Magma - Magma

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Lavastrom auf Hawaii . Lava ist das extrusive Äquivalent von Magma.

Magma (aus dem Altgriechischen μάγμα ( mágma ), was "dickes unguent " bedeutet) ist das geschmolzene oder halb geschmolzene natürliche Material, aus dem alle magmatischen Gesteine gebildet werden. Magma unter der Oberfläche der gefundene Erde und den Nachweis von Magmatismus wird auch entdeckt, auf andere terrestrischen Planeten und einige natürlichen Satelliten . Magma kann neben geschmolzenem Gestein auch suspendierte Kristalle und Gasblasen enthalten .

Magma wird durch Schmelzen des hergestellten Mantel oder der Kruste an verschiedenen tektonischen Einstellungen, einschließlich Subduktionszonen , kontinentalen Riftzonen , mittelozeanischen Rücken und Hotspots . Mantel- und Krustenschmelzen wandern nach oben durch die Kruste, wo sie vermutlich in Magmakammern oder krustenreichen Breizonen mit transkrustaler Kruste gelagert werden. Während ihrer Lagerung in der Kruste können Magmazusammensetzungen durch fraktionierte Kristallisation , Verunreinigung mit Krustenschmelzen, Magmamischen und Entgasen modifiziert werden . Nach ihrem Aufstieg durch die Kruste können Magmen einen Vulkan speisen oder sich unter der Erde verfestigen, um ein Eindringen zu bilden (z. B. einen magmatischen Deich oder eine Schwelle ).

Während die Studie von Magma historisch verlassen hat Magma in Form von Lava fließt, Magma wurde begegnet auf der Beobachtung in situ dreimal während geothermische Bohrungen Projekte -twice in Island (siehe Magma Nutzung zur Energieerzeugung ) und einmal in Hawaii.

Physikalische und chemische Eigenschaften von Magma

Die meisten magmatischen Flüssigkeiten sind reich an Kieselsäure . Silikatschmelzen bestehen hauptsächlich aus Silizium , Sauerstoff , Aluminium , Eisen , Magnesium , Calcium , Natrium und Kalium . Das physikalische Verhalten von Schmelzen hängt von ihren Atomstrukturen sowie von Temperatur, Druck und Zusammensetzung ab.

Die Viskosität ist eine wichtige Schmelzeigenschaft für das Verständnis des Verhaltens von Magmen. Siliciumdioxidreichere Schmelzen sind typischerweise stärker polymerisiert, wobei Siliciumdioxid-Tetraeder stärker gebunden sind, und sind daher viskoser. Das Auflösen von Wasser verringert die Schmelzviskosität drastisch. Schmelzen bei höheren Temperaturen sind weniger viskos. Darüber hinaus ist die Silikatschmelze (die flüssige Phase von Magma) viskoelastisch , was bedeutet, dass sie unter geringen Spannungen wie eine Flüssigkeit fließt. Sobald die angelegte Spannung einen kritischen Wert überschreitet, kann die Schmelze die Spannung allein durch Relaxation nicht schnell genug abbauen, was zu einem vorübergehenden Bruch führt Vermehrung. Sobald die Spannungen unter die kritische Schwelle reduziert sind, entspannt sich die Schmelze wieder viskos und heilt den Bruch.

Im Allgemeinen sind mehr mafische Magmen, wie z. B. solche, die Basalt bilden , heißer und weniger viskos als mehr silikareiche Magmen, wie z. B. solche, die Rhyolith bilden . Eine niedrige Viskosität führt zu sanfteren, weniger explosiven Eruptionen.

Die Eigenschaften verschiedener Magmatypen sind wie folgt:

Ultramafic ( pikritisch )
SiO 2 <45%
Fe-Mg> 8% bis 32% MgO
Temperatur: bis zu 1500 ° C.
Viskosität: Sehr niedrig
Eruptives Verhalten: sanft oder sehr explosiv (Kimberilite)
Verteilung: divergierende Plattengrenzen, Hot Spots, konvergente Plattengrenzen; Komatiit und andere ultramafische Laven sind größtenteils archäisch und wurden aus einem höheren geothermischen Gradienten gebildet und sind in der Gegenwart unbekannt
Mafic ( Basalt )
SiO 2 <50%
FeO und MgO typischerweise <10 Gew .-%
Temperatur: bis ~ 1300 ° C.
Viskosität: Niedrig
Eruptives Verhalten: sanft
Verteilung: divergierende Plattengrenzen, Hot Spots, konvergente Plattengrenzen
Mittelstufe ( andesitisch )
SiO 2 ~ 60%
Fe-Mg: ~ 3% th
Temperatur: ~ 1000 ° C.
Viskosität: Mittelstufe
Eruptives Verhalten: explosiv oder überschwänglich
Verteilung: konvergente Plattengrenzen, Inselbögen
Felsisch (rhyolitisch)
SiO 2 > 70%
Fe-Mg: ~ 2%
Temperatur: <900 ° C.
Viskosität: hoch
Eruptives Verhalten: explosiv oder überschwänglich
Verbreitung: häufig an Krisenherden in der Kontinentalkruste ( Yellowstone-Nationalpark ) und in Kontinentalrissen

Temperatur

Die Temperaturen der meisten Magmen liegen im Bereich von 700 ° C bis 1300 ° C (oder 1300 ° F bis 2400 ° F), aber sehr seltene Karbonatit- Magmen können so kühl wie 490 ° C sein, und Komatiit- Magmen waren möglicherweise so heiß wie 1600 ° C. ° C. Bei jedem Druck und bei jeder Gesteinszusammensetzung führt ein Temperaturanstieg über den Solidus hinaus zum Schmelzen. Innerhalb der festen Erde wird die Temperatur eines Gesteins durch den geothermischen Gradienten und den radioaktiven Zerfall im Gestein gesteuert . Der geothermische Gradient beträgt durchschnittlich etwa 25 ° C / km und reicht von 5 bis 10 ° C / km in ozeanischen Gräben und Subduktionszonen bis zu 30 bis 80 ° C / km in mittelozeanischen Kämmen und vulkanischen Bogenumgebungen.

Dichte

Art Dichte (kg / m 3 )
Basalt Magma 2650–2800
Andesit Magma 2450–2500
Rhyolith Magma 2180–2250

Komposition

Es ist normalerweise sehr schwierig, die Massezusammensetzung einer großen Gesteinsmasse zu ändern, daher ist die Zusammensetzung die grundlegende Kontrolle darüber, ob ein Gestein bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck schmilzt. Es kann auch angenommen werden, dass die Zusammensetzung eines Gesteins flüchtige Phasen wie Wasser und Kohlendioxid umfasst .

Das Vorhandensein flüchtiger Phasen in einem Gestein unter Druck kann eine Schmelzfraktion stabilisieren. Das Vorhandensein von sogar 0,8% Wasser kann die Schmelztemperatur um bis zu 100 ° C senken. Umgekehrt kann der Verlust von Wasser und flüchtigen Bestandteilen aus einem Magma dazu führen, dass es im Wesentlichen gefriert oder sich verfestigt.

Ein Großteil von fast allem Magma ist auch Siliciumdioxid , eine Verbindung aus Silizium und Sauerstoff. Magma enthält auch Gase, die sich mit steigendem Magma ausdehnen. Magma, das reich an Kieselsäure ist, widersteht dem Fließen, so dass sich expandierende Gase darin einschließen. Der Druck baut sich auf, bis die Gase in einer heftigen, gefährlichen Explosion austreten. Magma, das relativ arm an Kieselsäure ist, fließt leicht, so dass Gasblasen durch das Magma aufsteigen und ziemlich sanft entweichen.

Ursprung des Magmas durch teilweises Schmelzen

Teilschmelzen

Das Schmelzen fester Gesteine ​​zu Magma wird durch drei physikalische Parameter gesteuert: Temperatur, Druck und Zusammensetzung. Die häufigsten Mechanismen der Magmaerzeugung im Mantel sind das Schmelzen der Dekompression , das Erhitzen (z. B. durch Wechselwirkung mit einer heißen Mantelwolke ) und das Absenken des Solidus (z. B. durch Änderungen der Zusammensetzung wie die Zugabe von Wasser). Die Mechanismen werden im Eintrag für magmatisches Gestein weiter erläutert .

Wenn Gesteine ​​schmelzen, geschieht dies langsam und allmählich, da die meisten Gesteine ​​aus mehreren Mineralien bestehen , die alle unterschiedliche Schmelzpunkte haben. Darüber hinaus sind die physikalischen und chemischen Beziehungen, die das Schmelzen steuern, komplex. Wenn ein Stein zum Beispiel schmilzt, ändert sich seine Lautstärke. Wenn genügend Gestein geschmolzen ist, verbinden sich die kleinen Schmelzkügelchen (die im Allgemeinen zwischen Mineralkörnern auftreten) und erweichen das Gestein. Unter Druck in der Erde kann bereits ein Bruchteil eines Prozentsatzes des teilweisen Schmelzens ausreichen, um zu bewirken, dass die Schmelze aus ihrer Quelle herausgedrückt wird. Schmelzen können lange genug an Ort und Stelle bleiben, um zu 20% oder sogar 35% zu schmelzen, aber Gesteine ​​werden selten zu mehr als 50% geschmolzen, da die geschmolzene Gesteinsmasse schließlich zu einem Kristall-Schmelz-Brei wird, der dann massenhaft als Diapir , das dann zu einem weiteren Dekompressionsschmelzen führen kann.

Geochemische Auswirkungen des teilweisen Schmelzens

Der Grad des teilweisen Schmelzens ist entscheidend für die Bestimmung der Eigenschaften des Magmas, das es erzeugt, und die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Schmelze bildet, spiegelt den Grad wider, in dem inkompatible und kompatible Elemente beteiligt sind. Inkompatible Elemente umfassen üblicherweise Kalium , Barium , Cäsium und Rubidium .

Gesteinsarten, die durch geringes teilweises Schmelzen im Erdmantel entstehen, sind typischerweise alkalisch ( Ca , Na ), kalisch ( K ) oder peralkalisch (wobei das Verhältnis von Aluminium zu Kieselsäure hoch ist). Typischerweise primitive Schmelzen dieser Zusammensetzung Form Lamprophyr , lamproite , Kimberlit und manchmal Nephelin -haltiger mafischen Gesteinen wie Alkali Basalte und Essexit Gabbros oder sogar Karbonatit .

Pegmatit kann durch geringes teilweises Schmelzen der Kruste erzeugt werden. Einige Granitzusammensetzungsmagmen sind eutektische (oder cotektische) Schmelzen und können durch geringe bis hohe Grade des teilweisen Schmelzens der Kruste sowie durch fraktionierte Kristallisation erzeugt werden . Bei einem hohen Grad an teilweisem Schmelzen der Kruste können Granitoide wie Tonalit , Granodiorit und Monzonit erzeugt werden, aber andere Mechanismen sind typischerweise wichtig, um sie herzustellen.

Entwicklung der Magmen

Primärschmelze

Wenn Gestein schmilzt, ist die Flüssigkeit eine Primärschmelze . Primärschmelzen haben keine Differenzierung erfahren und repräsentieren die Ausgangszusammensetzung eines Magmas. In der Natur ist es selten, Primärschmelzen zu finden. Die Leukosomen von Migmatiten sind Beispiele für Primärschmelzen. Vom Mantel abgeleitete Primärschmelzen sind besonders wichtig und werden als primitive Schmelzen oder primitive Magmen bezeichnet. Durch Auffinden der primitiven Magmazusammensetzung einer Magmareihe ist es möglich, die Zusammensetzung des Mantels zu modellieren, aus dem eine Schmelze gebildet wurde, was für das Verständnis der Entwicklung des Mantels wichtig ist .

Eltern schmelzen

Wenn es unmöglich ist, die primitive oder primäre Magmazusammensetzung zu finden, ist es oft nützlich, zu versuchen, eine Elternschmelze zu identifizieren. Eine Elternschmelze ist eine Magmazusammensetzung, aus der der beobachtete Bereich der Magmachemie durch die Prozesse der magmatischen Differenzierung abgeleitet wurde . Es muss keine primitive Schmelze sein.

Beispielsweise wird angenommen, dass eine Reihe von Basaltflüssen miteinander in Beziehung stehen. Eine Zusammensetzung, aus der sie vernünftigerweise durch fraktionierte Kristallisation hergestellt werden könnten, wird als Elternschmelze bezeichnet . Fraktionskristallisationsmodelle würden erstellt, um die Hypothese zu testen, dass sie eine gemeinsame Elternschmelze aufweisen.

Bei hohen partiellen Schmelzgraden des Mantels entstehen Komatiit und Pikrit .

Migration und Verfestigung von Magmen

Magma entwickelt sich innerhalb des Mantels oder der Kruste, wo die Temperatur- und Druckbedingungen den geschmolzenen Zustand begünstigen. Nach seiner Bildung steigt Magma schwimmend zur Erdoberfläche auf. Während es durch die Kruste wandert, kann sich Magma sammeln und in Magmakammern verbleiben (obwohl neuere Arbeiten darauf hinweisen, dass Magma eher in krustenreichen Breizonen mit transkrustaler Kruste als in überwiegend flüssigen Magmakammern gelagert werden kann). Magma kann in einer Kammer verbleiben, bis es abkühlt und unter Bildung von magmatischem Gestein kristallisiert, als Vulkan ausbricht oder sich in eine andere Magmakammer bewegt. Es gibt zwei bekannte Prozesse, durch die sich Magma ändert: durch Kristallisation innerhalb der Kruste oder des Mantels, um ein Pluton zu bilden , oder durch Vulkanausbruch , um Lava oder Tephra zu werden .

Plutonismus

Wenn Magma abkühlt, beginnt es, feste Mineralphasen zu bilden. Einige davon setzen sich am Boden der Magmakammer ab und bilden Kumulate , die mafische Schichtintrusionen bilden können . Magma, das sich in einer Magmakammer langsam abkühlt, bildet normalerweise Körper aus plutonischen Gesteinen wie Gabbro , Diorit und Granit , abhängig von der Zusammensetzung des Magmas. Wenn das Magma ausbricht, bildet es alternativ Vulkangesteine wie Basalt , Andesit und Rhyolith (die extrusiven Äquivalente von Gabbro, Diorit bzw. Granit).

Vulkanismus

Während eines Vulkanausbruchs wird das Magma, das den Untergrund verlässt, Lava genannt . Lava kühlt ab und verfestigt sich relativ schnell im Vergleich zu unterirdischen Magmakörpern. Durch diese schnelle Abkühlung können Kristalle nicht groß werden, und ein Teil der Schmelze kristallisiert überhaupt nicht und wird zu Glas. Zu den Felsen, die größtenteils aus vulkanischem Glas bestehen, gehören Obsidian , Schlacken und Bimsstein .

Vor und während Vulkanausbrüchen verlassen flüchtige Stoffe wie CO 2 und H 2 O die Schmelze teilweise durch einen als Ablösung bekannten Prozess . Magma mit niedrigem Wassergehalt wird zunehmend viskos . Wenn eine massive Auflösung auftritt, wenn Magma während eines Vulkanausbruchs nach oben geht, ist der resultierende Ausbruch normalerweise explosiv.

Magmaverbrauch zur Energieerzeugung

Das Island-Tiefbohrprojekt bohrte 2009 mehrere 5.000 m lange Löcher, um die Wärme im vulkanischen Grundgestein unter der Oberfläche Islands zu nutzen, und traf 2009 auf 2.100 m eine Magmatasche. Dies war erst das dritte Mal in der Geschichte Nachdem dieses Magma erreicht war, beschloss IDDP, in das Loch zu investieren und nannte es IDDP-1.

In das Loch wurde ein Gehäuse aus zementiertem Stahl mit einer Perforation am Boden nahe dem Magma eingebaut. Die hohen Temperaturen und der hohe Druck des Magmadampfes wurden zur Erzeugung von 36 MW Strom genutzt. Damit war IDDP-1 das weltweit erste mit Magma angereicherte geothermische System.

Verweise