Jeg får mange spørgsmål her på Eruptions, men et af de mest almindelige emner er bjergarternes egenskaber – og specielt hvorfor smelter de, hvor de smelter for at producere magma? Der er mange misforståelser derude om Jordens indre, nemlig at de tektoniske plader, som vi har som hjem (både de kontinentale og oceaniske af slagsen), sidder på et “hav af magma”, som udgør kappen. Som jeg har sagt før, er Jordens kappe, det lag af silikatbjergarter, der starter i ~10-70 km dybde og går ned til den ydre kerne i ~2900 km dybde, og som udgør en stor del af planeten, ikke smeltet, men derimod et fast stof, der kan opføre sig plastisk. Det betyder, at det kan flyde og konvektere, hvilket er en af de måder, hvorpå geologer har teoretiseret, at pladebevægelser startes og opretholdes. Men som vi ved, findes bjergarter helt smeltet i jorden, så hvordan kan så meget af planeten være fast, men så kan nogle dele af den også smelte?
Denne skitse illustrerer, hvorfor bjergarter smelter på Jorden. Geotermen (den gennemgående linje) ville antyde, at bjergarter ikke skulle smelte, da de aldrig krydser den tørre kappesolidus (det punkt, hvor kappens bjergarter ville smelte ved blot at opvarme dem). Ved at tilsætte vand flyttes solidus til den våde kappe-solidus (kort stiplet linje). Dekomprimering af kappen ved konstant temperatur gør det muligt for kappen at krydse solidus, efterhånden som kappen stiger op (tyk gennemgående linje). Se teksten for yderligere oplysninger. Billede: Erik Klemetti
Det starter med spørgsmålet “hvordan smelter man en sten”? Den mest ligefremme måde, der måske dukker op i dit hoved, er “hæve temperaturen!”. Det er det, der sker med is – det er fast vand, der smelter, når temperaturen overstiger 0ºC/32F. Men når det drejer sig om sten, løber vi ind i et problem. Jorden er faktisk ikke rigtig varm nok til at smelte kappens bjergarter, som er kilden til basalt ved de midt-oceaniske rygge, hotspots og subduktionszoner. Hvis vi antager, at den kappe, der smelter, består af peridotit*, er solidus (det punkt, hvor stenen begynder at smelte) ~2000ºC i 2o0 km dybde (i den øvre kappe). Modeller for den geotermiske gradient (hvor varmt det bliver med dybden; se ovenfor) på Jorden, når man går ned gennem jordskorpen og ned i den øvre kappe, viser, at temperaturen i 200 km højde ligger på et sted mellem 1300-1800ºC, hvilket er langt under peridotits smeltepunkt. Så hvis det er køligere, når man bevæger sig opad, hvorfor smelter peridotiten så og danner basalt?
Jamen, det er her, man skal holde op med at tænke på, hvordan man opvarmer stenen til smeltning, men snarere på, hvordan man ændrer stenens smeltepunkt (solidus). Tænk på vores isanalogi. Om vinteren er der mange gange, hvor man gerne vil slippe af med den
Skitse, der illustrerer smeltning ved en subduktionszone. Vand fra den nedadgående plade frigives i dybden, mens det opvarmes, hvilket får kappen over pladen til delvist at smelte og danne basalt. Billede: Erik Klemetti
is, men den omgivende temperatur er lavere end lufttemperaturen. Hvad gør man så? En løsning er at få isen til at smelte ved en lavere temperatur ved at forstyrre bindingen mellem H2O-molekylerne — og dermed standse dannelsen af stiv is. Salte er en god måde at forstyrre dette på, så smid noget NaCl eller KCl på isen, og den vil smelte ved en lavere temperatur end 0ºC. For en sten opfører vand sig som dens salt. Tilsæt vand til en peridotit i kappen, og den vil smelte ved en lavere temperatur, fordi bindingerne i de mineraler, der udgør stenen, vil blive forstyrret af vandmolekylet (vi kalder det en “netværksmodifikator”). I en subduktionszone (som f.eks. Kaskaderne eller Andesbjergene), hvor en oceanisk plade glider ned under en anden plade, frigiver den nedadgående plade sit vand, når den varmes op. Dette vand stiger derefter op i kappen over den, hvilket får den til at smelte ved en lavere temperatur, og bum! Der dannes basalt i den proces, der kaldes fluxsmeltning.
Skitse, der illustrerer dekompressionsafsmeltning ved den mellemoceaniske ryg. Varm, frugtbar kappe stiger op, smelter delvist og danner basalt, hvorefter den bevæger sig lateralt væk fra ryggen, mens den afkøles. Billede: Erik Klemetti
Wait! Det største vulkansystem på Jorden er det mellemoceaniske rygsystem, hvor man ikke har nogen subduktion, der bringer vand ned i kappen for at hjælpe smeltningen på vej. Hvorfor får man så basalt der? Denne gang er vi nødt til at bruge en anden metode til at smelte peridotiten – vi skal dekomprimere den ved konstant temperatur. Dette kaldes adiabatisk opstigning. Kappen er i konvektion og bringer varm kappe fra dybden op mod overfladen, og mens den gør det, forbliver kappematerialet varmt, varmere end de omkringliggende bjergarter. Peridotits smeltepunkt (solidus) ændrer sig med trykket, så et smeltepunkt på 2000ºC i 200 km højde er kun ~1400ºC i 50 km højde. Så hvis man holder kappematerialet varmt og dekomprimerer det, kan man få smeltning til at danne basalt! Så under de mellemoceaniske rygge (og ved hotspots som Hawaii) er mantlen oppustet, hvilket forårsager dekompressionssmeltning.
Lad os gennemgå det: Under normale forhold burde kappesten som peridotit ikke smelte i Jordens øvre kappe – den er simpelthen for kold. Men ved at tilsætte vand kan man sænke stenens smeltepunkt. Alternativt kan man ved at dekomprimere bjergarten bringe den op på et tryk, hvor smeltepunktet er lavere. I begge tilfælde vil der dannes basaltmagma, og da det er varmere og mindre tæt end den omgivende bjergart, vil det sive op mod overfladen … og noget af det går i udbrud!
*Mantlen er bestemt ikke homogen, men til vores formål er vi interesseret i det, vi kalder “frugtbar kappe” — det vil sige en kappe, der ikke har oplevet smeltning før og kan producere basaltisk væske.