Jag får många frågor här på Eruptions, men ett av de vanligaste ämnena är stenarnas egenskaper – och särskilt varför de smälter där de smälter för att producera magma? Det finns många missuppfattningar om jordens inre, nämligen att de tektoniska plattor som vi har som hem (både de kontinentala och oceaniska typerna) sitter på ett ”hav av magma” som utgör manteln. Som jag har sagt tidigare är jordens mantel, det lager av silikatsten som börjar på ~10-70 km djup och går ner till den yttre kärnan på ~2900 km djup och som utgör en stor del av planeten, inte smält, utan snarare ett fast ämne som kan bete sig plastiskt. Det betyder att den kan flyta och konvektera, vilket är ett av de sätt som geologer har teoretiserat att plattrörelser startas och upprätthålls. Men som vi vet finns det stenar som är helt smälta på jorden, så hur kan en så stor del av planeten vara fast men sedan smälta vissa delar av den också?
Denna skiss illustrerar varför stenar smälter på jorden. Geotermen (heldragen linje) skulle antyda att bergarter inte borde smälta eftersom de aldrig korsar den torra mantelsolidus (den punkt där mantelsberget skulle smälta bara genom att värma upp det). Genom att tillsätta vatten flyttas solidus till den våta mantelsolidus (kort streckad linje). Genom att dekomprimera manteln vid konstant temperatur kan manteln korsa solidus när manteln stiger (tjock heldragen linje). Se texten för mer information. Bild: Erik Klemetti
Det börjar med frågan ”hur smälter man en sten”? Det enklaste sättet som kanske dyker upp i ditt huvud är ”höj temperaturen!”. Det är vad som händer med is – det är fast vatten som smälter när temperaturen överstiger 0ºC/32F. När det gäller stenar stöter vi dock på ett problem. Jorden är faktiskt inte riktigt tillräckligt varm för att smälta mantelstenar, som är källan till basalt vid de mellanoceana ryggarna, hotspots och subduktionszoner. Om vi antar att manteln som smälter består av peridotit* är solidus (den punkt där stenen börjar smälta) ~2000ºC på 2o0 km djup (i den övre manteln). Modeller för den geotermiska gradienten (hur varmt det blir med djupet; se ovan) på jorden när man går ner genom jordskorpan och in i den övre manteln visar att temperaturen vid 200 km ligger någonstans mellan 1300-1800 ºC, vilket är långt under smältpunkten för peridotit. Om det är svalare när man kommer uppåt, varför smälter då denna peridotit och bildar basalt?
Det är här man måste sluta tänka på hur man värmer upp berget till smältning, utan snarare på hur man ändrar bergets smältpunkt (solidus). Tänk på vår isanalogi. Under vintern finns det många tillfällen då du skulle vilja bli av med den
Skiss som illustrerar smältning vid en subduktionszon. Vatten från den nedåtgående plattan frigörs på djupet när det värms upp, vilket gör att manteln ovanför plattan delvis smälter och bildar basalt. Bild: Erik Klemetti
is men omgivningstemperaturen är lägre än lufttemperaturen. Vad gör man då? En lösning är att få isen att smälta vid en lägre temperatur genom att störa bindningen mellan H2O-molekylerna – och på så sätt stoppa bildandet av styv is. Salter är ett utmärkt sätt att störa detta, så kasta lite NaCl eller KCl på isen så kommer den att smälta vid en lägre temperatur än 0ºC. För en sten beter sig vatten som dess salt. Tillsätt vatten i en mantelperidotit och den kommer att smälta vid en lägre temperatur eftersom bindningarna i de mineraler som ingår i berget störs av vattenmolekylen (vi kallar det en ”nätverksmodifierare”). I en subduktionszon (som Kaskaderna eller Anderna), där en oceanisk platta glider ner under en annan platta, släpper den nedåtgående plattan ut sitt vatten när den värms upp. Detta vatten stiger sedan upp i manteln ovanför den, vilket får den att smälta vid en lägre temperatur och, bam! Basalt produceras i den process som kallas flusssmältning.
Skiss som illustrerar dekompressionssmältning vid den mellanoceanska ryggen. Varm, bördig mantel stiger upp, smälter delvis för att bilda basalt och rör sig sedan i sidled bort från åsen när den svalnar. Bild: Erik Klemetti
Vänta! Det största vulkaniska systemet på jorden är det mellanoceana ryggsystemet, där det inte finns någon subduktion som för ner vatten i manteln för att hjälpa till med smältningen. Varför får man basalt där? Den här gången måste vi använda en annan metod för att smälta peridotiten – vi måste dekomprimera den vid konstant temperatur. Detta kallas adiabatisk uppstigning. Manteln är konvektiv, vilket för med sig varm mantel från djupet upp mot ytan, och när den gör det förblir mantelmaterialet varmt, varmare än de omgivande bergarterna. Smältpunkten (solidus) för peridotit förändras med trycket, så smältpunkten på 2000ºC vid 200 km är bara ~1400ºC vid 50 km. Så om man håller mantelns material varmt och dekomprimerar det får man en smältning som bildar basalt! Under mellanoceana åsar (och vid hotspots som Hawaii) är det alltså manteln som stiger uppåt, vilket leder till dekompressionssmältning.
Låt oss se över det: Under normala förhållanden borde inte mantelsten som peridotit smälta i jordens övre mantel – den är helt enkelt för kall. Genom att tillsätta vatten kan man dock sänka stenens smältpunkt. Alternativt kan man genom att dekomprimera berget föra det till ett tryck där smältpunkten är lägre. I båda fallen kommer basaltmagma att bildas och med tanke på att den är varmare och mindre tät än den omgivande berggrunden kommer den att sippra upp mot ytan … och en del av den gör utbrott!
*Manteln är definitivt inte homogen, men för våra syften är vi intresserade av det som vi kallar ”fertila mantlar” – det vill säga mantlar som inte har upplevt smältning tidigare och som kan producera basaltisk vätska.