Ik krijg veel vragen hier bij Eruptions, maar een van de meer voorkomende thema’s is de eigenschappen van gesteenten – en specifiek waarom ze smelten waar ze smelten om magma te produceren? Er bestaan veel misvattingen over het inwendige van de Aarde, namelijk dat de tektonische platen waar wij ons thuis van maken (zowel de continentale als de oceanische) op een “zee van magma” zitten die de mantel vormt. Zoals ik al eerder heb gezegd, is de aardmantel, die laag silicaatgesteenten die begint op ~10-70 km diepte en doorloopt tot de buitenkern op ~2900 km diepte en die een groot deel van de planeet uitmaakt, niet gesmolten, maar eerder een vaste stof die zich plastisch kan gedragen. Dit betekent dat het kan vloeien en convecteren, wat een van de manieren is waarop geologen hebben getheoretiseerd dat plaatbewegingen in gang worden gezet en in stand worden gehouden. Maar zoals we weten worden gesteenten op aarde volledig gesmolten aangetroffen, dus hoe kan een groot deel van de planeet vast zijn en sommige delen toch smelten?
Deze schets illustreert waarom gesteenten op aarde smelten. De geotherm (ononderbroken lijn) zou suggereren dat gesteente niet zou moeten smelten omdat het nooit de droge mantel solidus passeert (het punt waar mantelgesteente zou smelten door het alleen maar te verhitten). Door water toe te voegen gaat de solidus naar de natte mantelsolidus (korte stippellijn). Decompressie van de mantel bij constante temperatuur maakt het mogelijk dat de mantel de solidus passeert wanneer de mantel opstijgt (dikke ononderbroken lijn). Zie de tekst voor meer details. Afbeelding: Erik Klemetti
Het begint met de vraag “hoe smelt je een gesteente”? De meest voor de hand liggende manier die in je opkomt is “verhoog de temperatuur!”. Dat is wat er met ijs gebeurt — dat is vast water dat smelt als de temperatuur hoger wordt dan 0ºC/32F. Maar als het om gesteente gaat, lopen we tegen een probleem aan. De aarde is eigenlijk niet heet genoeg om mantelgesteenten te smelten, die de bron zijn van basalt op de mid-oceanische ruggen, hotspots en subductiezones. Als we aannemen dat de mantel die smelt uit peridotiet* bestaat, dan is de solidus (het punt waar het gesteente begint te smelten) ~2000ºC op 20 km diepte (in de bovenmantel). Welnu, modellen voor de geothermische gradiënt (hoe heet het wordt met de diepte; zie boven) op Aarde als je door de korst naar beneden gaat in de bovenmantel, pinnen de temperatuur op 200 km ergens tussen 1300-1800ºC, ruim onder het smeltpunt van peridotiet. Als het dus koeler is naarmate je hoger komt, waarom smelt dit peridotiet dan om basalt te vormen?
Welnu, op dat punt moet je ophouden met denken over hoe je het gesteente tot smelten verhit, maar moet je ophouden met denken over hoe je het smeltpunt (solidus) van het gesteente kunt veranderen. Denk aan onze ijsanalogie. In de winter wil je daar maar al te graag vanaf
Schets van het smelten in een subductiezone. Water van de neergaande plaat komt vrij op de diepte als het opwarmt, waardoor de mantel boven de plaat gedeeltelijk smelt en basalt vormt. Afbeelding: Erik Klemetti
ijs, maar de omgevingstemperatuur is lager dan de luchttemperatuur. Wat moet je dan doen? Eén oplossing is om dat ijs bij een lagere temperatuur te laten smelten door de binding tussen de H2O-moleculen te verstoren – en zo de vorming van hard ijs te stoppen. Zouten zijn een geweldige manier om dit te verstoren, dus gooi wat NaCl of KCl op ijs en het zal smelten bij een temperatuur die lager is dan 0ºC. Voor een gesteente gedraagt water zich als zijn zout. Voeg water toe aan een peridotiet in de mantel en het zal bij een lagere temperatuur smelten, omdat de bindingen in de mineralen waaruit het gesteente is opgebouwd, door de watermolecule worden verstoord (we noemen het een “netwerkmodificator”). In een subductiezone (zoals de Cascades of de Andes), waar een oceanische plaat onder een andere plaat schuift, laat die dalende plaat zijn water los wanneer hij opwarmt. Dat water stijgt dan op in de mantel erboven, waardoor die bij een lagere temperatuur smelt en, bam! Basalt wordt geproduceerd in het proces dat fluxsmelting wordt genoemd.
Schets van decompressiesmelting bij de middenoceanenkam. Warme, vruchtbare mantel stijgt op, smelt gedeeltelijk tot basalt, en beweegt dan lateraal weg van de bergkam als het afkoelt. Afbeelding: Erik Klemetti
Wacht! Het grootste vulkanische systeem op aarde is het mid-ocean ridge systeem, waar je geen subductie hebt om water naar beneden te brengen in de mantel om het smelten te bevorderen. Waarom krijg je daar basalt? Deze keer moeten we een andere methode gebruiken om dat peridotiet te smelten – we moeten het decompresseren bij constante temperatuur. Dit heet adiabatische opstijging. De aardmantel conveceert, waarbij hete aardmantel van de diepte naar het oppervlak wordt gebracht en daarbij blijft het aardmateriaal heet, heter dan de omringende gesteenten. Het smeltpunt (solidus) van peridotiet verandert met de druk, dus het smeltpunt van 2000ºC op 200 km is slechts ~1400ºC op 50 km. Dus, houd dat mantelmateriaal heet en decompresseer het en je krijgt smelting om basalt te vormen! Dus, onder mid-oceanische ruggen (en op hotspots zoals Hawaii), is de mantel upwelling, waardoor decompressie smelt optreedt.
Laten we eens terugblikken: Onder normale omstandigheden zou een mantelgesteente als peridotiet niet mogen smelten in de bovenmantel van de aarde — het is gewoon te koel. Echter, door water toe te voegen kan je het smeltpunt van het gesteente verlagen. Of door het gesteente te decompresseren kan men het op een druk brengen waarbij het smeltpunt lager ligt. In beide gevallen wordt basaltmagma gevormd en aangezien dat heter is en een lagere dichtheid heeft dan het omringende gesteente, sijpelt het naar het oppervlak … en een deel daarvan barst uit!
*De mantel is beslist niet homogeen, maar voor onze doeleinden zijn we geïnteresseerd in wat we “vruchtbare mantel” noemen – dat wil zeggen mantel die nog niet eerder is gesmolten en basaltvloeistof kan produceren.