycket värme inuti, en del av den kvar från planetens bildning och en del av den genereras av radioaktivitet och andra fysiska medel. Trots att huvuddelen av vår planet - manteln, mellan den steniga jordskorpan och järnkärnan - har temperaturer som når tusentals grader, är det fast berg. (Vi vet detta eftersom det överför jordbävningsvågor som ett fast ämne.) Det beror på att högt tryck motverkar hög temperatur. Sagt på ett annat sätt, högt tryck höjer smältpunkten. Med tanke på den situationen finns det tre sätt att skapa magma: höja temperaturen över smältpunkten eller sänka smältpunkten genom att minska trycket (en fysisk mekanism) eller genom att lägga till ett flöde (en kemisk mekanism).

Magma uppstår på alla tre sätten - ofta alla tre på en gång - när den övre manteln rörs om av plattaktonik.

Värmeöverföring: En stigande kropp av magma - en intrång - sänder ut värme till de kallare stenarna runt den, särskilt när intrånget stelnar. Om dessa stenar redan är på väg att smälta är den extra värmen allt som krävs. Så förklaras ofta rolitiska magmas, typiska för kontinentala inredningar.

Dekompressionsmältning: Där två plattor dras isär stiger manteln under in i springan. När trycket sänks börjar berget smälta. Smältning av denna typ inträffar då, oavsett var plattorna sträcker isär - vid olika marginaler och områden med kontinental och bakbågsförlängning (läs mer om divergerande zoner).

Fluxsmältning: Överallt där vatten (eller andra flyktiga ämnen som koldioxid eller svavelgaser) kan röras in i en bergskropp är effekten på smältningen dramatisk. Detta redogör för den rikliga vulkanismen nära subduktionszoner, där fallande plattor tar ner vatten, sediment, kolhaltiga ämnen och hydratiserat mineral med sig. De flyktiga ämnena som frigörs från den sjunkande plattan stiger till den överliggande plattan och ger upphov till världens vulkaniska bågar.

Sammansättningen av en magma beror på vilken typ av sten den smält från och hur fullständigt den smälte. De första bitarna som smälter är rikast på kiseldioxid (mest felsik) och lägst i järn och magnesium (minst mafiskt). Så ultramafiskt mantelberg (peridotit) ger en mafisk smälta (gabbro och basalt), som bildar de oceaniska plattorna vid mitten av havet-åsarna. Mafisk berg ger en felsisk smälta (andesit, rhyolit, granitoid). Ju större smältningsgrad, desto mer liknar en magma dess källberg.

Hur Magma stiger

När magma formas försöker den stiga. Uppdrift är den främsta drivkraften för magma eftersom smält berg alltid är mindre tätt än fast berg. Stigande magma tenderar att förbli flytande, även om den svalnar eftersom den fortsätter att dekomprimera. Det finns dock ingen garanti för att en magma når ytan. Plutoniska stenar (granit, gabbro och så vidare) med sina stora mineralkorn representerar magmas som frös, mycket långsamt, djupt under jord.

Vi föreställer vanligtvis magma som stora smältkroppar, men den rör sig uppåt i smala fröskidor och tunna trådar, och upptar skorpan och den övre manteln som vatten fyller en svamp. Vi vet detta eftersom seismiska vågor bromsar ner i magkroppar, men försvinner inte som i en vätska.

Vi vet också att magma nästan aldrig är en enkel vätska. Tänk på det som ett kontinuum från buljong till gryta. Det beskrivs vanligtvis som en mysk av mineralkristaller som transporteras i en vätska, ibland med gasbubblor också. Kristallerna är vanligtvis tätare än vätskan och tenderar att sakta sätta sig nedåt, beroende på magmas styvhet (viskositet).

Hur Magma utvecklas

Magmas utvecklas på tre huvudsakliga sätt: de förändras när de långsamt kristalliseras, blandas med andra magmas och smälter klipporna runt dem. Tillsammans kallas dessa mekanismer magmatisk differentiering. Magma kan sluta med differentiering, slå sig ner och stelna till en plutonisk sten. Eller så kan det komma in i en sista fas som leder till utbrott.

1. Magma kristalliseras när det svalnar på ett ganska förutsägbart sätt, som vi har prövat med experiment. Det hjälper till att tänka på magma inte som en enkel smält substans, som glas eller metall i ett smältverk, utan som en het lösning av kemiska element och joner som har många alternativ när de blir mineralkristaller. De första mineralerna som kristalliseras är de med mafiska kompositioner och (i allmänhet) höga smältpunkter: olivin, pyroxen och kalciumrikt plagioklas. Vätskan som lämnas kvar ändrar sedan sammansättningen på motsatt sätt. Processen fortsätter med andra mineraler, vilket ger en vätska med mer och mer kiseldioxid. Det finns många fler detaljer som magtfulla petrologer måste lära sig i skolan (eller läs om "The Bowen Reaction Series"), men det är kärnan i kristallfraktionering.
2. Magma kan blandas med en befintlig kropp av magma. Det som äger rum är mer än bara omrörning av de två smälterna, eftersom kristaller från en kan reagera med vätskan från den andra. Invaderaren kan aktivera den äldre magmaen, eller de kan bilda en emulsion med klumpar av en flyter i den andra. Men den grundläggande principen om magma blandning det är enkelt.
3. När magma invaderar en plats i den solida jordskorpan påverkar den den "landrocken" som finns där. Dess heta temperatur och dess läckande flyktiga ämnen kan göra att delar av landets sten - vanligtvis den felsiska delen - smälter och tränger in i magma. Xenoliths - hela bitar av countryrock - kan komma in i magmaen på detta sätt också. Denna process kallas assimilering.

Den sista differentieringsfasen involverar de flyktiga. Vattnet och gaserna som upplöses i magma börjar så småningom bubbla ut när magma stiger närmare ytan. När det börjar stiger aktiviteten i en magma dramatiskt. Vid denna tidpunkt är magma redo för den språngprocess som leder till utbrott. Fortsätt till Volcanism i ett nötskal för den här delen av historien.