Sok kérdést kapok itt a Kitöréseknél, de az egyik leggyakoribb téma a kőzetek tulajdonságai – és konkrétan az, hogy miért olvadnak meg ott, ahol megolvadnak, hogy magmát termeljenek? Sok tévhit kering a Föld belsejéről, nevezetesen, hogy a tektonikus lemezek, amelyeknek otthont adunk (mind a kontinentális, mind az óceáni fajták) egy “magmás tengeren” ülnek, amely a köpenyt alkotja. Mint már korábban említettem, a Föld köpenye, az a szilikátos kőzetekből álló réteg, amely ~10-70 km mélységben kezdődik és egészen a külső magig tart ~2900 km mélységben, amely a bolygó nagy részét alkotja, nem olvadt, hanem egy szilárd anyag, amely képes plasztikusan viselkedni. Ez azt jelenti, hogy képes áramlani és konvektálni, ami az egyik módja annak, hogy a geológusok elmélete szerint a lemezmozgás elindul és fennmarad. Azonban, mint tudjuk, a kőzetek teljes egészében olvadtak a Föld belsejében, tehát hogyan lehet a bolygó nagy része szilárd, de aztán egyes részei meg is olvadnak?
Ez a vázlat azt szemlélteti, hogy miért olvadnak a kőzetek a Földön. A geotermia (folytonos vonal) azt sugallná, hogy a kőzetnek nem kellene megolvadnia, mivel soha nem lépi át a száraz köpeny-szolidust (azt a pontot, ahol a köpeny kőzet pusztán melegítéssel megolvadna). Víz hozzáadásával a szolidus a nedves köpenyszolidushoz (rövid szaggatott vonal) kerül. A köpeny dekompressziója állandó hőmérsékleten lehetővé teszi, hogy a köpeny emelkedésével a köpeny átlépje a szolidust (vastag szolid vonal). További részletekért lásd a szöveget. Kép: Erik Klemetti
Azzal a kérdéssel kezdődik, hogy “hogyan olvasztunk meg egy kőzetet”? A legegyszerűbb mód, ami eszedbe juthat, hogy “emeljük a hőmérsékletet!”. Ez történik a jéggel — ez szilárd víz, amely megolvad, ha a hőmérséklet meghaladja a 0ºC/32F-ot. Amikor azonban kőzetekről van szó, problémába ütközünk. A Föld valójában nem elég meleg ahhoz, hogy a köpeny kőzeteit megolvasztja, amelyek az óceánközépi gerincek, forró pontok és szubdukciós zónák bazaltjának forrásai. Ha feltételezzük, hogy az olvadó köpeny peridotitból* áll, akkor a szolidus (az a pont, ahol a kőzet olvadni kezd) ~2000ºC 2o0 km mélységben (a felső köpenyben). A Földön a geotermikus gradiensre (a mélységgel növekvő hőmérsékletre; lásd fentebb) vonatkozó modellek szerint a kéregből a felső köpenybe lefelé haladva a hőmérséklet 200 km-nél valahol 1300-1800ºC között van, ami jóval a peridotit olvadáspontja alatt van. Tehát, ha felfelé haladva hűvösebb van, akkor miért olvad meg ez a peridotit, hogy bazaltot képezzen?
Hát, itt kell abbahagyni a gondolkodást arról, hogyan lehet a kőzetet olvadásig felmelegíteni, hanem inkább arról, hogyan lehet a kőzet olvadáspontját (solidus) megváltoztatni. Gondolj a jég analógiánkra. A tél folyamán sokszor van, amikor szeretnénk megszabadulni tőle
Egy szubdukciós zóna olvadását szemléltető vázlat. A lefelé haladó lemezből származó víz a felmelegedés során a mélyben felszabadul, és a lemez feletti köpeny részben megolvad, bazaltot képezve. Kép: Erik Klemetti
jég, de a környezeti hőmérséklet a levegő hőmérséklete alatt van. Mi a teendő tehát? Az egyik megoldás az, hogy a H2O-molekulák közötti kötés megszakításával — így leállítva a merev jég kialakulását — alacsonyabb hőmérsékleten olvadásra késztetjük a jeget. A sók kiválóan alkalmasak ennek megzavarására, ezért dobjunk egy kis NaCl-t vagy KCl-t a jégre, és az 0ºC-nál alacsonyabb hőmérsékleten fog megolvadni. Egy kőzet esetében a víz úgy viselkedik, mint a só. Adjunk vizet egy köpenyperidotitba, és az alacsonyabb hőmérsékleten fog megolvadni, mert a kőzetet alkotó ásványok kötéseit a vízmolekula megbontja (ezt nevezzük “hálózatmódosítónak”). Egy szubdukciós zónában (mint a Kaszkádok vagy az Andok), ahol egy óceáni lemez egy másik lemez alá csúszik, a lefelé haladó lemez a felmelegedés során vizet bocsát ki. Ez a víz aztán felemelkedik a felette lévő köpenybe, ami alacsonyabb hőmérsékleten olvadást okoz, és bumm! Bazalt keletkezik a fluxusolvadásnak nevezett folyamat során.
A dekompressziós olvadást szemléltető vázlat az óceánközéphegység gerincénél. A meleg, termékeny köpeny felemelkedik, részben megolvad és bazaltot képez, majd lehűlés közben oldalirányban eltávolodik a gerinctől. Kép: Erik Klemetti
Várjunk csak! A Föld legnagyobb vulkáni rendszere az óceánközépi gerincrendszer, ahol nincs szubdukció, amely vizet juttatna le a köpenybe, hogy segítse az olvadást. Akkor miért van ott bazalt? Ezúttal egy másik módszert kell alkalmaznunk a peridotit megolvasztásához – állandó hőmérsékleten kell dekompressziónk. Ezt nevezzük adiabatikus felemelkedésnek. A köpeny konvektál, forró köpenyt hoz fel a mélyből a felszín felé, és miközben ezt teszi, a köpeny anyaga forró marad, forróbb, mint a környező kőzetek. A peridotit olvadáspontja (solidus) a nyomás függvényében változik, így a 200 km-en mért 2000 ºC-os olvadáspont 50 km-en már csak ~1400 ºC-os. Tehát, tartsuk ezt a köpenyanyagot forrónak és dekompresszióval, és máris megolvad a bazalt! Tehát az óceánközépi gerincek alatt (és az olyan forró pontokon, mint Hawaii) a köpeny feláramlik, ami dekompressziós olvadást okoz.
Mondjuk újra: Normális körülmények között az olyan köpenybeli kőzeteknek, mint a peridotit, nem kellene megolvadniuk a Föld felső köpenyében — egyszerűen túl hidegek. Víz hozzáadásával azonban csökkenthetjük a kőzet olvadáspontját. Alternatív megoldásként a kőzetet dekompresszióval olyan nyomás alá lehet hozni, ahol az olvadáspontja alacsonyabb. Mindkét esetben bazaltmagma képződik, és tekintve, hogy ez forróbb és kevésbé sűrű, mint a környező kőzet, a felszín felé szivárog … és egy része kitör!
*A köpeny biztosan nem homogén, de céljaink szempontjából minket az érdekel, amit “termékeny köpenynek” nevezünk — vagyis olyan köpeny, amely korábban nem tapasztalt olvadást, és képes bazaltos folyadékot termelni.