Dotazů zde na Erupcích dostávám hodně, ale jedním z nejčastějších témat jsou vlastnosti hornin – a konkrétně proč tají tam, kde tají a vytvářejí magma? Existuje mnoho mylných představ o nitru Země, konkrétně o tom, že tektonické desky, které jsou naším domovem (jak kontinentální, tak oceánské), sedí na „moři magmatu“, které tvoří plášť. Jak jsem již uvedl dříve, zemský plášť, tato vrstva silikátových hornin, která začíná v hloubce ~10-70 km a klesá až k vnějšímu jádru v hloubce ~2900 km a která tvoří velký objem planety, není roztavená, ale spíše pevná látka, která se může chovat plasticky. To znamená, že může proudit a konvektivně se pohybovat, což je jeden ze způsobů, jak podle teorií geologů začíná a udržuje se pohyb desek. Jak však víme, horniny se nacházejí uvnitř Země zcela roztavené, jak je tedy možné, že tak velká část planety je pevná, ale pak se některé její části také taví?“
Tento náčrt znázorňuje, proč se horniny na Zemi taví. Geoterma (plná čára) by naznačovala, že hornina by neměla tát, protože nikdy nepřekročí suchý plášťový solidus (bod, kde by se plášťová hornina roztavila pouhým zahřátím). Přidáním vody se solidus posune k mokrému plášťovému solidusu (krátká přerušovaná čára). Dekomprese pláště při konstantní teplotě umožňuje, aby plášť překročil solidus, když plášť stoupá (tlustá plná čára). Další podrobnosti viz text. Obrázek: Erik Klemetti
Začíná to otázkou „jak se taví hornina“? Nejjednodušší způsob, který by vás mohl napadnout, je „zvýšit teplotu!“. Přesně to se děje s ledem – je to pevná voda, která taje, když teplota překročí 0 ºC/32F. U hornin však narazíme na problém. Země ve skutečnosti není dost horká na to, aby roztála plášťové horniny, které jsou zdrojem čediče na středooceánských hřbetech, horkých skvrnách a subdukčních zónách. Pokud předpokládáme, že plášť, který se taví, je tvořen peridotitem*, je solidus (bod, kde se hornina začíná tavit) ~2000 °C v hloubce 2o0 km (ve svrchním plášti). Modely geotermálního gradientu (jak horké je s hloubkou, viz výše) na Zemi při sestupu kůrou do svrchního pláště určují teplotu ve výšce 200 km někde mezi 1300-1800 °C, což je hluboko pod bodem tání peridotitu. Pokud je tedy chladněji, když míříte vzhůru, proč se tento peridotit taví a vytváří čedič?“
No, tady je třeba přestat přemýšlet o tom, jak horninu zahřát na teplotu tání, ale spíše o tom, jak změnit teplotu tání (solidus) horniny. Zamyslete se nad naší analogií s ledem. Během zimy je spousta okamžiků, kdy byste se ho rádi zbavili
Skica znázorňující tání v subdukční zóně. Voda z klesající desky se při zahřívání uvolňuje do hloubky a způsobuje částečné roztavení pláště nad deskou za vzniku čediče. Obrázek: Erik Klemetti
led, ale teplota okolí je nižší než teplota vzduchu. Co tedy dělat? Jedním z řešení je přimět tento led k tání při nižší teplotě narušením vazby mezi molekulami H2O – a tím zastavit tvorbu tuhého ledu. Soli jsou skvělým způsobem, jak tuto vazbu narušit, takže když na led hodíte trochu NaCl nebo KCl, led roztaje při nižší teplotě, než je 0 ºC. Pro horninu se voda chová jako její sůl. Přidejte vodu do plášťového peridotitu a ten bude tát při nižší teplotě, protože vazby v minerálech tvořících horninu budou narušeny molekulou vody (říkáme jí „modifikátor sítě“). V subdukční zóně (jako jsou Kaskády nebo Andy), kde se oceánská deska posouvá pod jinou desku, uvolňuje tato klesající deska při zahřívání vodu. Tato voda pak stoupá vzhůru do pláště nad ní, což způsobuje její tání při nižší teplotě a bum! V procesu zvaném fluxní tání vzniká čedič.
Skica ilustrující dekompresní tání na středooceánském hřbetu. Teplý, úrodný plášť stoupá vzhůru, částečně se taví a vytváří čedič, poté se při ochlazování vzdaluje do stran od hřebene. Obrázek: Erik Klemetti
Počkat! Největší vulkanický systém na Zemi je systém středooceánského hřbetu, kde není žádná subdukce, která by přiváděla vodu dolů do pláště a pomáhala tak tání. Proč tam tedy vzniká čedič? Tentokrát musíme k roztavení tohoto peridotitu použít jinou metodu – musíme ho dekompresovat při konstantní teplotě. Tomu se říká adiabatický výstup. Plášť konvektivně vynáší horký plášť z hloubky směrem k povrchu a při tom zůstává materiál pláště horký, teplejší než okolní horniny. Teplota tání (solidus) peridotitu se mění s tlakem, takže teplota tání 2000 ºC ve výšce 200 km je ve výšce 50 km pouze ~1400 ºC. Takže udržujte tento plášťový materiál horký a dekomprimujte ho a získáte tání za vzniku čediče! Pod středooceánskými hřbety (a na horkých místech, jako je Havaj) se tedy plášť zvedá, což způsobuje dekompresní tání.
Přehlédněme si to: Za normálních podmínek by plášťové horniny, jako je peridotit, neměly v horním zemském plášti tát – jsou prostě příliš chladné. Přidáním vody však můžete teplotu tání horniny snížit. Případně můžete dekompresí horniny dosáhnout tlaku, při kterém je teplota tání nižší. V obou případech se vytvoří čedičové magma a vzhledem k tomu, že je teplejší a méně husté než okolní hornina, bude prosakovat směrem k povrchu … a část z něj vyvře!“
*Plášť rozhodně není homogenní, ale pro naše účely nás zajímá to, čemu říkáme „úrodný plášť“ — tedy plášť, který dosud nezažil tání a může produkovat čedičovou kapalinu.
.