Saan paljon kysymyksiä täällä Eruptionsissa, mutta yksi yleisimmistä aiheista on kivien ominaisuudet – ja erityisesti se, miksi ne sulavat sinne, missä ne sulavat tuottaakseen magmaa? Maapallon sisätiloista on paljon väärinkäsityksiä, nimittäin se, että tektoniset laatat, jotka ovat kotimme (sekä mannerlaatat että valtamerilaatat), istuvat ”magmameren” päällä, joka muodostaa vaipan. Kuten olen sanonut aiemminkin, maapallon vaippa, tuo silikaattikivien kerros, joka alkaa noin 10-70 kilometrin syvyydestä ja ulottuu ~2900 kilometrin syvyydessä olevaan ulkoiseen ytimeen, joka muodostaa suuren osan planeetasta, ei ole sulaa, vaan pikemminkin kiinteää ainetta, joka voi käyttäytyä plastisesti. Tämä tarkoittaa, että se voi virrata ja konvektoida, mikä on yksi niistä tavoista, joilla geologit ovat teoretisoineet mannerlaattojen liikkeiden käynnistyvän ja säilyvän. Kuten tiedämme, kiviä löytyy kuitenkin kokonaan sulana maapallon sisältä, joten miten niin suuri osa planeetasta voi olla kiinteää, mutta sitten osa siitä myös sulaa?
Tämä luonnos havainnollistaa, miksi kivet sulavat Maassa. Geotermi (yhtenäinen viiva) viittaisi siihen, että kiven ei pitäisi sulaa, koska se ei koskaan ylitä kuivaa vaipan solidusta (piste, jossa vaippakivi sulaisi pelkästään lämmittämällä sitä). Veden lisääminen siirtää soliduksen kosteaan vaipan solidukseen (lyhyt katkoviiva). Kun vaippaa puristetaan vakiolämpötilassa, vaippa ylittää soliduksen vaipan noustessa (paksu yhtenäinen viiva). Katso lisätietoja tekstistä. Kuva: Erik Klemetti
Se alkaa kysymyksellä ”miten kivi sulatetaan”? Suoraviivaisin tapa, joka saattaa tulla mieleesi, on ”nosta lämpötilaa!”. Näin tapahtuu jään kanssa – se on kiinteää vettä, joka sulaa, kun lämpötila ylittää 0ºC/32F. Kallioiden kohdalla törmäämme kuitenkin ongelmaan. Maapallo ei itse asiassa ole tarpeeksi kuuma sulattaakseen vaippakiviä, jotka ovat basaltin lähde keskimeriharjanteissa, kuumissa pisteissä ja subduktiovyöhykkeillä. Jos oletamme, että sulava vaippa on peridotiittia*, solidus (piste, jossa kivi alkaa sulaa) on ~2000ºC 2o0 km:n syvyydessä (ylemmässä vaipassa). Maapallon geotermisen gradientin (kuinka kuumaksi se muuttuu syvyyden kasvaessa; ks. edellä) mallit maankuoren läpi ylempään vaippaan mentäessä määräävät lämpötilan 200 km:n korkeudessa jonnekin 1300-1800ºC:n välille, mikä on selvästi alle peridotiitin sulamispisteen. Jos siis ylöspäin mentäessä on viileämpää, miksi tämä peridotiitti sulaa muodostaen basalttia?
Niin, tässä kohtaa on lopetettava miettimästä sitä, miten kiveä lämmitetään sulaksi, vaan pikemminkin sitä, miten kiven sulamispistettä (solidus) muutetaan. Ajattele jääanalogiaamme. Talvella on paljon aikoja, jolloin haluaisit päästä eroon tuosta
Luonnos, joka havainnollistaa sulamista subduktiovyöhykkeellä. Alaspäin suuntautuvasta laatasta vapautuu vettä syvyydessä lämmetessään, jolloin laatan yläpuolella oleva vaippa sulaa osittain muodostaen basalttia. Kuva: Erik Klemetti
jäätä, mutta ympäristön lämpötila on ilman lämpötilaa alhaisempi. Mitä sitten tehdään? Yksi ratkaisu on saada tuo jää sulamaan alhaisemmassa lämpötilassa häiritsemällä H2O-molekyylien välisiä sidoksia – ja siten pysäyttämällä jäykän jään muodostuminen. Suolat ovat hyvä keino häiritä tätä, joten heittäkää jäälle NaCl- tai KCl-suolaa, niin se sulaa alemmassa lämpötilassa kuin 0ºC. Kalliolle vesi käyttäytyy kuin sen suola. Jos lisäät vettä vaipan peridotiittiin, se sulaa alhaisemmassa lämpötilassa, koska vesimolekyyli häiritsee kiven muodostavien mineraalien sidoksia (kutsumme sitä ”verkoston muokkaajaksi”). Subduktiovyöhykkeellä (kuten Kaskadeilla tai Andeilla), jossa valtamerilevy liukuu alaspäin toisen levyn alle, alaspäin liukuva laatta vapauttaa vettä lämmetessään. Tuo vesi nousee sitten sen yläpuolella olevaan vaippaan, mikä saa sen sulamaan alhaisemmassa lämpötilassa, ja pam! Basalttia syntyy prosessissa, jota kutsutaan fluksisulaksi.
Luonnos, joka havainnollistaa dekompressiosulatusta valtameren keskiosien harjanteella. Lämmin, hedelmällinen vaippa nousee ylös, sulaa osittain muodostaen basalttia ja siirtyy sitten jäähtyessään sivusuunnassa poispäin harjanteesta. Kuva: Erik Klemetti
Odota! Maapallon suurin tuliperäinen järjestelmä on valtameren keskiosien harjujärjestelmä, jossa ei ole subduktiota, joka toisi vettä vaippaan auttamaan sulamista. Miksi siellä on basalttia? Tällä kertaa meidän on käytettävä toista menetelmää tuon peridotiitin sulattamiseksi – meidän on purettava se vakiolämpötilassa. Tätä kutsutaan adiabaattiseksi nousuksi. Vaippa on konvektiossa, joka tuo kuumaa vaippaa syvyydestä ylöspäin kohti pintaa, ja näin tehdessään vaippamateriaali pysyy kuumana, kuumempana kuin ympäröivät kivet. Peridotiitin sulamispiste (solidus) muuttuu paineen myötä, joten 200 km:n korkeudessa oleva 2000 ºC:n sulamispiste on 50 km:n korkeudessa vain ~1400 ºC. Pidetään siis vaippamateriaali kuumana ja puretaan paineita, niin saadaan sulaa basalttia! Niinpä keskimeriharjanteiden alapuolella (ja Havaijin kaltaisissa kuumissa pisteissä) vaippa nousee ylöspäin, mikä aiheuttaa dekompressiosulatusta.
Katsotaanpa vielä kerran: Normaalioloissa peridotiitin kaltaisen vaippakiven ei pitäisi sulaa Maan ylemmässä vaipassa – se on vain liian viileää. Lisäämällä vettä voidaan kuitenkin alentaa kiven sulamispistettä. Vaihtoehtoisesti kiveä puristamalla se voidaan saattaa paineeseen, jossa sen sulamispiste on alhaisempi. Molemmissa tapauksissa muodostuu basalttimagmaa, ja kun otetaan huomioon, että se on kuumempaa ja vähemmän tiheää kuin ympäröivä kallio, se suotautuu kohti pintaa … ja osa siitä purkautuu!
*Vaippa ei todellakaan ole homogeeninen, mutta tarkoituksiamme varten olemme kiinnostuneita siitä, mitä kutsumme ”hedelmälliseksi vaipaksi” — eli vaipasta, joka ei ole kokenut sulamista aiemmin ja joka pystyy tuottamaan basalttinestettä.