Dostaję wiele pytań tutaj w Erupcjach, ale jednym z bardziej powszechnych tematów są właściwości skał – a konkretnie dlaczego topią się one tam, gdzie się topią, aby wytworzyć magmę? Istnieje wiele błędnych przekonań na temat wnętrza Ziemi, a mianowicie, że płyty tektoniczne, które są naszym domem (zarówno kontynentalne jak i oceaniczne) siedzą na „morzu magmy”, które tworzy płaszcz. Jak już wcześniej wspomniałem, płaszcz Ziemi, ta warstwa skał krzemianowych, która zaczyna się na głębokości ~10-70 km i schodzi do zewnętrznego jądra na głębokości ~2900 km, która stanowi dużą część planety, nie jest stopiona, ale raczej jest ciałem stałym, które może zachowywać się plastycznie. Oznacza to, że może płynąć i konwekcjonować, co jest jednym ze sposobów, w jakie geolodzy teoretyzują, że ruch płyt jest zapoczątkowany i podtrzymywany. Jednak, jak wiemy, skały są całkowicie stopione w Ziemi, więc jak to możliwe, że tak duża część planety jest stała, ale niektóre jej części również się topią?
Ten szkic ilustruje, dlaczego skały topią się na Ziemi. Geotermia (linia ciągła) sugerowałaby, że skały nie powinny się topić, ponieważ nigdy nie przekraczają suchego solidusu płaszcza (punktu, w którym skała płaszcza stopiłaby się po prostu przez podgrzanie). Dodanie wody przesuwa solidus do solidusu mokrego płaszcza (krótka przerywana linia). Dekompresja płaszcza w stałej temperaturze pozwala płaszczowi przekroczyć solidus w miarę jak płaszcz się podnosi (gruba linia ciągła). Więcej szczegółów w tekście. Obraz: Erik Klemetti
Zaczyna się od pytania „jak stopić skałę”? Najprostszy sposób, jaki może się pojawić w głowie to „podnieść temperaturę!”. Tak właśnie dzieje się z lodem – jest to stała woda, która topi się, gdy temperatura przekroczy 0ºC/32F. Jednakże, jeśli chodzi o skały, napotykamy na problem. Ziemia tak naprawdę nie jest wystarczająco gorąca, aby topić skały płaszcza, z których powstają bazalty na grzbietach śródoceanicznych, w gorących punktach i strefach subdukcji. Jeśli założymy, że topiący się płaszcz zbudowany jest z perydotytu*, solidus (punkt, w którym skała zaczyna się topić) wynosi ~2000ºC na głębokości 2o0 km (w górnym płaszczu). Teraz, modele gradientu geotermicznego (jak gorąco robi się z głębokością; patrz wyżej) na Ziemi, gdy schodzisz przez skorupę do górnego płaszcza, ustalają temperaturę na 200 km gdzieś pomiędzy 1300-1800ºC, znacznie poniżej temperatury topnienia perydotytu. Więc jeśli jest chłodniej, gdy idziesz w górę, to dlaczego perydotyt topi się tworząc bazalt?
Cóż, w tym miejscu musisz przestać myśleć o tym, jak podgrzać skałę do stopienia, ale raczej jak zmienić jej temperaturę topnienia (solidus). Pomyśl o naszej analogii lodu. Podczas zimy jest wiele momentów, w których chciałbyś się go pozbyć
Szkic ilustrujący topnienie w strefie subdukcji. Woda z schodzącej płyty jest uwalniana na głębokości, gdy się nagrzewa, powodując częściowe stopienie płaszcza nad płytą, tworząc bazalt. Obraz: Erik Klemetti
lodu, ale temperatura otoczenia jest niższa od temperatury powietrza. Co więc robić? Jednym z rozwiązań jest sprawienie, by lód topił się w niższej temperaturze poprzez zakłócenie wiązań między cząsteczkami H2O – w ten sposób powstrzymując tworzenie się sztywnego lodu. Sole są świetnym sposobem na zakłócenie tego procesu, więc wrzuć trochę NaCl lub KCl na lód, a stopi się on w temperaturze niższej niż 0ºC. Dla skały woda zachowuje się jak jej sól. Dodaj wodę do perydotytu płaszczowego, a stopi się on w niższej temperaturze, ponieważ wiązania w minerałach tworzących skałę zostaną zakłócone przez cząsteczkę wody (nazywamy to „modyfikatorem sieci”). W strefie subdukcji (takiej jak Kaskady czy Andy), gdzie płyta oceaniczna wsuwa się pod inną płytę, ta schodząca płyta uwalnia wodę, gdy się nagrzewa. Woda ta następnie wznosi się do płaszcza nad nią, powodując jego topnienie w niższej temperaturze i, bam! Bazalt jest produkowany w procesie zwanym topnieniem strumieniowym.
Szkic ilustrujący topnienie dekompresyjne przy grzbiecie śródoceanicznym. Ciepły, żyzny płaszcz wznosi się, częściowo topi tworząc bazalt, a następnie oddala się od grzbietu w miarę stygnięcia. Image: Erik Klemetti
Poczekaj! Największym systemem wulkanicznym na Ziemi jest system grzbietu śródoceanicznego, gdzie nie masz żadnej subdukcji, aby sprowadzić wodę w dół do płaszcza, aby pomóc w topnieniu wzdłuż. Dlaczego więc powstaje tam bazalt? Tym razem musimy użyć innej metody, aby stopić ten perydotyt – musimy go dekompresować w stałej temperaturze. Nazywa się to wznoszeniem adiabatycznym. Płaszcz ulega konwekcji, unosząc gorący płaszcz z głębokości ku powierzchni, a gdy to się dzieje, materiał płaszcza pozostaje gorący, gorętszy niż otaczające go skały. Temperatura topnienia (solidus) perydotytu zmienia się wraz z ciśnieniem, więc temperatura topnienia 2000ºC na wysokości 200 km jest tylko ~1400ºC na wysokości 50 km. Tak więc, utrzymuj ten materiał płaszcza w wysokiej temperaturze i dekompresuj go, a uzyskasz topnienie tworzące bazalt! Tak więc, pod grzbietami śródoceanicznymi (i w gorących miejscach, takich jak Hawaje), płaszcz jest upwelling, powodując topnienie dekompresyjne wystąpić.
Przegląd: W normalnych warunkach skały płaszczowe, takie jak perydotyt, nie powinny topić się w górnym płaszczu Ziemi — są po prostu zbyt chłodne. Jednak poprzez dodanie wody można obniżyć temperaturę topnienia skały. Alternatywnie, poprzez dekompresję skały, można doprowadzić ją do ciśnienia, przy którym temperatura topnienia jest niższa. W obu przypadkach powstanie magma bazaltowa, a ponieważ jest ona gorętsza i mniej gęsta niż otaczające ją skały, będzie przesączać się w kierunku powierzchni… a niektóre z nich wybuchną!
*Płaszcz zdecydowanie nie jest jednorodny, ale dla naszych celów interesuje nas to, co nazywamy „żyznym płaszczem” — to znaczy płaszcz, który nie doświadczył wcześniej topnienia i może produkować ciecz bazaltową.
*Płaszcz nie jest jednorodny, ale dla naszych celów interesuje nas to, co nazywamy „żyznym płaszczem” — to znaczy płaszcz, który nie doświadczył wcześniej topnienia i może produkować ciecz bazaltową.