ΜΑΓΜΑΤΙΣΜΟΣ

 

ΜΑΓΜΑΤΙΣΜΟΣ

ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ  (περίπου 90 σελ.)

 

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ροή θερμότητας

Ταξινόμηση μαγματικών πετρωμάτων

Ταξινόμηση ως προς τον ιστό (texture)

Ταξινόμηση ως προς την σχέση του με το πεδίο επικάθισης

Ταξινόμηση ως προς την ορυκτολογική σύσταση

Ταξινόμηση ως προς την χημική σύσταση

 

Η ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Ατομική δομή τηγμάτων (Γεφυρωτικά και μη οξυγόνα)

Exsolution: απόμειξη - αποκρυστάλλωση

Πτητικά ρευστά (volatiles) στα τήγματα

Διαλυτότητα (solubility)

Παράγοντες που επηρεάζουν την διαλυτότητα των πτητικών

Η δυνατότητα διαφυγής του οξυγόνου ή δυναμικό οξυγόνου (oxygens fugacity – ƒO2)

Συνέπειες της απόμειξης των ρευστών από τα τήγματα

Εκρηκτική ηφαιστειότητα

Επιδράσεις των πτητικών στο κλίμα και στην ατμόσφαιρα

Κινητικοί παράγοντες των τηγμάτων.

1. Το ιξώδες των τηγμάτων – (κίνηση των υλικών)

2. Χημική διάχυση – (κίνηση των ατόμων)

Είδη διάχυσης - Νόμοι του Fick - Διαχυτικότητα - εξίσωση Stokes-Einstein

3. Θερμική διάχυση – (κίνηση της θερμικής ενέργειας)

 

ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΠΟΙΗΣΗ

Ενεργειακό φράγμα (energy barrier)

Απωθητικές δυνάμεις - Αλληλεπιδράσεις της ενεργειακής επιφάνειας

Πυρηνοποίηση (Nucleation)

Πρωτογενής Πυρηνοποίηση

Ομοιογενής .(Υπόψυξη, Επιφάνεια ελεύθερης ενέργειας Gibbs)

Ετερογενής (Γωνία επαφής- εξίσωση Young-Dubre)-

Ρυθμός πυρηνοποίησης (nucleation rate)

Πυκνότητα πυρηνοποίησης

Υπολογισμός της Εκτεταμένης Πυκνότητας Πυρηνοποίησης

Διαλυτική ωρίμανση κατά Ostwald

Δευτερογενής Πυρηνοποίηση

Πυρηνοποίηση επαφής η μηχανική

Πυρηνοποίηση διάτμησης

Επιταξική ανάπτυξη

Πυρηνοποίηση της επιφάνειας

Κρυσταλλική ανάπτυξη

1. Κινητική της ανάπτυξης.

2.Η επίδραση της διάχυσης.

3.Διεπαφή επιφάνειας και διαβροχή

4.Μορφολογία κρυστάλλου.

Ρυθμός της κρυσταλλικής ανάπτυξης

Υπόψυξη - Ρυθμός διάχυσης - Ενεργειακή επιφάνεια και κινητική της διεπαφής

 

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Η τήξη πετρωμάτων

Αύξηση της θερμοκρασίας(Τ)

Η αποσυμπίεση

Η παρουσία των πτητικών

Πηγαία πετρώματα του μανδύα

Εγκλείσεις (inclusions) προερχόμενες από τον μανδύα

α) εντάσεως Cr  β) εντάσεως Al, Fe, Ti

Επίδραση του μετασωματισμού στα πετρώματα του μανδύα

Διεργασίες μετασωματισμού στον μανδύα

Χαρακτηριστικά του πρωτογενούς μάγματος

Αριθμός Mg(#)

Παραγωγή μάγματος σε μανδύα περιδοτίτη

Μερική τήξη

Η σχέση της πίεσης (Ρ) με την μερική τήξη (εξίσωση Clausius – Clapeyron)

α) Ισορροπημένη – σταθερή μερική τήξη

β) Κλασματική μερική τήξη

Ασύμβατα στοιχεία (incompatible elements) στην μερική τήξη

-Στοιχεία υψηλής ισχύος πεδίου (High Field Strength Elements- HFSE)

-Λιθόφιλα στοιχεία μεγάλων ιόντων (Large Ion Lithophile Elements – LILE)

-Ελαφριές σπάνιες γαίες ή LREE - Βαριές σπάνιες γαίες ή HREE

Η επίδραση των πτητικών στην μερική τήξη

Παραγωγή μάγματος στις ζώνες υποβύθισης (Μαγματισμός τόξου)

Ροή τήγματος, γωνιακή ροή, δυνάμεις τριβής, ζώνη Wadati – Benioff

Χημικά χαρακτηριστικά στα μανδυακά τόξα:

-Υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και πτητικά

-Εμπλουτισμός σε Λιθόφιλα Στοιχεία Μεγάλων Ιόντων (LILE)

-Έλλειψη σε Στοιχεία Υψηλής Ισχύος Πεδίου (HFSE)

-Μεγάλος αριθμός μαγνησίου (Mg#)

-Υψηλές αναλογίες Sr/Y και La/Yb

-Η οξείδωση στα μάγματα τόξων

Μερική τήξη του υποβυθιζόμενου ωκεάνιου φλοιού: Αδακίτης (adakite)

Παραγωγή αλκαλικών μαγμάτων σε μετασωματικά εμπλουτισμένους μανδυακούς περιδοτίτες.

Χαρακτηριστικά του μετασωματισμένου μανδύα

Παραγωγή μάγματος σε ηπειρωτικό φλοιό

Η μερική τήξη του κατώτερου φλοιού

Τα συνθετικά χαρακτηριστικά των τηγμάτων του φλοιού

Μιγματίτης: Ανάτηξη ή διαφορική ανάτηξη - Γρανουλίτης

Η αποσυμπίεση του τήγματος

 

ΑΝΟΔΟΣ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΜΑΤΟΣ

Πλευστότητα

Φίλτρα πυκνότητας (density filter)

Μαγματικός θάλαμος

Μετακίνηση του μάγματος από μαγματικούς θαλάμους

Υπερπίεση

Εισχώρηση και εναπόθεση μάγματος στον φλοιό.

Το πρόβλημα της εξεύρεσης χώρου

Στηλοειδείς Εισχωρήσεις (Sheet Intrusions)

Στηλοειδείς διακλάσεις (columnar joints):

Σχηματισμός ακτινωτών (radial) dikes και κωνοειδών στρωματώσεων

Δακτυλιοειδή  Dikes:

Καλδέρες - Κάθετες καταρρεύσεις

Πλούτωνες ή Πλουτωνικά σώματα (Plutons)

ΛΑΚΚΟΛΙΘΟΙ – ΛΟΠΟΛΙΘΟΙ -  BΑΘΟΛΙΘΟΙ

Μηχανισμοί για τις αποθετικές μετακινήσεις πλουτωνικών σωμάτων

1. Μέτωπα γόμωσης - Ενσωμάτωση (stoping).

2. Λατυποποίηση (Brecciation), - Διατρήματα maar

3. Αναθόλωση (doming).

4. Διόγκωση (ballooning)

Διάπειρα (diapirs) 

Αστάθειες Rayleigh-Taylor

Δομοί άλατος .

Μανδυακοί πίδακες (plumes)

Θερμές κηλίδες (Hotspots).

 

ΕΞΩΘΗΣΕΙΣ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

1. Κρυστάλλωση και κορεσμός πτητικών

2. Αποσυμπίεση και διαστολή πτητικών

3. Μαφικό μάγμα και μεταφορά θερμότητας

4.Εξωτερικές πήγες νερού

Ηφαιστειότητα βασαλτικών – ρυολιθικών μαγμάτων

Βασαλτική ηφαιστειότητα

-Σιντριβάνια λάβας (lava fountains)

-Μαξιλαροειδείς Λάβες (Pillow Lavas)

Ρυολιθική ηφαιστειότητα

 

ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Μαγματική διαφοροποίηση σε κλειστά συστήματα

Α. Διαχωρισμός των κρυστάλλων και τήγματος

1. Βαρυτικός διαχωρισμός (gravitational segregation

2. Διαχωρισμός δια της ροής (flowage segregation):

3. Φιλτραρισμένος διαχωρισμός από πίεση (filter pressing):

Β. Διαχωρισμός δύο μη-αναμείξιμων τηγμάτων

Γ. Διαχωρισμός ρευστών – τηγμάτων: Πηγματίτες

Μαγματική διαφοροποίηση σε ανοιχτά συστήματα :Υβριδικά μάγματα

Α. Ανάμειξη (mixing) μαγμάτων

Β. Απορρόφηση (assimilation) μαγμάτων

Γ. Εξαέρωση (degassing)

Μαγματική διαφοροποίηση σε βασαλτικές διεισδύσεις

Μηχανισμοί διαφοροποίησης

1. Κλασματική κρυστάλλωση

2. Ανακύκλωση κρυστάλλων

3. Εγκλωβισμός υγρού και τήξη του υπολείμματος

4. Αναμείξεις μαγμάτων

5. Σωρευτικές ζώνες (cumulate zones)

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα πυριγενή ή μαγματικά πετρώματα σχηματίζονται από τη ψύξη και τη στερεοποίηση του μάγματος, ενός κινούμενου υλικού τηγμένων πετρωμάτων σε θερμοκρασιακό εύρος 700⁰-1200⁰C. Τα μεταμορφωμένα πετρώματα σχηματίζονται από την αναδιάταξη προϋπαρχόντων πετρωμάτων σε αυξημένες θερμοκρασίες και σε σχετικά μεγάλα βάθη. Οι δομές και η ορυκτολογική σύνθεση και των δυο κατηγοριών πετρωμάτων είναι ενδεικτικές της καταγωγής των από περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών. Με την πάροδο του χρόνου, τα πετρώματα αυτά, μεταφέρονται ψυχόμενα στην επιφάνεια μέσω γεωλογικών διεργασιών, οι οποίες εξαρτώνται τόσο από τη ροή θερμότητας όσο και από τη κίνηση των πετρωμάτων στο βαρυτικό πεδίο, καθώς αλληλεπιδράσεις μεταξύ θερμότητας και βαρύτητας συντελούν στη δημιουργία τους.

Ροή θερμότητας

Η ροή θερμότητας αποτελεί έναν από τους θεμελιώδεις μηχανισμούς μεταφοράς ενέργειας εντός της Γης, διαδραματίζοντας κρίσιμο ρόλο στη γεωδυναμική του πλανήτη. Χωρίς αυτήν, η Γη θα ήταν γεωλογικά αδρανής.

Μία αύξηση της θερμότητας κατά Δq η οποία μεταφέρεται μέσα σε σώμα, παράγει μια ανάλογη αύξηση της θερμοκρασίας (Τ) του κατά ΔΤ, σύμφωνα με τον τύπο: Δq = Cp ΔΤ, όπου Cp η θερμική χωρητικότητα του σώματος σε σταθερή πίεση (Ρ).

Στα γεωλογικά συστήματα το νερό απορροφά μεγάλες ποσότητες θερμότητας από τις γειτονικές μαγματικές διεισδύσεις και καθώς κινείται διαμέσου των ρωγμών, μεταφέρει τη θερμότητα σε μακρινά πετρώματα μεταβάλλοντάς τους την θερμοκρασία.

Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί με τέσσερεις διαφορετικούς τρόπους:

Ακτινοβολία (Radiation): Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από την επιφάνεια θερμού σώματος προς διαπερατά ψυχρά παρακείμενα, όπως η λάβα εκπέμπει θερμότητα στην ατμόσφαιρα μέσω ακτινοβολίας. Να σημειωθεί ότι η διαπερατότητα της ακτινοβολίας στα ψυχρά πετρώματα αυξάνεται εκθετικά με την αύξηση της θερμοκρασίας,

Μεταγωγή (Advection): Ροή ρευστού διαμέσου ανοιγμάτων σε ένα πέτρωμα του οποίου η θερμοκρασία είναι διαφορετική από αυτή του ρευστού. Μεταγωγή έχουμε και στη περίπτωση όπου μάγμα εισχωρεί ή επικαλύπτει ψυχρότερο πέτρωμα.

Μετάδοση (Conduction): Είναι η μεταφορά κινητικής ενέργειας από τα δονούμενα άτομα του κάθε υλικού, δεδομένου ότι η θερμότητα δεν μεταφέρεται στο απόλυτο κενό λόγω απουσίας ατόμων. Η θερμότητα, πάντοτε, μεταδίδεται από τη ζέστη περιοχή όπου η κίνηση των μορίων είναι μεγάλη σε μια ψυχρότερη όπου η κίνηση είναι λιγότερη. Για ένα θερμό σώμα, δεδομένου όγκου, η θερμότητα μεταφέρεται τόσο γρηγορότερα όσο μεγαλύτερη είναι η περικλείουσα αυτό επιφάνεια. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ παρακείμενων θερμών και ψυχρών σωμάτων ονομάζεται θερμική βαθμίδα (thermal gradient) η οποία διαχρονικά μηδενίζεται. Ο ρυθμός κατά τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται ως προ το χρόνο ονομάζεται ροή θερμότητας και αντιπροσωπεύεται από το γινόμενο της θερμικής βαθμίδας και της θερμικής αγωγιμότητας (thermal conductivity).

Να σημειωθεί ότι λόγω της πολύ χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας των πετρωμάτων, μικρές ποσότητες θερμότητας διαφεύγουν από το εσωτερικό της Γης στην επιφάνεια. Η μέση θερμική ροή από το εσωτερικό της Γης υπολογίζεται στα 0.09 W/m² (Verhoogen, 1980). Ωστόσο, οι μεταβολές της ροής θερμότητας εξαρτώνται σημαντικά από τα τεκτονικά χαρακτηριστικά, όπως οι ζώνες διάρρηξης και οι μαγματικές διεισδύσεις.

Επαγωγή (Convection): Μεταφορά θερμότητας μέσω της μετακίνησης υλικών με αντικρουόμενες θερμοκρασίες από ενα σημείο σε άλλο. Αυτή η μετακίνηση προκαλείται από σημαντικές διαφορές στην πυκνότητα των διαφόρων τμημάτων του υλικού, έτσι ώστε, υπό την επίδραση της βαρύτητας, τα λιγότερο πυκνά και διαστελλόμενα υλικά να ανέρχονται, ενώ τα πυκνότερα βυθίζονται δημιουργώντας κυκλικές ροές.

 

Ταξινόμηση μαγματικών πετρωμάτων

Υπάρχουν πολλά διαφορετικά κριτήρια για την ταξινόμηση των πετρωμάτων τέτοια ώστε ένα πέτρωμα να είναι δυνατό να περιγραφεί με διαφορετική ονοματολογία καθώς μπορεί να του δοθεί ένα όνομα από την εμφάνισή του, άλλο από μικροσκοπική ανάλυση και ίσως άλλο από χημική ανάλυση. Έτσι κάθε ταξινόμηση θεωρείται ως κάποιο βαθμό αυθαίρετη και ατελής.

Ταξινόμηση ως προς τον ιστό (texture)

Φανεριτικός (Phanerιtic): χαρακτηρίζεται από τη παρουσία μεγάλων κρυστάλλων, ορατοί με γυμνό οφθαλμό τους φαινοκρύσταλλους (phenocrysts). Αυτός ο ιστός είναι τυπικός των πετρωμάτων που κρυσταλλώνονται με αργό ρυθμό ψύξης από διεισδύσεις (intrusions) μάγματος.

Αφανιτικός (aphanitic) ή αφυρκός: τα ορυκτά διακρίνονται με μικροσκόπιο ή δεν υπάρχουν φαινοκρύσταλλοι. Αυτός ο ιστός είναι κοινός στις περιπτώσεις γρήγορης στερεοποίησης εξωθούμενων μαγμάτων αλλά μπορεί να βρεθεί και σε περιφερειακά τμήματα διεισδυτικού μάγματος που αποτίθενται σε ψυχρό και ρηχό φλοιό.

Πετρώματα τα οποία περιλαμβάνουν τους παραπάνω δυο τύπους ιστών ή/και ενδιαμέσου μεγέθους κόκκων ορυκτών, δημιουργούν τον πορφυριτικό (porphyritic) ιστό. Σ’ αυτόν οι φαινοκρύσταλλοι βρίσκονται εντός των μικρότερων κόκκων οι οποίοι αποτελούν την θεμελιώδη μάζα (matrix or groundmass).

Να ληφθεί υπόψη ότι τα πορφυριτικά αφανιτικά πετρώματα είναι πολύ περισσότερο κοινά από τα πορφυριτικά φανεριτικά.

Υαλώδης (glassy): πετρώματα που περιέχουν ποικίλες αναλογίες υάλου, σε αντίθεση με τα ολοκρυσταλλικά που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από κρυστάλλους.

Βιτροφυρικός (vitrophyric) ιστός χαρακτηρίζει πορφυριτικά πετρώματα τα οποία περιέχουν διάσπαρτους φαινοκρύσταλλους σε υαλώδη μάζα.

Ηφαιστειοκλαστικός (volcaniclastic): πετρώματα που προήλθαν από διεργασίες τεμαχισμού ηφαιστειακών πετρωμάτων ή/και κόκκων ορυκτών.

Ταξινόμηση του μάγματος ως προς την σχέση του με το πεδίο επικάθισης.

Αναγνωρίζονται δύο βασικές κατηγορίες:

α) Πετρώματα που επικάθησαν στην επιφάνεια ως τεμάχη εναπόθεσης των εκχύσεων μάγματος: ηφαιστειακά ή έκχυτα (extrusive), τα οποία είναι κυρίως αφανιτικά, υαλώδη και πορφυριτικά αν και βρίσκονται και ηφαιστειοκλαστικά. Σύνηθες είναι η διατάραξη σε υψηλές θερμοκρασίες (ΗΤ) των άστριων όπου οι αλκάστριοι μετατρέπονται σε σανίδινο. Άλλα ορυκτά που εμφανίζονται σε ηφαιστειακά πετρώματα σε συνθήκες ΗΤ και χαμηλής πίεσης (LP) είναι ο λευκίτης ο τριδυμίτης και ο χριστοβαλίτης. Αμφίβολοι και βιοτίτης όπου εμφανίζονται ως φαινοκρύσταλλοι, κατά κανόνα, μεταπίπτουν σε άνυδρα λεπτόκοκκα συσσωματώματα οξειδίων Fe, πυρόξενων και άστριων. Φαινοκρύσταλλοι άστριων και χαλαζία συνήθως περιλαμβάνουν έγκλειστα υάλου.

β) Διεισδυτικά (intrusive) ή πλουτωνικά (plutonic), όταν το μάγμα διεισδύει σε προϋπάρχοντα πετρώματα κάτω από την επιφάνεια, τα οποία είναι συνήθως φανεριτικά. Μονόμικτα πετρώματα αποτελούνται μόνο από πλαγιόκλαστα ή ολιβίνη και σπανίως πυρόξενους. Οι αμφίβολοι και ο βιοτίτης μετατρέπονται μερικώς σε χλωρίτη. Οι περθίτες⁽¹⁾ είναι αρκετά διαδεδομένοι και δείχνουν αργή ψύξη και διάμειξη σε ομοιογενείς αλκάστριους.

(1) συμφύσεις Na-ούχων και Κ-ούχων άστριων: περθίτες αλβίτης εντός ορθόκλαστου και αντιπερθίτες το αντίθετο.

Ταξινόμηση του μάγματος ως προς την ορυκτολογική σύσταση.

Φελσικά (Felsic):ο όρος προέρχεται από τις λέξεις feldspar (άστριοι) και silica (πυρίτιο). Γενικά περιέχουν μεγάλες ποσότητες άστριων με/ή χωρίς χαλαζία και με τα πολυμορφικά του: τριδυμίτη χριστοβαλίτη. Οι γρανίτες και οι ρυόλιθοι είναι τυπικά παραδείγματα των φελσικών πετρωμάτων. Στα φελσικά κατατάσσονται και τα αστριοειδή (πχ νεφελίνης, λευκίτης).

Τα πυριτικά (silicic) πετρώματα περιέχουν μεγάλες συγκεντρώσεις πυριτίου με αφθονία αλκάστριων, χαλαζία ή υάλου πλούσια σε SiO₂, όπως οι ρυόλιθοι και οι γρανίτες.

Τα σαλικά (sialic) αναφέρονται σε πετρώματα πλούσια σε Si και Αl με άστριους του ηπειρωτικού φλοιού.

Μαφικά (Mafic): ο όρος προέρχεται από τις λέξεις magnesium και ferrous. Αναφέρεται σε πετρώματα που σχηματίζονται από βιοτίτη, αμφίβολους πυρόξενους και Fe-Ti οξείδια στερεών διαλυμάτων όπως οι βασάλτες.

Τα υπερμαφικά (ultramafic) έχουν μεγάλη περιεκτικότητα σε Mg και Fe και σχεδόν καθόλου σε άστριους. Ο περιδοτίτης είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα πετρώματος με ολιβίνη και πυρόξενους.

Το χρώμα των πετρωμάτων δεν μπορεί να αποτελεί βάση ταξινόμησης, καθώς αρκετά πετρώματα παρουσιάζουν ποικιλία χρωμάτων, όπως οι γρανίτες που μπορεί να είναι λευκοί, πράσινοι, κόκκινοι καφέ και να έχουν τις πενήντα αποχρώσεις του γκρι. Αυτό το μεγάλο εύρος των χρωμάτων αντιστοιχίζεται με τις χρωματικές μεταβολές των άστριων, το θεμελιώδες ορυκτό των μαγματικών πετρωμάτων, καθώς αυτές διαμορφώνονται από περίπλοκες διεργασίες όπως λεπτές εισχωρήσεις ορυκτών και μικρο-συγκεντρώσεις διαφόρων στοιχείων όπως ο Fe σε στερεά διαλύματα. Ο χρωματικός δείκτης έχει καθορισθεί ως βοηθητική αναλογία του μαύρου χρώματος στο πέτρωμα ή ακριβέστερα το ποσοστό των μαφικών ορυκτών τα οποία περιλαμβάνουν λίγο έως καθόλου άστριους. Κατά κανόνα τα μαφικά θεωρούνται σκουρόχρωμα. Έτσι λευκοκρατικά και μελανοκρατικά πετρώματα ορίζονται ως αυτά που διαθέτουν 0-30% και 60-100% μαφικά ορυκτά αντίστοιχα.

Και τέλος για την ταξινόμηση ως προς το τύπο των πετρωμάτων (rock type) έχει υιοθετηθεί η γνωστή (Le Maitre 1989) και γενικά αποδεκτή της International Union of Geological Sciences, (IUGS) - Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks.

Ταξινόμηση του μάγματος ως προς την χημική σύσταση.

Η ταξινόμηση αυτή είναι πολύ βοηθητική για τα λεπτόκοκκα πετρώματα των οποίων η ορυκτολογική σύνθεση είναι δύσκολο να εξακριβωθεί και ιδιαίτερα στα υαλώδη.

Αφανιτικά και υαλώδη πετρώματα αντιστοιχούν περίπου με την σύνθεση του μάγματος από το οποίο σχηματίστηκαν σε αντίθεση με τα πορφυριτικά και φανεριτικά τα οποία προέρχονται από μάγματα που έχουν υποστεί αυξημένη κρυστάλλωση κατά τη δημιουργία τους.

Ο δολερίτης (διαβάσης για τους Αμερικάνους) του οποίου το μέγεθος των κόκκων είναι οριακά φανεριτικό και μετατρέπεται σε γάββρο (φανεριτικό πέτρωμα με πλαγιόκλαστα, πυρόξενους και ολιβίνη). Ο δολερίτης συνήθως συναντάται σε dikes και κοίτες αλλά αποτελεί και συστατικό ροών λάβας.

[dike / dyke: καθετή φλεβική εισχώρηση]

Βασάλτης ή πικροβασάλτης με MgO >18wt% ονομάζεται: πικρίτης αν (Na₂O+K₂O)= 1-3wt% ή κοματιίτης αν έχει (Na₂O+K₂O)<1wt% και TiO₂ <1wt%. Ο πικροβασάλτης είναι υπερμαφικό με Si <45% και πλουσιότερος σε ολιβίνη και Mg από τον βασάλτη, του οποίου η σύνθεση περιλαμβάνει επιπλέον πλαγιόκλαστο, πυρόξενο και Si (45-52%).

Οι κοματιίτες θεωρούνται υπερμαφικά και ουσιαστικά αποτελούνται από πυρόξενους και ολιβίνη.

Πετρώματα πορφυριτικού ιστού με ελάχιστα πλαγιόκλαστα αλλά με μάζα φαινοκρυστάλλων λόγω του τρόπου κρυστάλλωσης του μάγματος, μπορεί να είναι δακίτες, ρυόλιθοι ή τραχείτες (αλκαλικοί άστριοι, Si 60 – 65%).

Απόλυτη συγκέντρωση πυριτίου.

Το οξείδιο του πυριτίου (SiO2) είναι το κύριο συστατικό των μαγματικών πετρωμάτων και αποτελεί κριτήριο ταξινομήσεων ως προς το ποσοστό βάρους συμμετοχής του στα πετρώματα:

Όξινα: >65,  Ενδιάμεσα: 52 – 66,  Βασικά: 42-52,  Υπερβασικά:<45 (%wt):

Να σημειωθεί ότι έτσι όπως καθορίζονται εδώ τα όξινα και τα βασικά δεν συσχετίζονται, απόλυτα, με το περιεχόμενο των ιόντων υδρογόνου ή του pH όπως αναφέρονται στη χημεία.

Ακόμη, αυτές οι τέσσερεις κατηγορίες δεν συσχετίζονται άμεσα με τη ποσότητα χαλαζία στο πέτρωμα. Δηλαδή δύο πετρώματα μπορεί να έχουν την ίδια συγκέντρωση πυριτίου αλλά διαφορετικές ποσότητες χαλαζία και αντιστρόφως καθώς εξαρτάται από τη συμμετοχή άλλων ορυκτών. Έτσι σε «χοντρές γραμμές» τα όξινα πετρώματα είναι φελσικά και τα βασικά είναι μαφικά /υπερμαφικά.

Η ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Το μάγμα αποτελείται από κινούμενες φάσεις μιγμάτων στερεών υγρών και αερίων. Μετρήσεις σε εκχύσεις (λάβα) έδειξαν ότι το μάγμα κοντά στην επιφάνεια έχει θερμοκρασία που κυμαίνεται από 700⁰ - 1200⁰C, ενώ σε σπάνιες περιπτώσεις, όπως στις  (σε αλκαλο-ανθρακικές λάβες που δεν περιέχουν πυρίτιο μέχρι 600⁰C. Οι υψηλότερες τιμές Τ συνδέονται με μαφικές συγκεντρώσεις ενώ οι χαμηλότερες με φελσικές.

Τα έκχυτα μάγματα σπανίως εμφανίζονται χωρίς κρυστάλλους, γεγονός που υποδηλώνει ότι σπάνια υπερθερμαίνονται πέρα από το θερμοκρασιακό όριο της κρυσταλλοποίησης. Οι πυκνότητες των μαγμάτων κυμαίνονται περίπου 2,2 -3g/cm3 και γενικώς τα κρυσταλλικά πετρώματα αποτελούνε περίπου το 90% του μίγματος. Ο αριθμός και το είδος των φάσεων εξαρτώνται υπό σταθερές συνθήκες ισορροπίας, από την Ρ, την Τ και από συγκεντρώσεις χημικών συστατικών στο μάγμα.

Σε κατάλληλες υψηλές Τ οποιοδήποτε πέτρωμα μπορεί να τήκεται πλήρως και σχηματίζει ένα ομοιογενές υγρό διάλυμα / τήγμα (melt). Βασικό είναι, να γίνει αντιληπτό, ότι μάγμα και τήγμα δεν είναι το ίδιο, εκτός από σπάνιες περιπτώσεις όπου το μάγμα αποτελείται μόνο από φάσεις τηγμάτων. Επομένως το τήγμα είναι μέρος του μάγματος και είναι αυτό που προκαλεί τόσο την κινητικότητα, όσο και τη δυναμική συμπεριφορά του μάγματος.

Εκτός από τα ανθρακικά μάγματα, τα διαλύματα αποτελούνται κυρίως από ιόντα Ο και Si και ως εκ τούτου ονομάζονται και πυριτικά υγρά, αλλά παράλληλα περιέχουν σημαντικές ποσότητες Al, Ca, H, Na. Σε σπάνια μαγματικά συστήματα είναι δυνατό να ισορροπούν με δυο ξεχωριστά τήγματα: ένα ανθρακικό και το άλλο πυριτικό ή και τα δύο πυριτικά αλλά το ένα πρέπει να είναι πλούσιο σε Fe. Καθένα από αυτά τα μη-αναμείξιμα τήγματα (immiscible melts) έχει διαφορετικές όπως αυτή της πυκνότητας (πχ νερό-λάδι).

Ατομική δομή τηγμάτων

Η διάταξη των ιόντων σ’ ένα τήγμα χαρακτηρίζει τη ατομική του δομή και συνεπώς και τις κύριες ιδιότητές του. Αν και στην απεικόνιση των κρυσταλλικών, υγρών και αερίων καταστάσεων τα άτομα σημειώνονται σε σταθερές θέσεις μεταξύ των, αυτό, στην πραγματικότητα, δεν είναι παρά μία στατική στιγμιαία εικόνα του μέσου όρου της κινητικότητάς τους. Ακόμη σε κρύσταλλα πάνω από το απόλυτο μηδέν (−273,15°C/0⁰Κ), τα μεμονωμένα ιόντα παρουσιάζουν μια ελαχίστη κίνηση. Στη περίπτωση της ηφαιστειακής υάλου (πχ οψιδιανός) όπου έχουμε πολύ γρήγορη ψύξη σε πολύ ιξώδη τήγματα, τα ιόντα δονούνται με μικρές περιοδικές μετατοπίσεις γύρω από μια θέση του μέσου όρου των μετατοπίσεων. Ωστόσο σε Τ πάνω από το όριο μετάβασης υάλου – τήγματος, τα ιόντα αναπτύσσουν κινητικότητα τέτοια ώστε να σπάζουν τους δεσμούς τους με τα γειτονικά τους και περιπλανώμενα να σχηματίζουν νέους δεσμούς με αποτέλεσμα τόσο οι αποστάσεις όσο και οι γωνίες των δεσμών να στρεβλώνονται μέχρι τη παύση της παραμόρφωσης και έτσι η διαμορφωμένη νέα διάταξη μεταπίπτει σε μια νέα κατάσταση ισορροπίας.

Η εργαστηριακή ανάλυση των ισορροπημένων διατάξεων αποκαλύπτει τη δομική τάξη και συμμετρία που διέπει τους κρυστάλλους. Πιο συγκεκριμένα, τα τήγματα διαθέτουν μια δόμηση από τετραεδρική συγκρότηση κατιόντων Si και Al τα οποία περιβάλλονται από 4 ανιόντα Ο και οκταεδρικούς δεσμούς κατιόντων Ca και Fe²⁺, τα οποία περιβάλλονται από έξη ανιόντα Ο, ώστε κατά προσέγγιση ομοιάζουν με τις δομές των κρυστάλλων. Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι το πλέον άφθονο συστατικό στα περισσότερα τήγματα, η θεμελιώδης δομική μονάδα είναι το (SiO₄)^4- τετράεδρο όπως είναι στα πυριτικά ορυκτά χωρίς να σχηματίζεται όμως το συμμετρικό κρυσταλλικό πλέγμα (σχήμα). Επειδή η αλλαγή της εντροπίας του κρυσταλλικού τήγματος του πυριτίου, κατά τη μετάβαση από τη κρυσταλλική στην υγρή κατάσταση, είναι σχετικά μικρή, τότε και η αλλαγή στην ατομική δόμηση του τήγματος θα είναι μικρή σε σχέση με τη κρυσταλλική κατάσταση. Επομένως τα πυριτικά τήγματα μπορούμε να τα δούμε ως τρισδιάστατα δίκτυα με ενδοσυνδεδεμένες αλυσίδες ή πολύμερα των Si-O τετραέδρων. Αυτή η δόμηση είναι υψηλού βαθμού πολυμερισμένη καθώς όλα τα τετράεδρα είναι αλληλοσυνδεδεμένα μέσω ανιόντων γεφυρωτικού οξυγόνου.

 

Αντίθετα στην περίπτωση του διοψίδιου (CaMgSi₂O₆) αυτά τα σχοινοειδή πολύμερα είναι χαλαρά συνδεδεμένα λόγω της παρουσίας των μη γεφυρωτικών ανιόντων οξυγόνου και διασπαρμένα μεταξύ των οκταεδρικώς συγκροτημένων κατιόντων Ca και Mg και ως εκ τούτου αυτό το τήγμα είναι λιγότερο πολυμερισμένο από το παραπάνω πυριτικό (σχήμα).

Σχετικά με τα πυριτικά ορυκτά οι αλυσίδες σύνδεσης ή πολυμερή του Si-O τετράεδρου αναφέρονται στον τρόπο όπου τα άτομα των Si και O διατάσσονται σ’ ένα δίκτυο.

Έτσι αναγνωρίζονται τέσσερεις διαφορετικοί τύποι ως προς τα κατιόντα και το οξυγόνο:

1) Δίκτυα σχηματισμού κατιόντων (Network-forming cations) του Si^4- εντός των ενδοσυνδεδεμένων τετράεδρων τα οποία είναι ισχυρά ενωμένα με

2) γεφυρωμένα οξυγόνα (bridging oxygens- ΒΟ).

3) Δίκτυα τροποποίησης κατιόντων (Network-modifying cations) των Ca και Mg τα οποία είναι χαλαρά ενωμένα με 

4) μη-γεφυρωμένα οξυγόνα (non-bridging oxygens-ΝΒΟ) σε μη τετραεδρική διάταξη δεσμών.

Ο λόγος των ΝΒΟ ως προς τα τετραεδρικά συγκροτημένα κατιόντα, κυρίως Si καιAl των δικτυών σχηματισμού των (δηλαδή ο λόγος των τύπων (4)/(1)) είναι ένα μέτρο του βαθμού πολυμερισμού του τήγματος. Μικρό ποσοστό αντιστοιχεί σε μεγάλο βαθμό πολυμερισμού. Σε ένα πλήρως πολυμερισμένο πυριτικό υγρό ο λόγος είναι 0, ενώ σε μερικώς αντίστοιχο πολυμερισμένο, όπως αυτό του διοψίδιου ο λόγος είναι 2/1.

Στην πραγματικότητα η δομή των τηγμάτων είναι πολύ περισσότερο πολύπλοκη από τα παραπάνω παραδείγματα (αρκετές λεπτομέρειες δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί), καθώς εμπλέκονται ιόντα διαφορετικών μεγεθών, φορτίων και ηλεκτραρνητικότητας όπως Al³⁺, Ti⁴⁺,Fe³⁺,P⁵⁺, H^- ή F^-.

Το ιοντικό φορτίο και το μέγεθος των κατιόντων του τροποποιημένου δικτύου, τα οποία σχηματίζουν αδύναμους δεσμούς με ΝΒΟ, συντελούν σημαντικά στη δόμηση του τήγματος. Τα τροποποιημένα δίκτυα συνήθως περιλαμβάνουν α) μονοσθενή K και Na, β) δισθενή Ca, Mg, Fe, Mn, γ) περισσότερο φορτισμένα αλλά λιγότερο πολυπληθή Ρ⁵⁺, Τi^4- και δ) ιχνοστοιχεία.

Η πλέον σημαντική δυναμική ιδιότητα των τηγμάτων είναι το ιξώδες (viscosity), καθώς αποτελεί μέτρο της ταχύτητας ροής του τήγματος και της κινητικότητας των ιόντων. Άρα γίνεται ευνόητο ότι τα περισσότερο πολυμερισμένα τήγματα είναι και τα πιο ιξώδη.

Εναλλακτικά φαίνεται ότι λόγω των ΝΟΒ ανιόντων είναι λιγότερο ισχυροί οι δεσμοί με τα γειτονικά κατιόντα από ότι τα ΒΟ των Si και Al και έτσι συμπεραίνεται ότι το ιξώδες συσχετίζεται με τον λόγο ΝΒΟ/ΒΟ.

Τα άνυδρα ρυολιθικά τήγματα έχουν ουσιαστικά ΝΒΟ και είναι σχεδόν πλήρως πολυμερισμένα με υψηλό ιξώδες. Αντίθετα στα ανδεσιτικά τήγματα ο λόγος των ΝΒΟ ως προς τα δίκτυα σχηματισμού ιόντων τετραεδρικής διάταξης κατιόντων [(4)/(1)] είναι περίπου 0,2 και στα αντίστοιχα βασαλτικά 0,4-1,2 (Mysen, 1988). Συνεπώς, τα μαφικά με χαμηλή συμμετοχή πυριτίου είναι λιγότερο πολυμερισμένα και χαμηλού ιξώδους από τα «στεγνά» πυριτικά τήγματα τήγματα.

 

ΣΗΜΕΙΩΣΗ:

Αποπολυμερισμός είναι η διεργασία η οποία, μέσω της  αύξησης της εντροπίας, μετατρέπει ένα πολυμερές στα μονομερή του.

Στα ΒΟ τα άτομα οξυγόνου που είναι μέρος της δόμησης του πολύμερου με δεσμούς, μπορούν να επιδράσουν στον αποπολυμερισμό, για παράδειγμα καθιστώντας το πολυμερές πιο ευάλωτο στην υδρόλυση ή στην οξείδωση. Στα NBO όπου το Ο₂  δεν είναι χημικά συνδεδεμένο στη δομή του πολυμερούς, η παρουσία του στο περιβάλλον μπορεί να ενεργοποίηση τον αποπολυμερισμό μέσω αντιδράσεων οξείδωσης ή θερμικής ενέργειας.

Exsolution: απόμειξη - αποκρυστάλλωση, ονομάζεται η διεργασία κατά την οποία μια αρκετά ομοιογενής φάση στερεού διαλύματος διαχωρίζεται σε δυο ή περισσότερες διακριτές φάσεις διάλυσης σε συνθήκες subsolidus, δηλαδή κάτω από τη Τ τήξης όπου λαμβάνουν χώρα μεταμορφώσεις των στερεών καταστάσεων πριν από την επίτευξη του κρυσταλλικού σταδίου. Η αποκρυστάλλωση εμφανίζεται σε ορυκτά που περιέχουν δυο ή περισσότερες τελικές χημικές ενώσεις, οι οποίες δεν μπορούν να αναμιχθούν περαιτέρω υπο κανονικές συνθήκες ή σε μετασταθή ορυκτά με πολύπλοκα στερεά διαλύματα μέσω ιοντικών αντικαταστάσεων σε υψηλές Ρ και Τ. Οι περθίτες αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα αποκρυστάλλωσης και σύμφυσης δυο διακριτών ορυκτών.

Αναφερόμενοι σε exsolution πτητικών, διαχωρισμός της υγρής φάσης από την αέρια, ο όρος μπορεί να αποδοθεί όρο ως απόμειξη.

Πτητικά ρευστά (volatiles) στα τήγματα.

Η συμμετοχή των πτητικών στα μαγματικά συστήματα, ακόμη και σε περιορισμένες ποσότητες κυρίως νερού, είναι κρίσιμη για την διαμόρφωση των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς του μάγματος όπως αυτή αναγνωρίζεται στα ένυδρα ορυκτά, στις μαρμαρυγίες, στους αμφίβολους και στις ηφαιστειακές εκρήξεις.

Τα πτητικά συστατικά, τα οποία εξατμίζονται ευκολά είναι χημικές ενώσεις- στοιχεία που βρίσκονται σε αέρια κατάσταση σε συνθήκες ατμοσφαιρικής Ρ. Στις υψηλές Τ του μάγματος απαντώνται ως αέρια οι ατμοί και περιλαμβάνουν: Η₂Ο (ατμός) CO₂, H₂ HCl, N₂, HF, F, Cl, SO₂, H₂S, CO, CH₄, O₂, NH₃, S₂, και ευγενή αέρια όπως He και Ar.Τα περισσότερα πτητικά αποτελούνται από μόνο έξη χαμηλού ατομικού βάρους στοιχεία: H, C, O, S, Cl, F.

Στα πλαίσια της μερικής τήξης τα πτητικά έχουν την ικανότητα να μειώνουν το σημείο τήξης του πετρώματος, δηλαδή μειώνουν την solidus επιτρέποντας την εκκίνηση της τήξης σε χαμηλότερες Τ.

Επιπλέον ενισχύουν την αποδοτικότητα της τήξης του μανδύα και επηρεάζουν την σύνθεση του παραγόμενου μάγματος: το νερό τείνει να σχηματίζει φελσικά τήγματα ενώ αντίθετα το CO₂ ευνοεί την παραγωγή περισσότερων μαφικών τηγμάτων διότι μειώνει λιγότερο την solidus σε σχέση με το νερό.

Τα πτητικά μειώνουν την πυκνότητα του μάγματος αυξάνοντας την πλευστότητά* του διευκολύνοντας έτσι τη διόδευσή του μέσω του φλοιού.

Η απόμειξη των πτητικών αυξάνει την Ρ προκαλώντας εκρηκτικές εκρήξεις (explosive eruptions) λόγω της ταχείας αποσυμπίεσης καθώς το μάγμα πλησιάζει την επιφάνεια.

Συντελούν στην χημική διαφοροποίηση του μάγματος επηρεάζοντας την σύνθεση των πυριγενών πετρωμάτων.

 

Το οξυγόνο είναι το πλέον άφθονο ιόν του μάγματος και στις τρείς φάσεις: στερεά, υγρή και αέρια. Τα πτητικά, στα περισσότερα μάγματα, αποτελούνται κυρίως από νερό και σε μικρότερες ποσότητες από CO₂. Καθώς αυξάνεται η ισοστατική πίεση Ρ, τα διασκορπισμένα αέρια μόρια συμπιέζονται αυξάνοντας την πυκνότητα και επηρεάζουν άλλες ιδιότητες όπως τη δυνατότητα μεταφοράς χημικών στοιχείων στο διάλυμα όπως Si, Fe, Hg κα. Πάνω από το κρίσιμο σημείο, το οποίο ορίζεται ως το σημείο, όπου οι καταστάσεις ατμού και υγρού δεν είναι διακριτές, δηλαδή, δεν υπάρχει απότομη αλλαγή της πυκνότητας ανάμεσα στις δύο φάσεις. Το κρίσιμο σημείο για το Η₂Ο είναι P=22,06 Mpa και η T=374⁰C, ενώ για το CO₂ είναι Ρ=73bar και Τ=31°C. Έτσι σε βάθη μεγαλύτερα του ενός χλμ. δεν υπάρχει καμία γνωστή διάκριση μεταξύ υγρού και αερίου τόσο για το Η₂Ο όσο και για το CO₂. Επομένως, υγρές φάσεις οι οποίες αποτελούνται από πτητικά συστατικά αναφέρονται ως πτητικά ρευστά.

 

*πλευστότητα (buoyancy): η ικανότητα πλεύσης που οφείλεται στη διαφορά της πυκνότητας ενός υγρού ή τήγματος από την πυκνότητα υγρών ή τηγμάτων του περιβάλλοντός του.

Διαλυτότητα (solubility) των πτητικών

Η διαλυτότητα των πτητικών στα μανδυακά τήγματα είναι καθοριστική για την συμπεριφορά, του μάγματος, επηρεάζοντας την παραγωγή, εξέλιξη και ηφαιστειακή δραστηριότητά του. Πτητικά, όπως H₂O, CO₂ S, F, Cl, ανάλογα με την συμμετοχή τους έχουν ουσιαστική επιρροή στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του μάγματος.  

Παράγοντες που επηρεάζουν την διαλυτότητα των πτητικών

Η διαλυτότητα είναι εξαρτημένη από την πίεση (Ρ) αφού υψηλές Ρ προκαλούν την διάλυση μεγάλων ποσοτήτων πτητικών στο τήγμα. Κατά την άνοδο του μάγματος η Ρ μειώνεται και ως εκ τούτου μειώνεται παράλληλα και η διαλυτότητα των πτητικών με αποτέλεσμα την απόμειξη (εξαέρωση) των πτητικών από το τήγμα με την δημιουργία φυσαλίδων που οδηγούν σε ηφαιστειακές εκρήξεις. Οι ροές αυτές της στερεοποιημένης λάβας είναι φυσαλιδώδεις, ενώ σε βαθιά πλουτωνικά πετρώματα υψηλής Ρ δεν είναι, επομένως φυσαλίδες πτητικών απελευθερώνονται από τα τήγματα των οποίων η διαλυτότητά τους μειώνεται σε χαμηλές Ρ. Λάβα που σχηματίζει μαξιλαροειδείς βασάλτες σε μεγάλα ωκεάνια βάθη έχει λιγότερες, μικρότερες ή και καθόλου φυσαλίδες, συγκρινόμενες με τις μαξιλαροειδείς, που σχηματίζονται σε ρηχά ωκεάνια βάθη, ακόμη και όταν η περιεκτικότητα σε πτητικά είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις.

Η επίδραση της θερμοκρασία (Τ) εξαρτάται από το περιβάλλον με το οποίο αντιδρούν τα πτητικά: Η αύξηση της Τ (σε σταθερή Ρ) προκαλεί μείωση της διαλυτότητας λόγω της συνεπαγομένης αύξησης της θερμικής ενάργειας στο τήγμα το οποίο δεν μπορεί να συγκρατήσει τα διαλυμένα πτητικά με αποτέλεσμα την αποδιάλυσή τους. Μ’ αυτόν τον τρόπο το νερό εξαερώνεται (ατμός), το CO₂  σε βασαλτικά και πικριτικά μάγματα καταλήγει σε φάση αερίων ενώ το θείο(S) σε μαφικά τήγματα καταλήγει στον σχηματισμό μη αναμείξιμων σουλφίδιων ή στην αποδέσμευση θειικών αερίων.

Η αύξηση της Τ, σε συνθήκες υψηλής Ρ μπορεί να προκαλέσει αύξηση της διαλυτότητας καθώς επιτρέπει στα μανδυακά τήγματα, μεγάλου βάθους, να συγκρατούν πτητικά τα οποία θα αποδιαλυθούν όταν το μάγμα ανέλθει σε μικρά βάθη και η Ρ μειωθεί επαρκώς.

 

Η σύνθεση του τήγματος είναι κρίσιμη για τον καθορισμό της διαλυτότητας των πτητικών η οποία με την σειρά της επηρεάζει τις ηφαιστειακές διεργασίες, την εξέλιξή του μάγματος κι τον σχηματισμό των κοιτασμάτων. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η διαλυτότητα εξαρτάται και από το είδος των πτητικών:

-Τα πυριτικά (SiO₂) τήγματα γενικώς  διαλύουν μεγάλες ποσότητες  πτητικών, κυρίως νερό, σε σχέση με τα μαφικά (βασαλτικά). Αυτό οφείλεται στον υψηλό πολυμερισμό της δόμησης των τηγμάτων σε πυριτικά συστατικά τα οποία μπορούν να δεχτούν πολλά μόρια νερού σε δεσμούς στη δομή τους. Οπότε ρυολιθικά τήγματα υψηλού πολυμερισμού όπου οι δεσμοί των (Si-O₄^4-) τετράεδρων σχηματίζουν ένα άκαμπτο διασυνδεδεμένο δίκτυο, τείνουν να διαλύουν περισσότερο νερό διότι η δομή τους «απορροφά» μόρια νερού χωρίς να διαταράξουν την ρυολιθική σύνθεση, δηλαδή το νερό αποθηκεύεται στο τήγμα κάνοντας δεσμούς με Si-O καταλαμβάνοντας ενδιάμεσους χώρους. Τα ΒΟ (γεφυρωτικά οξυγόνα), όπου τα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν Si-O-Si δεσμούς, είναι κρίσιμα για την διατήρηση της πολυμερισμένης δομής του τήγματος αλλά και για το ιξώδες. Το νερό διαλύεται σε δύο μορφές, την μοριακή (Η₂Ο) και του υδροξυλίου (ΟΗ⁻).  Το Η₂Ο αντιδρά με τα ΒΟ σχηματίζοντας OH͟⁻ και επομένως αποπολυμερίζει το τήγμα έως ένα επίπεδο αλλά λόγω της ισχυρής σύνδεσης οι μικρές σχετικά ποσότητες νερού μπορούν να γίνουν δεκτές χωρίς, ουσιαστικά, να διαρραγεί η δομή. Αυτό δίνει την δυνατότητα στα ρυολιθικά μάγματα να συγκρατούν νερό με επιπτώσεις στο ιξώδες και στο είδος των ηφαιστειακών εκρήξεων οι οποίες χαρακτηρίζονται βίαιες.

– Τα μαφικά (βασαλτικά) τήγματα είναιλιγότερο πολυμερισμένα συγκρινόμενα με τα ρυολιθικά διότι περιέχουν περισσότερα ιόντα Fe, Mg, Ca και λιγότερo SiO₂. Σ’ αυτά τα τήγματα το πυριτικό δίκτυο είναι λιγότερο ενδοδιασυνδεδεμένο και επομένως η δομή του είναι περισσότερο αποπολυμερισμένη λόγω μεγαλύτερης αναλογίας των ΝΒΟ (μη-γεφυρωτικά οξυγόνα) με αποτέλεσμα το τήγμα να είναι λιγότερο ιξώδες και με μικρή δυνατότητα συγκράτησης διαλυμένου νερού καθώς δεν μπορεί να ενσωματώσει Η₂Ο και ΟΗ⁻.

Το βασαλτικό δίκτυο θεωρείται «εύθραυστο» λόγω της συμμετοχής κατιόντων τα οποία δρουν ως τροποποιητές: Fe²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, και δεν συμβάλουν στο πυριτικό δίκτυο αλλά διαταράσσουν ή «σπάνε» τους δεσμούς των πυριτικών τετράεδρων (Si-O₄⁴⁻) δημιουργώντας ΝΒΟ. Η παρουσία αυτών των κατιόντων – τροποποιητών κάνει το βασαλτικό τήγμα περισσότερο ρευστό και λιγότερο ανθεκτικό στην παραμόρφωση, που σημαίνει ότι η δυνατότητα του τήγματος να συγκρατεί πτητικά (νερό) είναι μειωμένη. Οι βασαλτικές εκρήξεις χαρακτηρίζονται ως διάχυτες (effusive eruptions), λόγω της μικρής περιεκτικότητας σε νερό τα αέρια διαφεύγουν εύκολα, σε αντίθεση με τα ρυολιθικά των οποίων χαρακτηρίζονται ως εκρηκτικές εκρήξεις (explosive eruptions).

 

- Τα αλκαλικά τήγματα εντάσεως Νa₂O και K₂O έχουν διαφορετική συμπεριφορά συγκριτικά με βασαλτικά και ρυολιθικά. Στα αλκαλικά τα Νa⁺ και K⁺ δρουν ως τροποποιητές δικτύου και διαρρηγνύουν τα τετράεδρα (Si-O₄⁴⁻) δημιουργώντας ΝΒΟ, με αποτέλεσμα την μείωση του πολυμερισμού του τήγματος. Αν και είναι λιγότερό πολυμερισμένα τείνουν να έχουν μεγαλύτερη ικανότητα διάλυσης του νερού από τα βασαλτικά λόγω του συνδυασμού των παρακάτω παραγόντων:

α) Η ευκαμψία του πυριτικού δικτύου οφείλεται στην παρουσία των αλκαλικών μετάλλων διότι δημιουργούν ένα λιγότερο άκαμπτο δίκτυο με δομική ευλυγισία που δέχεται μόρια νερού. Ακόμη η ευκαμψία επηρεάζεται από το χαμηλό ιξώδες λόγω των μειωμένων Si-O-Si δεσμών που δημιουργούνται κατά τον αποπολυμερισμό.

β) Η επίδραση στον διαχωρισμό των πτητικών αναφέρεται στον τρόπο διανομής των, μεταξύ των φάσεων της τήξης και των αερίων, κατά την διάρκεια της μαγματικής διεργασίας. Ο διαχωρισμός στα αλκαλικά τήγματα λόγω της παρουσίας Νa⁺ και K⁺ επηρεάζει την δομή του πυριτικού πλέγματος μειώνοντας το ποσοστό πολυμερισμού το οποίο όμως, σε κάθε περίπτωση, παραμένει περισσότερο πολυμερισμένο και δέχεται μεγαλύτερες ποσότητες πτητικών από τα αντίστοιχα μαφικά τήγματα. Η συμπεριφορά πτητικών όπως H₂O, CO₂, S, Cl, F επηρεάζει έντονα τα χημικά και δομικά χαρακτηριστικά του τήγματος και ιδιαίτερα την ποσότητα των πτητικών που μπορεί να διαλύσει και να τα διατηρήσει.

 

 

Σημειώνεται ότι καθώς και τα δυο είδη τήγματος αποπολυμερίζονται, στα βασαλτικά δρουν δισθενή κατιόντα ενώ στα αλκαλικά μονοσθενή κατιόντα με αποτέλεσμα τα βασαλτικά να αποπολυμερίζονται λιγότερο από τα αλκαλικά. Αυτό συμβαίνει διότι τα δισθενή με το μεγάλο φορτίο και την ισχυρότερή αλληλεπίδραση με τα οξυγόνα, σε σχέση με τα μονοσθενή, περιορίζουν την έκταση των διαρρήξεων του δικτύου σε αντίθεση με τα μονοσθενή τα οποία παράγουν περισσότερα ΝΒΟ.

Solidus: είναι η χαμηλότερη Τ στην οποία ένα πέτρωμα αρχίζει να τήκεται.

Liquidus: είναι η Τ κατά την οποία ολοκληρώνεται η τήξη όλου του πετρώματος.

Η δυνατότητα διαφυγής του οξυγόνου ή δυναμικό οξυγόνου (oxygen fugacity ƒO₂) είναι θερμοδυναμικός όρος και αναφέρεται στην αποτελεσματική διαθεσιμότητα του O₂ σε ένα σύστημα ώστε να μπορεί να συμμετέχει στις χημικές αντιδράσεις καθορίζοντας τον βαθμό οξειδοαναγωγής (Redox) ενός περιβάλλοντος, όπως στον μανδύα, όπου η ƒO₂ είναι κρίσιμη για την κατάσταση του σθένους των πολυδύναμων στοιχείων όπως Fe, Cr, Ti, και V, δηλαδή, επηρεάζει απευθείας την οξειδωτική τους κατάσταση.

Αυτά τα πολυδύναμα στοιχεία, με την σειρά τους, επηρεάζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των τηγμάτων. Επομένως υπάρχει μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ της ƒO₂ και της διαλυτότητας των πτητικών.

Σε πτητικά (όπως H₂O, CO₂ SO₂), με υψηλό βαθμό ƒO₂ αυτό συνεπάγεται και υψηλή P εντός αυτών με αποτέλεσμα την αύξηση της διαλυτότητά τους καθώς περισσότερα μόρια πτητικών διαλύονται στην υγρή φάση ώστε να επιτευχθεί ισορροπία. Για παράδειγμα υψηλή ƒO₂  του νερού σημαίνει ότι περισσότερο νερό θα διαλυθεί στο μάγμα οδηγώντας πιθανώς σε σχηματισμό ένυδρων ορυκτών.

Ακόμη, στην υψηλή ƒO_2,  τα αέρια είναι χημικά πιο ενεργά και τείνουν να προωθούν αντιδράσεις που απαιτούνται συστατικά πτητικών. Δηλαδή υψηλή ƒO₂ είναι ένδειξη ενός περισσότερου οξειδωμένου περιβάλλοντος.

Σε συνθήκες χαμηλής ƒO₂  η ενεργός Ρ είναι χαμηλή και ως εκ τούτου διαλύονται λιγότερα μόρια της υγρής φάσης με αποτέλεσμα την μείωση της διαλυτότητας. Στα μαγματικά συστήματα ροής η χαμηλή ƒO₂  προκαλεί την απόμειξη των πτητικών με αποτέλεσμα την δημιουργία φυσαλίδων. Αυτή είναι η βασική διεργασία όπου η εξαέρωση του μάγματος προκαλείται από την μειωμένη ƒO₂.

Συνοψίζοντας η ƒO₂, στα γεωλογικά συστήματα, καθορίζει την κατάσταση οξείδωσης των στοιχείων και ρυθμίζει διεργασίες όπως η κρυστάλλωση ορυκτών και η εξέλιξη των μαγμάτων.

 

Συνέπειες της απόμειξης των ρευστών από τα τηγματα

Η απόμειξη (exsolution) των πτητικών στα μαγματικά συστήματα επηρεάζει καθοριστικά διάφορα γεωλογικά φαινόμενα. Ορισμένα από αυτά παρατηρούνται σε μικρού βάθους ηφαιστειακά περιβάλλοντα του φλοιού όπου το μάγμα μπορεί να διοχετεύσει τα πτητικά στην επιφάνεια και να αλληλοεπιδράσουν με τα ατμοσφαιρικά αέρια. Αντίθετα διαφορετικές διεργασίες προκύπτουν σε έγκλειστα πλουτωνικά μάγματα, βαθύτερα στον φλοιό, όπου είναι εφικτές οι αλληλοεπιδράσεις με τα υπόγεια νερά.

Εκρηκτική ηφαιστειότητα

Η απόμειξη και η διαστολή των πτητικών θεωρούνται οι κύριες δυνάμεις που πυροδοτούν την εκρηκτική ηφαιστειότητα. Τα μαγματικά συστήματα είναι ανοικτά καθώς η απόμειξη χαρακτηρίζεται από μία πολύπλοκη διαδραστικότητα που συμπεριλαμβάνει την Ρ και Τ, την αρχική συγκέντρωση των πτητικών στο τήγμα, το είδος των πτητικών στοιχείων, τις μεταβολές στη διαλυτότητα και την αλληλεπίδραση τόσο με την ατμόσφαιρα όσο και με τα περιβάλλοντα πετρώματα. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν και τροποποιούν τις παραμέτρους των εκρήξεων ακόμη και κατά τη διάρκεια εντόνων διογκώσεων του μάγματος. Καθώς το μάγμα ψύχεται και κρυσταλλώνεται κατά την άνοδό του προς την επιφάνεια και παράλληλα, η αποσυμπίεση ενισχύει την απόμειξη των πτητικών Για αυτόν τον λόγο, τα ηφαίστεια εκπέμπουν αέρια πριν και μετά τα εκρηκτικά επεισόδια.

Δεν είναι όλα τα αέρια νεοδημιουργημένα (juvenile) καθώς κάποια εμπεριέχονται στο τήγμα από την αρχική του θέση δηλ. στο βαθύ φλοιό ή στον άνω μανδύα. Κάποια άλλα μπορεί να προέρχονται από τη θέρμανση υπογείων νερών τα οποία προέρχονται από ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις.

Υπάρχουν επαρκείς ενδείξεις ότι τα περισσότερα μαγματικά σώματα, ειδικά τα πυριτικά, παρουσιάζουν μεγάλες συγκεντρώσεις πτητικών, κυρίως νερού, στο ανώτερο τμήμα του μαγματικού θαλάμου. Εξαιτίας αυτού οι πρώτες φάσεις των εκρήξεων είναι ιδιαίτερα ισχυρές λόγω της απότομης αποδέσμευσης αυτών των πτητικών. Ωστόσο καθώς η έκρηξη συνεχίζεται, τείνει να γίνεται λιγότερο εκρηκτική αφού πλέον το μάγμα στο κάτω τμήμα του θαλάμου διαθέτει σημαντικά λιγότερα πτητικά. 

Ακόμη, ουσιώδεις παράγοντες για την ηφαιστειότητα είναι οι κινητικοί, με σημαντικότερους το ιξώδες του μίγματος και τον ρυθμό ανόδου του μαγματικού σώματος και οι οποίοι προκαλούν διαφορετικές δυναμικές συμπεριφορές.

Χαμηλού ιξώδους μαφικά μάγματα με αργό ρυθμό ανόδου και σταδιακή αποσυμπίεση, επιτρέπουν στα πτητικά που προκύπτουν από την απόμειξη να σχηματίζουν φυσαλίδες και να διαχωρίζονται εύκολα από το τήγμα. Αυτές οι φυσαλίδες διαφεύγουν είτε μέσω ρωγμών των περιβαλλόντων πετρωμάτων είτε σχετικά ήρεμα από τον ηφαιστειακό πόρο σε ροές συμπαγούς μη εκρηκτικής λάβας. Έτσι οι φυσαλίδες στην στερεοποιημένη λάβα καθορίζουν τον φυσαλώδη ιστό.

Υψηλού ιξώδους πυριτικά μάγματα, τα οποία ψύχονται και κρυσταλλώνεται σε ρηχούς θαλάμους του φλοιού συχνά βρίσκονται σε κατάσταση αποσυμπίεσης. Στα πολυμερισμένα τήγματα τα διαλυμένα πτητικά απελευθερώνονται με αργό ρυθμό προκαλώντας κατάσταση ανισορροπίας, όπου η Ρ των πτητικών είναι μεγαλύτερη από την ισοστατική Ρ, με αποτέλεσμα τη δημιουργία υπερσυμπιεσμένων συστημάτων. Η διεργασία αυτή επιβραδύνεται περαιτέρω, καθώς το νερό αποδιαλύει το τήγμα, καθιστώντας την απελευθέρωση των πτητικών ακόμη πιο δύσκολη. Το αποτέλεσμα είναι η ανάπτυξη υπερσυμπίεση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε εκρηκτικά επεισόδια όταν η Ρ ξεπεράσει την αντοχή του περιβάλλοντος φλοιού. Δηλαδή υπερσυμπιεσμένα συστήματα μπορούν να διαρρήξουν τα υπερκείμενα πετρώματα με αποτέλεσμα την απότομη αποσυμπίεση του μάγματος. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και μετά από μέτριο σεισμό (πχ. ηφαίστειο Αγίας Ελένης). Έτσι συμπιεσμένες φυσαλίδες πτητικών διαρρηγνύουν τα ενδιάμεσα τοιχώματα του τήγματος δημιουργώντας θραύσματα τα οποία καθώς ψύχονται σχηματίζουν τους υαλοκλάστες και φαινοκρύσταλλους. Όλα αυτά τα μικροτεμάχη του πρώην συμπαγούς μάγματος μαζί με τυχόν θραύσματα πετρωμάτων σχηματίζουν τους πυροκλαστές (pyroclasts) και οι αποθέσεις των έχουν πυροκλαστικό ιστό.

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω σε τέτοια υπερσυμπιεσμένα ηφαιστειακά συστήματα γίνεται προφανές ότι η πίεση του μάγματος (Pf) δεν μπορεί να είναι μικρότερη ή ίση με την περιβάλλουσα πίεση (Ρ) που προκύπτει από το βάρος των υπερκείμενων πετρωμάτων. Με άλλα λόγια, για να γίνει διάρρηξη των υπερκείμενων πετρωμάτων θα πρέπει να ισχύει:

Pf > Ρ + αντοχή των πετρωμάτων (Burnham 1985).

Καθώς τα πετρώματα θρυμματίζονται δημιουργούνται λατυποπαγή (breccia) σε διάφορα μεγέθη και με διάμετρο μερικών εκατοστών. 

Κατά την έκρηξη αποδιαλυμένα ηφαιστειακά αέρια διαρρέονται στην ατμόσφαιρα σε μεγάλες ποσότητες, αν όμως η διαρροή είναι πολύ αργού ρυθμού δημιουργούνται οι φουμαρόλες (fumaroles), αν είναι θειούχες ονομάζονται solfataras, οι οποίες διοχετεύουν τις ίδιες μεγάλες ποσότητες αερίων σε διάστημα όμως πολλών ετών. Βρίσκονται στη κορυφή του κρατήρα ή στις πλαγιές του ενεργού ηφαιστείου όπου από τη πολυετή δραστηριότητα αποθέτουν λάβα και πυροκλαστικό υλικό.

Ψυχόμενα αποδιαλυμένα αέρια από το μάγμα αναμιγνυόμενα με νερά επιφάνειας και υπόγεια, δημιουργούν τις θερμές πηγές (πχ Yellowstone). Εξαιτίας της ευρείας μόλυνσης με νερά επιφανείας, θαλάσσια και ατμοσφαιρικά αέρια, τα οποία είναι πολύ οξειδωμένα, το ακριβές είδος των αερίων και οι διαλυτότητές τους δεν είναι εύκολο να προσδιορισθούν. Πάντως σε θερμικά μοντέλα (Symonds et al., 1994) φάνηκε ότι αρκετά στοιχεία διακινούνται σε Τ 800⁰ -900⁰C όπως τα συμπλέγματα χλωρίου (NaCl, KCl, FeCl₂, ZnCl₂, PbCl₂, CuCl, SbCl₃, MnCl₂, NiCl₂, MoO₂Cl₂) και ακόμη μερικά στοιχεία όπως θειούχα, φθοριούχα και ανθρακικά.

Κάτω από την επιφάνεια (της Γης) σε αυξημένες Ρ, καυτά υδατώδη ρευστά τα υδροθερμικά διαλύματα (hydrothermal solutions) μεταφέρουν πολλά από τα στοιχεία ίδια με αυτά που βρίσκονται και στα αέρια των φουμαρόλων. Αυτά τα διαλύματα είναι ουσιαστικά αλατώδη στα οποία το συνολικό ποσοστό των στερεών διαλυμάτων είναι περίπου 50%. Τα διαλυμένα στοιχεία είναι κυρίως Na, K, Ca, και Cl και σε μικρότερες ποσότητες βρίσκουμε Mg, Br, SO₄, H₂S, CO₂, και πιθανώς NH₃ αλλά συμπεριλαμβάνονται και ιχνοστοιχεία όπως Au, Ag, Cu, Zn, Pb, και Mo.

Τα αποδιαλυμένα ρευστά από την αποσυμπίεση και ψύχρανση του μάγματος έχουν περίπου ουδέτερο pH, αλλά με την μείωση της Τ, χλωριούχες και θειούχες ενώσεις ιονίζονται και τα υδροθερμικά διαλύματα γίνονται φορείς μετάλλων καθώς επίσης αναπτύσσουν οξέα τα όποια αλληλοεπιδρούν με παρακείμενα πετρώματα. Πηγές υδροθερμικών διαλυμάτων είναι τα μαγματικά ρευστά, τα θερμαινόμενα μετεωρικά ή υπόγεια νερά και ρευστά προϊόντα που προκύπτουν από τις μεταμορφωτικές αντιδράσεις. Ακόμη η θερμική ενέργεια, που προέρχεται από την ψύχρανση των διεισδύσεων, θερμαίνει τα παραπάνω κυκλοφορούνται υδροσυστήματα.

Οι θερμές πηγές (hot springs) στον βυθό, κατά μήκος των μέσω-ωκεάνιων ραχών, είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα μεταγωγής της μαγματικής θερμότητας. Επειδή τα υδροθερμικά διαλύματα αναπτύσσουν διαλυτικές δυνατότητες σε υψηλή Τ, μεταναστεύουν με μεταγωγή διαμέσου μεγάλων όγκων πετρωμάτων για δεκάδες ή εκατοντάδες χρόνια και μπορούν να αποπλύνουν σημαντικές ποσότητες ιόντων πολυτίμων μετάλλων καθώς διυλίζουν τα πετρώματα από τα οποία διέρχονται.

Τα παραπάνω ιόντα είτε προέρχονται από πετρώματα είτε από ρευστά απόμειξης κρυσταλλικών τηγμάτων, τα διαλυμένα σ’ αυτά, μέταλλα κατακρημνίζονται από τα υδροθερμικά διαλύματα και σχηματίζουν υδροθερμικές αποθέσεις μεταλλευμάτων (ore deposits) / κοιτάσματα. Συνήθως αυτές οι αποθέσεις συσχετίζονται με στρωματώδεις φλέβες διαφόρων ορυκτών όπως ο χαλαζίας. Ακόμη συσχετίζονται με αποθέσεις από περιβάλλοντα πετρώματα που έχουν υποστεί θερμική και χημική αλληλεπίδραση από τα μεταναστεύοντα όξινα ρευστά.

 

Μια ακόμη οικονομικά σημαντική πηγή που συνδέεται  με τα μαγματικά συστήματα είναι τα γεωθερμικά αποθέματα (geothermal reservoirs) τα οποία αποτελούνται από μεγάλες ποσότητες υπογείων νερών, προερχόμενων σχεδόν αποκλειστικά από μετεωρικές πηγές. Αυτά τα γεωθερμικά αποθέματα έχουν αναπτυχθεί σε σχετικά πρόσφατες περιοχές (1Μa) ηφαιστειότητας, όπου τα σχετιζόμενα υπόγεια μαγματικά σώματα το οποίο δεν έχουν ακόμα ψυχρανθεί επαρκώς ώστε η θερμική τους ενέργεια να έχει διαχυθεί πλήρως.

 

Επιδράσεις των πτητικών στο κλίμα και στην ατμόσφαιρα

Η απόμειξη των μαγματικών πτητικών όπως SO₂ και CO₂ κατά την διάρκεια των ηφαιστειακών εκρήξεων προκαλούν σημαντικές επιπτώσεις στην ατμόσφαιρα, καθώς απελευθερώνουν σημαντικές ποσότητες SO₂ στην στρατόσφαιρα με συνέπεια την δημιουργία αερολυμάτων θειικού οξέος τα οποία παραμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα και αντανακλούν το ηλιακό φως προξενώντας προσωρινή ατμοσφαιρική ψύξη (Pinatubo 1991). Ακόμη οι εκπομπές CO₂ συμβάλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου αλλά και στην οξίνιση (μείωση pH) των ωκεανών με επιπτώσεις στα θαλάσσια οικοσυστήματα και ειδικότερα στους οργανισμού που εξαρτώνται από το ανθρακικό ασβέστιο για τον σχηματισμό των κελυφών.

 

 

ΚΙΝΗΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΤΩΝ ΤΗΓΜΑΤΩΝ

1. Το ιξώδες των τηγμάτων – (κίνηση των υλικών)

Σε ατομική κλίμακα, το ιξώδες στα τήγματα είναι το μέτρο της κινητικότητας των ατόμων, δηλαδή πόσο εύκολα οι δεσμοί μπορούν να τεντωθούν, να σπάσουν ή να ανασχηματιστούν με τα γειτονικά άτομα. Η στερεοποίηση των τηγμάτων και η απόμειξη των πτητικών είναι οι δύο βασικοί παράγοντες, οι οποίοι επηρεάζουν την κινητικότητα ή τη δυσκαμψία των ατόμων, όπως στη ροή της λάβας ή την αντίστασή τους σε ροή ή παραμόρφωση. Μικρή κινητικότητα αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο ιξώδες, το οποίο είναι ο βασικός παράγων που ελέγχει τη δυναμική συμπεριφορά του μάγματος. Συγκεκριμένα, από το ιξώδες εξαρτάται: ο διαχωρισμός των μερικών τηγμάτων από τον ανώτερο μανδύα και από τις πηγές του κατώτερου φλοιού, η πρόσβαση του μάγματος σε μικρότερα βάθη, διεισδύσεις ή/και εξωθήσεις του μάγματος ως λάβα ή ως εκρηκτικά τεμάχη καθώς επίσης και η κρυσταλλοποίησή του.

Η διατμητική τάση (shear stress) ιξώδους ροής ορίζεται ως: σ=η(dv/dy) = η(dε/dt)

Όπου: ε=στρεβλωτική παραμόρφωση (strain), η=συντελεστής ιξώδους υλικού, v=ταχύτητα

y=απόσταση και t=χρόνος

Δηλαδή, η παραμόρφωση της ροής από δύναμη που ασκείται παράλληλα σε ένα ιξώδες σώμα είναι συνάρτηση της κλίσης της ταχύτητας (velocity gradient: dv/dy) ή εναλλακτικά του ρυθμού της στρεβλωτικής παραμόρφωσης (strain rate: dε/dt) ο οποίος εξαρτάται από το χρόνο.

Οι δύο βασικοί παράγοντες, που διέπουν το ιξώδες των τηγμάτων και την σύνθεσή τους, είναι ο βαθμός πολυμερισμού τους και η θερμοκρασίας τους.

Έτσι, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα πυριτικά τήγματα τα οποία έχουν μικρή αναλογία σε ΝΟΒ είναι περισσότερο ιξώδη, εφόσον τα ιόντα δεν μπορούν να κινηθούν ευκολά, ειδικά αυτά που συνθέτουν πολύμερα, λόγω των ισχυρών δεσμών μεταξύ Si–Ο και Al–Ο. Η μείωση του ιξώδους απαιτεί τη διάσπαση αυτών των δεσμών. Τα λιγότερο πολυμερισμένα τα οποία περιέχουν διαλυμένο νερό ή/και φθόριο έχουν χαμηλότερο ιξώδες. Πάντως η ύπαρξη διαλυμένου νερού, ανεξάρτητα από τη συγκέντρωσή πυριτίου, μειώνει δραστικά το ιξώδες διότι τα πολύμερα διασπώνται από τα ιόντα υδροξυλίου (OH͟⁻)^.

Στα βασαλτικά τήγματα, το διαλυμένο νερό έχει μικρή επίδραση στο ιξώδες, διότι είναι λιγότερο πολυμερισμένα ανεξαρτήτως της περιεκτικότητάς τους σε πτητικά. Ακόμη το διαλυμένο φθόριο μειώνει τόσο τον πολυμερισμό όσο και το ιξώδες, καθώς παρουσιάζει περιορισμένη διαλυτότητα σε τήγματα χαμηλής Ρ, μπορεί να παραμένει στο διάλυμα και επομένως να βελτιώνει την κινητικότητα της εξερχόμενης στην επιφάνεια λάβας.

Στα ρυολιθικά τήγματα, το χαμηλότερο ιξώδες παρατηρείται όταν περιέχουν διαλυμένο νερό και φθόριο. Το χαμηλότερο γνωστό ιξώδες σε γήινα τήγματα, βρίσκεται στους υπερμαφικούς υψηλής Τ κοματιίτες και στους ουσιαστικά χωρίς πυρίτιο αλκαλικούς καρμπονατίτες εξωθούμενοι στους 585°C από το Oldoinyo Lengai ηφαίστειο στη Ανατολική Αφρικανική Ράχη (East African Rift - Dawson et al.,1990).

2. Χημική διάχυση – (κίνηση των ατόμων)

Διάχυση (diffusion) είναι η κίνηση μεμονωμένων ατόμων ή μορίων από περιοχές υψηλής σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης. Το υλικό στο οποίο τα άτομα κινούνται δεν είναι αναγκαίο να κινείται κι αυτό. Άτομα και μόρια διαχέονται γρηγορά μέσω αερίων σωμάτων όπου τα άτομα είναι ευρέως διασπαρμένα με πολύ χαλαρούς δεσμούς. Αντίθετα, η διάχυση είναι περισσότερο αργή στα υγρά και εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από το ιξώδες και την Τ. Σε υψηλές Τ η ατομική διαστέλλεται την και λόγω του χαμηλού ιξώδους δημιουργείται μεγαλύτερη ελευθέρια κινήσεων στα διαχέοντα άτομα. Στα στερεά, η διάχυση είναι ακόμη πιο  αργή καθώς τα άτομα διατηρούν στενούς και ισχυρούς δεσμούς με σαφώς περιορισμένη κινητικότητα σχετικά με τα υγρά.

Ο Bowen (1921) είναι ο πρώτος που επισήμανε την σημαντική συμβολή της διάχυσης σε μαγματικά συστήματα, καθώς είναι σημαντικός παράγων στις πετρολογικές διεργασίες, όπως είναι: α) η ανάπτυξη των κρυστάλλων από τα τήγματα, β) η δημιουργία των πολυσύνθετων διαλυμάτων, γ) η απόμειξη των πτητικών από τα τήγματα, δ) η ανάμιξη και μόλυνση του μάγματος και ε) η ανταλλαγή ισοτόπων μεταξύ κρυστάλλων και ρευστών. Σημαντικό στον καθορισμό της πετρολογικής ιστορίας είναι ότι η διάχυση είναι αργή στα τήγματα και πάρα πολύ αργή στα κρύσταλλα και ως εκ τούτου ίχνη και απομεινάρια των προηγούμενων φάσεων μπορούν να διατηρηθούν στα μαγματικά πετρώματα.

Είδη διάχυσης

Τρείς διοδεύσεις είναι πιθανές στη συσσωμάτωση των κόκκων των ορυκτών στο πέτρωμα:

1.Διάχυση επιφάνειας η οποία παρατηρείται πάνω σε περιοχές (πλέγματα) δύο διαστάσεων, όπου τα ιόντα κινούνται πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια ενός κόκκου ορυκτού, μέσω της επαφής με ένα στάσιμο υγρό.

2. Ενδοκοκκώδη (intergranular) διάχυση παρατηρείται κατά μήκος κοινών περιθωρίων που περιβάλλουν κόκκους ορυκτών. Η διάχυση είναι πιο αργή από αυτή της επιφάνειας λόγω των επιβραδυντικών επιδράσεων στους παρακείμενους κόκκους, αν και οι δύο χρησιμοποιούν την εξωτερική όψη του κόκκου. Η ύπαρξη ενός λεπτού στρώματος ρευστού μεταξύ των περιθωρίων των κόκκων διευκολύνει την διάχυση.

3. Διάχυση όγκου παρατηρείται εντός κάθε απλής ομοιογενούς φάσης, όπως σε ένα κρύσταλλο η σε τήγμα. Αυτή η διάχυση διαμέσου των στερεών είναι γενικά η πλέον αργή.

Νόμοι του Fick

Πρώτος νόμος: σχετίζεται με τη ροή της διάχυσης ως προς τον βαθμό της συγκέντρωσης. Εκφράζει ότι η ροή μετακινείται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής, με το μέγεθος της ροής να είναι ανάλλαγο του βαθμού συγκέντρωσης:

J_i = ροή διάχυσης i ατόμων, (dc/dx) = βαθμός συγκέντρωσης για απόσταση x σε μία διάσταση (μήκος)

και c = η συγκέντρωση της οποίας η διάσταση είναι το ποσό του υλικού ανα μονάδα όγκου.

D = ο συντελεστής διάχυσης ή διαχυτικότητας (*) (diffusivity) σε μονάδες m²/sec.

Το αρνητικό πρόσημο υποδηλώνει τη ότι τα άτομα ρέουν από πυκνότερη σε αραιότερη συγκέντρωση.

Ο ρυθμός μεταγωγής ή ροή διάχυσης, J_i, μπορεί να θεωρηθεί ως ο λόγος της κινητήριας δύναμης dc_i ως προς την δύναμη αντίστασης dx/D_i, για τις κινήσεις των ατόμων της διάχυσης. Σε ισότροπες φάσεις όπως τα τήγματα, όπου οι ιδιότητες είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις ο ρυθμός διάχυσης είναι ανεξάρτητος της διεύθυνσης και μόνο μια τιμή της D εφαρμόζεται. Πάντως, τα περισσότερα κρύσταλλα είναι ανισότροπα, όπου οι τιμές του συντελεστή και του ρυθμού διάχυσης είναι διαφορετικές σε διάφορες κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις. Εστί ο πρώτος νόμος του Fick περιγράφει μια σταθερή κατάσταση στην οποία η συγκέντρωση παραμένει σταθερή διαχρονικά.

Η (1) στις τρεις διαστάσεις γράφεται:  

Δεύτερος νόμος: επειδή η εφαρμογή της χημικής διάχυσης στα δυναμικά πετρολογικά συστήματα είναι εξαρτώμενη από το χρόνο, αυτή εκφράζεται με τον 2^ο νομό του Fick με 2^ου βαθμού διαφορική εξίσωση:

Η (3) στις τρεις διαστάσεις, αντίστοιχα, γράφεται:

Μία άλλη διάταξη μπορεί να σχετίζεται με κρύσταλλο φαγιαλίτη (Fe₂SiO₄) που βρίσκεται σε επίπεδη επαφή με κρύσταλλο φορστερίτη (Mg₂SiO₄), όπου σε υψηλές Τ τα ιόντα Mg²⁺ διαχέονται εντός του φαγιαλίτη και ιόντα Fe²⁺ μεταναστεύουν προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσα στον φορστερίτη. Σε αυτή τη περίπτωση η ιοντική κίνηση είναι διπλή, ώστε να διατηρηθούν η ηλεκτροστατική ισορροπία και τα στοιχειομετρικά χαρακτηριστικά του ολιβίνη. Αν αυτή η επαφή διατηρηθεί για αρκετό χρόνο, πάντα σε υψηλές Τ, οι συγκεντρώσεις των κατιόντων των Mg και Fe γίνονται ομοιόμορφες για τους δυο κρυστάλλους και σχηματίζουν ένα ομοιογενή κρύσταλλο, δεδομένου ότι συνηγορούν οι κρυσταλλογραφικοί προσανατολισμοί.

Η διαχυτικότητα, D, ενός συγκεκριμένου ατόμου σ’ ένα τήγμα η σε πτητικό ρευστό είναι αντίστροφα ανάλογη με την ακτίνα του r, και με το ιξώδες του σώματος, αλλά ευθέως ανάλογη με την Τ, όπως εκφράζεται με την εξίσωση Stokes-Einstein:

D=kT/6πη^r

Όπου k η σταθερά του Boltzmann, η Τ σε βαθμού Kelvin και η ο συντελεστής του ιξώδους.

Στην παραπάνω εξίσωση θεωρείται δεδομένο ότι η Ρ έχει πολύ ασθενή επίδραση και παραλείπεται καθόσον την ίδια επίδραση έχει και η Ρ με την η.

Η εξίσωση συνδέει τον ρυθμό με την Τ, με το μέγεθος των σωματιδίων και με το ιξώδες του τήγματος.

Επιπλέον η εξάρτηση της διάχυσης από την Τ περιγράφεται από την παρακάτω μορφή της εξίσωσης του Arrhenius (η επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων (ανάρτηση: «Ρεολογία της λιθόσφαιρας»):

D=D₀exp(-E_a/RT)

όπου: Εa: ενέργεια εκκίνησης αντίδρασης, R: η σταθερά των αερίων.

Επομένως η διαχυτικότητα διαμορφώνεται από τρεις μεταβλητές: T, D₀, and E_a και η εξίσωση δεικνύει ότι η διάχυση αυξάνεται σε υψηλότερες Τ.

3. Θερμική διάχυση – (κίνηση της θερμικής ενέργειας)

Η διάχυση της θερμότητας είναι το τρίτο φαινόμενο μεταφοράς σε συσχέτιση με την πετρολογία καθώς απαιτείται μεταφορά της κινητικής ενέργειας δια μέσου των ατομικών δικτύων. Εκφράζεται με παρόμοιες εξισώσεις με τη χημική:

Για τις μεταβολές της Τ σε μια διάσταση z ο νόμος του Fourier για τη μεταφορά θερμότητας ως προς τον χρόνο γράφεται:

Όπου dq είναι η ποσότητα της μεταφερόμενης θερμότητας σε χρόνο dt και k είναι η θερμική αγωγιμότητα. Το αρνητικό πρόσημο υπενθυμίζει ότι η ροή γίνεται προς τη χαμηλότερη Τ.

Μια άλλη έκφραση ενδογενούς θερμικής ιδιότητας ενός υλικού είναι η θερμική διαχυτικότητα (thermal diffusivity):

 K= k/ρC       (6)  

Όπου C η ειδική θερμότητα, ρ η πυκνότητα και k είναι η ικανότητα αγωγιμότητας του υλικού σε σχέση με την συσσωρευτική του δυνατότητα.

ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΠΟΙΗΣΗ

Η ανάπτυξη ενός κρυστάλλου, σε ψυχόμενο τήγμα, ξεκινά από ένα σύμπλεγμα ιόντων που ονομάζεται πυρήνας (nucleus) και διαθέτει όλα τα χαρακτηριστικά του κρυστάλλου. Καθώς το συμμετρικό πλέγμα του κρυστάλλου διαφέρει σημαντικά από τις άτακτες διατάξεις (ασσυμετρίες) των ιόντων του τήγματος, είναι απαραίτητη η ουσιώδη αναδιοργάνωση των ιόντων για την δημιουργία του κρυσταλλικού πυρήνα. Μόλις ο πυρήνας γίνει βιώσιμος ξεκινά η κρυσταλλική ανάπτυξη (crystal growth) η οποία επιτυγχάνεται με τη συσσώρευση ιόντων πάνω στον πυρήνα και με την συμμετοχή κι άλλων κινητικών παραγόντων.

Ενεργειακό φράγμα (energy barrier) 

Ένα ενεργειακό φράγμα (ΕΒ) αναφέρεται στο ελάχιστο ενεργειακό όριο (threshold) το οποίο πρέπει να ξεπεραστεί από μια συγκεκριμένη διεργασία ώστε να συνεχιστεί η ολοκλήρωσή της.

Στα πλαίσια της πυρηνοποίησης και της κρυσταλλικής ανάπτυξης το ΕΒ αντιπροσωπεύει την ενέργεια που απαιτείται από τα ιόντα, άτομα ή τα μόρια ώστε να μπορέσουν να οργανωθούν σε μια σταθερή διάταξη στο κρυσταλλικό πλέγμα υπερβαίνοντας τις αλληλεπιδράσεις, τόσο των απωθητικών δυνάμεων όσο και της ενεργειακής επιφάνειας στο όριο κρυστάλλου – τήγματος, για είναι εφικτή η κρυσταλλική τους ενοποίηση.

Απωθητικές δυνάμεις: Όταν ιόντα ή άτομα προσεγγίζουν την κρυσταλλική επιφάνεια αντιμετωπίζουν ηλεκτροστατικές και ενδομοριακές απωθήσεις. Οι δυνάμεις αυτές είναι ιδιαίτερα έντονες αν υπάρχει περιβάλλον ιδίου φορτιού ή αν η επιφάνεια είναι ήδη πολυπληθής. Επομένως για να υπερβούν αυτές τις απωθητικές δυνάμεις απαιτείται ενέργεια ώστε τα σωματίδια να μπορέσουν να εντοπίσουν τις κατάλληλες περιοχές για το κρυσταλλικό πλέγμα.

 

Αλληλεπιδράσεις της ενεργειακής επιφάνειας: Η διασύνδεση κρυστάλλου – τήγματος παρουσιάζει ένα μοναδικό ενεργειακό περιβάλλον το όποιο επηρεάζεται από την ένταση της επιφάνειας και τη διαφορά της σύνθεσης των δομών μεταξύ κρύσταλλου και τήγματος. Ένα σωματίδιο για να ενσωματωθεί στον κρυσταλλο χρειάζεται ενέργεια διότι θα πρέπει να υιοθετήσει συγκεκριμένο προσανατολισμό και ευθυγράμμιση για να προσαρμοστεί στη κρυσταλλική δόμηση του πλέγματος. Επομένως, αυτό δημιουργεί ένα ΕΒ αφού το σωματίδιο πρέπει να μεταβεί από μια κατάσταση αταξίας (τήγμα) σε μια τακτοποιημένη (κρύσταλλος). Αυτοί οι δυο παράγοντες, τόσο για την πυρηνοποίηση όσο και για την ανάπτυξη του κρυστάλλου αποτελούν ενεργειακό φράγμα.

ΠΥΡΗΝΟΠΟΙΗΣΗ

Η πρωτογενής πυρηνοποίηση (primary nucleation) στα μαγματικά τήγματα αναφέρεται ως η αρχική διεργασία κατά την οποία ξεκινά ο σχηματισμός του κρυστάλλου από την τηγμένη κατάσταση όταν η Τ βρίσκεται κάτω από την liquidus σε επίπεδο όπου τα ορυκτά αρχίζουν να κρυσταλλώνονται. Η πυρηνοποίηση καθορίζει την μετάβαση από ένα εντελώς υγρό τήγμα σε ένα μερικώς στερεοποιημένο σύστημα στο οποίο τα άτομα ή τα μόρια του τήγματος οργανώνονται σε ένα δομημένο κρυσταλλικό πλέγμα σχηματίζοντας τον πρώτο πυρήνα - σπόρο του νέου ορυκτού. Διακρίνεται σε δύο βασικούς τύπους την ομοιογενή και την ετερογενή.    [ΟΜΟΙΟΓΕΝΗΣ (όμοια στοιχεία) και όχι ΟΜΟΓΕΝΗΣ (αφορά ανθρώπους του ιδίου γένους)]

Η δευτερογενής πυρηνοποίηση (secondary nucleation) είναι μια διεργασία οπού υπάρχοντες κρύσταλλοι διευκολύνουν τον σχηματισμό επιπροσθέτων γειτονικών κρυστάλλων. Η δευτερογενής πυρηνοποίηση διαφέρει από την πρωτογενή διότι είναι αναγκαία η παρουσία ήδη σχηματισμένων κρυστάλλων ώστε να ενεργοποιηθεί νέος κρυσταλλικός σχηματισμός.

Πρωτογενής πυρηνοποίηση

Α. Ομοιογενής πυρηνοποίηση

Η ομοιογενής πυρηνοποίηση στα μαγματικά τήγματα αναφέρεται ως η διεργασία σχηματισμού κρυστάλλων εντός του τήγματος χωρίς την παρουσία άλλων κρυστάλλων ή σωματιδιακών στοιχείων. Στο μαγματικό περιβάλλον η ομοιογενής πυρηνοποίηση εξαρτάται από την αύξηση της υπόψυξης (ΔΤ), όπου η Τ του μάγματος πέφτει κάτω από την liquidus και καθώς το τήγμα ψύχεται η διαθέσιμη θερμική ενέργεια, που κρατά τα άτομα στην υγρή φάση, μειώνεται προκαλώντας αυθόρμητη οργάνωση των ατόμων σε κρυσταλλικό πλέγμα. Για να συμβεί αυτό απαιτείται υπόψυξη τέτοια ώστε το σύστημα να μπορέσει να υπερβεί το ενεργειακό φράγμα το οποίο συσχετίζεται με την δημιουργία νέας αλληλεπίδρασης μεταξύ της κρυσταλλικής και της υγρής φάσης.

 

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΟΜΟΙΟΓΕΝΟΥΣ ΠΥΡΗΝΟΠΟΙΗΣΗΣ:

1.Υπόψυξη (undercooling or supercooling), αναφέρεται στην διεργασία όπου το τήγμα παραμένει στη υγρή φάση κάτω από την θερμοκρασία της κρυσταλλικής ισορροπίας του (Τ_e) χωρίς να σχηματίζει αμέσως κρυστάλλους. Για την έναρξη της κρυσταλλοποίησης απαιτείται συγκεκριμένος βαθμός υπόψυξης (υπέρβαση), η οποία θα είναι επαρκής για να δράσει ως κινητήρια δύναμη για την πυρηνοποίηση.

Ο βαθμός της υπόψυξης είναι: ΔΤ = Τ_e – Τ, όπου Τ η πραγματική θερμοκρασία του τήγματος.

2.Επιφάνεια ελεύθερης ενέργειας Gibbs:

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs (ΔG) είναι μια θερμοδυναμική δύναμη η οποία δεικνύει τη ποσότητα χρήσιμου έργου που παράγεται από ένα σύστημα και είναι συνάρτηση της εντροπίας και της ενθάλπιας του συστήματος. Κάθε νέα κρυσταλλική φάση σταθεροποιείται εφόσον η ελεύθερη ενέργειά της είναι μικρότερη από αυτήν του τήγματος: Gcrystals – Gmelt = ΔG<0. Αυτό υποδεικνύει ότι η μετάβαση από την υγρή στη στερεή φάση δημιουργεί μια θερμοδυναμική δύναμη, κυρίως λόγω αλλαγών στην P και τη T. Σε αυτό το στάδιο, το τήγμα γίνεται κορεσμένο ως προς τα σταθεροποιημένα κρύσταλλα.

Αυτή η υπέρβαση (overstepping) των συνθήκων ισορροπίας ταυτίζεται με την αύξηση της υπόψυξης (ΔΤ). Πολύ μικρές εμβρυακές δομές (nuclei) πυρήνων παρουσιάζουν υψηλή επιφάνεια ελεύθερης ενέργειας (γ), η οποία συσχετίζεται με την Gcrystals και απαιτεί υπέρβαση για την σταθεροποίηση τους. Διευκρινίζεται ότι η γ αντιστέκεται στην πυρηνοποίηση διότι καθώς σχηματίζει την διασύνδεση μεταξύ στερεού κρυστάλλου και του υγρού τήγματος, χάνει ενέργεια. 

Στη Τe όπου Gcrystals = Gmelt, οι εμβρυακές δομές των πυρήνων είναι ασταθείς ανεξαρτήτως ακτίνας στο τήγμα. Έτσι καθώς αυξάνεται η υπόψυξη (ΔΤ) οι δομές αυτές σταθεροποιούνται μόνο όταν φτάσουν μια κρίσιμη τιμή της ακτίνας τους. Όσο μεγαλύτερα είναι τα συμπλέγματα τόσο περισσότερο σταθεροποιούνται με αποτέλεσμα να σχηματίζουν πυρήνες κρυσταλλοποίησης. Επομένως ο ρυθμός σχηματισμού πυρήνων αυξάνεται με την αύξηση της ΔΤ. Όσο η Τ μειώνεται κάτω από την Τe, οι πιθανότητες παροδικών διακυμάνσεων της ατομικής ακτίνας μειώνονται λόγω της μείωσης της θερμικής κίνησης των ατόμων. Επιπλέον, το αυξανόμενο ιξώδες του τήγματος δυσχεραίνει την κινητικότητα των ατόμων, επηρεάζοντας τη διεργασία.

Σημειώστε ότι σε φυσικά τήγματα διαφορετικά ορυκτά αρχίζουν να κρυσταλλώνονται σε διαφορετικά επίπεδα υπόψυξης. Καθώς η υπόψυξη αυξάνεται, σε αυτά τα τήγματα, τα στερεά διαλύματα σταθεροποιούνται αλλάζοντας τη σύνθεση του τήγματος. Αυτός ο μηχανισμός είναι καθοριστικός για τη διαφοροποίηση των ορυκτών φάσεων κατά την κρυστάλλωση.

3.Διάχυση.

-Υψηλές Τ συνεπάγονται υψηλή διαχυτικότητα (γρηγορότερη διάχυση), διότι η θερμική ενεργεία αυξάνει την ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων.

- Υψηλό ιξώδες (πιο πηκτό υγρό) μειώνει την διαχυτικότητα καθώς τα σωματίδια κινούνται πιο αργά.

- Μεγάλα σωματίδια διαχέονται με αργό ρυθμό διότι η διαχυτικότητα μειώνεται με την αύξηση του μεγέθους τω σωματιδίων. 

 

Ο ρόλος της διάχυσης είναι κρίσιμος καθώς τα άτομα και τα ιόντα θα πρέπει να έχουν την δυνατότητα να κινούνται μέσα στο τήγμα ώστε να σχηματίζουν καθορισμένες κρυσταλλικές δομές. Ο ρυθμός διάχυσης μειώνεται με την πτώση της Τ δημιουργώντας ομοιογενή πυρηνοποίηση περισσότερο απαιτητική σε χαμηλές Τ.

Στο μάγμα η διαχυτικότητα επηρεάζεται από το ιξώδες του τήγματος, το μέγεθος των προς διάχυση ιόντων ή ατόμων και από την Τ. Με την ψύξη του μάγματος το ιξώδες του αυξάνει και η διαχυτικότητα των χημικών στοιχείων μειώνεται, εμποδίζοντας έτσι τα άτομα να προσεγγίσουν τις αναπτυσσόμενες κρυσταλλικές επιφάνειες.

Η διάχυση επιφάνειας (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) συσχετίζεται με τις μετακινήσεις των ατόμων η των μορίων κατά μήκος της επιφανείας στερεού υλικού. Για την πυρηνοποίηση η διάχυση επιφάνειας είναι κρίσιμη διότι επηρεάζει τον τρόπο μετανάστευσης των ατόμων και την διάταξή τους ώστε να σχηματιστεί ένα νέος κρυσταλλικός πυρήνας.

4.Θερμοκρασία (Τ): επηρεάζει και τις μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και τον ρυθμό διάχυσης. Χαμηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την υπόψυξη αλλά μειώνουν τους ρυθμούς της διάχυσης.

 

5.Ιξώδες τήγματος: Υψηλό ιξώδες περιορίζει την κίνηση των ατόμων με αποτέλεσμα την επιβράδυνση της πυρηνοποίησης καθώς τα άτομα δυσκολεύονται να συγκεντρωθούν σε σταθερή συστάδα. Το χαμηλό ιξώδες ευνοεί την πυρηνοποίηση ενισχύοντας την κίνηση των ατόμων και μορίων μέσα στο τήγμα.

 

6.Πίεση (Ρ): Υψηλές Ρ συγκρατούν την πυρηνοποίηση αυξάνοντας την σταθερότητα του τήγματος, ενώ χαμηλές την ευνοούν κάτω από κατάλληλες συνθήκες υπόψυξης

Β.Ετερογενής πυρηνοποίηση

Η ετερογενής πυρηνοποίηση αναπτύσσεται σε προϋπάρχουσες επιφάνειες προσμίξεων, οι οποίες μπορεί να υπάρχουν σε κάθε σύστημα τηγμάτων. Τέτοιες επιφάνειες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν στερεοποιημένα τμήματα του μαγματικού θαλάμου, μη ολοκληρωμένους κρυστάλλους, ξένα σωματίδια όπως ορυκτά, φυσαλίδες ή προσμίξεις στο τήγμα. Έτσι. κάθε διεπαφή μεταξύ των παραπάνω υλικών αποτελεί δυνητική πιθανότητα για ετερογενή πυρηνοποίηση, αντίθετα με την ομοιογενή η οποία είναι αυθόρμητη. Η ύπαρξη αυτής της διεπαφής με κάθε αντικρουόμενο υλικό ως προς το τήγμα, είναι εφικτό να υπερβεί το ενεργειακό φράγμα και έτσι η ετερογενής αναπτύσσεται ποιο εύκολα από την ομοιογενή για σχετικά μικρές ΔΤ. Η ύπαρξη κρυσταλλικών πυρήνων στο μάγμα συμβάλλει σημαντικά στην παράκαμψη της δύσκολης φάσης της πυρηνοποίησης, καθώς αυτοί αποτελούν τη βάση για την εύκολη, πλέον, ανάπτυξη της κρυστάλλωσης ορυκτού. Ακόμη είναι δυνατή η ανάπτυξη και άλλου ορυκτού γύρω από αυτούς τους αρχικούς κρυσταλλικούς πυρήνες, όπως για παράδειγμα, είναι σύνηθες η ανάπτυξη βιοτίτη γύρω από ζιρκόνια. Τέτοιοι κρυσταλλικοί πυρήνες μπορεί να είναι ξενοκρύσταλλοι οι οποίοι συνήθως μετακινούνται από τα τοιχώματα ροής του μάγματος, μολύνοντάς το, ή εισέρχονται λόγω της ανάμειξης με μάγμα αντικρουόμενης σύνθεσης. Ακόμη μπορεί να είναι άτηκτοι (restite) κρύσταλλοι οι οποίοι είναι πυρίμαχα απομεινάρια του πηγαίου πετρώματος, στο βαθύ φλοιό ή στον μανδύα, από τον οποίο προήλθε το μάγμα με την διεργασία της μερικής τήξης. Συνήθως στη μερική τήξη πυριτικά τήγματα συνυπάρχουν αρχικά με άτηκτο υλικό.

  

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΤΕΡΟΓΕΝΟΥΣ ΠΥΡΗΝΟΠΟΙΗΣΗΣ:

Υπόψυξη (undercooling or supercooling): Η επίδρασή της είναι παρόμοια με την ομοιογενή με τη διαφορά ότι μικρότερος βαθμός υπόψυξης είναι συχνά επαρκής διότι η πυρηνοποίηση εμφανίζεται σε προϋπάρχουσες επιφάνειες οι οποίες μειώνουν τις ενεργειακές απαιτήσεις για την σχηματισμό πυρήνων.

Επιφάνεια ελεύθερης ενέργειας Gibbs: Αντίθετα με την ομοιογενή πυρηνοποίηση η ενεργειακή επιφάνεια είναι χαμηλότερη λόγω της παρουσίας των προσμίξεων. Αυτές οι επιφάνειες μειώνουν το ενεργειακό φράγμα παρέχοντας κατάλληλες θέσεις για πυρηνοποίηση κάτω από χαμηλότερες συνθήκες υπόψυξης.

Η γωνία επαφής (διαβροχή επιφάνειας) έχει κρίσιμο ρόλο στην ετερογενή πυρηνοποίηση, διότι καθορίζει πόσο εύκολα μια νέα φάση, όπως ο κρυσταλλικός πυρήνας, μπορεί να σχηματιστεί στην επιφάνεια της υγρής φάσης:

Γωνία επαφής είναι γωνία η οποία σχηματίζεται εντός της υγρής φάσης όπου το επίπεδο διεπαφής στερεού– υγρού συναντά το επίπεδο διεπαφής υγρού– ατμού. Μετριέται σε μοίρες στο εύρος: 0⁰ (πλήρους διαβροχής) έως – 180⁰ (μηδενικής διαβροχής). Παρέχει την πληροφόρηση της χημικής συγγένειας μεταξύ του προς σχηματισμού υλικού πυρήνων και του στερεού υποστρώματος, επηρεάζοντας την πιθανότητα πυρηνοποίησης. 

Επιφάνειες διαβροχής και μη διαβροχής: Μικρή γωνία επαφής (→0⁰) δεικνύει ότι το υγρό έχει εξαπλωθεί σ’ όλη την επιφάνεια επιτυγχάνοντας ισχυρή και αποτελεσματική διαβροχή. Μεγάλη γωνία επαφής (→180⁰) δείχνει πτωχή έως μηδενική διαβροχή με το υγρό να σχηματίζεις σταγόνες οι οποίες διαφεύγουν χωρίς να μπορούν να εξαπλωθούν στην επιφάνεια. Αυτό συμβάλει στην αύξηση της ενέργειας που απαιτείται για την εκκίνηση της πυρηνοποίησης η οποία έτσι συγκρατείται, ενώ η μικρή γωνία επαφής μειώνει το ενεργειακό φράγμα και διευκολύνει την πυρηνοποίηση.

Η επίδραση της γωνίας επαφής θ εκφράζεται από την εξίσωση Young-Dupré η οποία περιγράφει την τριγωνομετρική σχέση μεταξύ της γωνίας επαφής και των δυνάμεων που επιδρούν σε υγρό που έρχεται σε επαφή με στερεά επιφάνεια:

                                          γ_SV =  γ_SL + γ_LVσυνθ

όπου γ_SV, γ_SL, και  γ_LV οι διεπιφανειακές τάσεις στερεού-αερίου, στερεού-υγρού και υγρού-αερίου αντίστοιχα.

Περιβάλλοντα τοιχώματα του μαγματικού θαλάμου.

Τα τοιχώματα του μαγματικού θαλάμου αποτελούν μια κρίσιμη επιφάνεια για την ετερογενή πυρηνοποίηση και συνεπώς επηρεάζουν, καθοριστικά, τις κρυσταλλικές διεργασίες που διαμορφώνουν τον τελικό ιστό (texture) και την σύνθεση των πυριγενών πετρωμάτων.

Οι μαγματικοί θάλαμοι (παρακάτω) παρέχουν στερεές επιφάνειες στα τοιχώματά τους, οι οποίες μειώνουν το ενεργειακό φράγμα για την πυρηνοποίηση και επομένως απαιτείται λιγότερη υπόψυξη για την έναρξή της. Σ’ ένα πλήρως τηγμένο μάγμα η  διεργασία της πυρηνοποίησης απαιτεί ομοιογενοποιημένο τήγμα το οποίο με τη σειρά του πρέπει να υπερβεί ένα σημαντικό ενεργειακό φράγμα για να σχηματίσει πυρήνα κρυστάλλου. Επομένως, εφόσον οι επιφάνειες των τοιχωμάτων είναι διαθέσιμες, παρέχουν φυσικές πλατφόρμες όπου τα άτομα ή τα ιόντα του μάγματος μπορούν εύκολα να οργανωθούν σε κρυσταλλική δομή. Το μάγμα κοντά στο τοίχωμα διαβρέχει το στερεό πέτρωμα δημιουργώντας ευνοϊκές συνθήκες ώστε τα άτομα του τήγματος να συνδεθούν για τον σχηματίσουν πυρήνα. Στην περιοχή αυτή αναπτύσσεται θερμική βαθμίδα η οποία ωφελείται στην μετάδοση της θερμότητας από το μάγμα στο σχετικά ψυχρότερο περιβάλλον πέτρωμα, δημιουργώντας κατ’ αυτό τον τρόπο τοπικά υπόψυξη κοντά στο όριο του θαλάμου. Επομένως η πυρηνοποίηση αρχίζει να δημιουργείται πρώτα σ΄ αυτή την περιοχή σχηματίζοντας ένα στρώμα εντάσεως κρυστάλλων που ονομάζεται σωρευτική ζώνη.(cumulate zone).

Η χημική σύνθεση του μάγματος κοντά στο τοίχωμα μπορεί να είναι διαφορετική από αυτή του εσωτερικού λόγω της σωρευτικής ζώνης. Αυτό οδηγεί σε μια βαθμίδα χημικής σύνθεσης, διότι οι κρύσταλλοι που αναπτύσσονται (κοντά στο τοίχωμα) μπορούν να μετακινούν στοιχεία από το μάγμα προκαλώντας τοπικό εμπλουτισμό ή εξάντληση συγκεκριμένων στοιχείων ευνοώντας την κρυσταλλοποίηση συγκεκριμένων ορυκτών στο τοίχωμα. Η πυρηνοποίηση στο τοίχωμα του θαλάμου σχετίζεται με την δημιουργία σωρευτικών ιστών (cumulate textures) διότι η ανάπτυξη των κρυστάλλων διευθετείται από την βαρύτητα σχηματίζοντας στρώματα σωρευτικών πετρωμάτων (γάββροι, πυροξενίτες). Αυτές οι στρωματώσεις αντικατοπτρίζουν τη δυναμική του μαγματικού συστήματος και την αλληλεπίδραση μεταξύ κρυστάλλωσης και βαρύτητας.

 

Ρυθμός πυρηνοποίησης (nucleation rate) εκφράζει τον αριθμό των πυρήνων που σχηματίζονται ανα μονάδα χρόνου και όγκου σε στοιχείο που βρίσκεται σε φάση μετασχηματισμού και εξαρτάται από παράγοντες όπως η Τ, η υπόψυξη και τα ενεργειακά φράγματα τα οποία πρέπει να ξεπεραστούν για την πραγματοποίηση της πυρηνοποίησης. Η παρακάτω εξίσωση για τον ρυθμό πυρονοποίησης (Ι) είναι συνάρτηση των θερμοδυναμικών και κινητικών χαρακτηριστικών:

Ι: ρυθμός πυρηνοποίησης ο οποίος γενικώς είναι υψηλότερος στην ετερογενή πυρηνοποίηση συγκρινόμενος με την ομοιογενή.

A: συντελεστής (συνολικός) οποίος περιλαμβάνει το πλήθος των διαθέσιμων θέσεων πυρηνοποίησης, τη συχνότητα των ατομικών συγκρούσεων και τον αριθμό των προσπαθειών πυρηνοποίησης, επιπλέον επηρεάζεται από συγκεκριμένες ιδιότητες του συστήματος όπως σύνθεση, ιξώδες ατομική και μοριακή δομή.

ΔG*:η κρίσιμη ελεύθερη ενέργεια φράγματος, καθορίζεται από την επιφάνεια ελεύθερης ενέργειας Gibbs. 

 k: συντελεστής Boltzmann.

T: η απόλυτη θερμοκρασία (Kelvin). 

Q: η ενέργεια δραστηριοποίησης της ατομικής κίνησης (σχετίζεται με την διάχυση):

Ο όρος:

είναι το θερμοδυναμικό τμήμα της εξίσωσης (φράγμα στην πυρηνοποίηση) και εκφράζει την πιθανότητα αντιμετώπισης του ενεργειακού φράγματος για την πυρηνοποίηση. Αυτό το φράγμα αντιπροσωπεύει την διαφορά την ελεύθερης ενέργειας μεταξύ των φάσεων της αρχικής υγρής και της νέας κρυσταλλικής.

Ο όρος: 

είναι το κινητικό τμήμα της εξίσωσης (πυρηνοποίηση ελεγχόμενη από την διάχυση) και εκφράζει την κινητικότητα των ατόμων και την απαιτούμενη ενέργεια που απαιτείται ώστε τα άτομα να κινηθούν μέσω του τήγματος και να σχηματίσουν πυρήνα, ακόμη συμπεριλαμβάνει το πόσο γρήγορα τα άτομα ή τα μόρια μπορούν να αναδιαταχθούν ώστε να σχηματίσουν τον κρίσιμο πυρήνα.

 

Δύο τύποι διεργασίας πρωτογενούς πυρηνοποίησης μπορούν να δημιουργήσουν τον αρχικό πυρήνα στον οποίο τα ιόντα του τήγματος μπορούν να προσκολλώνται κατά τη διάρκεια της κρυσταλλικής ανάπτυξης: ο ομοιογενής και ο ετερογενής.

Πυκνότητα πυρηνοποίησης (nucleation rate)

Η πυκνότητα πυρηνοποίησης εκφράζει τον αριθμό των πυρήνων στον όγκο ενός τήγματος και καθορίζει το μέγεθος των κρυστάλλων στα μαγματικά πετρώματα. Έτσι ορίστηκε (Shaw 1965; Brandeis and Jaupart, 1987) ότι το μέγεθος των κόκκων είναι συνάρτηση του λόγου του ρυθμού της κρυσταλλικής ανάπτυξης ως προς τον ρυθμό πυρηνοποίησης.

Η μέτρηση της πυκνότητας είναι κρίσιμη για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ πυρηνοποίησης και ανάπτυξης σε συστήματα όπου αμφότερες οι διεργασίες επιδρούν στον τελικό ιστό και στη δομή της κρυσταλλικής φάσης:

 

Πυκνότητα επιφάνειας πυρηνοποίησης: Με την έναρξη της πρωτογενούς πυρηνοποίησης η πυκνότητά της εξαρτάται από παράγοντες όπως υπόψυξη, Ρ και η παρουσία προσμίξεων, που όλο αυτό το σύνολο δρα ως επιφάνεια πυρηνοποίησης. Υψηλός βαθμός υπόψυξης συχνά οδηγεί σε αύξηση της πυκνότητας διότι σχηματίζονται περισσότεροι πυρήνες.

 

Επέκταση όγκου και χωροταξική κάλυψη: Καθώς οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται στις επιφάνειες πυρηνοποίησης ο διαθέσιμος χώρος για νέους πυρήνες μειώνεται με αποτέλεσμα να εμφανίζονται χωροταξικοί περιορισμοί. Η επέκταση όγκου αναφέρεται στην κάλυψη του χώρου από ήδη αναπτυσσόμενους κρυστάλλους, ο οποίος διαφορετικά θα είχε χρησιμοποιηθεί για τον σχηματισμό πυρήνων.

 

Υπολογισμόςτης Εκτεταμένης Πυκνότητας Πυρηνοποίησης Extended Nucleation Density-END): Είναι ο πιο ρεαλιστικός – αποτελεσματικός υπολογισμός της πυκνότητας σε συνάρτηση με τον μειωμένο χώρο, διαχρονικά, λόγω πυρηνοποίησης. Γι’ αυτό περιλαμβάνει και τις ολοκληρωμένες πυρηνοποιήσεις και τον όγκο που καταλαμβάνει κάθε αναπτυσσόμενος κρύσταλλος διαχρονικά:

Ν(t′): στιγμιαίος ρυθμός πυρηνοποίησης σε χρόνο t′,

t: η συνολική διάρκεια χρόνου από την έναρξη της πυρηνοποίησης έως το τρέχον χρονικό σημείο που υπολογίζουμε.

t′: ο χρόνος κατά τον οποίον δημιουργήθηκε ένας συγκεκριμένος πυρήνας. Η ολοκλήρωση κάθε μιας πυρηνοποίησης έχει διαφορετικό t′ εντός της συνολικής διάρκειας t.

Επομένως η διαφορά (t –t′) αντιπροσωπεύει την «ηλικία» κάθε πυρήνα. Ένας πυρήνας που σχηματίζεται στην αρχή της διάρκειας του χρονικού πλαισίου t έχει περισσότερο χρονο στην διάθεσή του να αναπτυχθεί ενώ ο πυρήνας που σχηματίζεται στο τέλος έχει λιγότερο προς σχηματισμό χρόνο.

Vext: ο αποκλεισμένος (exclude) όγκος ή ο χώρος που καταλαμβάνει κάθε αναπτυσσόμενος πυρήνας στην τελική μορφή του. Για σφαιρικούς πυρήνες ο συντελεστής μπορεί να γραφτεί ως:

Vext= 4/3π [r (t – t′)]³

Η διαφορά (t –t′) έχει άμεση επίπτωση στον αποκλεισμένο όγκο Vext (t –t′ ) διότι ο πυρήνας που αναπτύχθηκε σε σχετικά μεγάλο χρονικοί διάστημα κατέλαβε μεγάλο όγκο μειώνοντας τον διαθέσιμό χώρο για τις επόμενες πυρηνοποιήσεις.

 

Επίδραση στον προσδιορισμό του μεγέθους των κρυστάλλων: Υψηλές πυκνότητες πυρηνοποίησης συνεπάγονται μεγάλο αριθμό μικρού μεγέθους κρυστάλλων ενώ χαμηλή πυκνότητα έχει ως αποτέλεσμα λιγότερους αλλά μεγαλύτερους κρυστάλλους. Η END βοηθά στην πρόβλεψη του τελικού μεγέθους του κρυστάλλου το οποίο επιδρά στις φυσικές ιδιότητες του σχηματιζόμενού πετρώματος.

Διαλυτική ωρίμανση κατά Ostwald: Διαχρονικά οι μεγάλοι κρύσταλλοι αναπτύσσονται εις βάρος των μικρών. Αυτό προκύπτει διότι οι μικρότεροι κρύσταλλοι έχοντας υψηλότερη ενέργεια επιφάνειας διαλύονται (επανέρχονται) σε τήγμα επιτρέποντας στο υλικό να επανατοποθετείται σε μεγαλύτερους κρυστάλλους. Επομένως αυτό το φαινόμενο επιδρά στο τελικό ιστό και στη σταθερότητα της κρυσταλλικής δομής του ορυκτού.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα της ωρίμανσης Ostwald είναι εμφανές στα πυριγενή κατά την διάρκεια την αργής ψύχρανσης. Στον μαγματικό θάλαμο μικροί κρύσταλλοι ορυκτών, όπως οι άστριοι διαλύονται ενώ μεγαλύτεροι συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να επικρατούν μεγάλοι καλοσχηματισμένοι κρύσταλλοι σε ιστό πορφυριτικό.

Δευτερογενής Πυρηνοποίηση

Αυτός ο τύπος πυρηνοποίησης διαφέρει από τον πρωτογενή διότι απαιτείται η παρουσία ήδη διαμορφωμένων κρυστάλλων για την εκκίνηση νέου σχηματισμού κρυστάλλων. Τέτοιο μηχανισμοί μπορεί να είναι:

 

Πυρηνοποίηση επαφής η μηχανική: Πρόκειται για τον πιο συχνό μηχανισμό όπου κρύσταλλοι έρχονται σε επαφή με τήγμα ή διάλυση: Μικρά τεμάχια ή νέα πεδία κρυστάλλωσης σχηματίζονται πάνω ή δίπλα στο σημείο επαφής. Αυτά τα τεμάχια δρουν ως πρότυπα για την περαιτέρω κρυσταλλική ανάπτυξη. Αυτή η διεργασία είναι σημαντική σε συστήματα ροής όπως οι μαγματικοί θάλαμοι.

 

Πυρηνοποίηση διάτμησης: Διατμητικές δυνάμεις σε ρέον υγρό ή μάγμα μπορούν να εκκινήσουν δευτερογενή πυρηνοποίηση ενισχύοντας την επαφή θραυσμάτων από την διάτμηση και την αποκόλληση μικροσκοπικών κρυσταλλικών θραυσμάτων από υπάρχοντες κρυστάλλους. Αυτά τα θραύσματα είναι μεγέθους επίπεδου microns (μ), άλλα μπορούν να επιτελέσουν πεδία πυρηνοποίησης. Αυτή η διεργασία συσχετίζεται με τη ροή μάγματος καθώς μετακινήσεις και διαταραχές αυξάνουν τις διατμητικές τάσεις προάγοντας τον σχηματισμό κρυστάλλων στα ηφαιστειακά συστήματα.

 

Επιταξική ανάπτυξη: είναι η διεργασία με την οποία μια κρυσταλλική επιφάνεια αναπτύσσεται σε υπάρχοντα κρυσταλλο (υπόβαθρο) με ένα τρόπο ώστε να ευθυγραμμιστεί με τον κρυσταλλικό προσανατολισμό του υποβάθρου. Η ταύτιση των κρυσταλλικών δικτύων μειώνει τον ενεργειακό φραγμό επειδή τα νέα κρύσταλλα αναπτύσσονται σύμφωνα με τους συγκεκριμένους κρυσταλλογραφικούς άξονες του υπόβαθρου. Η επιταξική πυρηνοποίηση είναι συχνή στα μαγματικά συστήματα όπου μια ορυκτή φάση συμπεριφέρεται ως υπόβαθρο για μια άλλη κατά την διάρκεια της ψύξης. Ομοιοεπίταξη: όταν ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλος έχει την ίδια χημική σύνθεση με τον κρύσταλλο υποστρώματος. Ετεροεπίταξη: όταν ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλός έχει διαφορετική χημική σύνθεση αλλά την ίδια κρυσταλλική συμμετρία με τον του υποβάθρου.

 

Πυρηνοποίηση (λόγω της δομής) της επιφάνειας: Επιφάνειες κρυστάλλων με τραχύτητα ή ανωμαλίες στους υπάρχοντες κρυστάλλους προωθούν την πυρηνοποίηση παρέχοντας πεδία όπου τα άτομα ή τα ιόντα μπορούν εύκολα να προσκολληθούν. Τέτοιες είναι οι ακμές, γωνίες και βαθμίδες του κρυστάλλου οι οποίες διαθέτουν υψηλή ενέργεια δημιουργώντας σημεία για τον σχηματισμό κρυστάλλων.

 

 

Κρυσταλλική ανάπτυξη (crystal growth)

Η κρυσταλλική ανάπτυξη είναι η διεργασία με την οποία μια κρυσταλλική δομή αυξάνεται σε μέγεθος καθώς τα άτομα, ιόντα ή μόρια διατάσσονται σε μια σταθερή και επαναλαμβανομένη διάταξη. Αυτό τυπικά προκύπτει από τη ρευστή φάση όπως το τήγμα ή διαλύματα ή απευθείας από ατμό. Η ανάπτυξη πραγματοποιείται όταν αυτά τα σωματίδια μεταναστεύουν και ενσωματώνονται στη διάταξη του πλέγματος. Η κρυσταλλική ανάπτυξη μπορεί να επηρεαστεί από την Τ, την Ρ, την χημική σύνθεση και την παρουσία προσμίξεων. Όπως και στην πυρηνοποίηση, η ανάπτυξη των κρυστάλλων συσχετίζεται με τον βαθμό υπόψυξης του περιβάλλοντος τήγματος το οποίο παρέχει τις κατάλληλες θερμοδυναμικές συνθήκες:

1. Κινητική της ανάπτυξης.

Η ανάπτυξη των κρυστάλλων εξαρτάται από την Ρ και Τ και την χημική σύνθεση του περιβάλλοντος υλικού. Σε υψηλές Τ τα ιόντα έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα που οδηγούν σε ταχύτερη ανάπτυξη. Πάντως, η υπόψυξη πρέπει να είναι επαρκής ώστε να συνδράμει στην ανάπτυξη χωρίς όμως να ενεργοποίηση υπερβάλλουσα πυρηνοποίηση η οποία μπορεί να περιορίσει το μέγεθος του κρυστάλλου.

2.Η επίδραση της διάχυσης.

Η διάχυση μπορεί να περιορίζει την ανάπτυξη με την έννοια ότι στηρίζεται στη διαθεσιμότητα των ιόντων ή μορίων τα οποία διαχέονται στο περιβάλλον μάγμα για να έρθουν σε επαφή με την κρυσταλλική επιφάνεια, επομένως όταν η διάχυση έχει αργό ρυθμό περιορίζει τον ρυθμό ανάπτυξης του κρυστάλλου.

3.Διεπαφή επιφάνειας και διαβροχή.

Για την επιτυχή προσκόλληση των ιόντων στο κρυσταλλικό δίκτυο, αυτά θα πρέπει να υπερβούν το ενεργειακό φράγμα κατά την διεπαφή κρυστάλλου – τήγματος. Αυτή η διεργασία απαιτεί αποτελεσματική διαβροχή της κρυσταλλικής επιφάνειας η οποία είναι ο βασικός συντελεστής που προσδιορίζει την πιθανότητα συγκόλλησης. Η διαβροχή εξασφαλίζει ότι η διεπαφή θα είναι ενεργητικά κατάλληλη για την κρυσταλλοποίηση, διευκολύνοντας την ενσωμάτωση των ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα. Επομένως ο βαθμός της διαβροχής είναι ο βασικός παράγον που επηρεάζει την κινητική και την απόδοση της κρυσταλλικής ανάπτυξης.

4.Μορφολογία κρυστάλλου.

Η μορφολογία των κρυστάλλων εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από τον βαθμό υπόψυξης, όπου κάθε επίπεδο βαθμού αντιπροσωπεύει μια διαφορετική κατάστασή ισορροπίας μεταξύ του ρυθμού της πυρηνοποίησης και της ανάπτυξης. Ευνόητο γίνεται ότι σε ένα εύρος μεταβαλλόμενων θερμοκρασιών το σχήμα και η δομή των κρυστάλλων θα είναι διαφορετικές. Συνεπώς τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του κρυστάλλου εντός ενός δεδομένου εύρους θερμοκρασιών διαφοροποιούνται σημαντικά υποδηλώνοντας την διεπαφή των θερμοδυναμικών και κινητικών συντελεστών οι οποίοι διέπουν τις διεργασίες πυρηνοποίησης και κρυσταλλικής ανάπτυξης:

-Χαμηλή υπόψυξη (ΔΤ≈0⁰-10⁰C): Οι κρύσταλλοι σχηματίζουν ιδιόμορφο (euhedral) πλέγμα με έδρες πλήρως διαμορφωμένες διότι η ανάπτυξη πραγματοποιείται αργά επιτρέποντας τη πλήρη ανάπτυξη του πλέγματος. Ο πυρίτης είναι παράδειγμα της μεγαλύτερης ιδιομορφίας.

-Μέτρια υπόψυξη (ΔΤ≈10⁰-50⁰C): Καθώς αυξάνεται η υπόψυξη επιταχύνεται η ανάπτυξη της διαμόρφωσης των κρύσταλλων σε ακανόνιστα πλέγματα σχηματισμών όπου τα  κρύσταλλα παρουσιάζουν κοιλότητες, χαρακτηρίζονται σκελετικά (skeletal) και βρίσκονται σε μερικά υαλώδη και αφανιτικά ηφαιστειακά πετρώματα. Παράδειγμα ο σκελετικός χαλαζίας.

 

-Υψηλή υπόψυξη (ΔΤ≈50⁰-100⁰C): Συνεχιζόμενη η αύξηση της υπόψυξης η ανάπτυξη πραγματοποιείται πολύ γρήγορα κατά μήκος διαφόρων διευθύνσεων διαμορφώνοντας ένα σχήμα διακλαδώσεων το δενδριτικό (dendritic), όπως ορυκτά δενδριτικού οξειδίου του μαγγανίου.

-Πολύ υψηλή υπόψυξη (ΔΤ≈100⁰-200⁰C): Σε υψηλές τιμές υπόψυξης, ταχύτατη πυρηνοποίηση και υψηλοί ρυθμοί ανάπτυξης οδηγούν σε σχηματισμούς φτερών σε τυχαίες διακλαδώσεις, διαμορφώνονται ορυκτά σε φτεροειδή (feathery) μορφή, όπως ο φτεροειδής σεραφινίτης.

-Εξαιρετικά υψηλή υπόψυξη (ΔΤ>200⁰C): Για αυτές τις ιδιαίτερα μεγάλες ΔΤ εκατοντάδων βαθμών σχηματίζονται κρύσταλλοι ινώδους διάταξης, βελονοειδείς ή τριχοειδείς που ονομάζονται σφαιρουλίτες (spherulites), οι οποίοι αναπτύσσονται πιθανώς, εφόσον η Τ του τήγματος πέσει κάτω από το όριο μετάβασης υάλου (η>10¹²Pa/s) και είναι κοινοί σε φελσικά ηφαιστειακά πετρώματα. Οι σφαιρουλίτες είναι σύνολο δύο ορυκτών (συνήθως χαλαζία και άστριου) και σχηματίζονται αρχικά από την σφαιρουλιτική ανάπτυξη του ενός ορυκτού και από την μετέπειτα κρυσταλλοποίηση του δευτέρου από υγρό ή ύαλο που περιβάλλει τις ίνες του πρώτου.

Ρυθμός της κρυσταλλικής ανάπτυξης

Ο ρυθμός της κρυσταλλικής ανάπτυξης (m) εκφράζει την ταχύτητα εξάπλωσης της κρυσταλλικής δομής: 

m = k(C - Ceq)                         

C: είναι η συγκέντρωση του διαλυμένου υλικού εντός του περιβάλλοντος τήγματος ή διαλύματος:

α) το διαλυμένο υλικό στο τήγμα μπορεί να είναι στοιχεία ή χημικές ενώσεις τα οποία κρυσταλλοποιήθηκαν εκτός της τηγμένης φάσης. Για παράδειγμα σε ένα πυριτικό τήγμα που σχηματίζεται σε κρύσταλλο χαλαζία, το διαλυμένο υλικό είναι μόρια SiO₂ τα οποία μεταναστεύουν δια μέσου του τήγματος στην αναπτυσσόμενη κρυσταλλική επιφάνεια. 

β) το διαλυμένο υλικό μπορεί να είναι δομικό στοιχείο στο υγρό διάλυμα το οποίο κρυσταλλώνεται για να σχηματίσει την στερεά φάση. Για παράδειγμα σ’ ένα υδατικό διάλυμα όπου σχηματίζονται κρύσταλλοι άλατος στο διαλυμένο υλικό υπάρχουν ιόντα Na⁺και Cl^⁻.

C_eq: είναι η ισορροπία συγκέντρωσης στην κρυσταλλική διασύνδεση

k: σταθερά του ρυθμού ή κινητικός συντελεστής, είναι κρίσιμος για την κρυσταλλική ανάπτυξη, ο οποίος περιλαμβάνει παράγοντες που συσχετίζονται για την διευκόλυνση της προσκόλλησης στην κρυσταλλική επιφάνεια.

 

Η εξίσωση δείχνει ότι ο ρυθμός ανάπτυξης είναι ανάλογος μεταξύ της πραγματικής και της ισορροπημένης συγκέντρωσης.

Επιπρόσθετα ο ρυθμός της κρυσταλλικής ανάπτυξης (m) εξαρτάται και από τους παρακάτω παράγοντες:

1. Υπόψυξη: Υψηλά επίπεδα υπόψυξης για τήγματα (και υπερκορεσμού για διαλύματα) αυξάνουν, γενικώς, τον ρυθμό ανάπτυξης παρέχοντας μια ισχυρή θερμοδυναμική δύναμη ώθησης για την κρυσταλλική ανάπτυξη. Ένα μοντέλο για τα τήγματα, που συσχετίζει τον ρυθμό ανάπτυξης με τον βαθμό υπόψυξης (ΔΤ) περιγράφεται από τη σχέση:

m ≈ G (ΔΤ)ⁿ

G:σταθερά του ρυθμού ανάπτυξης. Πιο συγκεκριμένα δεν είναι μια απόλυτη σταθερά αλλά μια παράμετρος που εξαρτάται από τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των υλικών και του περιβάλλοντος αυτών, μέσω από αλλαγές στη Ρ, από την παρουσία προσμίξεων και από κινητικούς παράγοντες. Ωστόσο, λαμβάνεται συχνά ως σταθερά για την απλοποίηση μοντέλων. Το G ενσωματώνει την προκύπτουσα αποδοτικότητα της κρυσταλλικής ανάπτυξης κάτω από δεδομένες συνθήκες.

n: εκθέτης που εξαρτάται από τους μηχανισμούς της ανάπτυξης με τιμές 1≤ n ≤2.

Επομένως ο ρυθμός ανάπτυξης αυξάνεται με την υπόψυξη καθώς χαμηλότερες Τ επιτρέπουν την ταχύτερη συσσώρευση σωματιδίων στη κρυσταλλική επιφάνεια.

 

2. Ρυθμός διάχυσης: Ο ρυθμός με τον οποίο άτομα και ιόντα μπορούν να μεταναστεύσουν στην κρυσταλλική επιφάνεια, επηρεάζει άμεσα την ανάπτυξη. Σε συστήματα όπου η ανάπτυξη περιορίζεται από τη διάχυση, η παροχή μονάδων που συνεισφέρουν στη δομη της κρυσταλλικής επιφάνειας είναι μικρότερη από τον ρυθμό προσκόλλησης, δηλαδή το πόσο γρήγορα τα σωματίδια προσκολλώνται στην κρυσταλλική επιφάνεια από την στιγμή που θα έρθουν σε επαφή μαζί της.

m ≈ D[(C - C_eq) ̸ δ]

D: συντελεστής διάχυσης

δ: οριακό στρώμα διάχυσης. Καθώς τα σωματίδια διαχέονται προς την κρυσταλλική επιφάνεια και ενσωματώνονται στον κρύσταλλο, η συγκέντρωσή κοντά στην επιφάνεια μειώνεται σε σχέση με τον όγκο διάλυσης δημιουργώντας μια βαθμίδα στην οποία τα σωματίδιά κινούνται από υψηλότερη συγκέντρωση (διάλυση) σε χαμηλότερη (επιφάνεια). Ένα πυκνό στρώμα διάχυσης δεικνύει ότι η βαθμίδα συγκέντρωσης είναι περισσότερο εξαπλωμένη οδηγώντας σε μια αργή διάχυση, ενώ ένα λεπτότερο στρώμα διάχυσης έχει ως αποτέλεσμα μια «απότομη» βαθμίδα η οποία ενισχύει τον ρυθμό διάχυσης στην επιφάνειά και συνεπώς αυξάνει τον ρυθμό ανάπτυξης.

 

3. Ενεργειακή επιφάνεια και κινητική της διεπαφής: Στην κρυσταλλική διεπαφή τα ενεργειακά φράγματα μπορούν είτε να επιβραδύνουν είτε να προωθήσουν την ανάπτυξη, ανάλογα με την κρυσταλλική δομή και τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Αυτοί οι κινητικοί παράγοντες όπως η Τ, η ενεργειακή κατάσταση και η τραχύτητα της επιφάνειας, η φύση των ενεργών πεδίων ανάπτυξης και οι προσμίξεις, καθαρίζουν το πόσο εύκολα νέα σωματίδια μπορούν να προσκολληθούν στο πλέγμα. Στην περίπτωση όπου η ανάπτυξη περιορίζεται από την κινητική της επιφάνειας, ο ρυθμός ανάπτυξής περιγράφεται από τη σχέση:

m = A exp (- E_a/RT)

A: προεκθετικός συντελεστής που συσχετίζεται με τον αριθμό των ενεργών πεδίων ανάπτυξης.

E_a: η ενέργεια εκκίνησης ή η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την προσκόλληση των σωματιδίων στη κρυσταλλική επιφάνεια.

R: η σταθερά των αερίων T: Kelvin.

Αυτή η εξίσωση βασίζεται σε αυτήν του Arrhenius και δεικνύει ότι υψηλές Τ μειώνουν την αντίσταση του ενεργειακού φράγματος και επιταχύνουν τον ρυθμό ανάπτυξης.

 

4. Η παρουσία προσμίξεων: Οι προσμίξεις (impurities) επηρεάζουν την ανάπτυξη είτε ως κατασταλτικές φράζοντας τα ενεργά πεδία ανάπτυξης, είτε ως προωθητικές λειτουργώντας ως καταλύτες προετοιμάζοντας πεδία χαμηλής ενέργειας κατάλληλα για την ενσωμάτωση.

 

5. Αλληλεπιδράσεις πολλαπλών φάσεων: Η κρυσταλλική ανάπτυξη ολοκληρώνεται και με την παρουσία πολλαπλών φάσεων όπως η συνύπαρξη τήγματος στερεών και ρευστών φάσεων. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να δημιουργήσουν σύνθετες βαθμίδες διάχυσης επηρεάζοντας τον ρυθμό με τον οποίο τα σωματίδια φθάνουν στην επιφάνεια. Για παράδειγμα η παρουσία δευτερεύουσας φάσης μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει τον ρυθμό με τον οποίο τα σωματίδια προσεγγίζουν την κρυσταλλική επιφάνεια.

Για την περιγραφή αυτών των σύνθετων αλληλεπιδράσεων χρησιμοποιούνται εξισώσεις ενοποιημένου ρυθμού ανάπτυξης οι οποίες συνδυάζουν και την διάχυση και την κινητική των διασυνδέσεων:

δ/D: συστατικό διάχυσης το οποίο αντιπροσωπεύει την επίδραση του ρυθμού διάχυσης στο συνολικό ρυθμό ανάπτυξης. Αν η διάχυση γίνεται με αργό ρυθμό τότε δημιουργείται μια βαθμίδα περιορισμού της ανάπτυξης.

k: συστατικό κινητικής το οποίο σχετίζεται με τον ρυθμό προσκόλλησης των σωματιδίων στην κρυσταλλική επιφάνεια, επομένως ο αριθμητής k(C - Ceq) εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο τα σωματίδια προσκολλώνται στην κρυσταλλική επιφάνεια. Εάν το k είναι χαμηλό είτε λόγω υψηλής ενέργειας εκκίνησης είτε δυσμενών συνθηκών στην επιφάνεια τότε η ανάπτυξη περιορίζεται.

Επιπλέον η Τ μειώνει, τυπικά, την ενέργεια φράγματος και βελτιώνει τον ρυθμό διάχυσης επηρεάζοντας τόσο το k όσο και το D.

Κρυσταλλικός προσανατολισμός: Διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις έχουν διαφορετικές τιμές k οι οποίες θα οδηγήσουν σε ανισότροπο ανάπτυξη, δηλαδή ο ρυθμός ανάπτυξης θα διαφοροποιείται ανάλογα με την κατεύθυνση.

Μεταβλητότητα της σύνθεσης: Στην περίπτωση που η σύνθεση του τήγματος ή της διάλυσης μεταβάλλεται διαχρονικά, τα k και D θα παρουσιάσουν δραματική μεταβολή επηρεάζοντας τον ρυθμό ανάπτυξης μη-γραμμικά.

Ευνόητο γίνεται ότι αυτές οι πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις έχουν άμεση επίπτωση στη δομή και την μορφολογία των κρυσταλλικών διατάξεων σε πυριγενή και μεταμορφωμένα πετρώματα.

 

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Η παραγωγή του μάγματος, ως πραγματοποιείται από διεργασίες όπου στερεά πετρώματα του μανδύα τήκονται μερικώς για να σχηματίσουν τηγμένο υλικό (μάγμα) οφειλόμενο στις μεταβολές της Ρ της Τ και της παρουσίας των πτητικών.

Τα ενεργά ηφαίστεια εκφράζουν την εμφάνιση του μάγματος στη Γη. Βασαλτικές λάβες εκχύνονται με T ~ 1200°C, ενώ οι ρυολιθικές εκρήγνυνται στους 900–700°C. Αυτές οι Τ υποδηλώνουν ότι το μάγμα δημιουργείται σε βάθη τουλάχιστον 45–35 χλμ στον κατώτερο φλοιό ή περίπου 60 km στον ανώτερο μανδύα. Ακόμη, η παραγωγή μάγματος συσχετίζεται με συγκλίνουσες και αποκλίνουσες λιθοσφαιρικές πλάκες ή με βύθιση μεγάλων τεμαχών (slabs) καθώς επίσης με θερμές κηλίδες.

Η τήξη πετρωμάτων (στερεάς κατάστασης)

Η τήξη ενός στερεού πετρώματος συνδέεται, τυπικά, με την αύξηση της Τ. Μπορεί όμως να πραγματοποιηθεί και σε περιβάλλον σταθερής Τ αλλά με την παρουσία αποσυμπίεσης και την παράλληλη εισροή πτητικών στα ήδη καυτό πέτρωμα, το οποίο διαθέτει σημαντική ποσότητα θερμικής ενέργειας ώστε να διαμορφωθεί σ΄ ένα τηγμένο πηγαίο πέτρωμα καθώς οι μεταβολές της Τ, Ρ και πτητικών κινούν το σύστημα πάνω από τη solidus. Πάντως οι τρείς αυτοί παράγοντες (Τ, Ρ, πτητικά) δεν δρουν ανεξάρτητα αλλά συσχετίζονται μεταξύ των.

Η συνολική τήξη πετρώματος στην υγρή του μορφή (liquidus) απαιτεί πολύ μεγάλες, ίσως μη ρεαλιστικές, τεκτονικές αλλαγές στις παραπάνω μεταβλητές. Ωστόσο, η παραγωγή του μάγματος προέρχεται από την μερική τήξη των μανδυακών πετρωμάτων από τα οποία παραμένει ένα στερεό υπόλειμμα.

Αύξηση της θερμοκρασίας(Τ), τέτοια ώστε να είναι επαρκής, για τη τήξη πετρώματος μπορεί να επιτευχθεί:

α) Με μαζική μετατόπιση πετρώματος η τήγματος όπου η μεταφορά θερμότητας συσχετίζεται με επαγωγικές και απαγωγικές κινήσεις του πετρώματος, είναι ο βασικός παράγων αύξησης της Τ πάνω από τη στερεά κατάσταση (solidus) σε μεγάλους όγκους πετρωμάτων όπως στο τεκτονικό περιβάλλον των λιθοσφαιρικών πλακών.

β) Επειδή η  αύξηση της Τ είναι ευθέως ανάλογη με το βάθος, καθώς οφείλεται σε μια μέση γεώθερμη βαθμίδα των 25°C/χλμ περίπου, τα κατερχόμενα πετρώματα έρχονται σε επαφή με περιβάλλον υψηλών Τ κατάλληλο για την τήξη των.

γ) Η διάσπαση ραδιενεργών ισοτόπων, (πχ Κ, Th, U) εντός του μανδύα, παράγει θερμότητα. Λόγω όμως του μακροχρόνιου της συσσώρευσης θερμότητας από τη ραδιενέργεια, η διάσπαση από μόνη της δεν επαρκεί για να επιφέρει τέτοιες μεταβολές στην Τ αναγκαίες για τη τήξη και την παραγωγή μάγματος.

Η αποσυμπίεση προκαλεί τήξη στα στερεά πετρώματα καθώς όταν ανέρχονται προς την επιφάνεια μειώνεται η Ρ διότι παράλληλα μειώνεται και η τάση που δέχονται από τα υπερκείμενα πετρώματα. Η Τ των ανερχόμενων παραμένει σχετικά σταθερή διότι η μεταφορά θερμότητας (αγωγιμότητα) έχει αργό ρυθμό συγκρινόμενη με τον ρυθμό ανόδου του πετρώματος. Επιπλέον το σημείο τήξης του πετρώματος αυξάνεται με την μείωση της Ρ. Όταν αυτή εξασθενήσει αρκετά το πέτρωμα τήκεται σχηματίζοντας μάγμα. Αυτή η διεργασία είναι συνήθης στις μεσοωκεάνιας ράχες και στις θερμές κηλίδες (hot spot).

Η παρουσία των πτητικών και ιδιαίτερα του νερού συμβάλει στην τήξη των πετρωμάτων καθώς μειώνουν το σημείο τήξης τους. Στις ζώνες υποβύθισης, ωκεάνιες πλάκες μεταφέρουν ιζήματα σχεδόν κορεσμένα σε νερό και ενυδατώνουν τα ορυκτά εντός του μανδύα. Επιπλέον κατά την διάρκεια της βύθιση των πλακών οι αυξημένες Τ και Ρ προκαλούν απελευθέρωση πτητικών και νερού.

Αυτά τα πτητικά μεταναστεύουν στην υπερκείμενη μανδυακή σφήνα προκαλώντας τήξη και αντίστοιχη παραγωγή μάγματος. Η προσθήκη των πτητικών εκτός της θερμικής μείωσης του σημείου τήξης, επιπλέον μεταβάλλει τη σύνθεση του παραγομένου μάγματος, το οποίο οδηγεί στον σχηματισμό διαφορετικών τύπων μαγμάτων όπως βασαλτικά, ανδεσιτικά, ρυολιθικά τα οποία εξαρτώνται από τη ποσότητα και το είδος των πτητικών. Αυτή η διεργασία είναι βασική για τον σχηματισμό ηφαιστειακού τόξου και συμβάλλει στην ποικιλομορφία των πυριγενών πετρωμάτων.

 

Πηγαία πετρώματα του μανδύα

Είναι το είδος των πετρωμάτων του μανδύα όπου υφίστανται μερική τήξη για την παραγωγή πρωτογενούς μάγματος και οπωσδήποτε η σύνθεση αλλά κυρίως τα συμμετέχοντα ορυκτά του πηγαίου πετρώματος καθορίζουν τον τύπο του παραγομένου μάγματος.

Η πλειονότητα του δημιουργημένου μάγματος είναι βασαλτική. Η πηγή του είναι ο αποσυμπιεσμένος μανδυακός περιδοτίτης που ανέρχεται και εισχωρεί στις ωκεάνιες ράχες καθώς επίσης, σε μικρότερη κλίμακα, προέρχεται και από μανδυακούς πίδακες που απολήγουν σε θερμές κηλίδες. Στις ζώνες υποβύθισης δημιουργείται στη μανδυακή σφήνα η οποία υπέρκειται της υποβυθιζόμενης λιθόσφαιρας. Έτσι η απόλυτη πηγή θερμικής ενέργειας και μαζικής παραγωγής μάγματος είναι ο μανδύας.

Κοσμολογικά μοντέλα συσχετίζουν τη σύσταση της Γης με αυτή των χονδρίτων (μετεωρίτες). Μετρήσεις σεισμικών ταχυτήτων στον ανώτερο μανδύα είναι συμβατές με αυτές που διατρέχουν πετρώματα βασικής σύστασης ολιβίνη, πυρόξενου ή γρανάτη, ορυκτά τα οποία αποτελούνται από τα πέντε βασικά χημικά συστατικά των χονδρίτων: SiO₂, Al₂O₃,FeO, MgO, και CaO.

Ο περιδοτίτης είναι ένα υπερμαφικό πέτρωμα με βασικά στοιχεία Mg, Ca Al και Fe, τα οποία ανάλογα με το ποσοστό συμμετοχής των στο πέτρωμα, εμφανίζεται ο περιδοτίτης σε τρεις κρυσταλλικές φάσεις: ολιβίνη- κλινοπυρόξενου – ορθοπυρόξενου. Οι φάσεις αυτές παραμένουν σταθερές σε βάθος μέχρι την ασυνέχεια των 410 χλμ. Πολλοί περιδοτίτες περιέχουν σχετικά μεγάλη αναλογία σε Al, από ότι σε στερεά κατάσταση στους πυρόξενους και στον ολιβίνη και σε αυτή τη περίπτωση η φάση, η οποία εξαρτάται από την Ρ και λιγότερο από την Τ, σταθεροποιείται στα 30χλμ σε πλαγιόκλαστο, στα 75χλμ περίπου σε σπινέλιο και σε ακόμη υψηλότερη Ρ σε γρανάτη.

Γρανατοειδείς περιδοτίτες ισορροπούν σε βάθη μεγαλύτερα των 150χλμ οι οποίοι εμφανίζονται ως ξενόλιθοι σε κιμπερλιτικά πετρώματα τα οποία περιέχουν διαμάντια. Στα διαμάντια, στον ανώτερο μανδύα, συνήθως εμπεριέχονται ασήμαντες ποσότητες εισχωρήσεων σταθερών ορυκτών (πυρόξενου, γρανάτη). Είναι εξαιρετικά σπάνιο διαμάντια να περιέχουν σταθερές εισχωρήσεις (Mg-Fe-Ca-Al περοβσκίτη) και αυτό μόνο σε βάθος μεγαλύτερο της ασυνέχειας των 670χλμ, καθώς έτσι εξηγείται ότι σε μερικά κιμπερλιτικά μάγματα μεταφέρονται μη διαμορφωμένα ακόμη διαμάντια.

Στα πηγαία πετρώματα εκτός του περιδοτίτη το οποίο είναι το κυρίαρχο μπορούν να συμπεριληφθούν ακόμη:

 

Εκλογίτης: είναι ένα υψηλών πιέσεων (ΗΡ) μεταμορφωμένο πέτρωμα σχηματίζεται στις ζώνες υποβύθισης όταν ο ωκεάνιος φλοιός, με σύνθεση κυρίως από βασάλτες και γάββρους, βυθίζεται στον μανδύα σε συνθήκες ΗΡ. Το πέτρωμα αυτό αποτελείται κυρίως από γρανάτη (πυρωπό – αλμανδίνη) και HP πυρόξενο ομφακίτη με σύνθετη και μεταβαλλόμενη χημική σύσταση: [(Na,Ca,Fe²⁺,_,Mg)(Al,Fe³⁺,Fe²⁺,Mg)Si₂O₆]. Ο εκλογίτης συμβάλει στην παραγωγή πρωτογενούς μάγματος που εντοπίζεται κυρίως στα ηφαιστειακά τόξα. Κατά την μερική τήξη του παράγεται μάγμα με σχετική μεγάλη περιεκτικότητα σε Si, συγκριτικά με τον περιδοτίτη, καθώς επίσης με υψηλά επίπεδα ασύμβατων ιχνοστοιχείων. Σημειώνεται ότι ο εκλογίτης μπορεί να μεταφερθεί στην επιφάνεια κατά την ορογένεση με την διεργασία της «εκταφής» (exhumation).

 

Πυροξενίτης: είναι ένα υπερμαφικό πυριγενές πέτρωμα αποτελούμενο από πυροξενικά ορυκτά όπως αυγίτης, διοψίδιος, ενσταντίτης και υπερσθενής με λίγο ή καθόλου άστριους. Σχηματίζεται στον μανδύα ως αποτέλεσμα μερικής τήξης του όπου κατά την διάρκειά της oi οι πυρόξενοι κρυσταλλοποιούνται σχηματίζοντας πυροξενίτη, καθώς επίσης και όταν ο περιδοτίτης αλληλοεπιδρά με τα περιβάλλοντα πετρώματα.

 

Ευνόητο γίνεται ότι η αρχική σύνθεση των πετρωμάτων είναι καθοριστική για το είδος των τηγμάτων, καθώς πετρώματα εντάσεως Si θα δώσουν φελσικά τήγματα, ενώ εντάσεως Mg και Fe θα δώσουν μαφικά τήγματα.

 

  

Εγκλείσεις (inclusions) προερχόμενες από τον μανδύα

Οι μανδυακές εγκλίσεις είναι θραύσματα από τον μανδύα που έχουν παγιδεύονται στα ηφαιστειακά πετρώματα ή σε ορυκτά κατά την διάρκεια του σχηματισμού των και μεταφέρονται στην επιφάνεια μέσω ηφαιστειακών ή τεκτονικών διεργασιών. Οι εγκλίσεις πληροφορίες για την σύνθεση την δομή και τις διεργασίες στον βαθύ μανδύα. Τέτοιες είναι:

α) οι ξενόλιθοι που έχουν μεταφερθεί κυρίως με ηφαιστειακές εκρήξεις και περιλαμβάνουν περιδοτίτες και εκλογίτες και

β) οι ξενοκρύσταλλοι που είναι κόκκοι ορυκτών όπως διαμάντια ή γρανάτης, που σχηματίζονται σε μεγάλα βάθη και μεταφέρονται με μαγματικές ροές. Αυτές οι εγκλίσεις παρέχουν στοιχεία για την σύνθεση της δομής και για τις διεργασίες που πραγματοποιούνται στον μανδύα. Οι μανδυακές εγκλίσεις μεταφέρονται από ανερχόμενα μάγματα με κιμπερλίτες και αλκαλικούς βασάλτες. Οι μανδυακές εγκλίσεις μεταφέρονται κυρίως μέσω κιμπερλιτών και αλκαλικών βασαλτών, αλλά μπορούν επίσης να αποκαλυφθούν  στην επιφάνεια από τεκτονικές κινήσεις όπως κατά την διάρκεια σχηματισμού των οφιόλιθων.

 Οι παραπάνω εγκλίσεις διακρίνονται σε δύο τύπους ανάλογα με τα περιέχοντα ορυκτά των πυρόξενων:

α) εντάσεως Cr, όπως χρωμιούχος διοψιδιακός περιδοτίτης [Ca(Mg,Cr)Si₂O₆].

Αυτές οι εγκλίσεις προέρχονται από πιο πρωτογενή μανδυακά υλικά διότι έχουν υποστεί λιγότερη μερική τήξη και τροποποιήσεις (χαρζβουργίτης, λεζόρλιθος). Η παρουσία του Cr στον κλινοπυρόξενο (διοψίδιος, αυγίτης) και στον ορθοπυρόξενο (ενσταντίτης) είναι χαρακτηριστικό των ξενόλιθων από εξαντλημένο μανδυακό πέτρωμα στο οποίο μετά την μερική τήξη παρέμεινε υπόλειμμα πλούσιο σε Cr. Ακόμη ο χρωμίτης (FeCr₂O₄) εντοπίζεται σε φάσεις σπινέλιων σε Cr-πυρόξενους και αυτό είναι επίσης χαρακτηριστικό εξαντλημένου μανδυακού πετρώματος:

- Υψηλή περιεκτικότητα σε Cr υποδεικνύει πηγή από λιθοσφαιρικό ρηχό μανδύα.

- Χαμηλή περιεκτικότητά σε Al και Ti στους πυρόξενους είναι ένδειξή ότι έχουν υποστεί μικρής έκτασης μετασωματισμό (παρακάτω) από ρευστά ή τήγματα.

- Cr-πυρόξενοι τείνουν να έχουν μεγάλο Mg# (αριθμό Mg (παρακάτω)) ενδεικτικό μίας πιο πρωταρχικής και λιγότερο τροποποιημένης μανδυακής πηγής, καθώς επίσης είναι σταθεροί σε σχετικά χαμηλή Ρ της περιοχής του ανώτερου μανδύα (30 -90χλμ.).

β) εντάσεως Al, Fe, Ti, όπως ο τιτανιούχος αυγίτης [(Ca,Na)(Mg,Ti, Fe,Al,)(Si,Al)₂O₆].

Η υψηλή περιεκτικότητα σε Al, Fe, Ti στους πυρόξενους είναι γενικά ενδεικτική περισσότερο πλούσιου μανδυακού υλικού το οποίο αποκαλύπτει την αλληλεπίδραση με τήγματα ή μετασωματικές διεργασίες διήθησης ρευστού ή τήγματος. Η συμμετοχή των Al και Ti στους κλινοπυρόξενους (και σε μικρότερο βαθμό στους ορθοπυρόξενους) τείνει να αυξάνει με την παρουσία ρευστών προερχόμενων από τήξη ή μετασωματικές διεργασίες οι όποιες συνήθως συνδέονται α) με ζώνες υποβύθισης καθώς τεμάχη λιθοσφαιρικών πλακών κατέρχονται και απελευθερώνουν ρευστά ή τήγματα τα οποία με την σειρά τους μεταναστεύουν στον περιβάλλοντα μανδύα μεταφέροντας στοιχεία με Al και Ti και β) μάγμα και τηγμένα μερικώς πετρώματα μεταφέρουν κι αυτά Al, Ti από βαθιές πηγές και τα εισάγουν στου μανδυακούς πυρόξενους καθώς αλληλοεπιδρούν με το μανδυακό υλικό:

- Υψηλή περιεκτικότητα σε Al, Ti, υποδεικνύει περισσότερο γόνιμο η επαναπλουτισμένο μανδύα πιθανώς συσχετισμένος με μαγματικές διεργασίες στις ζώνες υποβύθισης ή σε μανδυακούς πίδακες, όπως ο Al-Ti-αυγίτης βρίσκεται σε μετασωματισμένους μανδυακούς ξενόλιθους.

- Υψηλής περιεκτικότητας πυρόξενων σε Fe (ορθό- και κλινο-πυρόξενοι) υποδεικνύουν πηγή η οποία έχει υποστεί μετασωματισμό ή αλληλεπίδραση με μαγματικά τήγματα. Τέτοιοι πυρόξενοι συναντώνται σε γόνιμους περιδοτίτες, λεζόρλιθους ή εκλογίτες οι οποίοι τροποποιούν την σύνθεση του περιβάλλοντος μανδύα.

- Al-Ti-πυρόξενοι εμφανίζονται σε περιβάλλον γρανιτικών περιδοτίτων ή εκλογιτών υψηλών Ρ, που δεικνύουν σχηματισμό σε μεγάλο βάθος (90 -150 χλμ.).

Ξενολιθικές συσσωρεύσεις εμπλουτισμένες σε Al, Fe, Ti, είναι αποτέλεσμα μετασωματισμού και είναι απαραίτητες στη παραγωγή αλκαλικών μαγμάτων. Λογικά διαφαίνεται ότι κάποια μαφικά και υπερμαφικά μάγματα δεν μπορούν να προκύψουν από άνυδρα μανδυακά πετρώματα που υπολείπονται σε χρωμιούχο διοψίδιο. Αυτά χαρακτηριζόμενα ως στείρα, θα πρέπει να εμπλουτιστούν μετασωματικά με ασύμβατα στοιχεία ώστε να αποτελέσουν μια βιώσιμη πηγή αλκαλικού μάγματος.

 

Επίδραση του μετασωματισμού στα πετρώματα του μανδύα

Μετασωματισμός είναι μια υποστέρεα (subsolidus) διεργασία η οποία περιλαμβάνει τη χημική τροποποίηση του πετρώματος με την εισαγωγή ή/και την απομάκρυνση χημικών στοιχείων μέσω της δυνατότητας διήθησης (ροϊκή δραστηριότητα) της υγρής φάσης (liquidus) με αποτέλεσμα η σύνθεση των ορυκτών με το πέτρωμα να παραμένει στην στερεά κατάσταση.

(Subsolidus: το πέτρωμα τροποποιείται χημικά χωρίς να τήκεται).

Ο μετασωματισμός τροποποιεί τη χημική σύσταση των πετρωμάτων του περιδοτιτικού μανδύα αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά των πετρογενετικών συστημάτων με την ανταλλαγή στοιχείων μεταξύ του περιδοτίτη και εξωγενών ρευστών ή τηγμάτων χωρίς να είναι απαραίτητη η τήξη καθώς η διεργασία πραγματοποιείται κάτω από συνθήκες Τ και Ρ τέτοιες ώστε το πέτρωμα να παραμένει σε στερεά φάση. Οι μεταβολές αυτές δεν είναι αναστρέψιμες και ο όγκος των πετρωμάτων μπορεί να παραμείνει σταθερός κατά τη διάρκεια της μετασωμάτωσης. 

H μετασωματική διεργασία, μπορεί να πραγματοποιηθεί και κοντά στην solidus περιλαμβάνοντας μερική τήξη, σε Τ κάτω από τη liquidus, η όποια αποτελεί βασικό παράγοντα στην τροποποίηση της χημικής και ορυκτολογικής σύστασης του πετρώματος. Απαραίτητη προϋπόθεση για την μετασωμάτωση κοντά στην solidus η Τ πρέπει να ειναι αρκετά υψηλή, ώστε να επιτρέψει την μερική τήξη σημαντικού τμηματος του πετρώματος. 

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την συνύπαρξη τήγματος και στερεού υπολείμματος, τα οποία αλληλοεπιδρούν σχηματίζοντας μετασωματικές αντιδράσεις με την παρουσία πτητικών. Σ’ αυτή την μεταβατική ζώνη η τήξη είναι επιλεκτική επηρεάζοντας συγκεκριμένες φάσεις ορυκτών ενώ άλλες παραμένουν αμετάβλητες Τυπικά, τα ορυκτά που τήκονται είναι κλινοπυρόξενοι και αμφιβολίτες σε αντίθεση με ολιβίνη και ορθοπυρόξενο τα οποία είναι πιο ανθεκτικά στη μερική τήξη. Αυτή η διεργασία αποτελεί κρίσιμο μηχανισμό για την ανακατανομή των χημικών στοιχείων και τη διαφοροποίηση της ορυκτολογικής σύνθεσης του πετρώματος.

Διακρίνονται δυο τύποι μετασωματισμού:

α) Ο λειτουργικός (modal), συνεπάγεται την αλλαγή συγκέντρωσης των ορυκτών του πετρώματος με αποτέλεσμα τον σχηματισμό νέων ορυκτών φάσεων. Η διεργασία αυτή προκύπτει από την εισαγωγή ή την απομάκρυνσή συγκεκριμένων στοιχείων με την αλληλεπίδραση υγρών ή τηγμένων φάσεων και προκαλεί την ανάπτυξη νέων ορυκτών τροποποιώντας τον ιστό και την σύνθεση του πετρώματος, πχ συγκέντρωση ολιβίνη – ορθοπυρόξενου μετασωματώνεται σε νέα συγκέντρωση ορυκτών αμφιβολίτη και κλινοπυρόξενου.

β) Ο κρυφός (cryptic), συνεπάγεται την προσθήκη ή την μείωση – εξάντληση στοιχείων χωρίς όμως να μεταβληθεί η συγκέντρωση των κύριων ορυκτών του πετρώματος. Αυτές οι αλλαγές πραγματοποιούνται με την ενσωμάτωση ιχνοστοιχείων ή ισότοπων χωρίς να είναι οπτικά διακριτές στο πέτρωμα ή στον ιστό και γι’ αυτό χαρακτηρίζεται ως κρυφός.. Για παράδειγμα ο εμπλουτισμός με σπάνιες γαίες στον μανδυακό περιδοτίτη γίνεται χωρίς να σχηματιστούν νέα ορυκτά, όπως και ο κλινοπυρόξενος μπορεί να εμπλουτισθεί με Fe, όμως αυτή η ανεπαίσθητη αλλαγή να μην είναι σαφής, δηλαδή θεωρείται κρυφή.

Τόσο ο κρυφός όσο και ο λειτουργικός μετασωματισμός εξαρτώνται από την διάχυση ιόντων ανάλογα των βαθμίδων συγκέντρωσης, αλλά σε κάθε περίπτωση, η συμβολή της διάχυσης από μόνη της είναι πολύ περιορισμένη στο μετασωματισμό. Επομένως για την αποτελεσματικότητα της διεργασίας απαιτείται μεταγωγική (advective) ροή διαμέσου των περιθωρίων κόκκων και κυρίως δια μέσου των διαρρήξεων όπου μπορεί να λάβει χώρα ενδοκοκκική διάχυση. Η ροή υγρών θεωρείται κρίσιμη καθώς τα γύρα  μπορούν να μεταναστεύσουν είτε διαμέσου συσσωμάτων ορυκτών κόκκων δημιουργώντας ρωγμές για την μετακίνησή τους ή με πορώδη ροή που εξαρτάται από τη διαπερατότητα του ορυκτού.

Διεργασίες μετασωματισμού στον μανδύα.

Ζώνες υποβύθισης:

Η απελευθέρωση υγρών και ιζημάτων από τον βυθιζόμενο ωκεάνιο φλοιό έχει ως αποτέλεσμα την εισαγωγή στοιχείων, όπως νερό CO₂,και ασύμβατων στοιχείων LILE (παρακάτω,) στην υπερκείμενη μανδυακή σφήνα η οποία υπόκειται σε μετασωματισμό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ένυδρων ορυκτών όπως αμφίβολοί και μαρμαρυγίες, και στην αλλαγή της χημείας του μάγματος το οποίο δημιουργείται στις ζώνες υποβύθισης.

Μανδυακοί πίδακες (Mantle plumes):

Μεταφέρουν εμπλουτισμένα τήγματα από τον βαθύ μανδύα, τα οποία αντιδρούν με τα περιβάλλοντα περιδοτιτικά πετρώματα. Με αυτό τον τρόπο εισάγονται ασύμβατα ιχνοστοιχεία (πχ K, Na, σπάνιες γαίες) με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό του τοπικού μανδύα και την δημιουργία περιοχών πλούσιες σε ασύμβατα στοιχεία.

Ανακύκλωση φλοιού:

Κατά τη διάρκεια της υποβύθισης, ο ανακυκλωμένος ωκεάνιος φλοιός και ιζήματα που τον συνοδεύουν τήκονται και αλληλοεπιδρούν με τον περιβάλλοντα μανδύα, εμπλουτίζοντάς τον με στοιχεία και πτητικά, προερχόμενα από τον φλοιό. Αυτή η διεργασία μεταβάλλει την συμπεριφορά της μανδυακής τήξης δημιουργώντας συνθήκες για την παραγωγή των διαφόρων τύπων μάγματος.

Μεταβολή της συμπεριφοράς τήξης:

Ο μετασωματισμός μπορεί να μειώσει σημαντικά την solidus του περιδοτίτη επιτρέποντας την τήξη των μανδυακών πετρωμάτων με την εισαγωγή των πτητικών όπως νερό και CO₂). Έτσι προετοιμάζονται τα πετρώματα ώστε να είναι κατάλληλα για τήξη.

Ετερογένεια του μάγματος:

Ο μετασωματισμός στον μανδύα δημιουργεί σημαντική χημική και πετρολογική ετερογένεια, διότι δεν αποτελεί ένα ενιαίο και ομοιογενές σύνολο, αλλά παρουσιάζει περιοχές οι οποίες έχουν χημικώς τροποποιηθεί σε διάφορους βαθμούς και αυτή η ετερογένεια είναι διακριτή από:

- Εμπλουτισμένες περιοχές με υψηλές συγκεντρώσεις ασύμβατων στοιχείων και πτητικών και από εξαντλημένες με ελάχιστα έως καθόλου από αυτά τα στοιχεία. Αυτές οι διαφορετικές σε εμπλουτισμό περιοχές, εντός του μανδύα, είναι δημιούργημα του μετασωματισμού.

- Μανδυακούς ξενόλιθους στο μάγμα οι οποίοι, κατά την μεταφορά τους στην επιφάνεια με την ηφαιστειότητα, θεωρούνται πειστήρια μετασωματισμού καθώς παρουσιάζουν μεταβλητότητα τόσο στα ορυκτολογικά όσο και στα ιχνοστοιχεία που περιέχουν. Επομένως αυτοί οι ξενόλιθοι αποτελούν απόδειξη μετασωματισμού και ετερογένειας του μανδύα, επιπλέον οι μετασωματισμένες περιοχές συμπεριφέρονται ως περιφερειακές πηγές διαφορετικών τύπων μαγμάτων (αλκαλικά, βασαλτικά καρμπονατίτες κ.α.).

 

 

Χαρακτηριστικά του πρωτογενούς μάγματος.

Πρωτογενές μάγμα μπορεί να θεωρηθεί αυτό που έχει κινηθεί από τη μανδυακή πηγή περιδοτίτη προς την επιφάνεια και δεν υπέστη ούτε τροποποίηση ούτε διαφοροποίηση. Δεν υπάρχει ένας γενικά αποδεκτός ορισμός, αλλά εκρηκτικές λάβες που περιέχουν πυκνές εισχωρήσεις περιδοτίτη θεωρούνται ότι προέρχονται από πρωτογενή μάγματα καθώς κατά τη γρήγορη άνοδο οι εισχωρήσεις δεν προλαβαίνουν να διαφοροποιηθούν ή/και να διασπαστούν – διαλυθούν.

Αλλά κριτήρια για την αναγνώριση του πρωταρχικού μάγματος είναι τα χημικά αν και δεν είναι κοινώς αποδεκτό ως προς το ποια στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Επειδή τα τήγματα που διαχωρίζονται από μανδυακό περιδοτίτη, είναι ισορροπημένα με τον ολιβίνη στο επίπεδο του φορστερίτη (Mg₂SiO₄), τα πετρώματα που στερεοποιούνται από πρωταρχικά μάγματα θα πρέπει, αυτά τα μάγματα, να μην είναι διαφοροποιημένα από τις διεργασίες διαχωρισμού μάγματος και τέτοια είναι αυτά με την μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε Mg καθώς επίσης σε Ni και Cr. Κριτήριο αποτελεί ο αριθμός Mg.

Αριθμός Mg(#)

Ο Mg (#) είναι μια γεωχημική παράμετρος που εφαρμόζεται ιδιαίτερα στην μελέτη των πυριγενών πετρωμάτων για την ανάλυση της σύνθεσης του μάγματος, καθώς ορυκτά με μεγάλο Mg (#) είναι τυπικά πρωτογενή, δηλαδή σχηματίστηκαν στην αρχή της κρυσταλλοποίησης.

Ορίζεται ως ο λόγος  Mg/(Mg+Fe²⁺)

Τα πυριγενή πετρώματα μπορούν να ομαδοποιηθούν ως προς τον Mg (#):

Υπερμαφικά: Mg(#) ≥ 70, περιδοτίτης, δουνίτης, προέχονται «απευθείας» από τον μανδύα. 

Μαφικά: Mg(#) = 50 - 70, βασάλτες – γάββροι, εμφανίζουν σημαντική περιεκτικότητα σε SiO₂.

Ενδιάμεσα: Mg(#) = 30 – 50, ανδεσίτης, διορίτης με ισορροπημένη σύνθεση μεταξύ Mg - Fe - Si.

Φελσικά: Mg(#) < 30, γρανίτης, ρυόλιθος εντάσεως SiO₂ και με χαμηλή περιεκτικότητα σε MgΟ και FeΟ. Χαμηλός Mg(#) δεικνύει ότι το μάγμα έχει υποστεί σημαντική κλασματική κρυσταλλοποίηση.

Χαρακτηριστικά

Το πρωτογενές μάγμα σχηματίζεται κάτω από συνθήκες υψηλής Τ με εύρος 1200⁰ – 1600⁰C από την μερική τήξη περιδοτιτικού μανδύα, συνήθως σε ποσοστό 5%-20% που είναι ευθέως ανάλογο με τις αυξομειώσεις της Τ.

Στον σχηματισμό πρωτογενούς απαραίτητη είναι η διεργασία της αδιαβατικής αποσυμπίεσης όπου καυτό μανδυακό μάγμα ανέρχεται στην επιφάνεια με την μείωση της Ρ πάρα με την αύξηση της Τ. Η άνοδός του μάγματος θεωρείται αδιαβατική, δηλαδή χωρίς να μολυνθεί από χημικές αντιδράσεις ή να υποστεί σημαντική μείωση της Τ από τα περιβάλλοντα πετρώματα, διατηρώντας έτσι την αρχική σύνθεση του μανδύα. Αυτό σημαίνει ότι τόσο τα βασικά του στοιχεία όσο και η περιεκτικότητά του σε ιχνοστοιχεία και ισότοπα εξαρτώνται από την μανδυακή πηγή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα οι βασάλτες της μεσοωκεάνιας ράχης (MORB) προέρχονται από εξαντλημένο σε ασύμβατα μανδύα, ενώ το αντίθετο συμβαίνει στους βασάλτες των ωκεάνιων νήσων (OIB).

Περιέχουν σημαντικές ποσότητες πτητικών όπως Η2Ο, CO2, SO2 καθώς και αλογόνα (Cl, F) με αποτέλεσμα την μείωση του σημείου τήξης.

Τα πρωτογενή μάγματα έχουν σχετικά μεγάλη πυκνότητα λόγω του Mg και του Fe που περιέχουν, για παράδειγμα ένα τυπικό βασαλτικό μάγμα έχει πυκνότητα 2,7 – 3,0gr/cm³, παρόλα αυτά η πυκνότητά τους παραμένει μικρότερη από τον περιβάλλοντα στερεό μανδύα και έτσι αναπτύσσουν θετική πλευστότητα που τους δίνει την δυνατότητα για άνοδο στην επιφάνεια, η οποία όμως εξαρτάται από την πυκνότητα και την δομή του υπερκείμενου φλοιού, καθώς, όπως σημειώνεται παρακάτω, μπορούν να τελματώσουν στους μαγματικούς θαλάμους όπου πιθανόν να υποστούν κλασματική κρυστάλλωση, μόλυνση ή να αναμιχθούν με άλλα μάγματα.

Τα πρωτογενή και κυρίως τα βασαλτικά μάγματα, λόγω της σχετικά μικρής περιεκτικότητας σε SiO₂ έχουν χαμηλό ιξώδες συγκρινόμενα με τα ανδεσιτικά και ρυολιθικά. Το χαμηλό ιξώδες συνεπάγεται εύκολη ροή σχηματίζοντας ροές λάβας κυρίως στις μεσοωκεάνιες ράχες και στις θερμές κηλίδες. Ακόμη το χαμηλό ιξώδες διευκολύνει τη μεταφορά κρυστάλλων και συμπαρασυρομένους ξενόλιθους στην επιφάνεια.

 

Παραγωγή μάγματος σε μανδύα περιδοτίτη

Ο μανδύας περιδοτίτη είναι η πρωταρχική πηγή μάγματος και αποτελείται κυρίως από υπερμαφικά πετρώματα εντάσεως Mg, Fe και χαμηλής συγκέντρωσης σε Si. Το τμήμα του ανώτερου μανδύα κάτω από τον φλοιό (λιθόσφαιρα) αποτελείται από περιδοτίτη και υφίσταται μερική τήξη για την παραγωγή βασαλτικών μαγμάτων.

Οι κύριοι τύποι του περιδοτίτη είναι:

1.Χαρζβουργίτης με σύνθεση ολιβίνη και ορθοπυρόξενο, θεωρείται ότι είναι απομεινάρι μερικής τήξης και βρίσκεται σε εξαντλημένο από την τήξη μανδύα.

2.Δουνίτης με σύνθεση σχεδόν αποκλειστικά με ολιβίνη (>90%) με ελάχιστες ποσότητες πυρόξενου και σπινέλιου. Σχηματίζεται από υψηλού βαθμού μερική τήξη ή συσσωρεύεται από τη κρυσταλλοποίηση ολιβινικών μαγμάτων.

3.Βερλίτης με σύνθεση ολιβίνη και ορθοπυρόξενου και με λίγο ή καθόλου ορθοπυρόξενο. Είναι σχεδόν σπάνιος τύπος περιδοτίτη και σχηματίζεται με την αλληλοεπίδραση περιδοτίτη με βασαλτικά τήγματα.

4.Λεζόρλιθος είναι ο πιο κοινός τύπος περιδοτίτη στον ανώτερο μανδύα και θεωρείται ότι περιέχει γόνιμο μανδυακό υλικό, δηλαδή δεν έχει υποστεί προηγούμενη μερική τήξη με δυνατότητες παραγωγής βασαλτικών μαγμάτων.

Ο λεζόρλιθος είναι υπερμαφικό πέτρωμα εντάσεως ολιβίνη (40 – 90%), με σημαντική συμμετοχή ορθοπυρόξενου - κλινοπυρόξενου καθώς και με μικρή σπινέλιου και γρανάτη. Είναι το σημαντικότερο συστατικό του ανωτέρου μανδύα και εντοπίζεται σε οφιολιθικά συμπλέγματα, σε περιδοτιτικούς αλπικούς ορεινούς όγκους και ως ξενόλιθος σε κιμπερλίτες και σε αλκαλικούς βασάλτες. Σχηματίζεται από μερική τήξη, διεργασία που είναι κρίσιμη για την παραγωγή βασαλτικών μαγμάτων και συνήθως υφίσταται μερική τήξη σε υψηλές Ρ (> 6Gpa) και Τ μεταξύ1200⁰ και 1500⁰C, οι οποίες καθορίζονται τόσο από τη σύνθεση του λεζόρλιθου όσο και από την παρουσία πτητικών. Κατά την διάρκεια της μερικής τήξης του διαφορετικά ορυκτά τήκονται σε διαφορετικές ταχύτητες. Ολιβίνης, ορθοπυρόξενος και κλινοπυρόξενος είναι τα πρώτα ορυκτά που τήκονται ενώ η παρουσία σπινέλιου και γρανάτη επηρεάζει την συμπεριφορά της τήξης. Η σύνθεση του λεζορλιθικού τήγματος είναι βασαλτική η οποία εξαρτάται από τον βαθμό τήξης και από τα περιεχόμενα ορυκτά. Πολύ υψηλού βαθμού μερικού τήγματος (30 – 40%) του αρχικού λεζόρλιθου στον μανδύα, περιλαμβάνει υψηλές συγκεντρώσεις πηγαίου ολιβίνη και υπερμαφικών πικρίτη και κοματιίτη. Αντίστοιχα χαμηλού βαθμού μερικού τήγματος (5 – 10%) κυριαρχείται από διαλυμένο κλινοπυρόξενο και το εναπομένον στερεό τμήμα χάνει προοδευτικά σπινέλιο και γρανάτη, τον κλινοπυρόξενο και τέλος τον ορθοπυρόξενο.

Συνοψίζοντας η ορυκτολογική σύνθεση του περιδοτίτη αποτελείται από:

-Ολιβίνη, (Mg,Fe)₂SiO₄, που είναι το κυρίαρχο ορυκτό σε όλους τους τύπους του και είναι σταθερό στις μανδυακές Τ και Ρ.

-Ορθοπυρόξενο (ΕνσταντίνηMgSiO₃), κοινό σε χαρζβουργίτη και λεζόρλιθο εντάσεως Mg, βασικό ορυκτό που σχηματίζεται από μανδυακό υλικό όπως γάββροι και νορίτες.

-Κλινοπυρόξενο (Διοψίδιος CaMgSi₂O₆ ), εμφανίζεται στους γονίμους λεζόρλιθους, βασικό ορυκτό για την παραγωγή βασαλτικού μάγματος.

-Σπινέλιο MgAl₂O₄ και γρανάτη (πυρωπό (Mg₃Al₂Si₃O₁₂). Ο σχηματισμός αυτών των δύο μεταμορφωμένων ορυκτών εξαρτάται από το βάθος και την πίεση του μανδύα. Ο σπινέλιος είναι σταθερός σε βάθος 60 -90 χλμ και Ρ 1-2Gpa, ενώ ο γρανάτης αντίστοιχά σε βάθος >90χλμ και 2–3Gpa. Καθώς τα πετρώματα του μανδύα ανέρχονται με την μανδυακή επαγωγή στις περιοχές όπου μειώνεται η Ρ ο γρανάτης μεταπίπτει σε σπινέλιο και αντίστροφα. 

ΜΕΡΙΚΗ ΤΗΞΗ:

είναι η διεργασία κατά την οποία μόνο ένα μέρος του πετρώματος, στον ανώτερο μανδύα, υφίσταται τήξη που οδηγεί στην παραγωγή μάγματος.

 

Η σχέση της πίεσης (Ρ) με την μερική τήξη καθορίζεται από θερμοδυναμικές αρχές καθώς επίσης επηρεάζει την σταθερότητα των ορυκτολογικών φάσεων:

Η αύξηση της Ρ ανεβάζει το σημείο τήξης διότι υψηλές Ρ συμπιέζουν τη δόμηση του ορυκτού καθιστώντας δυσκολότερη την μετάβασή του από την solidus στην liquidus κατάσταση, που απαιτείται υψηλότερη Τ για την εκκίνηση της τήξης του ορυκτού. Αυτή η σχέση περιγράφεται και από την εξίσωση Clausius – Clapeyron (προκύπτει από 1^ο και 2^ο θερμοδυναμικό νόμο - αναλυτικότερα στην ανάρτηση «Μεταμορφωμένα Πετρώματα»):

dP/dT = ΔS/ΔV

dP/dT: ο ρυθμός μεταβολής της Τ ως προς τη Ρ.

ΔV: η μεταβολή του όγκου κατά την διάρκεια της τήξης.

ΔS: η μεταβολή της εντροπίας (αταξία συστήματος) κατά την διάρκεια της τήξης.

 

Αυτή η διεργασία συναντάται στις ζώνες υποβύθισης όπου η Ρ αυξάνεται λόγω βάθους, καθώς οι ωκεάνιες πλάκες βυθίζονται και κατέρχονται στον μανδύα, αλλά η τήξη είναι σχεδόν αδύνατος χωρίς την παρουσία πηκτικών όπως το νερό το οποίο μειώνει το σημείο τήξης.

Σε αντίθεση στα ανερχόμενα μανδυακά υλικά, όπως στις μεσοωκεάνιες ράχες, η μείωση της Ρ προκαλεί αποσυμπίεση οδηγώντας σε τήξη ακόμη και χωρίς την αύξηση της Τ.

Η ισορροπημένη – σταθερή και η κλασματική μερική τήξη είναι τα δύο ακραία μέλη μοντέλου μερικής τήξης πετρωμάτων ανώτερου μανδύα και φλοιού, τα οποία λειτουργούν με διαφορετικές διεργασίες σχετικά με την παραγωγή, συσσώρευση και μετακίνηση του τήγματος κάτω από συγκεκριμένα γεωλογικά περιβάλλοντα:

α) Ισορροπημένη - σταθερή μερική τήξη:

είναι η διεργασία κατά την οποία τμήμα ενός πετρώματος τήκεται μερικώς διατηρώντας την χημική του ισορροπία μεταξύ της υγρής (liquidus) και της στερεάς (solidus) φάσης. Αυτό σημαίνει ότι το τήγμα δεν διαχωρίζεται αλλά παραμένει σε ισορροπία με το εναπομένον στερεό μέρος του πετρώματος ανταλλάσσοντας στοιχεία έως ότου ολοκληρωθεί η διεργασία της τήξης γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την μικρότερη αφομοίωση των ασύμβατων στοιχείων. Κατά την προοδευτική αύξηση της Τ, διαφορετικά ορυκτά τήκονται βαθμιαία και εφόσον το παραγόμενο τήγμα παραμένει αναμεμιγμένο με τα στερεά υπολείμματα δημιουργείται μια εξελισσόμενη σύνθεση τήγματος η οποία συνεχώς μεταβάλλεται ώστε να διατηρεί ισορροπία με το στερεό και ως εκ τούτου τυπικά, το τήγμα, θεωρείται ομοιογενές και απεικονίζει τη μέση σύνθεση όλων των τηγμένων ορυκτών.

Περιβάλλοντα που ευνοούν την ισορροπημένη τήξη:

1.Συνθήκες υψηλής πίεσης: Σε περιβάλλοντα που η εξαγωγή τήγματος είναι αργού ρυθμού, όπως στις ζώνες υποβύθισης ή στο κατώτερο μανδύα, το τήγμα παραμένει σε επαφή με το στερεό τμήμα του πετρώματος για παρατεταμένες περιόδους, γεγονός που ευνοεί την ισορροπημένη μερική τήξη.

2.Τήγμα χαμηλής διαπερατότητας: Στα περιβάλλοντα όπου η διαπερατότητα του πετρώματος είναι χαμηλή, οφειλόμενη σε λεπτομερή ή συμπαγή ιστό (texture), το τήγμα αδυνατεί να συσσωρευτεί και παραμένει στάσιμο σε επαφή με το στερεό.

3.Μεγάλης κλίμακας επεισοδείων σσταθερής τηξης: παραγόμενοι μεγάλοι όγκοι τήγματος παραμένουν λιμνάζοντες στον μανδύα ή στον φλοιό, όπου επικρατούν συνθήκες ισορροπίας προτού ανέλθουν Αυτό μπορεί να συμβεί σε μεγάλους μαγματικούς θαλάμους, κάτω από ηφαιστειακά τόξα ή κατά την διάρκεια σχηματισμού μεγάλων πυριγενών επαρχιών (Large Igneous Provinces) [δείτε ανάρτηση «Μεγάλες Πυριγενείς Επαρχίες – Tuzo & Jason – Θερμές Κηλίδες»].

β) Κλασματική μερική τήξη:

είναι η διεργασία κατά την οποία τμήμα ενός πετρώματος τήκεται σταδιακά, καθώς διαφορετικά ορυκτά έχουν διαφορετικά σημεία τήξης και το σχηματιζόμενο τήγμα απομακρύνεται συνεχώς από το πηγαίο πέτρωμα και ως εκ τούτου δεν παραμένει σε ισορρόπηση με το στερεό υπόλειμμα. Αυτή η διεργασία διαφέρει από την παραπάνω σταθερή όπου το τήγμα παραμένει σε επαφή με το εναπομένον στερεό έως ότου σημαντικό τμήμα του πετρώματος τηκτεί μέχρι να εξαντληθεί από τα ορυκτά που το αποτελούσαν.

Κατά την προοδευτική αύξηση της Τ τα ορυκτά με χαμηλό σημείο τήξης τήκονται πρώτα και παράγουν τήγματα με διαφορετική σύνθεση απ’ αυτήν του μητρικού πετρώματος. Λόγω της άμεσης απομάκρυνσης αφενός απομονώνονται από τα κρυσταλλικά κατάλοιπα χωρίς να υπάρχουν σχέσεις αντιδράσεων μεταξύ τήγματος και κρυστάλλων και αφετέρου κάθε «παρτίδα» τήγματος έχει διακριτή σύνθεση από τις υπόλοιπες.

Περιβάλλοντα που ευνοούν την κλασματική:

1.Μεσοωκεάνιες ράχες: το ανερχόμενο μανδυακό τήγμα, χαμηλής πυκνότητας υφίσταται αποσυμπίεση και απομακρύνεται ταχέως δημιουργώντας διασυνδεδεμένα κανάλια τήγματος, γεγονός που ευνοεί την κλασματική συμπεριφορά του τήγματος.

2.Μανδυακοί πίδακες (mantle plumes): η ταχεία παραγωγή και άνοδος του τήγματος οδηγεί σε κλασματική τήξη καθώς η απομάκρυνσή του τήγματος είναι συνεχής από την περιδοτιτική μανδυακή πηγή.

3.Σε περιβάλλονται μεταξύ του ανωτέρου μανδύα και του κατώτερου φλοιού όπου είναι δυνατή η ταχεία απομάκρυνση του τήγματος προς την επιφάνεια μέσω των διαρρήξεων αλλά και σε περιβάλλοντα υψηλού πορώδους (porosity) και διαπερατότητας.

Ασύμβατα στοιχεία (incompatible elements) στην μερική τήξη

Ως ασύμβατα στοιχεία ορίζονται εκείνα που ενσωματώνονται στο τήγμα αλλά αδυνατούν να ενσωματωθούν στην κρυσταλλική δομή των ορυκτών, Η ασυμβατότητά τους οφείλεται είτε στο μέγεθος είτε στο φορτίο των ιόντων τους, τα οποία καθιστούν αδύνατη την ενσωμάτωσή τους στο κρυσταλλικό πλέγμα, τέτοια είναι:

 

Στοιχεία υψηλής ισχύος πεδίου ή HFSE (High Field Strength Elements):

Χημικά στοιχεία τα οποία έχουν μικρές σχετικές ιοντικές ακτίνες αλλά υψηλό θετικό φορτίο προκαλώντας ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη και ως εκ τούτου παρουσιάζουν υψηλή ανθεκτικότητα σε χημικές ενώσεις με αποτέλεσμα την αδυναμία ενσωμάτωσής τους στα ορυκτά και τείνουν να παραμένουν στο τήγμα. Σ’ αυτή την ομάδα περιλαμβάνονται ενδεικτικά: Hf, Zr, Ti, Nb, Ta, Y, Th, U.

 

Λιθόφιλα στοιχεία μεγάλων ιόντων ή LILE (Large Ion Lithophile Elements):

Χημικά στοιχεία με μεγάλες ιοντικές ακτίνες που αδυνατούν να κάνουν δεσμούς με το κρυσταλλικό πλέγμα, και τείνουν, επίσης, να παραμένουν στο τήγμα. Σ’ αυτή την ομάδα περιλαμβάνονται ενδεικτικά τα: Rb, K, Cs, Sr, Ba, Eu, Pb, La,Ce, Pr, Nd .

 

Οι ελαφριές σπάνιες γαίες ή LREE (Light Rare Earth Elements) περιλαμβάνουν τα χημικά στοιχεία Λανθάνιο (La), Δημήτριο (Ce), Πρασινοδύμιο (Pr), Νεοδύμιο (Nd), Προμήθειο (Pm), Σαμάριο (Sm), Ευρώπιο (Eu) και Γαδολίνιο (Gd). Έχουν ελαφρύτερο ατομικό βάρος είναι περισσότερο κινητικές και ενσωματώνονται εύκολα στο τήγμα. Τυπικά εμπλουτίζουν αδακιτικά μάγματα (παρακάτω) λόγω της συμβατότητάς των σε ορυκτά τα οποία είναι λιγότερό σταθερά σε υψηλές Τ (πλαγιόκλαστο, γρανάτης).

 

Οι βαριές σπάνιες γαίες ή HREE (Heavy Rare Earth Elements) περιλαμβάνουν τα χημικά στοιχεία Τέρβιο (Tb), Δυσπρόσιο (Dy), Όλμιο (Ho), Έρβιο (Er), Θούλιο (Tm), Υττέρβιο (Yb), Λουτήτιο (Lu) καθώς και το Ύτριο (Y), το οποίο παρά το μικρό ατομικό του βάρος μοιράζεται πιο πολλές ομοιότητες με τις HREE. Είναι λιγότερο ασύμβατες από τις παραπάνω ελαφριές και έχουν την τάση να παραμένουν στο στερεό υπόλειμμα κυρίως όταν υψηλής Ρ ορυκτά είναι σταθερά, όπως ο γρανάτης που τις ενσωματώνει στην κρυσταλλική δομή του. Αυτή η διατήρηση έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση σε HREE στο τήγμα και χαρακτηρίζει το γεωχημικό αποτύπωμα το οποίο δεικνύει συνθήκες τήξης παρόμοιες με εκείνες των ζωνών υποβύθισης ή σε μανδυακές πηγές βάθους.

 

Η συμπεριφορά των ασύμβατων στοιχείων κατά την διάρκεια της μερικής τήξης είναι κρίσιμη για την κατανόηση της εξελικτικής διεργασίας του μάγματος και για την διαφοροποίηση του μανδύα. 

 

Στην ισορροπημένη μερική τήξη όπου το τήγμα και το στερεό βρίσκονται σε επαφή μέχρι να απομακρυνθεί το συνολικό τήγμα, τα ασύμβατα στοιχεία είναι περισσότερο ισοδύναμα κατανεμημένα μεταξύ του τήγματος και του στερεού υπολείμματος και η σύνθεση του τήγματος τείνει να μοιάζει με αυτή του αρχικού πετρώματος. Επειδή προτιμούν να παραμένουν στο τήγμα και όχι στο στερεό υπόλειμμα του ορυκτού, αφού δεν μπορούν να ενσωματωθούν στο πλέγμα του, η συγκέντρωσή τους είναι σχετικά χαμηλή στο τήγμα το οποίο βρίσκεται σε συνεχή δυναμική ισορροπία, ανταλλάσσοντας στοιχεία με το στερεό καθ’ όλη την διάρκεια της τήξης.

 

Στην κλασματική μερική τήξη τα ασύμβατα συγκεντρώνονται στο τήγμα διότι αδυνατούν να ενσωματωθούν στην κρυσταλλική δομή του εναπομένοντος στερεού ορυκτού. Έτσι καθώς ένα τήγμα σχηματίζεται και από ένα μικρό τμήμα του πετρώματος, μετακινείται από το σύστημα χωρίς να είναι πλέον δυνατή η εξισορρόπηση με το εναπομένον στερεό, διότι δεν είναι δυνατή η κινητικότητα των ασύμβατων στοιχείων μεταξύ των δύο σωμάτων (τήγμα - στερεό). Αυτό οδηγεί σε υψηλή σχετική συγκέντρωση ασύμβατων, σε σχέση με την ισορροπημένη.

Καταλήγοντας, γίνεται σαφές ότι τα τήγματα είναι εμπλουτισμένα με ασύμβατα στοιχεία τα οποία παραμένουν ως ξενιστές μέσα στο τήγμα και το εναπομένον εξαντλημένο πέτρωμα μπορεί να περιέχει πυρίμαχα ορυκτά τα οποία δεν συμμετείχαν στην τήξη, έχοντας υψηλό σημείο τήξης, ανάλογα με το θερμοκρασιακό περιβάλλον που επικράτησε κατά την διάρκειά της.

Τέτοια ορυκτά μπορεί να είναι ολιβίνης, ορθοπυρόξενος, σπινέλιος, γρανάτης, χρωμίτης (FeCr₂O₄) και κορούνδιο (Al₂O₃). Ακτή η διεργασία οδηγεί στην εξάντληση των μανδυακών περιδοτιτικών πετρωμάτων, τα οποία έχουν υποστεί μερική τήξη και παρέμειναν μετα την απομάκρυνση του τελικά τηγμένου τμήμα του πετρώματος.

Η επίδραση των πτητικών στην μερική τήξη

(Παραπάνω στην ενότητα της «Φύσης του Μάγματος» έγινε περιγραφή των πτητικών σε σχέση με τα τήγματα.)

 

Στην ισορροπημένη μερική τήξη πτητικά όπως (H₂O) και (CO₂) έχουν κρίσιμο ρόλο στην μείωση του σημείου τήξης των πετρωμάτων. Με την παρουσία τους στον μανδύα επηρεάζουν ποιά ορυκτά θα προχωρήσουν πρώτα στην τήξη και πως τα στοιχεία θα διανεμηθούν μεταξύ τήγματος και στερεού υπολείμματος. Ακόμη κατά την διάρκεια της ισορρόπησης της τήξης τα πτητικά ενισχύουν την ενσωμάτωση των ασύμβατων στοιχείων μέσα στο τήγμα. Αυτό συμβαίνει διότι καθώς μειώνεται η συνολική Τ του συστήματος αυξάνεται η αναλογία του προς τήξη μέρος του πετρώματος.

Στην κλασματική μερική τήξη τα πτητικά έχουν διαφορετικό ρόλο απ’ ότι στην ισορροπημένη, καθώς οι «δόσεις» τήγματος που αποχωρίζονται από το εναπομένον στερεό το εξαντλούν προοδευτικά από πτητικά. Στα πρώτα στάδια της κλασματικής (στις πρώτες «δόσεις») η συμμετοχή των πτητικών είναι έντονη ώστε αυτά να είναι ιδιαίτερα πλούσια σε πτητικά. Καθώς το τήγμα – δόση απομακρύνεται αμέσως μετα τον σχηματισμό του, το επακόλουθο τήγμα παράγεται από ένα προς εξάντληση από πτητικά πέτρωμα. Συνεπώς τα αποχωρήσαντα τήγματα έχουν μεταξύ των, διαχρονικά, διαφορές στη σύνθεσή τους. Τα πρώτα διαθέτουν μεγάλές συγκεντρώσεις πτητικών και επομένως είναι πιο πλούσια σε ασύμβατα στοιχεία, αλλά καθώς η κλασματική τήξη εξελίσσεται, τα πτητικά στο στερεό υπόλειμμα εξαντλούνται ώστε οι τελευταίες «δόσεις» τήγματος έχουν διαφορετικό χημικό χαρακτήρα με λίγα η καθόλου πτητικά και είναι περισσότερο μαφικά. Έτσι από το ιδικό πέτρωμα το παραγόμενο σύνολο των τηγμάτων διαθέτει φελσικά – μαφικά ακραία μέλη.

 

 

Παραγωγή μάγματος στις ζώνες υποβύθισης (Μαγματισμός τόξου)

Η παραγωγή μάγματος στην μανδυακή σφήνα του τόξου (νησιωτικό – ηπειρωτικό) είναι μία διεργασία με τη συμμετοχή πολλών διαφορετικών μηχανισμών οι οποίοι δημιουργούν τήγμα κατά την υποβύθιση της ωκεάνιας λιθοσφαιρικής πλάκας κάτω από ηπειρωτική. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία κατάλληλων συνθηκών για την τήξη του περιδοτιτικού μανδύα όπου παράγεται μάγμα για τον σχηματισμό ηφαιστειακών τόξων. Παρακάτω περιγράφονται συντελέστες που επηρεάζουν την παραγωγή μάγματος:

 

H ροή τήγματος (flux melting) είναι η διεργασία κατά την οποία η Τ του τήγματος στον μανδύα ή σε πέτρωμα φλοιού μειώνεται από την προσθήκη πτητικών, κυρίως νερού. Τα πτητικά προέρχονται από την υποβυθιζόμενη ωκεάνια πλάκα η οποία μεταφέρει επιπλέον ιζήματα, και ένυδρα ορυκτά. Αυτά τα πτητικά είναι απαραίτητα διότι σπάνε τους χημικούς δεσμούς του πετρώματος μειώνοντας την solidus και έτσι είναι δυνατή η μερική τήξη σε χαμηλότερες Τ. Αυτή η διεργασία λαμβάνει χώρα σε βάθος 100 – 200 χλμ, ανάλογα με την γωνία υποβύθισης και τη χημική σύνθεση του υποβυθιζόμενου τμήματος.

Καθώς η υποβυθιζόμενη πλάκα κατέρχεται παρασέρνει μανδυακό υλικό δημιουργώντας μια επαγωγική ροή γνωστή ως γωνιακή ροή (corner flow). Αυτή η ροή είναι η αιτία που το καυτό μανδυακό υλικό μετακινείται προς τα πάνω, στην σφήνα όπου υφίσταται αποσυμπίεση (μείωση Ρ) η οποία ευνοεί την περαιτέρω τήξη. Αυτή η αποσυμπίεση συνδυαζόμενη με τη ροή τήγματος ενδυναμώνει τη παραγωγή βασαλτικών ή ανδεσιτικών μαγμάτων στα ηφαιστειακά τόξα.

Έτσι ο ένυδρος μανδυακός περιδοτίτης στην σφήνα, υφίσταται μερική τήξη οφειλόμενη στην προσθήκη των υγρών από την ροή του τήγματος. Για παράδειγμα το νερό χαμηλώνει την Τ του τήγματος ολιβίνη – πυρόξενου. Το παραγόμενο τήγμα είναι στη σύνθεση του βασαλτικό ή ανδεσιτικό και καθώς τα υγρά διηθίζονται από τη σφήνα, συμμετέχουν στον μετασωματισμό του μανδύα αλλάζοντας την χημεία και την ορυκτολογία του, φαινόμενο χαρακτηριστικό των μαγματικών τόξων.

Το θερμικό καθεστώς στην μανδυακή σφήνα είναι κρίσιμο για την παραγωγή μάγματος:

Η σφήνα, πάνω από το υποβυθιζόμενο τμήμα, υφίσταται γωνιακή ροή διότι το κατερχόμενο τμήμα προκαλεί υπερθέρμανση καθώς σύρεται (δυνάμεις τριβής) στα υλικά του μανδύα. Οι θερμοκρασιακές βαθμίδες εντός της σφήνας μπορούν μεν  να ποικίλουν, αλλά επιτυγχάνονται κατάλληλες Τ για την τήξη στις περιοχές όπου καυτά μανδυακά πετρώματα έρχονται σε επαφή με πτητικά ρευστά.

Ακόμη θερμότητα παράγεται, στην σφήνα, και από την διάσπασή ραδιενεργών στοιχείων του υπερκειμένου φλοιού. Ο συνδυασμός των πηγών θερμότητας εξασφαλίζει ότι οι Τ στην μανδυακή σφήνα θα έχουν εύρος από 800⁰ μέχρι το λιγότερο 1300⁰C ανάλογα με το βάθος και την απόσταση από την τάφρο υποβύθισης.

Οι δυνάμεις τριβής είναι ιδιαίτερα σημαντικές στο όριο όπου το βυθιζόμενο τμήμα έρχεται σε επαφή με την υπερκείμενή μανδυακή σφήνα:

α) Δημιουργούν θερμότητα τριβής επηρεάζοντας την θερμική βαθμίδα.

β) Προκαλούν διατμητική παραμόρφωση στην διεπαφή σφήνας – πλάκας, η οποία επηρεάζει την συμπεριφορά της γωνιακής ροής, διαμορφώνοντας την κατανομή της θερμότητας και των υλικών.

γ) Συσσωρεύουν τάσεις με αποτέλεσμα αυτές να προκαλούν σεισμικότητα μεταξύ του βυθιζόμενου τμήματος και της υπερκείμενης πλάκας καθορίζοντας έτσι τη σεισμική ζώνη Wadati – Benioff.

Αυτή η ζώνη παρέχει πληροφορίες για τις θερμικές και μηχανικές ιδιότητες του υποβυθιζόμενου τμήματος αλλά και του περιβάλλοντος μανδύα. Το μέγιστο βάθος της δεν μπορεί να ξεπεράσει περίπου τα 700 χλμ και θεωρείται ότι δεικνύει σε πιο βάθος το τμήμα της πλάκας (slab) χάνει την εύθραυστη συμπεριφορά του και μεταβαίνει σε μια περισσότερο όλκιμη κατάσταση η οποία δικαιολογεί την σεισμική δραστηριότητα. Η κατανομή των σεισμών στην ζώνη Wadati – Benioff, καθώς αναπτύσσεται υπο κλίση μέσα στον μανδύα, εκτός από το βάθος των συσσωρευόμενων τάσεων δεικνύει και την κύρτωση της πλάκας, την ενυδάτωσή της και τις μεταβολές των ορυκτών φάσεων.

Χημικά χαρακτηριστικά στα μανδυακά τόξα:

Διαφέρουν από τα χαρακτηριστικά της μεσοωκεάνιας ράχης λόγω της ιδιαίτερης διεργασίας που προκύπτει από τις ζώνες υποβύθισης:

Υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και πτητικά: Μειώνει την Τ μάγματος στην μανδυακή σφήνα με αποτέλεσμα την αύξηση της ένταση των εκρηκτικών ηφαιστειακών εκτονώσεων καθώς τα πτητικά εξαερώνονται όταν το μάγμα προσεγγίσει τη χαμηλή Ρ κοντά στην επιφάνεια.

Εμπλουτισμός σε Λιθόφιλα Στοιχεία Μεγάλων Ιόντων (LILE): Κ, Ba, Sr, Rb, Cs, La, Ce,  τα οποία διαλύονται σε μεγάλες ποσότητες σε υδατώδη ρευστά ώστε να μετακινούνται από το υποβυθιζόμενο τμήμα και να ενσωματώνονται στο μάγμα των τόξων. Ως αποτέλεσμα αυτά τα μάγματά έχουν σχετικά μεγάλη περιεκτικότητα σε LILE συγκρινόμενα με τα βασαλτικά των μεσοωκεάνιες ραχών και αποτελούν διακριτικό από μάγματα άλλων τεκτονικών φάσεων.

Έλλειψη σε Στοιχεία Υψηλής Ισχύος Πεδίου (HFSE): Nb, Ta, ,Ti, Hf, Zr, Y, Th, U, τα οποία είναι σχετικά ακίνητα σε υδατώδη ρευστά και ως εκ τούτου παραμένουν, κυρίως το νιόβιο και το ταντάλιο, στο υποβυθιζόμενο τμήμα και αποτελούν επίσης χαρακτηριστικό του μαγματισμού των τόξων.

Μεγάλος αριθμός μαγνησίου (Mg#): Τα πρωτογενή μάγματα συνήθως διαθέτουν μεγάλο Mg# το οποίο δεικνύει ότι η μερική τήξη της μανδυακής πηγής είναι λιγότερο εξαντλημένη από την τήξη σε σχέση με αυτή των μεσοωκεάνιων ραχών και η συμμετοχή των προερχόμενων ρευστών από το υποβυθιζόμενο τμήμα συνεισφέρει στον αυξημένο Mg# που συνεπάγεται μαφικά μάγματα.

Υψηλές αναλογίες Sr/Y και La/Yb *(Στρόντιο/ Ύτριο και Λανθάνιο/ Υττέρβιο): Τα μαγματικά τόξα συχνά παρουσιάζουν υψηλές αναλογίες Sr/Y και La/Yb ενδεικτικό των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στη ζώνη υποβύθισης. Υψηλή αναλογία Sr/Y δεικνύει πηγή γρανάτη ή πυκνότερο φλοιό, ενώ αυξημένη αναλογία La/Yb συνεπάγεται επιλεκτικό εμπλουτισμό σε LREE οφειλόμενο σε ρευστά προερχόμενα από την πλακά ή από το τήγμα.

Η οξείδωση στα μάγματα τόξων: Τα μάγματα στις ζώνες υποβύθισης τείνουν να έχουν  σχετικά υψηλό δυναμικό οξυγόνου (ƒO₂), με αποτέλεσμα να είναι πιο οξειδωμένα από εκείνα των μεσοωκεάνιων ραχών. Πιο συγκεκριμένα το ƒO₂ καθορίζει την κατάσταση οξείδωσης των στοιχείων του μάγματος όπως ο Fe, που μπορεί να κάνει εναλλαγές μεταξύ σιδηρούχου σιδήρου (ferrous:Fe²⁺) και σιδηρικού σιδήρου (ferric:Fe³⁺). Υψηλό ƒO₂ οδηγεί σε περισσότερο οξειδωμένα μάγματα με την παρουσία Fe³⁺ τα οποία επηρεάζουν την κρυσταλλοποίηση ορυκτών όπως του μαγματική και αιματίτη. Επιπλέον το ƒO₂ επηρεάζει την σταθερότητα και τη διαλυτότητα του θείου στο μάγμα, καθορίζοντας εάν θα έχει την μορφή οξείδωσης ως θειική ένωση (sulphate) ή την μη οξειδωμένη ως σουλφίδια. Αυτή η διάκριση είναι ουσιώδης διότι επηρεάζει την συμπεριφορά του θείου κατά την διάρκεια της έκρηξης καθώς επιδρά στην απελευθέρωση των ηφαιστειακών αερίων για πιθανές εκρηκτικές εκρήξεις (explosive eruptions).

 

Όλες οι παραπάνω διεργασίες μπορούν να μεταβληθούν σημαντικά διότι εξαρτώνται από:

- Την γωνία υποβύθισης της πλάκας και από τον ρυθμό της υποβύθισης τα οποία επηρεάζουν τον βαθμός της απελευθέρωσης των πτητικών.

- Την σύνθεσή της υποβυθιζόμενης πλάκας η οποία περιλαμβάνει ποικιλία ιζηματογενών καλυμμάτων και υλικών φλοιού.

- Την ηλικία και την Τ του υποβυθιζόμενου τμήματος τα οποία καθορίζουν τόσο την ενυδάτωση όσο και την περιεκτικότητα σε πτητικά του τμήματος.

 

*[Sr και Υ έχουν αντικρουόμενες συμπεριφορές κατά την μερική τήξη και κρυσταλλοποίηση:

Sr (Στρόντιο) είναι LILE στοιχείο και συμπεριφέρεται ως ασύμβατο με τάση να εισέρχεται στο τήγμα κυρίως κάτω από χαμηλές – μέτριες Τ.

Υ (Ύτριο) είναι HFSE στοιχείο και συμπεριφέρεται ως συμβατό σε ορυκτά υψηλών Ρ όπως ο γρανάτης με εύκολη συγκράτηση. Να σημειωθεί ότι αντίστοιχη συμπεριφορά με τον γρανάτη έχει ο κλινοπυρόξενος και πιο έντονη ο ματζοριτικός γρανάτης [πυρωπό με στοιχεία ματζορίτη Mg₃(MgSi)(SiO₄)₃] ο οποίος σχηματίζεται σε πολύ υψηλές Ρ στη μεταβατική ζώνη μεταξύ ανώτερου – κατωτέρου μανδύα, μεταξύ των ασυνεχειών 410 – 660χλμ (δείτε ανάρτηση «Δομή της Γης»). Επομένως υψηλή αναλοία Sr/Y δεικνύει συνθήκες όπου το Sr είναι περισσότερο κινητικό σε σχέση με το Y με αποτέλεσμα σε υψηλή Ρ σε υπόλειμμα γρανάτη να συγκρατείται το Υ. Αντίθετα σε χαμηλή αναλογία Sr/Y δεικνύονται συνθήκες χαμηλών Ρ όπου ορυκτά όπως το πλαγιόκλαστο ενσωματώνει μεν Sr αλλά όχι Υ.

La/Yb παρέχει ενδείξεις για την τήξη σε σχέση με το βάθος: La (Λανθάνιο) ως LREE είναι περισσότερο ασύμβατο από το Yb καθώς εισέρχεται εύκολα στο τήγμα. Το Yb (Υττέρβιο) ως ΗΡΕΕ είναι λιγότερο ασύμβατο κυρίως κάτω από υψηλές πιέσεις όπου ορυκτά όπως ο γρανάτης το συγκρατεί μειώνοντας την συγκέντρωσή του στο τήγμα. Επομένως υψηλή αναλογία La/Yb δεικνύει τήξη στο βάθος σταθεροποίησης του γρανάτη που συγκρατεί το Yb προκαλώντας έλλειψη σε ΗREE και εμπλουτισμό σε LREE. Αντίθετα μια χαμηλή αναλογία La/Yb δεικνύει τήξη σε ρηχά βάθη και σε συνθήκες απουσίας γρανάτη, επιτρέποντας το Yb να εισέρχεται στο τήγμα σχετικά εύκολα και να μειώνει την εν λόγω αναλογία.

Αμφότερες οι αναλογίες έχουν ευρεία χρήση στην γεωχημεία καθώς τεκμαίρεται η Ρ και το βάθος του τήγματος ανάλογα με την συγκράτηση ή την απελευθέρωση των Υ και Yb από ορυκτά υψηλής Ρ ή λαμβάνεται πληροφόρηση για την σταθερότητα ορυκτών και την συμπεριφορά των στοιχείων κατά την διάρκεια σχηματισμού των πετρωμάτων και ακόμη για την διάκριση των διαφορετικών τεκτονικών περιβαλλόντων.]

 

Μερική τήξη του υποβυθιζόμενου ωκεάνιου φλοιού: Αδακίτης (adakite)

Ο αδακίτης σχηματίζεται σε συνθήκες υψηλών Ρ και Τ όπου ο υποβυθιζόμενος ωκεάνιος φλοιός (βασαλτικό τμήμα) υφίσταται μερική τήξη με την προϋπόθεση ότι το βυθιζόμενο τμήμα είναι νέο (<25Μa), με ταχύ ρυθμό σύγκλισης και αρκετά θερμό για την μερική τήξη. Τυπικά τα μάγματα των τόξων σχηματίζονται κυρίως από τη ροή τήγματος στην μανδυακή σφήνα, αντίθετα ο αδακίτης σχηματίζεται εκεί όπου το βυθιζόμενό τμήμα υποβάλετε σε απευθείας μερική τήξη, χωρίς την εξωγενή συμμέτοχη τήγματος.

Ακόμη για τον σχηματισμό αδακίτη είναι απαραίτητο η υποβύθιση του νέου τμήματος να πραγματοποιηθεί σε σχετικά μικρή γωνία καθώς έτσι θα παραμείνει σε μικρά βάθη για μεγάλη απόσταση κάτω από την υπερκείμενη πλάκα, αυξάνοντας την πιθανότητα να διατηρήσει υψηλή Τ στο ανώτερο τμήμα της μανδυακής σφήνας όπου σε βάθος 80 -100χλμ σχηματίζεται ο αδακίτης. Εναλλακτικά, στην περίπτωση που η γωνία υποβύθισης είναι μεγαλύτερη (τυπική) το τμήμα θα φθάσει γρηγορότερα στο βάθος σχηματισμού θα πρέπει λόγω νεότητας να έχει διατηρήσει την κατάλληλη θερμοκρασία υποβοηθούμενο από κατάλληλη θερμική βαθμίδα και την πλευστότητά του.

Να σημειωθεί ότι οι πλάκες μεγάλης ηλικίας (>25Μa)είναι πιο ψυχρές και έχουν την τάση να διατηρούν τα ορυκτά εφόσον δεν μπορούνε να τηκτούν στη Τ και στη Ρ των εν λόγω ζωνών υποβύθισης. Αντ’ αυτού ελευθερώνουν ρευστά χωρίς τήγμα, τα οποία προκαλούν την τήξη κατά την επαφή τους με την υπερκείμενη μανδυακή σφήνα, με αποτέλεσμα την παραγωγή βασαλτικού μάγματός παρά αδικιτικού.

 

Ο αδακίτης έχει διακριτή χημική σύνθεση λόγω της προέλευσής του από μερική τήξη βασαλτικού ωκεάνιου φλοιού και η ύπαρξη των στοιχείων Sr και La αποτελεί το γεωχημικό του αποτύπωμα:

- Υψηλή περιεκτικότητα σε SiO₂ στο εύρος 56 – 64% κατάλληλη για αδακιτικά και δακιτικά μάγματα.

- Υψηλές αναλογίες Sr/Y και La/Yb: συνεπάγεται αδακίτες εμπλουτισμένους με Sr και LREE στοιχεία, καθώς ο γρανάτης παραμένει σταθερός στο υπόλειμμα κατά την διάρκεια της τήξης της πλάκας συγκρατώντας στοιχεία ΗREE.

- Χαμηλές συγκεντρώσεις σε HFSE στοιχεία όπως Nb και Ta, τα οποία, σε μάγματα από υποβύθιση, τυπικά εξαντλούνται καθώς συγκρατούνται από το υποβυθιζόμενο τμήμα πλάκας.

 

Τα ορυκτά του αδακίτη (adakite) και του δακίτη (dacite) είναι παρόμοια αλλά διαφέρουν ως προς τις διεργασίες σχηματισμού των και στην σύνθεση των ιχνοστοιχείων..

 

 

Παραγωγή αλκαλικών μαγμάτων σε μετασωματικά εμπλουτισμένους μανδυακούς περιδοτίτες.

Τα αλκαλικά μάγματα χαρακτηρίζονται από τα περιεχόμενα αλκαλικά στοιχεία όπως νάτριο (Na) και κάλιο (Κ) τα οποία συχνά σχηματίζονται σε περιοχές που έχουν υποστεί μετασωματισμό. Αυτή η διεργασία μεταβάλλει ριζικά την σύνθεση και την συμπεριφορά της τήξης της μανδυακής πηγής δημιουργώντας μάγματα με διακριτά γεωχημικά χαρακτηριστικά.

Τα απαραίτητα ρευστά ή τήγματα που συμμετέχουν στον μετασωματισμό προέρχονται από υποβυθιζόμενα τμήματα πλακών ή από ανερχόμενο μανδυακό υλικό το όποιο μεταφέρει σπάνιες γαίες και πτητικά. Η αλληλεπίδραση αυτών των στοιχείων με τον περιδοτιτικό μανδύα οδηγεί σε μετασωματικές μεταβολές των υπαρχόντων ορυκτών οι οποίες αυξάνουν τη γονιμότητα του μανδύα μειώνοντας την solidus για την εκκίνηση της μερικής τήξης.

Χαρακτηριστικά του μετασωματισμένου μανδύα:

Η εισροή των μετασωματικών ρευστών αναπτύσσει ένυδρες και ανθρακικές φάσεις ορυκτών: Φλογοπίτης, αμφίβολος, ανθρακίτης και δολομίτης παρατηρούνται σε μετασωματισμένο περιδοτίτη και επειδή δεν συμμετείχαν στην αρχική ορυκτολογική σύνθεσή του, αποτελούν ένδειξη της χημικής μετατροπής λόγω μετασωματισμού.

Τα εν λόγω νεοσχηματισμένα ορυκτά, τα οποία περιέχουν πτητικά και ασύμβατα στοιχεία, όπως αλκαλικά, LILE (Ba, Sr, Rb) και σπάνιες γαίες (La, Ce) επηρεάζουν την συμπεριφορά του μανδύα. Για παράδειγμα ο φλογοπίτης [KMg₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂] περιέχει σημαντικές ποσότητες Κ, ενώ ο αμφίβολος [(Na,K,)(Ca,Na)₂(Mg,Fe,Al)₅((Si,Al)₈O₂₂)(OH,F,Cl,O)] μπορεί να περιέχει νερό, χλώριο και άλλα ιχνοστοιχεία. Ακόμη τα ανθρακικά παρέχοντας CO₂ μειώνεται η solidus διευκολύνοντας την μερική τήξη.

Ο φλογοπίτης και ο αμφίβολος είναι σταθεροί σε συγκεκριμένες Τ και Ρ συνθήκες στον μανδύα μέχρι τα 250 χλμ. Πιο αναλυτικά, ο φλογοπίτης σταθεροποιείται στα 6 -8 GPa σε 180-250 χλμ σε Τ 1100⁰ – 1200⁰C, ενώ ο αμφίβολος (παργασίτης NaCa₂(Mg₄Al)(Si₆Al₂)O₂₂(OH)₂) στα 2 -4 GPa σε βάθος 60 – 90 χλμ και σε Τ 1050⁰ – 1100⁰C. Αυτές οι συνθήκες σταθερότητας δείχνουν ότι ο φλογοπίτης μπορεί να συμμετέχει σε διεργασίες βάθους και δυνητικά επηρεάζει τις ζώνες των τηγμάτων. Ο αμφίβολος περιορίζεται σε πιο ρηχά επίπεδα του μανδύα κοντά στις ζώνες υποβύθισης.

Ο μετασωματισμός τροποποιεί σημαντικά την ισοτοπική σύνθεση της μανδυακής πηγής καθώς κάθε στοιχειό που συμμετέχει στον μετασωματισμό αποκαλύπτει δυνητικά μια μοναδική ισοτοπική υπογραφή. Ρευστά και τήγματα προερχόμενα από υποβυθιζόμενο ωκεάνιο φλοιό ή από ιζήματα, έχουν διακριτές ισοτοπικές συνδέσεις που περιλαμβάνουν υψηλά ποσοστά Sr, Nd και Pd . Όταν αυτά τα υλικά εισέρχονται στον μανδύα αφήνουν ένα ισοτοπικό αποτύπωμα το οποίο δεικνύει την ανακύκλωση των υλικών του φλοιού. Έτσι αυτά τα αποτυπώματα -υπόγραφες λειτουργούνε ως εργαλείο παρακολούθησης των μανδυακών διεργασιών και των πηγών τήγματος, ώστε να διακρίνονται τα τήγματα που προέρχονται από διαφορετικά τμήματα του μανδύα ή έχουν επηρεαστεί από τις ζώνες υποβύθισης. Η παρουσία εμπλουτισμένων ισότοπων Sr, και Nd συχνά χρησιμοποιείται ως δείκτης του μετασωματισμού σχετιζόμενου με υποβύθιση αλλά παρέχουν και πληροφόρησή για τεκτονικά επεισόδια του παρελθόντος.

 

 

Παραγωγή μάγματος στον ηπειρωτικό φλοιό

Η παραγωγή μάγματος στον ηπειρωτικό φλοιό προκύπτει από διάφορα περιβάλλοντα Ρ – Τ και από παράγοντες διαφόρων συστατικών, ως εκ τούτου, φελσικά κυρίως μάγματα δημιουργούνται σε τρία ηπειρωτικά καθεστώτα:

Στις ηπειρωτικές συγκρούσεις ή ορογενετικές ζώνες, ο φλοιός πυκνώνεται και οδηγεί σε αύξηση της Τ, η οποία οφείλεται στη διάσπαση ραδιενεργών στοιχείων και λειτουργεί ως  πηγή εσωτερικής θερμότητας. Ο πυκνός φλοιός συμπεριφέρεται ως θερμικός μονωτής συγκρατώντας τη θερμότητα στο κατώτερο και μέσο τμήμα του, προκαλώντας έτσι την συσσώρευσή της καθώς δεν είναι εφικτή η διαφυγή της στην επιφάνεια. Αυτή η διεργασία όχι μόνο αυξάνει την γεωθερμική βαθμίδα αλλά δημιουργεί ένα θερμικό περιβάλλον κατάλληλο για την μερική τήξη.

Στις ζώνες υποβύθισης τα ρευστά που απελευθερώνονται από το υποβυθιζόμενο τμήμα της πλάκας μειώνουν την Τ τήξης των υπερκειμένων πετρωμάτων του φλοιού. Αυτό προκαλεί ροή τήγματος, από τη τήξη των ένυδρων ορυκτών του φλοιού και παραγόμενο μάγμα έχει διακριτά χημικά χαρακτηριστικά που συνάδουν με τις διεργασίες υποβύθισης.

Στους ηπειρωτικούς τάφρους και θερμές κηλίδες η ανοδική κίνηση μάγματος του μανδύα θερμαίνει τον κατώτερο φλοιό προκαλώντας μερική τήξη, επίσης οι θέρμες κηλίδες επιφέρουν σημαντικές θερμικές αναταράξεις συμβάλλοντας στην μερική τήξη του φλοιού.

Η μερική τήξη του κατώτερου φλοιού είναι μια θεμελιώδης διεργασία όχι μόνο για την παραγωγή ηπειρώτικού μάγματος, σχηματίζοντας πλουτώνια και ηφαιστειακά πετρώματα κυρίως φελσικής και ενδιάμεσης σύνθεσης, αλλά ακόμη συμβάλει στην αναδιανομή της θερμότητας και στοιχείων εντός του φλοιού.

Διαχρονικά με επαναλαμβανομένους κύκλους μερικής τήξης, μετανάστευσης μάγματος και κρυσταλλοποίησης, σταθεροποιείται ο ηπειρωτικός φλοιός με διακριτή σύνθεση και δομή διαχωρίζοντάς τον από τον μανδύα και τον ωκεάνιο φλοιό. Επιπλέον η μερική τήξη δημιουργεί μιγματικές και γρανουλιτικές φάσεις πετρωμάτων οι οποίες χαρακτηρίζονται από τις διεργασίες υψηλών Τ στον φλοιό. Ακόμη παρέχουν στοιχεία για την θερμική και τεκτονική του ιστορία.

 

Το ποσοστό τήξης του σώματος του πετρώματος επιδρά και στον όγκο παραγωγής μάγματος αλλά και στην σύνθεσή του Έτσι χαμηλό ποσοστό σχηματίζει τήγματα τα οποία είναι εμπλουτισμένα με ασύμβατα στοιχεία, ενώ υψηλότερα ποσοστά παράγουν πιο ομογενοποιημένα πυριτικά τήγματα.

 

Ο κατώτερος ηπειρωτικός φλοιός απαιτεί σημαντική ποσότητα θερμότητας ώστε να προσεγγίσει τις αναγκαίες Τ για την μερική τήξη. Αυτή τυπικά κυμαίνεται μεταξύ 650°C και 900°C και εξαρτάται από τη σύνθεση του πετρώματος αλλά και την περιεκτικότητά του σε νερό.

 

Η γεωθερμική βαθμίδα, ο ρυθμός αύξησης της Τ με το βάθος, είναι κρίσιμη για την παραγωγή μάγματος. Σε τυπικό ηπειρωτικό φλοιό, συνήθως είναι χαμηλή για να προκαλέσει εκτεταμένη τήξη, αλλά σε συγκεκριμένες τεκτονικές συνθήκες, όπως οι ζώνες ορογένεσης και υποβύθισης, αυξάνεται η βαθμίδα επαρκώς για την εκκίνηση της τήξης. Ακόμη τοπικές πήγες θερμότητας, όπως η εισχώρηση βασαλτικού μάγματός, συμπεριφέρονται ως θερμικές ανωμαλίες οι όποιες αυξάνουν την Τ στα περιβάλλοντα πετρώματα του φλοιού προωθώντας την μερική τήξη.

 

Το νερό και τα πτητικά είναι σημαντικοί παράγοντες διότι μειώνουν την solidus των πετρωμάτων, επιτρέποντας τη μερική τήξη για τα άνυδρα ορυκτά σε χαμηλότερες Τ. Ένυδρα ορυκτά του κατώτερου φλοιού, όπως ο αμφίβολος και ο βιοτίτης, απελευθερώνουν νερό όταν υπόκεινται σε υψηλές Ρ και Τ σχηματίζοντας ροή τήγματος. Για παράδειγμα, η προσθήκη νερού στα γρανιτικά πετρώματα μειώνει την Τ ώστε να ξεκινήσει η τήξη στους περίπου 650–700°C, ενώ τα άνυδρα απαιτούν Τ πάνω από 900°C.

 

Αντιδράσεις μερικής τήξης στον κατώτερο φλοιό προκύπτουν από την διάσπαση ένυδρων ορυκτών του φλοιού, κυρίως μαρμαρυγίες (βιοτίτης -Κ(Fe,Mg)₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂-, μοσχοβίτης -ΚAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂), αμφίβολοι και άστριοι.

Ο μοσχοβίτης αντιδρά με τον χαλαζία σε Τ 650–700°C με την παραγωγή τήγματος και τον σχηματισμό Κ-άστριου και πιθανώς σιλλιμανίτη ή γρανάτη ως νέες φάσεις ορυκτών:

Μοσχοβίτης + Χαλαζίας → Κ-άστριος + Τήγμα + Νερό + Σιλλιμανίτης

Βιοτίτης + Χαλαζίας → Ορθοπυρόξενος + Τήγμα + Νερό

Αμφίβολος + Χαλαζίας → Κλινοπυρόξενος + Τήγμα +Γρανάτης

 

Τα συνθετικά χαρακτηριστικά των τηγματων του φλοιού παραμένουν ακόμη προβληματικά καθώς περιλαμβάνουν πετρώματα, με μίγμα μαφικών (γάββροι – βασάλτες) και φελσικών (τοναλίτες – γρανίτες) συνθέσεων, τα οποία έχουν διαφορετικές συμπεριφορές τήξης αν και τα φελσικά τήγματα έχουν υπεροχή ως προς τα μαφικά και γι’ αυτό τα παραγόμενα τήγματα στον κατώτερο φλοιό είναι συνήθως φελσικά:

Τα φελσικά είναι εντάσεως πυριτίου και περιλαμβάνουν ορυκτά με χαμηλό σημείο τήξης, όπως χαλαζίας και άστριοι, η τήξη τους ξεκινά σε χαμηλότερη σχετικά Τ παράγοντας φελσικά τήγματα (γρανιτικά – γρανοδιοριτικά) κατά την μερική τήξη του κατώτερου φλοιού.

Τα μαφικά απαιτούν μεγαλύτερες Τ για την τήξη λόγω της ύπαρξης ορυκτών όπως πυρόξενοι και αμφίβολοι τα οπαία είναι σταθερά στις υψηλές Τ. Μερική τήξη σε υψηλές Τ, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, παράγει γρανουλίτες και μιγματίτες τα οποία περιέχουν τμήματα λευκοσωμάτων σε περιοχές που ολοκληρώθηκε η μερική τήξη και μελανοσωμάτων όπου τα ορυκτά παρέμειναν στο υπόλειμμα, ποιο συγκεκριμένα:

 

Μιγματίτης:

Ανάτηξη ή διαφορική ανάτηξη είναι η διεργασία της τήξης ή μερικής τήξης προϋπαρχόντων στερεών πετρωμάτων του φλοιού. Αποτέλεσμα της ανάτηξης θεωρείται ο σχηματισμός του μιγματίτη ο όποιος αποτελείται από γρανιτικά και μεταμορφωτικά υλικά.

Το γρανιτικό τμήμα του μιγματίτη, το λευκόσωμα είναι ανοιχτού χρώματος πυριτικό τμήμα στον ιστό του μιγματίτη με σύνθεση ορυκτών όπως χαλαζία και άστριους. Αντιπροσωπεύει την φάση της τήξης η οποία κρυσταλλώθηκε μετά την μερική τήξη του αρχικού πετρώματος. Το λευκόσωμα μπορεί να θεωρηθεί ως προϊόν μερικής τήξης.

Το μεταμορφωτικό τμήμα του μιγματίτη το μελανόσωμα είναι ένα σκούρο μαφικό τμήμα του μιγματίτη το οποίο αποτελείται από ορυκτά όπως βιοτίτης, γρανάτης και αμφίβολος. Αντιπροσωπεύει την φάση του υπολείμματος στο πέτρωμα που παρέμεινε μετά την τήξη των φελσικών στοιχείων. Μπορεί να θεωρηθεί ως πυρίμαχο τμήμα του αρχικού πετρώματος.

Οι μιγματίτες συχνά σχηματίζουν ένα πολύπλοκο είδος πτύχωσης που ονομάζεται πτυγματική (ανάρτηση «πτύχωση-πτυχές») όπου το λευκόσωμα εισχωρεί ή αναμιγνύεται με το μελανόσωμα σε ακανόνιστες και περιπλοκές διατάξεις, με την προϋπόθεση ότι τα δυο υλικά έχουν διαφορά ιξώδους ώστε να είναι δυνατή η εισχώρηση.

Γρανουλίτης:

Κάτω από τις γρανουλιτικές συνθήκες (Τ~800⁰ και Ρ~2-12 kbar) μπορεί να προκύψει μερική τήξη κυρίως σε ένυδρα ορυκτά, όπου παραγόμενο τήγμα διαχωρίζεται σε λευκοσώματα αφήνοντας ένα γρανουλιτικό υπόλειμμα ως μελανόσωμα. Να σημειωθεί ότι ο γρανουλίτης είναι ένα υψηλού βαθμού μεταμορφωτικό πέτρωμα το οποίο στην περίπτωση που υπέστη μερική τήξη τότε η γρανουλιτική φάση παρουσιάζει μελανόσωμα ή υπολειμματικά υλικά. 

Η αποσυμπίεση του τήγματος είναι βασική διεργασία για την παραγωγή του μάγματος κυρίως σε τεκτονικά περιβάλλοντα όπου ο φλοιός και ο μανδύας υποβάλλονται σε γρήγορή αποσυμπίεση χωρίς σημαντική μείωση της Τ: Όταν μανδυακά πετρώματά ανέρχονται λόγω τεκτονικών δυνάμεων, σε ζώνες ηπειρωτικής τάφρου και θερμών κηλίδων, υποβάλλονται σε μείωση της Ρ η οποία επιτρέπει την εκκίνηση της μερικής τήξης και καθώς τα πετρώματα «διασχίζουν» την solidus παράγεται μάγμα χωρίς την ανάγκη εξωγενούς θερμικής πηγής. Αυτό όμως απαιτεί αδιαβατική αποσυμπίεση, δηλαδή χωρίς να χαθεί σημαντική θερμότητα κατά την άνοδο. Επίσης η αποσυμπίεση του τήγματος προκαλεί εισχώρηση μαφικών μαγμάτων στην βάση του φλοιού παρέχοντας επιπρόσθετη θερμότητα με τη δυνατότητα τήξης του κατώτερου φλοιού.

ΑΝΟΔΟΣ ΤΟΥ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Η άνοδος του μάγματος αναφέρεται ως η κίνηση του τηγμένου πετρώματος, από τις πηγές του στον μανδύα και στον κατώτερο φλοιό, προς την επιφάνεια.

 

ΠΛΕΥΣΤΟΤΗΤΑ

Η πλευστότητα είναι η κύρια δύναμη για την προώθηση του μάγματος στην επιφάνεια. Προκύπτει από τη διαφορά πυκνότητας μεταξύ του μάγματος και των πετρωμάτων που το περιβάλλουν. Το μάγμα, ως προϊόν μερικής τήξης των στερεών πετρωμάτων στον βαθύ φλοιό η στον ανώτατο μανδύα, διαμορφώνει μικρότερη πυκνότητα σε σχέση με τα μητρικά του πετρώματα και επομένως είναι βαρυτικά ασταθές με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η ανοδική του κίνηση. Η άνοδος μίας μάζας μάγματος λόγω της πλευστότητας, εξαρτάται από τη δύναμη αντίστασης που προκύπτει από τη ρεολογία του, δηλαδή το ιξώδες. Μάγματα με υψηλό ιξώδες, όπως τα πυριτικά, χρειάζονται αρκετή δύναμη πλευστότητας για να υπερβούν την δύναμη αντίστασης του ιξώδους όπου έρχεται σε επαφή με τα στέρεα περιβάλλοντα πετρώματα στα περιθώρια του μαγματικού σώματος Αντίθετα τα βασαλτικά μάγματα με χαμηλότερο ιξώδες μπορούν να ανέλθουν με μεγαλύτερη ευκολία και ταχύτερα.

Η άνοδος είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης δυο θεμελιωδών αλλά αντιθέτων δυνάμεων, της θερμικής και της βαρυτικής στο εσωτερικό της Γης. Η τήξη της μαγματικής πηγής συνεχίζεται χωρίς περιορισμούς έως ότου όλο το πηγαίο πέτρωμα εξαντληθεί ή να παραμείνει ως υπόλειμμα και ο υπεύθυνος γι’ αυτό μηχανισμός (πχ αποσυμπίεση, εισροή πτητικών) σταματήσει. Αλλά στον βαρυτικό τομέα ένα τηγμένο μέρος του πετρώματος, συνήθως, είναι αρκετό για την δημιουργία πλευστότητας ώστε να κινηθεί ανοδικά πριν ολοκληρωθεί η τήξη της μαγματικής πηγής. Η ανοδική κίνηση υπό την επίδραση της βαρύτητας ωθεί το μάγμα να ανέλθει μέχρι την επιφάνειά της με ηφαιστειακή έκρηξη, αλλά μέρος της ανερχομένης ποσότητας, συχνά, διακόπτεται όταν χάνει θερμότητα προς τα γειτονικά πετρώματα, γίνεται πιο ιξώδης και σταματά να ρέει.

Το μάγμα κατά την ανοδική του πορεία ακολουθεί την αρχή της ελαχίστης προσπάθειας, δηλαδή επιλέγει διαδρομή που απαιτεί την ελάχιστη ενέργεια. Αυτή η φυσική επιλογή οδηγεί το μάγμα να κινηθεί μέσω διαρρήξεων και αδύναμων σημείων του φλοιού τα οποία μπορεί να διαπεράσει.

Η κινητική του μάγματος συμβάλλει σε μια σημαντική μεταγωγή της θερμότητας από το βάθος της λιθόσφαιρας προς τα κοντινά στην επιφάνεια επίπεδα και καθίσταται ως ο σημαντικότερος παράγων της θερμικής εξέλιξης της Γης.

Μαφικά και υπερμαφικά μάγματα στον ανώτατο ορίζοντα του μανδύα είναι λιγότερο πυκνά από αυτά του μανδυακού περιδοτίτη από τον όποιο προέρχονται. Επομένως ή πλευστότητά τους είναι θετική και δυνητικά μπορούν να ανέλθουν. Ωστόσο, πάνω από τη Moho, τα κρυσταλλικά πετρώματα είναι κυρίως αστριοειδή και φτωχά σε ολιβίνη και συνεπώς η πυκνότητά τους είναι κατά πολύ μικρότερη από αυτή του υποκείμενου μανδύα. Εάν τα μάγματα που προέρχονται από τον μανδύα είναι αρνητικής ή ουδέτερης ή θετικής πλευστότητας, εξαρτάται κυρίως από την Ρ και την Τ και ειδικά από την ορυκτολογική τους σύνθεση. Να σημειωθεί ότι έστω και πολύ μικρές διαφορές (μερικές δεκάδες gr/cm³) στην πυκνότητα του μάγματος, είναι αρκετές για να μετατρέψουν την πλευστότητα από θετική σε αρνητική.

Η πυκνότητα του ωκεάνιου βασαλτικού φλοιού (πάχους περίπου 7χλμ) αυξάνεται με το βάθος λόγω της προοδευτικής μείωσης της φυσαλίδωσης (vesicularity) καθώς κλείνουν οι πόροι και αποβάλλεται το νερό.

Οι μανδυακοί ολιβινικοί βασάλτες (πικρίτες) και ο φλοιός έχουν περίπου την ίδια πυκνότητα σε βάθος 1-3 χλμ., με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένας ορίζοντας ουδέτερης πλευστότητας όπου το μάγμα λιμνάζει και συσσωρεύεται (Ryan, 1994). Αυτό οδηγεί σε πλευρική διόγκωση των μαγματικών θαλάμων και είναι πολύ πιθανό ο ορίζοντας της διόγκωσης να συμπίπτει με τη ζώνη απόκλισης των περιθωρίων των τεκτονικών πλακών όπως σε μεσοωκεάνιες ράχες. Επομένως μάγμα μικρότερης πυκνότητας μπορεί να ανέλθει μέσω των dikes στον πυθμένα των ωκεανών όπου και εξωθείται.

Ο ηπειρωτικός φλοιός σε σχέση με τον ωκεάνιο είναι εξαιρετικά ανομοιογενής και δεν είναι εύκολο να ομαδοποιηθούν περιπτώσεις ανόδου του μάγματος, λόγω των διάφορων τιμών της πυκνότητας τόσο των ιζηματογενών (2,2 – 2,7g cm^-3) όσο και των πυριγενών και μεταμορφωμένων πετρωμάτων του φλοιού (2,6 – 2,9g cm^-3) με μέση πυκνότητα 2,7g cm^-3 που αντιστοιχούν στον διορίτη και γρανοδιορίτη. Σε αρκετές περιοχές βαθύς ηπειρωτικός φλοιός έχει κατά προσέγγιση πυκνότητες 2,9g cm^-3 που αντιστοιχούν σε πιο μαφικές συνθέσεις όπως των αμφίβολων. Ανδεσιτικά και μικρής πυκνότητας πυριτικά μάγματα στον φλοιό είναι πιθανώς θετικής πλευστότητας και μπορούν να ανέλθουν στην επιφάνεια.

 

Βασαλτικά μάγματα, ακόρεστα σε πτητικά, δεν μπορούν να ανέλθουν δια μέσου του λιγότερου πυκνού ηπειρωτικού φλοιού με γρανιτική ή γρανοδιοριτική σύνθεση και τα οποία ενδέχεται να δημιουργήσουν μία συσσώρευση βασαλτικού μάγματος κάτω από τον κατώτερο ηπειρωτικό φλοιό (underplating) καθώς επίσης και να εισχωρήσουν εντός αυτού. Επομένως αστριοειδή πετρώματα φλοιού* συμπεριφέρονται ως φίλτρα πυκνότητας (density filter) εμποδίζοντας την άνοδο των πιο πυκνών μανδυακών μαφικών μαγμάτων. Αυτά τα μπλοκαρισμένα βασαλτικά μάγματα θεωρούνται υπεύθυνα για την μερική τήξη του ήδη θερμού κατωτέρω φλοιού, τα οποία καθώς ψύχονται μεταφέρουν θερμότητα. Κατά την διάρκεια αυτής της ψύξης διαχωρίζουν τον ολιβίνη ώστε τα εναπομένοντα τήγματα ως λιγότερα πυκνά αναπτύσσουν τέτοια πλευστότητα αρκετή για να ανέλθουν.

Έχει παρατηρηθεί το παράδοξο φαινόμενο ότι βασαλτικά παλαιομάγματα, τα οποία δεν έχουν αναπτυχθεί πλήρως, με πυκνότητες μεγαλύτερες από των ηπειρωτικών πετρωμάτων, εξωθούνται ως λάβα στην επιφάνεια σε ηπειρωτικές περιοχές. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με την δράση κινητηρίων δυνάμεων όπως είναι η απόμειξη και η διόγκωση των φυσαλίδων σε κορεσμένα πτητικά μάγματα οι οποίες μπορούν και μειώνουν αισθητά την πυκνότητα, βελτιώνουν την πλευστότητα και προκαλούν ηφαιστειακή έκρηξη για την οποία, όμως, απαιτείται ακόμη ένας κινητήριος μηχανισμός η υπερπίεση του μάγματος που δεν εξαρτάται από την απόμειξη των πτητικών.

 

*Τα αστριοειδή πετρώματα συμπεριφέρονται ως φίλτρα πυκνότητας καθώς, ως πλούσια σε ορυκτά αστρίων, έχουν χαμηλή πυκνότητα συγκρινόμενα με τα μαφικά μάγματα, τα οποία καθώς ανέρχονται υποβάλλονται σε διεργασίες κρυσταλλοποίησης και απορρόφησης από το περιβάλλον κρυσταλλικό υλικό και μετατρέπονται σε μάγματα πυριτίου μειώνοντας έτσι την πυκνότητά τους ώστε να διευκολύνεται η διείσδυσή τους στον φλοιό. Ακόμη τα αστριοειδή έχουν διαφορετικές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες οι οποίες επηρεάζουν τόσο την πλευστότητα όσο και το ιξώδες του μάγματος με περαιτέρω ικανότητα ανόδου.

Mαγματικός θάλαμος (magma chamber)

Ο μαγματικός θάλαμος είναι ο κύριος και μοναδικός παράγων για τον σχηματισμό ηφαιστείου και ορίζεται ως ένα κρυσταλλικό ολικώς ή μερικώς τηγμένο μαγματικό σώμα που εντοπίζεται στον φλοιό και τροφοδοτείται με μάγμα από μια βαθύτερη πηγή (reservoir). Έτσι αφενός συμπεριφέρεται ως συλλέκτης μάγματος από την εν λόγω πηγή και αφετέρου έχει τη δυνατότητα παροχής μάγματος σε διεισδυτικά μορφώματα όπως dike,κοίτες (sills) και στο περιβάλλοντα φλοιό και στο σχετιζόμενο ηφαίστειο. 

Οι μαγματικοί θάλαμοι διακρίνονται σε αβαθείς (shallow magma chambers) στα 5-6χλμ στον ανώτερο φλοιό και σε δεξαμενές βάθους (deep-seated reservoir) στα 15-30χλμ στον κατώτερο φλοιό ή στον ανώτερο μανδύα, (η απόσταση ορίζεται από την κορυφή τους μέχρι την επιφάνεια).

Για τον σχηματισμό αβαθούς μαγματικού θαλάμου απαραίτητη είναι η εναπόθεση κοίτης η οποία, σε υγρή μορφή, συμπεριφέρεται ως φράγμα στην κάθετη εισχώρηση των dikes. Αυτή η αρχική κοίτη ή συστάδα κοιτών συγχωνεύονται σ’ ένα μαγματικό σώμα, αλλά βασική προϋπόθεση, για να εξελιχτεί σε μαγματικό θάλαμο, είναι η συχνότητα των εισχωρούντων – συγκρουόμενων dikes με αυτή, έτσι ώστε να διατηρείται ρευστή κατά την διάρκεια της ελαστικο – πλαστικής διόγκωσης η οποία είναι αναγκαία για τον σχηματισμό και διατήρηση του μαγματικού θαλάμου. Η αρχική κοίτη θα πρέπει να είναι αρκετά “παχιά” ώστε να έχει τη δυνατότητα απορρόφησης του μεταφερόμενου, από τα dikes, μάγματος. Πάντως, αν μία η περισσότερες κοίτες απαιτηθούν για την δημιουργία θαλάμου αυτό εξαρτάται τόσο από τον ρυθμό έκχυσης των dikes όσο κι από το πάχος της, που υπολογίζεται σε μερικές δεκάδες μέτρα, καθώς από αυτό εξαρτάται και ο χρόνος στερεοποίησής της που είναι ο βασικός περιοριστικός παράγων για την ανάπτυξη της.

Για τον σχηματισμό δεξαμενής βάθους (deep-seated reservoir), δημιουργούνται συσσωρεύσεις μάγματος στον κατώτερο φλοιό ή στο όριο μεταξύ αυτού και του ανωτέρου μανδύα, συνήθως στα περιθώρια αποκλινόντων πλακών οπού εκεί εντοπίζονται περιοχές ρηγμάτων, σχηματισμών τεκτονικών τάφρων (graben) και γενικά σε περιοχές λέπτυνσης του φλοιού.

Το μάγμα μετακινείται από περιοχές χαμηλής δυνητικής ενέργειας και τείνει να συσσωρεύεται εκεί όπου η δυνητική ενέργεια πλησιάζει ένα τοπικό ελάχιστο. Για οιονεί - στατικές (quasi – static) συνθήκες η περιοχή με την ελάχιστη δυνητική ενέργεια συμπίπτει με εκείνες όπου το βάθος μέχρι του μερικώς τηγμένου κατώτερου φλοιού ή ανωτέρου μανδύα αγγίζει ένα τοπικό ελάχιστο. Στα αποκλίνοντα περιθώρια πλακών όπως στη μεσοωκεάνια ράχη το ελάχιστο βάθος της δεξαμενής είναι 6-8 χλμ.

Σταδιακά μία οιονεί – στατικά δεξαμενή σωματοποιείται ως προ την πυκνότητα. Αυτό σημαίνει ότι το υψηλής πυκνότητας μάγμα συσσωρεύεται στο κάτω μέρος (σε οριζόντια διάταξη) ενώ το χαμηλής πυκνότητας μάγμα συσσωρεύεται στην οροφή της δεξαμενής αλλά σε σχηματισμό θόλου λόγω της υπερύψωσης και κύρτωσης που οφείλεται στη πίεση του μάγματος και στην ώθηση της πλάκας.  

Μετακίνηση του μάγματος από μαγματικούς  θαλαμους

Ειδικότερα για την μετακίνηση του μάγματος για την δημιουργία ηφαιστείου οι παραπάνω δυο διεργασίες, πλευστότητα και υπερπίεση, δρουν συγχρόνως και η κυρίαρχος εξαρτάται από τον όγκο ροής του μάγματος στον αβαθή μαγματικό θάλαμο.

Η υπερπίεση εντός του μαγματικού θαλάμου οδηγεί στη διάρρηξή του με αποτέλεσμα τη δημιουργία dikes που θα εισχωρήσουν στο περιβάλλον πέτρωμα, καθώς η υπερπίεση οφείλεται: α) στην αύξηση της ροής του μάγματος λόγω της αντίστοιχης εισχώρησης dikes από τον βαθύτερο θάλαμο και β) στο βαθμιαίο εφελκυσμό του κρυσταλλικού τμήματος του θαλάμου από τις ηπειρωτικές ρηξιγενής ζώνες ή από την απόκλιση των πλακών λόγω της αύξησης της εφελκυστική τάσης στα περιθώριά τους (μεταξύ θαλάμου – πετρώματος) η οποία όταν υπερβεί την αντοχή του πετρώματος δημιουργεί τοπική διάρρηξη.

Εφόσον συντρέχουν οι παραπάνω συνθήκες ο μαγματικός θάλαμος θα διαρραγεί σύμφωνα με ην εξίσωση:

P_l + P_e ═ σ₃ + S_o

Όπου P_l :η λιθοστατική πίεση, P_e :η υπερβάλλουσα μαγματική πίεση. Άρα η συνολική πίεση στο θάλαμο είναι: P_t ═ P_l + P_e

Ο παράγων: (σ₃ + S_o) δεικνύει την πίεση του δέχεται ο θάλαμος από το περιβάλλον πέτρωμα:

σ₃ : η μέγιστη εφελκυστική τάση και S_o: η in situ εκτατική αντοχή του πετρώματος στο σημείο διάρρηξης.

Είναι σαφές ότι ο θάλαμος διαρρηγνύεται όταν P_t > σ₃ + S_o, καθώς στη συνολική Ρ περιλαμβάνεται και η πίεση των αερίων.

Η διάρρηξη σχηματίζει dike το οποίο κινείται ανοδικά εντός των κρυσταλλικών στρωμάτων της οροφής του θαλάμου λόγω της υπερπίεσης (P_o) η οποία συμπεριφέρεται ως κινητήρια δύναμη.

 

Ισχύει ότι:                            P_o ═ P_e + (ρ_r - ρ_m) gh + σ_d

ρ_r: η μέση πυκνότητα του πετρώματος

ρ_m: η μέση πυκνότητα του μάγματος στον θάλαμο

g: η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας

h: η καθετή απόσταση από την οροφή του θαλάμου, α) για τροφοδοτικά (feeder) dikes, έως την επιφάνεια και β) για μη τροφοδοτικά (non-feeder) dikes έως το σημείο στερεοποίησης ή κατάρρευσης, πάντοτε εντός του φλοιού.

σ_d: η διαφορική τάση, (σ₁ – σ₃), η οποία είναι είτε θετική είτε μηδενική, καθώς σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ_3, οπότε αν σ₁ = σ₃ χαρακτηρίζεται η ισότροπή κατάσταση τάσεων και αν σ₁ = σ₂ = σ₃ χαρακτηρίζεται η λιθοστατική κατάσταση τάσεων.

Ο παράγων (ρ_r - ρ_m) gh είναι η πλευστότητα η οποία δεν συμβάλλει ουσιαστικά στην υπερπίεση και οδηγεί το dike στα πρώτα μέτρα της εκκίνησής του. Να σημειώσουμε ότι σε υψηλής πυκνότητας βασαλτικά μάγματα αν ρ_r ≤ ρ_m, δηλαδή ο παράγων θα είναι μηδέν ή αρνητικλος, τότε δεν υπάρχει πλευστότητα. Γενικά η πυκνότητα στα περισσότερα κρυσταλλικά πετρώματά κυμαίνεται μεταξύ 2.0≤ ρ_r ≤ 3.0g cm^-3 ενώ του τυπικού μάγματος μεταξύ 2.25≤ ρ_m≤2.75 gcm^-3

 

Υπερπίεση του μάγματος

Είναι η Ρ εντός του μαγματικού σώματος η οποία υπερβαίνει την λιθοστατική Ρ που ασκείται από τα περιβάλλοντα πετρώματα. Εξαρτάται από παράγοντες όπως:

- Η απόμειξη των πτητικών: καθώς το μάγμα ανέρχεται η Ρ μειώνεται, τα αέρια διαλύονται και διαχωρίζονται από το τήγμα σχηματίζοντας φυσαλίδες οι οποίες αυξάνουν την εσωτερική Ρ .Αυτή η συσσώρευση των πτητικών είναι ο βασικός παράγοντας της υπερπίεσης κυρίως σε αβαθείς μαγματικούς θαλάμους.

- Η κρυσταλλοποίηση του μάγματος: καθώς το μάγμα ψύχεται η κρυσταλλοποίηση μειώνει την ποσότητα του τήγματος το οποίο μπορεί να αυξήσει την Ρ εντός ενός περιορισμένου μαγματικού θαλάμου. Αυτό συμβαίνει διότι οι νέοσχηματιζόμενοι κρύσταλλοι καταλαμβάνουν λιγότερο όγκο από το αρχικό ρευστό τήγμα με αποτέλεσμα ο θάλαμος να παρουσιάζει αυξημένη εσωτερική Ρ.

- Η θερμική διόγκωση: Με την άνοδο της Τ ή με τη προσθήκη νέου μάγματος διογκώνεται ο μαγματικός θάλαμος με αποτέλεσμα την υπερπίεσή του.

Η δυναμική της υπερπίεσης προκύπτει από το λόγο του ύψους της επιφάνειας, δηλαδή πόσο ψηλά μπορεί να ανέλθει το μάγμα και από το πάχος της στήλης (dike) κοντά στην επιφάνεια ή πάνω σ’ αυτή μέσω της οποίας ανέρχεται. Υπάρχουν δύο παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την εκτιμώμενη υπερπίεση λόγω των μεταβαλλών του πάχους της στήλης καθώς η έκρηξη προοδευτικά τερματίζεται. Ο ένας είναι η πιθανότητα μείωσης του ανοίγματος (περιμέτρου) της στήλης, καθώς η υπερπίεση μειώνεται έως το τέλος της έκρηξης. Ο άλλος είναι η μείωση του όγκου της στήλης κατά την διάρκεια της λιθοποίησης του μάγματος εντός της.

Θεωρητικά από όσο μεγαλύτερο βάθος ξεκινά η στήλη του μάγματος τόσο μεγαλύτερο είναι το ύψος στο οποίο ένα ηφαίστειο μπορεί να αναπτυχθεί πάνω στην επιφάνεια. Πρέπει να σημειωθεί ότι η πίεση του μάγματος σε όλο το μήκος της στήλης είναι σταθερά μεγαλύτερη από την λιθοστατική. Η υπερπίεση μπορεί εύκολα να θρυμματίσει εύθραυστα πτερώματα ή αν δεν το κάνει, μπορεί να οδηγήσει το μάγμα σε εισχωρήσεις εντός προϋπαρχουσών ρωγμών υπερκαλύπτοντας την πίεση του ιξώδους ή και ακόμη, η υπερπίεση, μπορεί με αργό ρυθμό να προωθήσει το μάγμα μέσω των όλκιμων υπερκείμενων πετρωμάτων. Αυτό έχει φανεί σε εκατοντάδες βασαλτικές εξωθήσεις Καινοζωικού όπου σε εφελκυστικά τεκτονικά καθεστώτα βρίσκονται ξενόλιθοι πυκνού μανδυακού περιδοτίτη.

Εισχώρηση και εναπόθεση  μάγματος στον φλοιό

Η κίνηση του μάγματος από την πηγή του στην επιφάνεια είναι μια θεμελιώδης διεργασία σχηματισμού του φλοιού μέσω δραστηριοτήτων εισχωρήσεων και εξωθήσεων. Η κινητική των μαγματικών εισχωρήσεων και της εναπόθεσης προσδιορίζονται από την αλληλεπίδραση φυσικών και χημικών παραγόντων όπως το ιξώδες του μάγματος, η πλευστότητα, η παρουσία πτητικών και τα τεκτονικά περιβάλλοντα.

Το μάγμα ανέρχεται ή/και εναποτίθεται μέσω των διεισδυτικών σωμάτων (intrusive):

- εκτατικών διαρρήξεών (extension fractures) - στηλοειδών εισχωρήσεων: dikes, κοίτες,

- διατμητικών διαρρήξεων (shear fractures) - μη-στηλοειδών εισχωρήσεων: πλουτωνικά σώματα ή πλούτωνες (πχ βαθόλιθοι, λοπόλιθοι) και

- διάπειρων: μανδυακοί πίδακες, θερμές κηλίδες.

Αποτελούν την φυσική παρουσία του πλουτωνισμού και αντιπροσωπεύουν τις δομές που προκύπτουν από την εναπόθεση και κρυσταλλοποίηση του μάγματος εντός του φλοιού.

 

 

Το πρόβλημα της εξεύρεσης χώρου

Για το μάγμα που μετακινείται από τον ανώτερο μανδύα και τον κατώτερο φλοιό προς στους ανωτέρους ορίζοντες του φλοιού τίθεται θέμα χώρου τόσο για την εισχώρηση όσο και για την απόθεσή του, καθώς συνεπάγεται την ανταλλαγή της θέσης των υλικών, δηλαδή πέτρωμα με μάγμα.

Η διάκριση των εισχωρήσεων, σε στηλοειδείς και μη-, έγινε ως προ την γεωμετρία των, δεδομένου ότι οι μη-στηλοειδείς διατμητικές έχουν ακανόνιστη και ογκώδη γεωμετρία και απαιτείται άμεση εύρεση χώρου για την επέκτασή τους, σε αντίθεση με τις στηλοειδείς εκτατικές, οι οποίες διεισδύουν λόγω της πινακοειδούς γεωμετρίας τους, χωρίς να είναι απαραίτητη η εύρεση χώρου για την μετακίνησή τους. Αυτός ο διαχωρισμός μπορεί να θεωρηθεί απλοποιημένος διότι αφενός αναφέρεται σε δυο ακραίες καταστάσεις και αφετέρου το σύστημα ‘εισχώρηση – εναπόθεση’ επηρεάζεται από παράγοντες τόσο ενδογενών αυτών των σωμάτων εισχώρησης, αλλά και εξωγενών των περιβαλλόντων πετρωμάτων μέσω των όποιων μετακινούνται.

 

Τα dikes και οι κοίτες κατά την μετακίνησή τους φαίνεται ότι ακολουθούν προϋπάρχουσες διαρρήξεις και στρωματώδεις περιοχές, αλλά ο φλοιός για ανα δεχθεί αυτές τις εισχωρήσεις απαιτείται τουλάχιστον πλαστική παραμόρφωση και μικρή μετατόπιση των πετρωμάτων, γεγονός που συνεπάγεται δημιουργία χώρου. Για παράδειγμα ομάδες dikes (παρακάτω) εκτοπίζουν πλευρικά σημαντικούς όγκους πετρωμάτων ώστε να προκύψει χώρος. Επομένως έχουμε μια μηχανική της επέκτασης των διαρρήξεων και της συμπεριφοράς της αλληλεπίδρασης μεταξύ των πεδίων τάσεων με τον περιβάλλοντα φλοιό. Αν θεωρήσουμε ότι στόχος των dikes είναι να βγει στην επιφάνεια, αυτό σε μεγάλο ποσοστό δεν επιτυγχάνεται καθώς οι παραγόμενες τάσεις σε σχέση με την υπερπίεση των υπερκείμενων στρωμάτων είναι τέτοιες που είτε ανακόπτουν την πορεία των dikes (μη τροφοδοτικά) είτε τα εκτρέπουν σε σχηματισμό κοιτών, εφόσον δεν κατέστη εφικτή η εύρεση χώρου προς την επιφάνεια.

 

Σχετικά με τα πλουτωνικά σώματα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η γεωμετρία τους απαιτεί χώρο τόσο για την εκκίνησή τους όσο και για την απόθεσή τους, χωρίς όμως αυτό να σημαίνει ότι δεν καταλαμβάνουν προϋπάρχοντα κενά μεταξύ των πετρωμάτων. Χώρος δημιουργείται μέσω μηχανισμών κατάλληλων για μη-στηλοειδείς εισχωρήσεις όπως αναλύονται πιο κάτω.

Γενικά, πρέπει να παρατήσουμε ότι τα πεδία τάσεων, η μηχανική των διαρρήξεων και η παραμόρφωση των πετρωμάτων είναι θεμελιώδεις συντελέστες για την εναπόθεση μάγματός, ανεξάρτητα από τον τύπο εισχώρησης. Ακόμη η παρουσία ρηγμάτων, στρωμάτων και άλλων ζωνών αδυναμίας καθορίζει όχι μόνο τον τύπο του χώρου που θα δημιουργηθεί αλλά και τη γεωμετρία της εισχώρησης. Επιπλέον ο ρόλος των πτητικών είναι κρίσιμος για τη δημιουργία χώρου σε σχέση με την αποσυμπίεση και την αύξηση της Τ.

Στηλοειδείς Εισχωρήσεις (Sheet Intrusions)

Στις στηλοειδείς (φλεβικές) εισχωρήσεις περιλαμβάνονται: τα dikes ως κάθετες ή σχεδόν κάθετες, οι κοίτες (sills) ως οριζόντιες και οι κεκλιμένες (inclined). Οι εισχωρήσεις αυτές θεωρούνται εκτατικών διαρρήξεών.

Κατά την εναπόθεσή τους στην επιφάνεια σχηματίζουν διαφορετικές ηφαιστειακές δομές από ροές διάχυτης λάβας έως εκρηκτικών πυροκλαστικών.

Η απόσταση που μπορεί να διατρέξει το μάγμα από την πηγή του, μέσω ενός dike, εξαρτάται: α) από το ρυθμό ψύχρανσης και από την συνοδευόμενη αύξηση του ιξώδους με την μετάδοση και την μεταγωγής της θερμότητας στα περιβάλλοντα πετρώματα και β) από τη ταχύτητα ροής του μάγματος. Επομένως, κοντά στην πηγή του, το μάγμα διαθέτει την περισσότερη από τη θερμική του ενέργεια και ρέει εύκολα, άλλα κατά την διαδρομή ένα αυξανόμενο συνεχώς ποσό θερμότητας χάνεται λόγω της διαβατικής ροής με αποτέλεσμα την αύξηση του ιξώδους και την επιβράδυνση της ροής.

Dike είναι κάθετη φλεβική εισχώρηση κατά την άνοδό του “κόβει” ασύμφωνα (σχεδόν κάθετα) επίπεδες δομές συνήθως μέσα σε ογκώδες ισότροπο πέτρωμα του οποίου ο λόγος διαστάσεων, (πλάτος/ύψος) είναι πολύ μικρός της τάξης των 10^-2 – 10^-4.

Τα dikes ως δείκτες της δυναμικής αλληλεπίδρασης μεταξύ των μαγματικών τεκτονικών διεργασιών και των τάσεων του φλοιού, μπορούν να διαχωριστούν σε δυο κατηγορίες:

Α) τα τροφοδοτικά (feeders dikes) συμπεριφέρονται ως ηφαιστειακοί αγωγοί μεταφοράς μάγματος από τον σε βάθος μαγματικό θάλαμο στην επιφάνεια, όπου διαχέεται ως λάβα ανάλογα με τον τύπο του ηφαιστείου. Ως μέρος του ηφαιστειακού συστήματος απολήγουν ως στόμια (vents), ως επιμήκεις διαρρήξεις (fissure) ή ως κρατήρες.

Β) τα μη-τροφοδοτικά (non-feeders dikes) έχουν την ίδια αρχική συμπεριφορά με τα τροφοδοτικά με την διαφορά ότι αυτά δεν φθάνουν στην επιφάνεια. Τερματίζουν και κρυσταλλώνονται εντός του φλοιού έχοντας διατρέξει μέρος της απόστασης προς την επιφάνεια έως το σημείο όπου η μαγματική Ρ είναι πλέον ανεπαρκής για την συνέχιση της διαδρομής.

.

Η κοίτη (sill) είναι μια πινακοειδής οριζόντια η σχεδόν οριζόντια εισχώρηση μάγματος, η οποία διατρέχει δια μέσου των στρωματώσεων ή των φυλλώσεων των πετρωμάτων και συνήθως είναι σε συμφωνία με αυτά. Από πλευράς σύνθεσης, τα dikes και οι κοίτες συσχετίζονται μεταξύ των καθώς κάτω από ηφαίστεια ή κοντά στα όρια μεγάλων εισχωρήσεων εξογκώνουν το πέτρωμα στο οποίο εισχωρούν. Εξάλλου ένα dike αν βρει αντίσταση κατά την κάθετο άνοδό του, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, εκτρέπεται οριζόντια και αναπτύσσεται σε κοίτη η οποία με τη σειρά της ενδέχεται να αναπτυχθεί σε λακκόλιθο.

Η εισχώρησή υψηλής Τ μάγματος γίνεται η αιτία για τη δημιουργία πετρωμάτων μεταμορφισμού επαφής.

Στηλοειδείς διακλάσεις(columnar joints)

Αμφότερα τα dikes και οι κοίτες μπορούν να αναπτύξουν στηλοειδείς διακλάσεις ως αποτέλεσμα της συστολής και των επακόλουθων διαρρήξεων στα ψυχόμενα πυριγενή πετρώματα. Η διαφορά έγκειται στον προσανατολισμό των στηλών ανάλογα με την γεωμετρία των εισχωρήσεων και την απώλεια της θερμότητας. Στα dikes οι στηλοειδείς διακλάσεις τείνουν να είναι κάθετες καθώς οι ψυχόμενες επιφάνειες είναι παράλληλες με την κατεύθυνση του dike, ενώ στις κοίτες είναι συνήθως οριζόντιες καθώς οι ψυχόμενες επιφάνειες είναι πάνω και κάτω από την κοίτη.

Οι στηλοειδείς διακλάσεις σχηματίζονται καθώς το ψυχόμενο μάγμα υφίσταται θερμική συστολή δημιουργεί εκτατικές τάσεις οι οποίες καταλήγουν σε διαρρήξεις που επεκτείνονται για να απελευθερωθούν αυτές οι συσσωρευμένες τάσεις. Αυτή η διεργασία καταλήγει σε μία διάταξη ελαχιστοποίησης της ενέργειας που έχει ως αποτέλεσμα να αναπτύσσονται οι εξαγωνικές στήλες, αν και αλλά πολυγωνικά σχήματα μπορούν να προκύψουν ανάλογα με τις τοπικές συνθήκες. Τα χαρακτηριστικά των διαστάσεων των στηλών και κυρίως το πλάτος προσδιορίζονται από δυο παράγοντες, την χημική σύνθεση και τις επικρατούσες γεωλογικές συνθήκες κατά την εναπόθεση. Πιο συγκεκριμένα:

1.Υπάρχει μια συνεχής μεταβολή στο πλάτος των στηλών, από μεγάλες διαμέτρους στις φελσικές λάβες (φωνόλιθος – πχ Devil’s Tower, Wyoming), μεσαίων διαστάσεων στις ενδιάμεσες συνθέσεις (ανδεσίτης), έως στενές στήλες στις μαφικές λάβες (βασάλτης).

2. Η γεωλογική τοποθέτηση του πυριγενούς σώματος είναι ακόμη πιο σημαντική στην επίδραση του πλάτους των στηλών, καθώς καθορίζει τις συνθήκες των ορίων για την ψύξη και το πάχος του υλικού που πρέπει να ψυχθεί. Ο ρυθμός ψύξης στην επιφάνεια μπορεί να επιταχυνθεί από την άμεση επαφή με νερό ή πάγο, οδηγώντας έτσι στη δημιουργία στενών, λεπτότερων στηλών.

Ομάδες dikes (Dike swarms) Απαρτίζονται από λίγα έως εκατοντάδες dikes τα οποία ενσωματώθηκαν σχεδόν ταυτόχρονα κατά την διάρκεια ενός μόνο εισχωρητικού επεισοδίου. Αυτές οι ομάδες μπορεί να είναι διαφορετικού προσανατολισμού, περίπου παράλληλες ή ακτινωτές, όπως οι ακτίνες ποδηλάτου, ξεκινώντας από ένα κεντρικό σημείο. Απαντώνται συχνά σε εκτατικά περιβάλλοντα όπως οι ηπειρωτικοί τάφροι και οι μεσοωκεάνιες ράχες. Πάντως οι περισσότερες είναι βασαλτικής σύνθεσης και υποδηλώνουν άνοδο τεράστιου όγκου μανδυακού μάγματος δια μέσου θρυμματισμένης λιθόσφαιρας.

Ομάδες κοιτών (sill swarms) αποτελούνται από ένα δίκτυο πολλαπλών κοιτών πυριγενών εισχωρήσεων οι οποίες εναποθέτονται παράλληλα με την στρωμάτωση των πετρωμάτων στα οποία εισχωρούν. Είναι αποτέλεσμα επαναλαμβανόμενων μαγματικών εισχωρήσεων σε διάφορα μεγέθη, συνθέσεις και γεωμετρικές αναλογίες που εξαρτώνται από το περιβάλλον πέτρωμα και τις μαγματικές πηγές. Συσχετίζονται συχνά με εκτατικά τεκτονικά περιβάλλοντα όπως οι ρηξιγενείς ζώνες αλλά επίσης και με συγκλίνοντα περιθώρια μαγματικής δραστηριότητας. Είναι σύνηθες χαρακτηριστικό των μεγάλων πυριγενών επαρχιών (Large Igneous Provinces-LIP.)

Απλιτικά dikes συναντώνται συνήθως κοντά σε γρανιτικά σώματα, καθώς αντιπροσωπεύουν υπολείμματα πλούσια σε πτητικά στοιχεία ή τήγματα που κρυσταλλώνονται στο τελικό στάδιο ψύξης ενός μαγματικού συστήματος. Η σύνθεσή των έδειξε ότι αυτά τα λεπτόκοκκα, φανεριτικά και λευκοκρατικά dikes, αποτελούνται από φελσικά ορυκτά όπως χαλαζίας και αλκαλιούχοι άστριοι. Προέρχονται από εναπομείναντα τήγματα χαμηλών Τ, τα οποία μετά από τη ψύξη τους και την επακόλουθη συστολή δημιουργήσαν εκτεταμένες διαρρήξεις, κυρίως, σε σώματα κρυσταλλικών μαγμάτων. 

Σχηματισμός ακτινωτών (radial) dikes και κωνοειδών στρωματώσεων (cone sheets)

Τα ακτινωτά dikes και οι κωνοειδείς στρωματώσεις συσχετίζονται με μαγματικές δραστηριότητες όπου η εναπόθεση μάγματος εισχωρεί στα περιβάλλοντα πετρώματα. Ο σχηματισμός τους προβλέπει περίπλοκες διεργασίες ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με την Ρ του μάγματος, τις ιδιότητες των ορυκτών και το περιβάλλον του γεωλογικού καθεστώτος.΄

Τα ακτινωτά dikes σχηματίζονται ως εισχωρήσεις από αποθέσεις μάγματος στα πετρώματα δημιουργώντας διαρρήξεις, λόγω της υδραυλικής πίεσης, οι όποιες αναδύονται από ένα κεντρικό σημείο, συνήθως από μαγματικό θάλαμο, και επεκτείνονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Σε τεκτονικά ουδέτερα ή ισότροπης τάσης πεδία η ανάπτυξής τους είναι συμμετρική, όμως επηρεάζεται στην περίπτωση προϋπαρχόντων τάσεων στο πεδίο, αλλά η ακτινωτή διάταξη διατηρείται.

Οι κωνοειδείς στρωματώσεις είναι κεκλιμένες στηλοειδείς εισχωρήσεις, οι οποίες σχηματίζονται σε κωνική διάταξη γύρω από μια πηγή μάγματος λόγω της μαγματικής Ρ. Καθώς το μάγμα συσσωρεύεται στον θάλαμο η υπερπίεση που δημιουργείται ασκεί εκτατικές τάσεις στα υπερκείμενα πετρώματα προκαλώντας την προς τα πάνω κύρτωσή τους με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ομόκεντρων διαρρήξεων με κατωφερική κλίση και διεύθυνση προς τη μαγματική πηγή. Η αναθόλωση δημιουργείται στα περιβάλλοντα πετρώματα σε συνδυασμό διατμητικών και εκτατικών τάσεων, οι οποίες προέρχονται από τη γρήγορη διόγκωση του μάγματος. Συνήθως σχηματίζονται με μάγμα μέσου έως υψηλού ιξώδους.

Δακτυλιοειδή (Ring) Dikes: Είναι κυρτές ή δακτυλιοειδείς εισχωρήσεις οι οποίες σχηματίζονται καθώς το μάγμα ανέρχεται κατά μήκος κυκλικών ή ημικυκλικών διαρρήξεων, οι οποίες σχηματίζονται, από εκτατικές τάσεις, κατά την διάρκεια κατάρρευσης μαγματικού θαλάμου η αναθόλωσης υπο το βάρος των υπερκείμενων πετρωμάτων. Αυτό συμβαίνει όταν το μάγμα αποσύρεται λόγω εκτονώσεων (αποσυμπίεση) μέσω dikes η σε τμηματικές πλευρικές διαρροές, ώστε πλέον δεν είναι δυνατή η συγκράτηση της υπερκείμενης οροφής του θαλάμου. δημιουργώντας ένα κοίλωμα την καλδέρα (παρακάτω). Το δακτυλιοειδές ρήγμα (ring fault) ή ρηγματώδης ζώνη (fracture zone), ακολουθεί, περίπου, την περίμετρο του καταρρεύσαντος θαλάμου. Ακολούθως το μάγμα μπορεί να ανέλθει μεταξύ της περιμέτρου της υποχωρήσαντος οροφής και των περιμετρικά άθικτων πετρωμάτων σχηματίζοντας δακτυλιοειδή dikes.

Καλδέρες - Κάθετες καταρρεύσεις

Οι καλδέρες (αναφέρθηκε παραπάνω ο μηχανισμός σχηματισμού) είναι μεγάλες, λεκανοειδούς μορφής, κοιλότητες που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της κατάρρευσης ενός ηφαιστειακού οικοδομήματος ή κυρίως ενός μαγματικού θαλάμου και συσχετίζονται με μεγάλες ηφαιστειακές εκρήξεις με αποτέλεσμα την εξάντλησή του. Τα δακτυλιοειδή ρήγματα που διαμορφώνονται λειτουργούν ως διάδρομοι ανόδου των μαγματικών εισχωρήσεων με τον σχηματισμό δακτυλιοειδών dikes. Εισχωρήσεις μάγματος μετα την κατάρρευση μπορούν να επαναφέρουν βυθισμένα τμήματα του δαπέδου της καλδέρας. Ακόμη μπορεί να γεμίσει με ηφαιστειακές αποθέσεις, υλικά ιζημάτων και με νερό σχηματίζοντας λίμνη. Το μέγεθός τους ποικίλει με διάμετρο από μερικά χιλιόμετρα έως και πάνω από 100, όπως και το σχήμα τους, καθώς εξαρτάται από παράγοντες όπως: το μέγεθος και σχήμα του υποκείμενου μαγματικού θαλάμου, τη χημική σύνθεση της λάβας και από τον μηχανισμό κατάρρευσης.

Πλούτωνες ή Πλουτωνικά σώματα (Plutons)

Τα πλουτωνικά σώματα είναι πυριγενή και σχηματίζονται όταν το μάγμα εισχωρεί σε προϋπάρχοντα πετρώματα και στερεοποιείται κάτω από την επιφάνεια. Μπορεί να προκαλέσει μεταμόρφωση επαφής στα περιβάλλοντα πετρώματα λόγω της υψηλής θερμότητας της εισχώρησης. Σχηματίζονται σε βάθη από κοντά στην επιφάνεια έως στα βαθιά κρυσταλλικά στρώματα του μανδύα, παρουσιάζοντας ποικιλία σε μέγεθος, σχήμα και σύνθεση, τα οποία εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του μάγματος και των περιβαλλόντων πετρωμάτων που εισχωρούν Ως πλουτωνικά σώματα θεωρούνται: οι βαθόλιθοι (τεράστια ακανόνιστα σώματα που καλύπτουν έκταση μεγαλύτερη των 100 km²0, οι λακκόλιθοι, οι λοπόλιθοι, τα stocks (όπως οι βαθόλιθοι αλλά έκτασης μικρότερης των 100 km²)..

 

ΛΑΚΚΟΛΙΘΟΙ – ΛΟΠΟΛΙΘΟΙ

Οι λακκόλιθοι είναι επιφανειακά, σύμφωνης τοποθέτησης, εισδύοντα πυριγενή σώματα, που χαρακτηρίζονται από φακοειδούς ή μανιταρόμορφης γεωμετρίας. Δημιουργούνται όταν το μάγμα εισχωρεί ανάμεσα σε προϋπάρχοντα στρώματα πετρωμάτων, προκαλώντας την ανύψωση των υπερκείμενων στρωμάτων σε δομή που μοιάζει με θόλο. Αρκετοί λακκόλιθοι σχηματίζονται από ένα είδος μάγματος, μιας εισχώρησης, αλλά υπάρχουν και οι πολλαπλοί με αρκετές εισχωρήσεις σε δενδριτική μορφή, οι οποίοι σχηματίζονται και αυτοί από το ίδιο μάγμα ή παρόμοιο. Αποτελούνται συχνά από όξινα έως ενδιάμεσα μάγματα, όπως γρανίτης, γρανοδιορίτης ή διορίτης, που διαθέτουν επαρκές ιξώδες για να αντισταθούν στη πλευρική εξάπλωση και να προκαλέσουν ανύψωση των υπερκείμενων στρωμάτων. Ο σχηματισμός τους επηρεάζεται από τις ιδιότητες του μάγματος (π.χ. ιξώδες, όγκος, ρυθμός εναπόθεσης), τις μηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων υποδοχής και τα περιφερειακά πεδία τάσεων.

Οι λοπόλιθοι είναι κι αυτοί μεγάλου μεγέθους και σχηματίζονται με την προς τα κάτω κάμψη του κεντρικού τμήματος του δαπέδου τους ενώ διατηρούν ένα οριζόντιο επίπεδο στο άνω όριο. 

Για την εξέλιξη μιας κοίτης σε λακκόλιθο απαιτείται η μαγματική Ρ να είναι αρκετά υψηλή ώστε να κάμψει τα υπερκείμενα στρώματα έτσι ώστε να ανυψωθούν στο κέντρο με τα κοίλα προς τα πάνω. Όσο μεγαλύτερες είναι οι πλευρικές διαστάσεις της κοίτης σε σχέση με το βάθος της από την επιφάνεια του εδάφους, τότε για δεδομένες μηχανικές ιδιότητες των περιβαλλόντων πετρωμάτων, τόσο ευκολότερη γίνεται η εκτροπή της κοίτης σε λακκόλιθο.

Η προς τα πάνω κάμψη του περιβάλλοντος πετρώματος είναι ουσιαστικά ο κύριος μηχανισμός χώρου για τον λακκόλιθο. Το κρίσιμο πάχος ακαμψίας εξαρτάται από τον αριθμό των στρωμάτων τα οποία απαρτίζουν την κάμψη του φλοιού και από την καμπτική ολίσθησή τους (flexural slip), δηλαδή την ρωγμάτωση σε κυρτωμένο στρώμα. Καθώς κατά την διάρκεια της ανάπτυξης του λακκόλιθου η οροφή διαρρηγνύεται, μέρος της παραμόρφωσής της μπορεί να αποδοθεί ως ελαστική κάμψη και μέρος της ως πλαστική, οπότε η κατάλληλη περιγραφή για τον περιβάλλοντα τον λακκόλιθο πέτρωμα είναι η ελαστικο-πλαστική παραμόρφωση.

(Η καμπτική ολίσθηση (flexural-slip): περιγράφει την μετατόπιση των στρωμάτων, το ένα σε σχέση με το άλλο, κατά τη διεργασία της κάμψης. Η έκταση της ολίσθησης επηρεάζει το κρίσιμο πάχος ακαμψίας, καθώς αυξάνει την ικανότητα του φλοιού να απορροφά παραμόρφωση. Όσο περισσότερα στρώματα συμμετέχουν στην ολίσθηση, τόσο μικρότερη μπορεί να είναι η συνολική ακαμψία, εφόσον η ενδοστρωματική παραμόρφωση μειώνει την αντίσταση στην κάμψη).

 

Άλλες ιδιότητες του μάγματος οι οποίες επηρεάζουν τον σχηματισμό λακκόλιθου είναι:

-το υψηλό ιξώδες που αντιστέκεται στη ροή προάγοντας τον σχηματισμό,

-ο μεγάλος όγκος του μάγματος ασκεί μεγαλύτερη πίεση στο υπερκείμενο πέτρωμα, αυξάνοντας πάλι την πιθανότητα σχηματισμού καθώς και

-μάγμα με πυκνότητα περίπου ίση με αυτή των περιβαλλόντων πετρωμάτων μπορεί να παγιδευτεί, σχηματίζοντας λακκόλιθο αντί να συνεχίσει την άνοδό του.

ΒΑΘΟΛΙΘΟΙ

Οι βαθόλιθοι είναι τεράστια ακανόνιστου σχήματος πλουτωνικά σώματα τα οποία σχηματίζονται στο φλοιό. Η εναπόθεσής τους έχει σημαντική επίπτωση στον περιβάλλοντα χώρο λόγω του μεγέθους τους και των θερμικών - μηχανικών επιδράσεων. Συνήθως είναι ενοποιημένα απομεινάρια από μαγματικούς θαλάμους και έχουν αναπτύξει μεγάλους κρυστάλλους λόγω της αργής ψύχρανσής τους.

Η καμπτική αντίσταση (flexural rigidity) του φλοιού καθορίζει την ανταπόκρισή του στην εναπόθεση του βαθόλιθου: Μεγάλη αντίσταση συνεπάγεται ομαλή πλαστική κάμψη, ενώ στην μικρή ο φλοιός παρουσιάζει τοπικές παραμορφώσεις πέρα από το όριο πλαστικότητας καταλήγοντας σε αστοχία.

Κατά την εναπόθεση ο στρωματοποιημένος φλοιός πάνω από τον βαθόλιθο μπορεί να παρουσιάσει καμπτική ολίσθηση, κατά την οποία τα επιμέρους στρώματα ολισθαίνουν το ένα σε σχέση με το άλλο καθώς το μάγμα εισχωρεί. Αυτή η ολίσθηση επιτρέπει την αναθόλωση των υπερκείμενων στρωμάτων, μειώνοντας την ανάγκη για εκτεταμένη ρηγμάτωση. Η έκταση της ολίσθησης εξαρτάται από το πάχος και τη συνοχή του στρωματοποιημένου φλοιού και την παρουσία ζωνών αδυναμίας μεταξύ των στρωμάτων, όπως ιζηματογενών ή σχιστοφυών μεταμορφωμένων πετρωμάτων.

Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα πλουτωνικά σώματα είναι συχνά τα κατάλοιπα μεγάλων μαγματικών θαλάμων που τροφοδοτούσαν ηφαιστειακή δραστηριότητα για παρατεταμένες χρονικές περιόδους. Το χημικό αποτύπωμα εντός των βαθόλιθων και των λακκόλιθων αντικατοπτρίζει διεργασίες όπως η κλασματική κρυστάλλωση, που λαμβάνουν χώρα στους μαγματικούς θαλάμους. Ο Βαθόλιθος της Σιέρα Νεβάδα πιθανότατα αποτέλεσε την πηγή μαγμάτων που εκχύθηκαν στην επιφάνεια κατά το Μεσοζωικό.

Οι λακκόλιθοι ως μικρότερων διαστάσεων λειτουργούν συχνά ως ρηχά μαγματικά αποθέματα, τροφοδοτώντας μικρές ηφαιστειακές εκρήξεις ή dikes.

Οι λοπόλιθοι δεν συμμετέχουν άμεσά σε ηφαιστειακή δραστηριότητα αλλά μπορούν να λειτουργήσουν ως μαγματικά αποθέματα.

 

 

Μηχανισμοί για τις αποθετικές μετακινήσεις πλουτωνικών σωμάτων

Αυτές οι μηχανικές διεργασίες συντελούν στην αλληλεπίδραση των πλουτωνικών σωμάτων με τα περιβάλλοντα πετρώματα για την εύρεση και κατάληψη χώρου και είναι σύμφωνες με την εναπόθεση μάγματος από - μη-στηλοειδείς εισχωρήσεις. Σημειώνεται ότι οι παρακάτω περιγραφόμενοι μηχανισμοί λειτουργούν και συνδυαστικά.

1. Μέτωπα γόμωσης - Ενσωμάτωση (stoping):

Προέρχεται από τον όρο stopes που περιγράφει ανασκαφές με τη δημιουργία κοιλοτήτων (μέτωπα) για την εξόρυξη μεταλλεύματος με την προϋπόθεση ότι τα πετρώματα οροφής είναι αρκετά δυνατά ή υποστυλώνονται ώστε να μην καταρρεύσουν.

Πρόκειται για περικύκλωση από μάγμα εύθραυστων πετρωμάτων. Οι υπάρχουσες ζώνες αδυναμίας (όπως ρωγμές ή παλαιές διατμήσεις) είναι κρίσιμες για την έναρξη του stoping. Το περιβάλλον πέτρωμα πρέπει να βρίσκεται σε καθεστώς χαμηλών πιέσεων ή υψηλών θερμοκρασιών, ώστε η ευθραυστότητά του να επιτρέπει την αποκόλληση θραυσμάτων του πετρώματος από την οροφή ή από τα περιβάλλοντα τοιχία, τα οποία βυθίζονται εντός του μάγματος επιτρέποντάς το να κινηθεί ανοδικά ή οριζόντια. Χαρακτηριστική αυτής της διεργασίας είναι η συχνή παρουσία ξενόλιθων εντός των πλουτωνικών σωμάτων.

Η διεργασία αυτή (stoping) περιορίζεται στον ανώτερο φλοιό και είναι μικρής κλίμακας σε σχέση με τους άλλους μηχανισμούς (π.χ., διόγκωση ή λατυποποίηση). Σε μεγαλύτερα βάθη τα πετρώματα είναι πολύ όλκιμα ώστε να διαρραγούν. Η έλλειψη όλκιμης παραμόρφωσης αποτελεί ένα κατάλληλο περιβάλλον για την δημιουργία μετώπων γόμωσης. 

Το πεδίο τάσεων είναι ο βασικός παράγων για το πως ένα σώμα εισχώρησης θα συμπεριφερθεί εντός του φλοιού. Δηλαδή, εξαρτάται από την αντοχή των διαφόρων τύπων πετρωμάτων, καθώς και από τις τάσεις της διάτμησης του εφελκυσμού και της συμπίεσης, οι οποίες ποικίλουν εντός του μανδύα. Το stoping στα πετρώματα μπορεί να εξηγηθεί ως η συνέπεια της θερμικής επίδρασης όπου θερμαινόμενα πτητικά διαστέλλονται μέσα στις ρωγμές και εξωθούν τεμάχη στο μάγμα όπου και ενσωματώνονται σ’ αυτό. Η «ενσωμάτωση» (stoping) αποτελεί παράδειγμα παθητικής εναπόθεσης μάγματος, διότι οι εισχωρήσεις πετρωμάτων έχουν ισότροπο υφή η οποία συνεπάγεται την επικράτηση της κρυσταλλοποίησης έναντι της παραμόρφωσης όπως επίσης και τα περιβάλλοντα πετρώματα υφίστανται μικρή παραμόρφωση.

2.Λατυποποίηση (Brecciation):

Η λατυποποίηση συνεπάγεται διαστολή πτητικών ρευστών σε γενικά χαμηλές Ρ με τη δημιουργία λατυποπαγών αγωγών ή βυσμάτων (breccia pipes or plugs) που εισχωρούν στον εύθραυστο ανώτερο μανδύα και χαρακτηρίζονται ως στενές, σχεδόν κάθετες στήλες, σε σχήμα χοάνης με ελλειπτική ή κυκλική διατομή διαμέτρου, συνήθως, < 1χλμ. Ο χαρακτηρισμός είναι εύστοχος καθώς περιέχουν μεγάλο ποσοστό ξενόλιθων, ουσιαστικά πρόκειται για εισχώρηση ξενόλιθων. Αυτή είναι και η βασική διαφορά από τα dikes η οποία προκύπτει από την απουσία, στους αγωγούς, παραμόρφωσης πετρωμάτων και ακόμη η ορυκτολογική σύνθεσή των δεικνύει την ύπαρξη υπερκορεσμένων ρευστών στο μάγμα και αφθονία ξενόλιθων από τα τοιχώματα των πετρωμάτων. Σε μερικούς λατυποπαγείς αγωγούς τα θραύσματα από περιβάλλοντα τοιχία υψηλών, στρωματογραφικά, επίπεδων συγκεντρώνονται γύρω από την εσωτερική περιφέρεια του αγωγού ενώ στο μέσον επικρατούν θραύσματα από μεγαλύτερα βάθη.

Διατρήματα (diatremes):

Είναι αγωγοί λατύπων σε σχήμα χοάνης τα οποία αποτίθενται σε χαμηλές Τ και περιέχουν σε μεγάλη συγκέντρωση μανδυακά ή/και φλοιού θραύσματα. Δημιουργούνται από υδροθερμικές εκρήξεις και συνήθως καλύπτονται από ένα ρηχό πιατοειδή κρατήρα έκρηξης που ονομάζεται maar και ο οποίος περιβάλλεται από πυροκλαστικό δακτύλιο. Αρκετά διατρήματα προέρχονται από αλκαλικά, μαφικά έως υπερμαφικά κιμπερλιτικά μάγματα, τα οποία είναι πολύ μεγάλης περιεκτικότητας σε H₂O και CO₂ και συνεπώς είναι υπερκορεσμένα σε CO₂ σε υποφλοιώδη βάθη.

Οι ηφαιστειοκλαστικές αποθέσεις που σχηματίζονται στα διατρήματα κατά την διάρκεια της έκρηξης, περιλαμβάνουν αποθέσεις που διακρίνονται σε στρωματοποιημένες, μη- στρωματοποιημένες καθώς και αποθέσεις στη ζώνη της ρίζας. Οπού συναντώνται μαζί οι στρωματοποιημένες και μη, οι πρώτες υπέρκεινται των δεύτερων και έχουν ονομαστεί αντίστοιχα σε ανώτερου και κατώτερου διατρήματος αποθέσεις.

Στο ανώτερο διάτρημα οι αποθέσεις είναι πυροκλαστικές στρωματοποιημένες και έχουν σχηματιστεί μέσα στον συν-εκρηξιακό ανοικτό κρατήρα, δηλαδή κατά την διάρκεια της έκρηξης.

Στο κατώτερο διάτρημα οι αποθέσεις σχηματίζονται με υπεδάφιες διεργασίες χωρίς διαστρωμάτωση και το ηφαιστειοκλαστικό υλικό συχνά περιγράφεται ως ομογενές ή καλά αναμειγμένο.

Στη ζώνη της ρίζας (dike – κατώτερο διάτρημα), όπου η σωληνοειδής δομή του διατρήματος στενεύει και τερματίζεις σε dike ή σε μέρος αυτού, αποτελεί τη ζώνη μετάβασης του dike με το διάτρημα και συνίσταται από συμπαγή πυριγενή πετρώματα.

3. Αναθόλωση (doming): Αποτελεί σαφή ένδειξη χαρακτηριστικής διεργασίας που προκαλείται από υπερσυμπιεσμένο μάγμα, προκαλώντας ρηγματώδεις διαρρήξεις στον φλοιό οι οποίες εξαρτώνται από το πάχος του στρώματος και την πίεση του μάγματος και διαχέεται ως ρηχές μαγματικές εισχωρήσεις. 

Είναι απολυτά βέβαιο ότι η αναθόλωση λαμβάνει χώρα πάνω από λακκόλιθο, ο οποίος αποτελεί εισχώρηση με λεπτή επίπεδη βάση (πάτωμα) με θολοειδή την άνω επιφάνεια του και αναπόφευκτα, βρίσκεται σε συμφωνία με στρωματώδη πετρώματα ομοιόμορφης, σχετικά, αντοχής μέσα στα οποία εισχωρεί το μάγμα.

4. Διόγκωση (ballooning): Η διόγκωση είναι αποτέλεσμα της ακτινωτής παραμόρφωσης του περιβάλλοντος πετρώματος από πλουτωνικά σώματα ακανόνιστων διαστάσεων και τα οποία ξεχωρίζουν από τα παρακείμενα από συνδυασμό κριτήριων όπως ηλικία, σύνθεση, ιστό, υφή. Η διεργασία σχετίζεται με τη συνεχή τροφοδοσία μάγματος δημιουργώντας τον απαιτούμενο χώρο ώστε  να δεχτεί μεγαλύτερο όγκο πλουτωνικών σωμάτων. Αποτελεί τη χαρακτηριστική διεργασία για την εναπόθεση βαθόλιθου ως ένα σύνθετο τεράστιο πλουτωνικό σώμα που σχηματίζεται μέσω διαδοχικών διεργασιών προσθήκης μάγματος και αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον πέτρωμα. 

Χαρακτηριστικά φελσικών πλουτωνικών σωμάτων τα οποία υποδεικνύουν διόγκωση:

1. Σχεδόν κυκλικά έως ελλειπτικά σχήματα σε κάτοψη.

2. Περίπου ομόκεντρες μαγματικές φυλλώσεις εντός του πλουτωνικά σώματα οι οποίες είναι σε συμφωνία με τις φυλλώσεις των περιβαλλόντων πετρωμάτων.

3. Η παραμόρφωση βαίνει αυξανόμενη προς τα περιβάλλοντα τοιχία πετρωμάτων του πλουτωνίτη, τα οποία ισοπεδώνονται κατακόρυφα έχοντας παράλληλες γνευσιακές γραμμώσεις ως προς την επαφή.

4. Ομόκεντρη ανάπτυξη ζωνών μεταμορφωμένων ορυκτών, καθώς μεταμόρφωση επαφής συνοδεύει τις πλουτωνικές μαγματικές αποθέσεις.

Η διόγκωση θεωρείται ως η δυναμική εναπόθεση του μάγματος με έντονες παραμορφωτικές επιδράσεις στα πετρώματα που εισχωρεί Εξαιτίας της ενδογενούς υψηλής Τ των όλκιμων πετρωμάτων του βαθόλιθου σε σχέση με εκείνη του ανώτερου φλοιού, παρατηρείται σημαντικός αριθμός χημικών αντιδράσεων μεταξύ πετρώματος και μάγματος δημιουργώντας ζώνες περιθωρίων πολυσύνθετης σύστασης. 

Διάπειρα (diapirs)  

Τα διάπειρα (diapirs) και οι μανδυακοί πίδακες (plumes) είναι γεωλογικές δομές όπου διακινούνται ανοδικά λόγω πλευστότητας. Αυτή η διεργασία προκύπτει όταν τα υλικά που δημιουργούν την πλευστότητα υπερβαίνουν το όριο αντοχής της υπερφόρτισης και παράλληλα συνοδεύονται από διατμητικές διαρρήξεις ώστε να διευκολύνεται η ανοδική κίνηση.

Κάθε στρώμα μικρότερης πυκνότητας που υπέρκειται από υλικό μεγαλύτερης πυκνότητας είναι βαρυτικά ασταθές. Το επάνω όριο του ασταθούς στρώματος με την μικρότερη πυκνότητα (μπλε περιοχή στο σχήμα) αναπτύσσει ημιτονοειδείς προεξοχές γνωστές ως αστάθειες (instabilities) Rayleigh-Taylor. Οι αστάθειες αυτές εξελίσσονται έως ότου οι πυκνότητες αναστραφούν και το σύστημα σταθεροποιηθεί. Καθώς τα εξογκώματα επιμηκύνονται, τα μικρότερα εξαφανίζονται, ενώ τα μεγαλύτερα αναπτύσσονται και αποκόπτονται από το ημιτονοειδές στρώμα, σχηματίζοντας διάπυρα τα οποία συνεχίζουν την πλεύση τους προς την επιφάνεια. Το μήκος κύματος των προεξοχών, στο χαμηλής πυκνότητας στρώμα, εξαρτάται από τo πάχος του και το ιξώδες καθορίζοντας την αντίσταση της πυκνότητας με το υπερκείμενο πυκνότερο στρώμα και επομένως η διαμόρφωση των διάπυρων στηρίζεται σ’ αυτές τις παραμέτρους.

Η ταχύτητα ανόδου και η διάρκεια ζωής ενός διάπειρου είναι σύνθετες συναρτήσεις πολλών παραμέτρων μεταξύ των οποίων το μέγεθος και το σχήμα. Ένα μαγματικό διάπειρο που ανέρχεται μέσω όλκιμου φλοιού, πρέπει η αναλογία όγκου ως προς την έκταση της επιφάνειάς του να είναι μεγάλη, ώστε η δύναμη της πλευστότητας (συνάρτηση του όγκου του) να είναι η μεγαλύτερη δυνατόν και η δύναμη αντίστασης (συνάρτηση της έκτασης της επιφάνειας επαφής) να είναι η μικρότερη δυνατόν, επομένως το ιδανικό σχήμα ενός διάπειρου είναι η σφαίρα, το οποίο φαίνεται να είναι το πλέον θερμικά ανασχετικό για την απώλεια θερμότητας

Όση περισσότερη θερμότητα μεταφερθεί από το μάγμα στο περιθώριο τον στρώματος τόσο μπορεί να μειώσει την όλκιμη αντοχή, επιτρέποντας στα διάπειρα να διαπεράσουν τα πετρώματα με μεγαλύτερη ευκολία. Δεδομένου ότι η διαθέσιμη ποσότητα θερμότητας είναι συγκεκριμένη τα μικρά σε όγκο διάπειρα και εκείνα με τη μεγαλύτερη έκταση επιφάνειας αναμένεται να απωλέσουν την πλευστότητά τους νωρίτερα από τα σφαιροειδή. Ακόμη και μεγάλα διάπειρα μπορούν να απωλέσουν πλευστότητα στο επίπεδο του φλοιού όπου η όλκιμη αντοχή αυξάνεται εκθετικά. Συνεπώς λόγω της μεταφοράς της Τ στα περιβάλλοντα πετρώματα, ένα ανερχόμενα διάπειρο υψηλής Τ, μαλακώνει το πέτρωμα μέσα από το οποίο διέρχεται. Επομένως τα διάπειρα μπορούν να ανέλθουν εξαιρετικά γρήγορα και σε μεγάλη απόσταση σ’ αυτή τη θερμική διαταραχή. 

Τα διάπειρα εκτός της συμμετοχής τους στην ηφαιστειακή δραστηριότητα, συνήθως συνδέονται με τον σχηματισμό δομών αλατούχων πετρωμάτων τα οποία ονομάζονται δομοί άλατος (salt domes). Σχηματίζονται από υλικό χαμηλής πυκνότητας και όλκιμο, αποτελούμενο από εβαπορίτες όπως αλίτης και γύψος, το οποίο εισχωρεί σε υπερκείμενα ιζηματογενή στρώματα σχηματίζοντας μεγάλες θολωτές δομές. Τα άλατα των δομών είναι χαρακτηριστικά για την καθαρότητά τους καθώς οι πήγες τους έχουν δημιουργηθεί σε αρχαίες εβαποριτικές λεκάνες. Οι διαστάσεις των θόλων μπορεί να είναι και αρκετών χιλιομέτρων, εξαρτώμενες από το περιβάλλον γεωλογικό υπόβαθρο. Κατά την άνοδό τους στην επιφάνεια μπορούν να διαλύσουν κατάλληλα πετρώματα τα οποία μπορούν να ιζηματοποιηθούν στην κορυφή του θόλου, δημιουργώντας έτσι ένα πετρώδες κάλυμμα σύστασης ανυδρίτη, γύψου ‘η ασβεστόλιθου.

Μανδυακοί πίδακες (plumes)

Οι μανδυακοί πίδακες (mantle plumes) είναι θερμικές ανωμαλίες στον μανδύα της Γης, όπου θερμό υλικό ανέρχεται από τα κατώτερα στρώματα του μανδύα προς την επιφάνεια. Οι πίδακες αυτοί συχνά συνδέονται με την δημιουργία ηφαιστείων, τόσο εντός τεκτονικών πλακών όσο και στα περιθώριά τους και έχουν σημαντική γεωδυναμική σημασία.

Θεωρείται ότι προέρχονται από το όριο πυρήνα-μανδύα σχηματιζόμενοι λόγω θερμικών ανομοιογενειών στον κατώτερο μανδύα και το θερμό υλικό ανέρχεται λόγω της μειωμένης πυκνότητάς του, σχηματίζοντας έναν κυλινδρικό πίδακα. Θεωρείται ακόμη ότι οι μεταβολές στις ιδιότητες του μανδύα (π.χ. χημεία, πυκνότητα) συμβάλλουν στην ανύψωση των πιδάκων. Στην κορυφή του πίδακα σχηματίζεται μια διαπλατυσμένη δομή πλούσια σε μάγμα, η οποία συμβάλλει στην αρχική ηφαιστειακή δραστηριότητα. Το στέλεχος του πίδακα είναι ο κύριος αγωγός ανόδου του θερμού υλικού από τον μανδύα. Οι μανδυακοί πίδακες συχνά μεταφέρουν μάγμα εμπλουτισμένο σε πτητικά συστατικά και σπάνιες γαίες και έχουν την δυνατότητα να παραμένουν ενεργοί για εκατομμύρια χρόνια, τροφοδοτώντας συνεχώς με μικρής πυκνότητας μάγμα την ηφαιστειακή δραστηριότητα με την δημιουργία νέου ωκεάνιου φλοιού και την ανακύκλωση του μανδυακού υλικού.

Οι μανδυακοί πίδακες είναι υπεύθυνοι για την δημιουργία Θερμών Κηλίδων (hotspots).όπως τα ηφαιστειακά συμπλέγματα της Χαβάης, του Yellowstone και των Νήσων Γκαλαπάγκος αλλά και εκτεταμένη ηφαιστειακή δραστηριότητα, όπως οι αναδομημένες Μεγάλες Πυριγενείς Επαρχίες (Large Igneous Provinces LIP) των τελευταίων 200Ma (Deccan Ινδία).

τα Μεγάλα Ηφαιστειακά Οροπέδια (π.χ. LIP Deccan στην Ινδία), (ανάρτηση: Μεγάλες Πυριγενείς Επαρχίες – Tuzo & Jason – Θερμές Κηλίδες).

Οι μανδυακοί πίδακες και οι βασαλτικές ροές (flood basalts) είναι στενά συνδεδεμένα γεωλογικά φαινόμενα, καθώς οι πίδακες συχνά θεωρούνται ο κύριος μηχανισμός πίσω από την εμφάνιση εκτεταμένων βασαλτικών ροών στην επιφάνεια. Ο βασικός μηχανισμός είναι  η αποσυμπιεστική τήξη (decompression melting) η οποία προκαλεί και παράγει μεγάλες ποσότητες μάγματος καθώς η κεφαλή του πίδακα πλησιάζει τη λιθόσφαιρα. Το συσσωρευμένο μάγμα μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες ηφαιστειακές εκχύσεις που δημιουργούν βασαλτικές ροές, οι οποίες χαρακτηρίζονται από την έκχυση μεγάλων όγκων μάγματος στην επιφάνεια, σε σχετικά σύντομα γεωλογικά διαστήματα. Έτσι αναπτύσσονται επίπεδες βασαλτικές εκτάσεις (LIPs), που μπορεί να καλύπτουν εκατομμύρια τετραγωνικά χιλιόμετρα. Να σημειωθεί ότι η σύσταση αυτού του βασαλτικού μάγματος είναι θολεϊιτική, (πλούσια; σε Fe και Mg αλλά φτωχή σε πυρίτιο).

ΕΞΩΘΗΣΕΙΣ (EXTRUSIONS) ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Οι μηχανισμοί εξώθησης (extrusions) του μάγματος αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία γεωλογικών φαινομένων που σχετίζονται με την κίνηση του μάγματος και την εκροή του προς την επιφάνεια της Γης υπό διαφορετικές συνθήκες. Αυτές οι διεργασίες επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες, όπως η σύσταση του μάγματος, η πίεση, η θερμοκρασία, η ρεολογία και η γεωμετρία των δομών μέσω των οποίων κινείται.

Δυο είναι οι θεμελιώδεις ιδιότητες του μάγματος για τις διεργασίες και τα προϊόντα των εξωθήσεων:

α) Η διάλυση της συγκέντρωσης των πτητικών τα οποία ελέγχουν τη φυσαλιδοποίηση και την πιθανότητα εκρηκτικής δραστηριότητας και

β) η ρεολογία του μάγματος, η οποία εκφράζεται με το Νευτώνειο ή μη ιξώδες και εξαρτάται από την συγκέντρωση πυριτίου, την Τ, τον βαθμό στρεβλωτικής παραμόρφωσης (strain rate) και την κρυσταλλικότητα (η αναλογία του κρυσταλλικού υλικού σε σχέση με το άμορφο/υαλώδες τμήμα πετρώματος).

Για την εξώθηση από τον βαθύ φλοιό ή από τον ανώτερο μανδύα θα πρέπει, αφενός να υπάρχει άνοιγμα στην επιφάνεια και αφετέρου ένας μηχανισμός που θα αναπτύξει υπερπίεση στο υπεδάφιο μαγματικό σώμα, επιτρέποντας την εκτόνωσή του, προωθώντας το μάγμα μέσω αυτού του ανοίγματος.

-Ανεξάρτητα από την απόμειξη και την διαστολή των πτητικών, μια θαμμένη μάζα μάγματος μπορεί να έχει την ικανότητα να ανυψωθεί και ακόμη να διαρρήξει τα υπερκείμενα πετρώματα εξαιτίας της πλευστότητάς της. Έτσι σε εφελκυστικά τεκτονικά καθεστώτα σώματα βασαλτικού μάγματος, άνω μανδύα ή/και κάτω φλοιού, μπορούν να εισβάλλουν σε σχεδόν κάθετες διαρρήξεις, που τα ίδια δημιουργήσαν, ώστε να ανέλθουν και να εξωθηθούν στην επιφάνεια.

-Μετά την άνοδο του μάγματος από τη πηγή του, λόγω πλεύσης διαμέσου dikes και διάπειρων, αποθηκεύεται για κάποιο χρόνο σε ρηχούς θαλάμους του φλοιού και μπορεί στη συνέχεια να εκραγεί εφόσον η ρευστή πίεση των πτητικών ή η δύναμη πλεύσης υπερβεί την ελαστική αντοχή του υπερκείμενου πετρώματος, προκαλώντας διάρρηξη στην οροφή του, αφήνοντας έτσι μείγμα αερίων και μάγματος να εκραγεί. Αυτό μπορεί να γίνει με τους παρακάτω μηχανισμούς εξώθησης μάγματος:

1. Κρυστάλλωση και κορεσμός πτητικών: Καθώς ένα στάσιμο μαγματικό σώμα ψύχεται και κρυσταλλώνει άστριους και πυρόξενους κλπ., το εναπομένον τήγμα γίνεται κορεσμένο σε πτητικά. Η επακόλουθη ρευστή πίεση των πτητικών ή η πλευστότητα του αφρώδους (με φυσαλίδες) μάγματος οδηγεί σε έκρηξη.

2. Αποσυμπίεση και διαστολή πτητικών: Το μάγμα μπορεί να ανέλθει σε ακόμη πιο ρηχά επίπεδα του φλοιού με αποτέλεσμα, σε καθεστώς αποσυμπίεσης, μεγαλύτερη ποσότητα πτητικών να διαλυθεί και να διασταλεί. Η απόμειξη και η ανάπτυξη φυσαλίδων καθυστερεί την γρήγορη άνοδο στο ιξώδες μάγμα ούτως ώστε τελικά η πίεση που απελευθερώνεται είναι μεγαλύτερη και η έκρηξη πιο βίαιη.

3. Μαφικό μάγμα και μεταφορά θερμότητας: Μαφικό μάγμα μπορεί να εισχωρήσει στη βάση ενός μαγματικού θαλάμου ψυχρότερου, λιγότερο πυκνού και περισσότερο πυριτικού (Sparks and Sigurdsson, 1977). Η μεταφορά της θερμότητας στο πυριτικό μάγμα του παραπάνω θαλάμου μπορεί να προκαλέσει επιπρόσθετη πλευστότητα με εκρηκτικό αποτέλεσμα. Αλλά πιο σημαντικό θεωρείται ότι η ψύξη και η κρυσταλλοποίηση μαφικού μάγματος προκαλεί κορεσμό και απόμειξη των πτητικών, τα οποία ερχόμενα σε επαφή με το υπερκείμενο πυριτικό μάγμα το καθιστούν υπερκορεσμένο και αυξάνουν την πίεση των πτητικών και την πλευστότητα του μάγματος.

4.Εξωτερικές πήγες νερού: Νερά εδάφους, λιμνών ή ωκεανών καθώς έρχονται σε επαφή με θαμμένο μάγμα, απορροφούν θερμότητα διαστέλλονται εκρηκτικά παρασύροντας το ρηχό κάλυμμα του μαγματικού σώματος.

Το μάγμα εξέρχεται είτε από το κεντρικό στόμιο (vent) του περίπου κάθετου κυλινδρικού ηφαιστειακού αγωγού τροφοδοσίας, σχηματίζοντας ως επί το πλείστον κωνοειδή ηφαίστεια, είτε από μια επιμήκη διάρρηξη (fissure) στον φλοιό, τα οποία είναι συνήθως βασαλτικής σύνθεσης όπου το υπεδάφιο τροφοδικό είναι ένα περίπου κατακόρυφο dike.

Και οι δύο παραπάνω τύποι εξώθησης μπορούν να εμφανιστούν ή ως εκρηκτικές (explosive) ή ως διαχυτικές (effusive) καθώς εξαρτάται από το εάν το μάγμα, που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια, παραμένει συνεχές ή διασπάται σε ξεχωριστά σώματα. Αυτές οι διαφορές στη δυναμική των εξωθούμενων μαγμάτων συνδέονται με τη φυσαλιδοποίηση η οποία εξαρτάται από τη συγκέντρωση των πτητικών στη ροή του μάγματος και αν το μάγμα έρχεται ή όχι σε επαφή με εξωγενές νερό. Στα εκρηκτικά μάγματα, νεοσχηματιζόμενα σωματίδια τήγματος και κρυστάλλων μαζί με τυχαία πετρώματα (ξενόλιθοι) και απλά κρυσταλλικά θραύσματα (ξενοκρύσταλλοι) εκτινάσσονται από τον ηφαιστειακό πόρο, διασκορπίζονται και αποτίθενται στην επιφάνεια ως πυροκλαστικά. Αυτά περιλαμβάνουν τέφρα ή τρίμματα τα οποία συσσωρεύονται στο έδαφος ή στον πυθμένα ωκεανών ή λιμνών.

Αντίθετα μη θραυστοποιημένα αλλά κυρίως φυσαλώδη μάγματα εκχύνονται διαχυτικά από ηφαιστειακούς πόρους ή από επιμήκεις διαρρήξεις ως συμπαγείς υπερχειλίσεις λάβας. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της ροής της λάβας και ο τρόπος της κίνησής καθορίζονται από την σύνθεση του μάγματος, την απώλεια θερμότητας και αερίων, καθώς και τη ρεολογία του.

Το ιξώδες είναι καθοριστικό στην μορφή και την εξάπλωση της λάβας. Στις βασαλτικές λάβες, το χαμηλό ιξώδες επιτρέπει την εξάπλωση σε λεπτές στρώσεις ή χειμάρρους με πολύ μικρό λόγο πάχους προς οριζόντια διάσταση (~10^-4). Αντίθετά στις πυριτικές λάβες το υψηλό ιξώδες οδηγεί σε βολβώδεις δομές με λόγο ~1.

Επιπλέον η ταχύτητα απορροής της λάβας από τον πόρο επηρεάζει τον παραπάνω λόγο, δηλαδή την μορφή τής ροής. Έτσι η γρήγορη απορροή μειώνει τη δυνατότητα ψύξης της κινούμενης λάβας και επιμηκύνεται η απόσταση της ροής. Ακόμη το ιξώδες καθώς επίσης και άλλοι παράγοντες όπως η διάμετρος του πόρου και ο όγκος παροχής του μάγματος, επηρεάζουνε την ταχύτητα απορροής της λάβας από τον πόρο. Λάβες χαμηλού ιξώδους κινούνται ταχύτερα και εξωθούνται σε μεγαλύτερες αποστάσεις.

 

Ηφαιστειότητα βασαλτικών – ρυολιθικών μαγμάτων

Η ηφαιστειότητα αποτελεί ένα από τα βασικά αποτελέσματα της μαγματικής δραστηριότητας, κατά την οποία το μάγμα ανέρχεται στην επιφάνεια και ψύχεται, δημιουργώντας ηφαιστειακά προϊόντα. Στην περίπτωση των βασαλτικών και ρυολιθικών μαγμάτων, η ηφαιστειακή δραστηριότητα διαφοροποιείται σημαντικά, λόγω των φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους. Θεωρώντας ότι το ιξώδες του μάγματος είναι ο βασικός παράγων της ηφαιστειότητας η οποία συνδέεται άμεσα με τη συμπεριφορά του καθώς ανέρχεται, μια σύγκριση μεταξύ των χαρακτηριστικών του χαμηλού ιξώδους βασαλτικού μάγματος και του υψηλού ρυολιθικού, αναδεικνύει τη θεμελιώδη σημασία του ιξώδους και της αποσυμπίεσης στη δημιουργία εκχυτικής ή εκρηκτικής δραστηριότητας αντίστοιχα:

Βασαλτική ηφαιστειότητα

Περισσότερα από τα μισά ηφαίστεια του κόσμου είναι βασαλτικά ή περιλαμβάνουν βασάλτη. Αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του ωκεάνιου φλοιού, και σχηματίζει τεράστια ηπειρωτικά βασαλτικά οροπέδια καθώς και μικρότερες τοπικές περιοχές.

Τα βασαλτικό μάγμα δεν χαρακτηρίζεται μόνο από χαμηλό ιξώδες λόγο χαμηλής περιεκτικότητας σε πυριτικά (περίπου 45-52% SiO₂) αλλά και από υψηλή Τ(1000⁰ –1,200°C) όπου οι χημικές διαχυτικότητες είναι μεγάλες, αλλά και από διαλυμένες συγκεντρώσεις πτητικών, κυρίως νερού, οι οποίες είναι κατά πολύ χαμηλότερες από αυτές των πυριτικών μαγμάτων.

Οι εκχύσεις βασαλτικού μάγματος από ρήγματα και φρεάτια ποικίλουν ως προς το μέγεθος, τον ρυθμό εκροής, τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας και την εσωτερική δομή. Ο συνολικός όγκος λάβας, που συνήθως αποτελείται από πολλές ροές εκχυνόμενες κατά τη διάρκεια ενός μόνο εκρηκτικού γεγονότος, το οποίο μπορεί να διαρκέσει από ώρες έως και ένα χρόνο ή περισσότερο, κυμαίνεται γενικά μεταξύ 0,01–1 km³.Ωστόσο, όγκοι της τάξης των 10²–10³ km³ φαίνεται ότι έχουν εκχυθεί σε μία και μόνο πλημμυρική βασαλτική εκροή οροπεδίου. Ένας σχετικά υψηλός ρυθμός εκροής κατά την έκρηξη ρήγματος στο Λάκι της Ισλανδίας το 1783, με συνολικό όγκο 12,3 km³, ήταν περίπου 5000 m³/s (0,5 km³/ημέρα) σε διάστημα 28 ημερών. Οι υψηλότεροι ρυθμοί εκροής επιτρέπουν στη λάβα να ρέει σε μεγαλύτερες αποστάσεις, έως και 40 km στο Λάκι, επειδή η μεταφορά θερμότητας και συνεπώς η ψύξη και ακινητοποίησή της έχουν μικρότερη σημασία ως περιοριστικοί παράγοντες. Το πάχος μιας μεμονωμένης ροής κυμαίνεται γενικά μεταξύ 10–30 m, αλλά μπορεί να είναι μόλις λίγα εκατοστά σε περίπτωση λάβας με χαμηλό ιξώδες.

Μία αργά ανερχόμενη, αποσυμπιεζόμενη και ψυχόμενη στήλη διοχέτευσης βασαλτικού μάγματος, θα περάσει σε φάση ανάπτυξης φυσαλίδων, η οποία θα συμβαδίζει με έντονες αλλαγές παραμέτρων. Καθώς το μάγμα ανέρχεται, η αποσυμπίεση προκαλεί την απόμειξη των πτητικών συστατικών, δημιουργώντας φυσαλίδες. Οι μεγάλες φυσαλίδες έχουν αρκετά ταχεία πλευστότητα ώστε να προωθούνται διαμέσου του μάγματος και να είναι εφικτή η ανέπαφη διαφυγή τους από την κορυφή της στήλης. Τα αποδιαλυμένα πτητικά μπορούν επίσης να διαχέονται εντός ανοιγμάτων των περιβαλλόντων τη στήλη πετρωμάτων.

Η προοδευτική και μεταβαλλόμενη εξαέρωση ενός φυσαλιδώδους μάγματος μπορεί να οδηγήσει σε εκρηκτική εκτόνωση, με το τήγμα να διατηρεί την αρχική του συνεκτικότητα και να εκρήγνυται υπό τη μορφή συμπαγούς λάβας. Αυτή η διεργασία συνδέεται συχνά με εκρήξεις μέτριας έντασης, όπου η σταδιακή απελευθέρωση αερίων περιορίζει την απότομη θρυμματοποίηση, ενώ ταυτόχρονα δημιουργεί μια δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ του ιξώδους του τήγματος και της πίεσης των εγκλωβισμένων πτητικών συστατικών.

Υπό ορισμένες συνθήκες βασαλτικά μάγματα μπορούν να οδηγήσουν σε εκρηκτική, όχι διάχυτη, ηφαιστειακή δραστηριότητα η οποία εμφανίζεται ως σιντριβάνια λάβας (lava fountains), τα οποία αποτελούνται από μεγάλες τηγμένες φυσαλίδες και εκτοξεύονται εκατοντάδες μέτρα πάνω από τον πόρο τη στήλης. Αυτό συμβαίνει όταν κατά την διάρκεια  ταχείας ανόδου το μάγμα υπερβαίνει την πίεση κορεσμού, προκαλώντας εκρηκτική εξαέρωση. Ο μηχανισμός αυτός προκύπτει από την ανισορροπία μεταξύ του υπερκορεσμένου μάγματος και της απότομης απόμειξης των πτητικών συστατικών. 

Μαξιλαροειδείς Λάβες (Pillow Lavas): είναι διακριτοί γεωλογικοί σχηματισμοί στις περιπτώσεις που βασαλτική κυρίως λάβα εξωθείται η ρέει υποθαλάσσια, τυπικά στις ωκεάνιες ράχες, στα νησιωτικά τόξα ή σε υποθαλάσσια ηφαιστειακά περιβάλλοντα. Χαρακτηριστικό των υποθαλάσσιων εξωθήσεων είναι η ταχεία ψύξη της λάβας όταν έρχεται σε επαφή με το νερό.

Ρυολιθική ηφαιστειότητα

Τα ρυολιθικά μάγματα, αντίθετα, παρουσιάζουν υψηλό ιξώδες, χαμηλότερες θερμοκρασίες (700–900°C) και υψηλή περιεκτικότητα σε πυριτικά (πάνω από 70% SiO₂). Αυτά τα χαρακτηριστικά τα καθιστούν πιο "παχύρευστα" γεγονός που επηρεάζει την ηφαιστειακή συμπεριφορά τους. Καθώς αυτά τα τήγματα αποδιαλύουν το νερό μέσα στις αυξανόμενες σε όγκο φυσαλίδες, τα τοιχώματα του τήγματος μεταξύ των φυσαλίδων γίνονται περισσότερο ιξώδη και η περαιτέρω ανάπτυξη των φυσαλίδων επηρεάζεται με δύο τρόπους: α) με τον περιορισμό της διάχυσης περισσότερου νερού μέσα σ’ αυτές και β) επιβραδύνοντας την ιξώδη παραμόρφωση των τοιχωμάτων τους λόγω της ογκομετρικής διαστολής του ατμού.

Αν και η αύξηση του ιξώδους θα αναμενόταν να επιβραδύνει την άνοδο του μάγματος, ο αυξημένος όγκος των φυσαλίδων μειώνει τη συνολική πυκνότητα του μάγματος, καθιστώντας το πιο πλευστό και ικανό να ανέρχεται ταχύτερα. Οι συγκεντρώσεις διαλυμένου νερού, που συνήθως κυμαίνονται στο εύρος 3–6 wt.%, μειώνουν το ιξώδες των ρυολιθικών τηγμάτων  σε τιμές μόλις λίγες τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές των βασαλτικών τηγμάτων.

Ως επακόλουθο είναι ότι ο υψηλός ρυθμός της ανόδου του μάγματος επιδεινώνει την κατάσταση ανισορροπίας: Δηλαδή η γρηγορότερη παραμόρφωση του μάγματος κατά τη διάρκεια της ταχύτερης ανόδου του δια μέσου του ηφαιστειακού αγωγού, προκαλεί την υπέρβαση του χαρακτηριστικού χρόνου ανάπαυσης* του ιξώδους του τήγματος. Στην περίπτωση αυτή τα τοιχώματά των φυσαλίδων είναι, ουσιαστικά, υαλώδη και η υπερβάλλουσα εσωτερική πίεση του ρευστού διαρρηγνύει αυτά τα τοιχώματα. Το αποτέλεσμα είναι η εκρηκτική θρυμματοποίηση του μάγματος.

Χαρακτηριστικό, τυπικό γνώρισμα των εκρηκτικών ρυολιθικών αποθέσεων είναι η παρουσία διάφορων μεγεθών θρυμμάτων όπως στάχτη, λάτυποι και ογκόλιθοι. Η στάχτη αποτελείται κυρίως από υαλώδη τεμάχη των διαρρηγμένων τοιχίων των φυσαλίδων, ενώ οι λάτυποι και οι ογκόλιθοι αποτελούνται από κισηρόλιθους (ελαφρόπετρα) που δεν εξερράγησαν.

Ανομοιομορφία θρυμματισμού: Η θρυμματοποίηση του μάγματος συχνά προκαλείται από στρεβλωτική παραμόρφωση κατά τη διάρκεια της ταχείας ροής του μάγματος μέσω του ηφαιστειακού αγωγού, δημιουργώντας ετερογενή υφή στα ηφαιστειακά προϊόντα.

Από τα παραπάνω προκύπτει μια ετερογένεια της θρυμματοποίησης, η οποία θα μπορούσε να δικαιολογηθεί ως αποτέλεσμα ανομοιόμορφου διαμελισμού, που προκαλείται από την στρεβλωτική παραμόρφωση (strain) στο τήγμα κατά τη διάρκεια της διατμητικής ροής η οποία συνοδεύεται με ταχεία άνοδο στη ηφαιστειακή στήλη και την επακολουθούσα έκρηξη.

*[Ο χρόνος ανάπαυσης(relaxation time) είναι ο χαρακτηριστικός χρόνος που απαιτείται για να επανέλθει το τήγμα σε ισορροπία μετά από μία μηχανική παραμόρφωση.

Ο χρόνος ανάπαυσης του ιξώδους είναι ένας θεμελιώδης παράγοντας που επηρεάζει τη ροή και τη δυναμική των μαγμάτων, ιδιαίτερα σε συστήματα με υψηλό ιξώδες όπως τα ρυολιθικά μάγματα. Στην περίπτωση αυτή, ο χρόνος ανάπαυσης σχετίζεται με την ικανότητα του τήγματος να ανταποκρίνεται σε μηχανικές καταπονήσεις, όπως αυτές που προκύπτουν κατά την άνοδο μέσα στον ηφαιστειακό φρεάτιο.

T_r = η/G

Tr: χρόνος ανάπαυσης

η: το ιξώδες. Σε υλικά με υψηλό ιξώδες, ο Tr είναι μεγάλος, άρα το τήγμα αντιστέκεται στην παραμόρφωση για περισσότερο χρόνο όπως ένα στερεό. Σε τήγματα χαμηλού ιξώδους ο Tr είναι σύντομος και το τήγμα προσαρμόζεται γρηγορότερα στην παραμόρφωση όπως ένα ρευστό.

G: διατμητικός συντελεστής ή το μέτρο διατμητικής ελαστικότητας ή μέτρο δυσκαμψίας του υλικού: Ο G συνδέει τη διατμητική τάση (τ) με τη εκτατική στρεβλωτική παραμόρφωση (ε) σε ένα υλικό, μέσω της σχέσης:

τ = G ε

Να σημειωθεί ότι ο G συνδέεται με το μέτρο ελαστικότητας Young(Ε) και τον λόγο Poisson(ν):

G = E/[2(1+ν)]

Αν ο ρυθμός της στρεβλωτικής παραμόρφωσης (ἐ) ανερχόμενου μάγματος ἐ >1/Tr ,τότε συμπεριφέρεται ως εύθραυστο υλικό με δυνατότητα θρυμματοποίησης (εκρηκτική εξώθηση), ενώ αν ἐ <1/Tr συμπεριφέρεται ως ιξώδες ρευστό ακολουθώντας ομαλή διάρρηξη.]

Συγκριτικά η κύρια διαφορά μεταξύ βασαλτικών και ρυολιθικών μαγμάτων έγκειται στις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, οι οποίες επηρεάζουν το είδος και την ένταση της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Οι βασαλτικές εκχύσεις χαρακτηρίζονται από την ήπια και συνεχή εκροή μάγματος, ενώ οι ρυολιθικές από έντονες εκρήξεις που συνοδεύονται από εκτεταμένα φαινόμενα ηφαιστειακής τέφρας. Αυτές οι διαφορές αντικατοπτρίζουν τη διαφορετική προέλευση, σύνθεση και εξέλιξη των μαγμάτων.

Να σημειωθεί ακόμη ότι ενδιάμεσης σύστασης μεταξύ των βασαλτικών και ρυολιθικών λαβών είναι η ανδεσιτική (55 - 65% SiO₂) και η δακιτική (63 – 69% SiO). Σπάνιες θεωρούνται η τραχυτική (60 – 70% SiO₂) όρος Έρεβός και η κοματιιτική (< 45% SiO₂ ) με εμφανίσεις στο Αρχαιοζωικό σε Τ >1600⁰C.

ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΜΑΓΜΑΤΟΣ

Η σύνθεση του πρωταρχικού μάγματος κατά την πλευστική του άνοδο ή κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης τροποποιείται ποικιλοτρόπως από αρκετές διεργασίες διαφοροποίησης από τις οποίες προκύπτουν υγρά ή στερεά κλάσματα με διαφορετική σύσταση. Μπορεί να συμβεί είτε σε κλειστά συστήματα όπου το μάγμα δεν αλληλοεπιδρά με εξωτερικά υλικά, είτε σε ανοικτά συστήματα όπου λαμβάνει χώρα ανταλλαγή υλικών με τον περιβάλλοντα φλοιό ή άλλα μαγματικά σώματα.

ΜΑΓΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕ ΚΛΕΙΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Η διαφοροποίηση μάγματος σε κλειστά συστήματα χαρακτηρίζεται από την απουσία ανταλλαγής υλικών ή ενέργειας με το περιβάλλον, και η διαφοροποίηση επηρεάζεται αποκλειστικά από εσωτερικές διεργασίες. Παρακάτω παρουσιάζονται οι κύριοι μηχανισμοί διαφοροποίησης σε κλειστά συστήματα:

Α. Διαχωρισμός των κρυστάλλων και τήγματος που ονομάζεται και κλασματική κρυσταλλοποίηση (fractional crystallisation) η οποία είναι η κύρια διεργασία διαφοροποίησης στα κλειστά συστήματα. Παράδειγμα είναι οι ασυνεχείς και συνεχείς σειρές κρυστάλλωσης του Bowen, δηλαδή όταν το μάγμα ψύχεται, πρώτα κρυσταλλώνονται τα ορυκτά με τα υψηλότερα σημεία τήξης. Η διεργασία αυτή μπορεί να επιτευχθεί με τρείς μηχανισμούς:

Α1. Βαρυτικός διαχωρισμός (gravitational segregation): Σε ένα στατικό σώμα τήγματος, κρύσταλλοι μεγάλης πυκνότητας καθιζάνουν στον πυθμένα του θαλάμου. Ενώ μικρότερης επιπλέουν. Αυτός ο μηχανισμός ενισχύει τον σχηματισμό σωρευτικών πετρωμάτων στη βάση του θαλάμου και διαφοροποιεί τη σύνθεση του εναπομείναντος μάγματος.

Α2. Διαχωρισμός δια της ροής (flowage segregation): Σε κινούμενα σώματα μάγματος η πίεση των διασκορπισμένων κόκκων ωθεί τους κρυστάλλους και αλλά στερεά σωματίδια στο εσωτερικό του ρέοντος μάγματος, απομακρύνοντάς τα από τα περιβάλλοντα τοιχία, χαρακτηριστικό φαινόμενο σε dikes, κοίτες και εξωθήσεις.

Α3. Φιλτραρισμένος διαχωρισμός από πίεση (filter pressing): Διεργασία που συμβαίνει κατά την διάρκεια της κρυσταλλοποίησης διεισδυτικών πυριγενών σωμάτων κατά την οποία η υγρή φάση που βρίσκεται στα διάκενα μεταξύ των κρυστάλλων διαχωρίζεται από αυτούς μέσω πίεσης. Καθώς οι κρύσταλλοι συσσωρεύονται στο μαγματικό σώμα σχηματίζουν κρυσταλλικό θρόμβο ενώ τα εναπομείναντα υγρά διαχέονται μέσω των διάκενων. Αυτοί οι κρυσταλλικοί θρόμβοι μπορεί να είναι αποτέλεσμα βυθιζόμενων κρυστάλλων που συγκεντρώνονται στη βάση του μαγματικού θαλάμου ή από κρυστάλλους που συσσωρεύτηκαν κατά την διάρκεια των πρώιμων σταδίων της κρυσταλλοποίησης. Η πίεση που προκαλεί τον διαχωρισμό ασκείται είτε από το βάρος των υπερκείμενων κρυστάλλων είτε από εξωτερικές δυνάμεις που προκύπτουν από τοπικές διαφορές στην πίεση. Αυτές οι δυνάμεις ωθούν το εύκολα κινούμενο υγρό μέσω των διάκενων του κρυσταλλικού θρόμβου. Επιπλέον, η εφαρμοζόμενη πίεση μπορεί να οδηγήσει στη θραύση των υπολειπόμενων κρυστάλλων. Η διεργασία αυτή μπορεί να εξηγήσει τον σχηματισμό μονόμικτων πετρωμάτων με ασυνήθιστη ορυκτολογική και χημική σύνθεση, (πχ ανορθοσίτες).

Β. Διαχωρισμός μη-αναμείξιμων τηγμάτων (immiscible melts)

Τα μη-αναμείξιμα πυριτικά τήγματα ανακαλύφθηκαν αρχικά στο σύστημα MgO-SiO₂, και αργότερα αναγνωρίστηκαν και σε αλλά μαγματικά συστήματα.

Ένα σώμα μάγματος που ψύχεται, πολλές φορές δέχεται σταγόνες από ένα δεύτερο μάγμα με τελείως διαφορετική σύνθεση, οι οποίες δεν αναμειγνύονται με το πρώτο σώμα, όπως το νερό με το λάδι:

Ο χημικός μηχανισμός που καθορίζει την κατακρήμνιση ενός μη αναμείξιμου τήγματος ενεργοποιείται όταν η συγκέντρωση ενός ορυκτού μέσα στο μητρικό μάγμα φθάνει στο σημείο κορεσμού. Εάν αυτός ο κορεσμός συμβεί σε Τ πάνω από το σημείο τήξης του ορυκτού τότε κατακρημνίζονται σταγόνες τήγματος αντί κόκκων του ορυκτού. Η σύνθεση αυτών των μη αναμείξιμων τηγμάτων διαφέρει από εκείνη του αρχικού ορυκτού, επειδή τα τήγματα τείνουν να συμπαρασύρουν και να συγκεντρώνουν αρκετά στοιχεία από το μητρικό μάγμα και έτσι αυτή η διεργασία οδηγεί σε πλούσια μεταλλευτικά κοιτάσματα. Τα σουλφίδια του σίδηρου, είναι το βασικό συστατικό των περισσότερων μη – αναμείξιμων τηγμάτων, τα οποία συμπαρασύρουν μέταλλα χαλκού, νικελίου και της ομάδας της πλατίνας. Μη-αναμείξιμες θειούχες σταγόνες μπορούν να συσσωρευτούν και να δημιουργήσουν μη-αναμείξιμα στρώματα τηγμάτων στον μαγματικό θάλαμο, με αποτέλεσμα να σχηματιστούν αποθέσεις κοιτασμάτων των παραπάνω μετάλλων μέσα σε ένα συνονθύλευμα θειούχων ορυκτών.

Πειραματικές έρευνες έδειξαν αδιαμφισβήτητα το μη-αναμείξιμο των θειούχων και πυριτικών τηγμάτων. Ακόμη και μικρές συγκεντρώσεις S, της τάξης μερικών εκατοντάδων p.p.m., είναι αρκετές για να κορεστούν βασαλτικά τήγματα, ενώ στην περίπτωση μεγάλων συγκεντρώσεων έχουν ως αποτέλεσμα τον διαχωρισμό από τα θειικά τήγματα του Fe και του S και με τα επουσιώδη Cu, Ni, και O, να κρυσταλλώνονται σε πυρροτίτη (Fe_1-XS, x=0-0.17) χαλκοπυρίτη (CuFeS₂) και μαγνητίτη (Fe²⁺Fe³⁺₂O₄).

 

Γ. Διαχωρισμός ρευστών – τηγμάτων: Πηγματίτες

Υδατικά και καρμπονιτικά ρευστά, στα πετρώματα, βρίσκονται σε ισορροπία με τήγματα μαγμάτων περιέχουν σημαντικές συγκεντρώσεις χημικών στοιχείων όπως Si, Na, K, Fe, καθώς επίσης και αρκετά μη συμβατά στοιχεία. Στα τελικά στάδια της στερεοποίησης γρανιτικών μαγμάτων, θεωρείται ότι ο σχηματισμός πηγματίτων οφείλεται στον διαχωρισμό υδατικών φάσεων από τα εναπομείναντα, κορεσμένα σε νερό, γρανιτικά τήγματα. 

Ο πηγματίτης είναι ένα ασύνηθες μαγματικό πέτρωμα με κόκκους διαφόρων μεγεθών από πολύ χονδρούς έως και πολύ λεπτούς σε φανεριτικά φελσικά πετρώματα όπως οι γρανίτες και απλίτες.

Κάποια πηγματικά σώματα μπορεί να είναι μικρά ακανόνιστα κομμάτια, μικρότερα από 1εκ, σε μάζες πλουτωνικών και μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Άλλα μπορεί να είναι μήκους χιλιάδων μέτρων και πλάτους εκατοντάδων και να έχουν τη μορφή dikes, φλεβών και κοιτών. Οι περισσότεροι πηγματίτες έχουν εσωτερικά διαφοροποιημένη ζωνώδη δομή και χαρακτηρίζονται ως σύνθετοι (complex) πηγματίτες.

Αποτελούνται από ποικιλία ορυκτών. Οι απλοί πηγματίτες είναι κυρίως γρανιτικής σύστασης από αλβίτη, χαλαζία, περθίτες, και δευτερεύοντα μοσχοβίτη, τουρμαλίνη και Fe-Mn γρανάτη. Οι κεντρικές ζώνες συνθέτων πηγματίτων περιέχουν ορυκτά όπως: τουρμαλίνη, τοπάζι, γρανάτη, σποδουμένης, σκαπόλιθος, βήρυλλος απατίτης, φθορίτης, ζιρκόνιο και γενικά αποτελούν πηγή πολύτιμων λίθων.

 

ΜΑΓΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕ ANOIKTA ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ:

ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΜΑΓΜΑΤΑ

Στα ανοικτά μαγματικά συστήματα, η διαφοροποίηση του μάγματος επηρεάζεται από μια σειρά αλληλεπιδράσεων, όπως η μείξη μαγμάτων, η απορρόφηση (μόλυνση) και η εξαέρωση πτητικών συστατικών. Αυτές οι διεργασίες μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά τη σύνθεση, τη ρεολογία και τη δυναμική των μαγμάτων, οδηγώντας σε σχηματισμό υβριδικών μαγμάτων και σε έντονη ηφαιστειακή δραστηριότητα. Η παρούσα ανάλυση εστιάζει στις βασικές διεργασίες που χαρακτηρίζουν τη μαγματική διαφοροποίηση και τις γεωλογικές συνέπειες που τη συνοδεύουν:

Α. Ανάμειξη (mixing) μαγμάτων

Εάν δύο ή περισσότερα ανόμοια μητρικά μάγματα αναμειχθούν, θα προκύψει ένα υβριδικό μάγμα με σύνθεση ενδιάμεση των μητρικών από τα οποία προήλθε. Τα μάγματα, ως γνωστόν, μπορούν να προκύψουν από διαφορετικές πηγές, όπως τα βασαλτικά από τον άνω μανδύα ή τα πυριτικά από τον βαθύ ηπειρωτικό φλοιό ή ενδεχόμενα να προέχονται από κοινή πηγή αλλά ακολουθήσαν διαφορετικές εξελικτικές πορείες. Τα ανόμοια μάγματα είναι εκ φύσεως ανακατεμένα (mingled) και τα σχηματιζόμενα από αυτά πετρώματα διατηρούν τα χαρακτηριστικά τους. Ωστόσο, όταν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές, όπως επαρκής χρόνος και θερμική ενέργεια, είναι εφικτό να αναμειχθούν (mixed), σε κλίμακα ατόμου, μέσω διάχυσης σχηματίζοντας ένα, ουσιαστικά, ομοιογενές τήγμα.

Η υβριδοποίηση μαγμάτων μπορεί να κυμαίνεται από έντονες διαφορές, όπως μεταξύ βασαλτών και ρυόλιθων, έως διαφορές μικρής κλίμακας σε επίπεδα ppm βασικών στοιχείων. Αυτές οι αντιθέσεις είναι χαρακτηριστικές για διάφορους μηχανισμούς υβριδοποίησης που παρατηρούνται σε εισχωρήσεις μάγματος, οι οποίες μπορεί να τροφοδοτούν ηφαιστειακές εκρήξεις ή ακόμη και τη ροή της λάβας. Η ανάμειξη μαγμάτων μπορεί να εντοπιστεί από την σύνθεση του πετρώματος εφόσον περιλαμβάνονται τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Ανισορροπία φάσεων όπως συνύπαρξη ανόμοιων ορυκτών, χαλαζία και Mg-ολιβίνη ή την ταυτόχρονη παρουσία αλβίτη και ανορθίτη σε ασβεστο-αλκαλικά πλαγιόκλαστα.

2. Φαινοκρύσταλλοι μέσα σε εισχωρήσεις τήγματος υάλου με σύνθεση διαφορετική από αυτή του υαλώδους σώματος.

3. Σε περιορισμένη θερμική ενέργεια, αντίστοιχα περιορισμένη θα είναι και η ανάμειξη μαγμάτων. Συνεπώς η σύνθεση των πετρωμάτων που είναι αποτέλεσμα μείξης μαγμάτων δεν διαφέρει σημαντικά από αυτή των μητρικών.

Αν η ανάμειξη συνεχιστεί προς πλήρη ομογενοποίηση υβριδικού μάγματος, η σύνθεσή του (C_h), μπορεί να εκφραστεί από μια απλή εξίσωση ισορροπίας μάζας:

C_h = C_xF_x + C_y(1 - F_x)

Όπου C_x  και C_y είναι οι συνθέσεις των μητρικών μαγμάτων και F_x είναι η αναλογία ανάμειξης η οποία αντιπροσωπεύει το μέρος μάζας του ενός από τα μάγματα.

Επομένως, η διεργασία ανάμειξης εξαρτάται από την ετερογένεια των συμμετεχόντων μαγμάτων. Επιπλέον, η ανάμειξη συχνά συνοδεύεται από την κρυστάλλωση νέων φάσεων, οι οποίες σταθεροποιούνται ανάλογα με τις θερμικές συνθήκες και τις ιδιότητες της σύνθεσης του υβριδικού συστήματος.

Β. Απορρόφηση (Assimilation) μαγμάτων

Απορρόφηση είναι η διεργασία όπου ξένα σώματα, σε στερεά η ρευστή κατάσταση, ενσωματώνονται μέσα στο μάγμα. Δεν διαφαίνεται να υπάρχει συγκεκριμένος μηχανισμός και η διεργασία εξαρτάται από πολλούς παράγοντες: θερμότητα, ταχύτητα ψύξης μάγματος, πίεση αερίων και η σύνθεση του υλικού το οποίο απορροφάται. Το αποτέλεσμα είναι ένα μολυσμένο μάγμα και μετά την ψύξη τα αντίστοιχα πετρώματα αναφέρονται ως μολυσμένα.

Η υβριδοποίηση μπορεί να θεωρηθεί ως παρόμοια διεργασία με τη μόλυνση, αλλά συνήθως περιλαμβάνει τη μείξη δύο μαγμάτων, ή την ενσωμάτωση του ενός μάγματος στο άλλο, πριν ολοκληρωθεί η μαγματική κρυστάλλωση.

Πιο συγκεκριμένα η μόλυνση μάγματος (magma contamination) ορίζεται ως η αλληλεπίδραση με τα περιβάλλοντα αυτό στοιχεία σε μια προσπάθεια να επιτευχθεί χημική και θερμική ισορροπία ειδικά στους υπεδάφιους θαλάμους όπου η κίνηση είναι πολύ αργή ή στάσιμη. Χαρακτηριστικό γνώρισμα της μόλυνσης είναι η ύπαρξη ξενόλιθων μέσα στο μάγμα. Η απορρόφηση μπορεί αρχικά να συνεπάγεται απλή διασπορά φυσικών ξενόλιθων και ξενοκρυστάλλων στο μάγμα, όπως τα Προκάμβρια ζιρκόνια σε ρυόλιθους Μειόκαινου. Τα ορυκτά διαλύονται επιλεκτικά στο τήγμα και μολύνουν τα ιόντα του, ανάλογα με το μέγεθος της δημιουργούμενης διάχυσης. Οι θερμικές και χημικές αρχές της απορρόφησης διατυπώθηκαν για πρώτη φορά από τον Bowen το 1928, ο οποίος εξέτασε τις θερμικές και χημικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο μάγμα και τα περιβάλλοντα πετρώματα.

Η εκτεταμένη απορρόφηση απαιτεί το μάγμα να είναι υπέρθερμο, του οποίου η θερμότητα έχει δύο πηγές:

α) Αυτή που αποδεσμεύεται κατά τη διάρκεια της ψύξης σε χαμηλή Τ και

β) τη λανθάνουσα θερμότητα που αποδεσμεύεται κατά την κρυστάλλωση των μαγματικών φάσεων.

 

Γ. Εξαέρωση (degassing) 

Η εξαέρωση είναι η διεργασία κατά την οποία τα πτητικά συστατικά του μάγματος, όπως το H₂O, το CO₂, το SO₂, και τα ευγενή αέρια (He, Ar), διαφεύγουν από τη τηγμένη φάση προς την αέρια φάση. Σε ένα ανοικτό μαγματικό σύστημα, η εξαέρωση γίνεται πιο πολύπλοκη λόγω της αλληλεπίδρασης του μάγματος με το περιβάλλον του, καθώς και της συνεχούς ανατροφοδότησης ή απομάκρυνσης υλικού. Οι κύριοι μηχανισμοί εξαέρωσης περιλαμβάνουν:

Γ1. Αποσυμπίεση κατά την ανάδυση

Κατά την άνοδο του μάγματος προς την επιφάνεια, η μείωση της πίεσης προκαλεί την απελευθέρωση πτητικών που προηγουμένως ήταν διαλυμένα στο τήγμα. Ακόμη η διαλυτότητα του H₂O και του CO₂ μειώνεται δραματικά σε χαμηλές πιέσεις. Αυτό οδηγεί στον κορεσμό και στην εξαγωγή αυτών των συστατικών. Στα ηφαιστειακά τόξα, το CO₂ απελευθερώνεται νωρίτερα λόγω της χαμηλής διαλυτότητάς του σε σχέση με το H₂O, δημιουργώντας χαρακτηριστικές φυσαλίδες πλούσιες σε CO₂ στα βαθύτερα μέρη του συστήματος. Η έντονη αποσυμπίεση μπορεί να οδηγήσει σε εκρηκτική εξαέρωση, όπως παρατηρήθηκε στις εκρήξεις του Mount St. Helens το 1980.

Γ2. Αλληλεπίδραση με Τεκτονικές Δομές

Σε ανοικτά συστήματα, οι διαρρήξεις τα ρήγματα και οι ασυνέχειες λειτουργούν ως αγωγοί για τη διαφυγή αερίων, επιταχύνοντας την εξαέρωση, ιδιαίτερα σε περιοχές έντονης τεκτονικής δραστηριότητας. Η εξαέρωση μπορεί να είναι συνεχής ή παλμική ανάλογα με τις διακυμάνσεις στην πίεση.

Γ3. Ανατροφοδότηση Μάγματος

Η είσοδος νέου μάγματος σε έναν θάλαμο που περιέχει ήδη εξαερωμένο μάγμα μπορεί να προκαλέσει απότομη αύξηση της πίεσης και, κατά συνέπεια, εκρηκτική εξαέρωση. Ακόμη νέο μάγμα εμπλουτισμένο σε πτητικά συστατικά μπορεί να οδηγήσει σε κορεσμό και διαφυγή αερίων σε μεγάλες ποσότητες.

Γ4. Επίδραση Θερμοκρασίας

Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω θερμικής επαφής ή κρυσταλλοποίησης μπορεί να μειώσει τη διαλυτότητα πτητικών, οδηγώντας σε επιταχυνόμενη εξαέρωση.

Η εξαέρωση μπορεί να προκαλέσει:

1. Αλλαγές στη χημική σύνθεση του υπολειμματικού υγρού από την απομάκρυνση πτητικών συστατικών και εμπλουτισμό σε ασύμβατα στοιχεία, όπως το Cl, το F, ή σε μέταλλα ( Cu, Au).

2. Μείωση του ιξώδους, διευκολύνοντας την περαιτέρω ανάδυση του μάγματος.

3. Σχηματισμό ορυκτών καθώς τα αέρια που διαφεύγουν μπορούν να αντιδράσουν με τα τοιχώματα του θαλάμου ή με το περιβάλλον, σχηματίζοντας ορυκτά εξάτμισης, όπως τον γύψο (CaSO₄·2H₂O) ή τον αιματίτη (Fe₂O₃).

4. Κλιματικές επιπτώσεις καθώς αέρια της εξαέρωσης, όπως το SO₂, μπορεί να οδηγήσει σε ψύξη του πλανήτη μέσω της δημιουργίας αερολυμάτων στην ανώτερη ατμόσφαιρα.

5. Ηφαιστειακή επικινδυνότητα δεδομένου ότι τα ανοικτά μαγματικά συστήματα είναι πιο επικίνδυνα λόγω της πιθανότητας απότομης αποσυμπίεσης και έκρηξης.

ΜΑΓΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕ ΒΑΣΑΛΤΙΚΕΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΕΙΣ:

Η διαφοροποίηση στις βασαλτικές διεισδύσεις αποτελεί θεμελιώδη διεργασία, καθώς εξηγεί τη δημιουργία χημικής και ορυκτολογικής ποικιλίας στα πυριτικά πετρώματα. Οι βασαλτικές διεισδύσεις, δημιουργούν το κατάλληλο περιβάλλον για την κρυσταλλοποίηση, την ανακύκλωση και την ανάπτυξη μαγματικών συστημάτων.

Μηχανισμοί διαφοροποίησης:

1. Κλασματική κρυστάλλωση

Η κλασματική κρυστάλλωση (fractional crystallisation) είναι κυριότερος μηχανισμός διαφοροποίησης στις βασαλτικές διεισδύσεις. Προκύπτει όταν οι κρύσταλλοι που σχηματίζονται απομακρύνονται από το υγρό μάγμα, προκαλώντας μεταβολές στη χημική σύνθεση του υπολειμματικού τηγμένου υλικού.

Σε αρχικά στάδια, σχηματίζονται πρώτα οι κρύσταλλοι υψηλής θερμοκρασίας σύμφωνα με τη σειρά του Bowen (π.χ. ολιβίνης, πυρόξενοι, ασβεστούχα πλαγιόκλαστα) στη συνέχεια οι κρύσταλλοι καταβυθίζονται λόγω βαρύτητας ή παραμένουν εγκλωβισμένοι κοντά στα τοιχώματα του μαγματικού θαλάμου.

Το υγρό μάγμα γίνεται πλουσιότερο σε στοιχεία όπως το SiO₂, το Al₂O₃ και το Na₂O, ενώ τα στοιχεία όπως το MgO και το FeO μειώνονται.

2. Ανακύκλωση κρυστάλλων

Η ανακύκλωση κρυστάλλων (crystal recycling) λαμβάνει χώρα όταν οι ήδη σχηματισμένοι κρύσταλλοι επανατήκονται ή ενσωματώνονται εκ νέου στο υγρό μάγμα, συχνά λόγω θέρμανσης ή ανανέωσης του θαλάμου με νέο μάγμα. Παράγοντες είναι οι μεταβολές στη Τ όπως άνοδος λόγω εισροής θερμότερου μάγματος καθώς και οι δυναμικές ροές που εκδηλώνονται ως ταραχώδεις κινήσεις στο θάλαμο μάγματος με τη δυνατότητα  να επαναφέρουν τους κρυστάλλους στην υγρή φάση.

3. Εγκλωβισμός υγρού και τήξη του υπολείμματος

Κατά τα τελικά στάδια της κρυστάλλωσης, παραμένει ένα υπολειμματικό υγρό εμπλουτισμένο σε ασύμβατα στοιχεία, όπως το K, το Rb και το U, καθώς και σε πτητικά συστατικά όπως H₂O και CO₂. Η υψηλή συγκέντρωση αυτών των συστατικών μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία πετρωμάτων πηγματίτη. Το υπολειμματικό υγρό συμβάλλει στην ανάπτυξη ζωνών εμπλουτισμένων σε ασύμβατα στοιχεία, οι οποίες αποτελούν στόχο για την εξόρυξη πολύτιμων μετάλλων.

4. Αναμείξεις μαγμάτων

Η ανάμειξη μαγμάτων (magma mixing) προκύπτει όταν δύο μαγματικές πηγές με διαφορετική χημική σύσταση συνδυάζονται, δημιουργώντας νέο μάγμα με υβριδικά χαρακτηριστικά. Η διεργασία αυτή μπορεί να προκαλέσει ασυνέχειες στη γεωχημική σύνθεση και σχηματισμό πετρωμάτων με ανομοιογενείς ισοτοπικές αναλογίες.

5. Σωρευτικές ζώνες (cumulate zones)

Οι συγκεντρώσεις των ορυκτών στις κατώτερες και ανώτερες σωρευτικές ζώνες, εντός των βασαλτικών διεισδύσεων, διαφοροποιούνται από τις μεταβολές που οφείλονται στην σειρά κρυστάλλωσης, στην κλασματική κρυσταλλοποίηση και στην διαφοροποίηση του μάγματος:

Οι κατώτερες ζώνες σχηματίζονται από τη βαρύτητα, που προάγει την καταβύθιση των κρυστάλλων στον πυθμένα του θαλάμου και κυριαρχούνται από ορυκτά που κρυσταλλώνονται σε υψηλές Τ όπως ολιβίνης, πυρόξενοι, ασβεστούχα πλαγιόκλαστα, χρωμίτης και τα πετρώματα είναι δουνίτες περιδοτίτες και πυροξενίτες.

Οι ανώτερες ζώνες αποτελούνται από ορυκτά που κρυσταλλώνονται σε χαμηλές Τ όπως καλιούχα πλαγιόκλαστα και συγκεντρώσεις φελσικών, κλινοπυρόξενοι (αυγίτης) υψηλής συμμετοχής Fe, μαγνητίτης ιλμενίτης. αμφίβολοί, χαλαζίας και Κ-άστριοι κ.α.

 

Τέλος πρέπει να επισημανθεί η διάκριση μεταξύ της θολεϊιτικής τάσης διαφοροποίησης, η οποία χαρακτηρίζεται από εμπλουτισμό σε Fe με περιορισμένα φελσικά παράγωγα, από την ασβεστο-αλκαλική τάση, η οποία, αντίθετα παρουσιάζει περιορισμένο εμπλουτισμό σε Fe και αφθονία φελσικών παραγώγων. Η θολεϊιτική σειρά πετρωμάτων είναι τυπική για διαφοροποιημένα βασαλτικά σώματα διείσδυσης, καθώς και για τα ηφαιστειακά τόξα νησιωτικού τύπου, ενώ η ασβεστο-αλκαλική σειρά είναι χαρακτηριστική για τα τόξα ηπειρωτικών περιθωρίων.

Είναι πλέον αποδεκτό ότι μια σειρά από διεργασίες διαφοροποίησης μπορούν να δρουν στα πρωτογενή βασαλτικά μάγματα, παράγοντας ένα συνεχές φάσμα σειρών πετρωμάτων και τάσεων της υποαλκαλικής σειράς πετρωμάτων, η οποία έχει υποδιαιρεθεί σε θολεϊιτική και ασβεστο-αλκαλική ως ακραία μέλη.

 Β. Ανδρώνης

Αναφορές

Agee Carl B. David Walkerb (1993): Olivine flotation in mantle melt Earth and Planetary Science Letters Volume 114, Issues 2–3, January 1993, Pages 315-324

Barnes HL. (1979). Geochemistry of hydrothermal ore deposits, 2nd ed. New York, John Wiley and Sons.

Baxter, Sadhbh. (2015): A Geological Field Guide to Cooley, Gullion, Mourne & Slieve Croob.

Becker T.W. & Boschi L., (2002): A comparison of tomographic and geodynamic mantle models. Geochem. Geophys. Geosys., 3, 2001GC000168.

Best Myron G. (2003): Igneous and metamorphic petrology. 2nd ed Blackwell Science Ltd

Brimhall GH, Crerar DA. (1987): Ore fluids: Magmatic to supergene. In: Carmichael ISE, Eugster HP, ed. Thermodynamic modelling of geologic materials: Minerals, fluids, and melts. Rev. Mineral. 17:235–321

Brandeis G, Jaupart C. (1987.): The kinetics of nucleation and crystal growth and scaling laws for magmatic crystallization. Contr. Mineral. Petrol. 96:24–34.

Burnham CW. (1985): Energy release in subvolcanic environments: Implications for breccia formation. Econ. Geol. 80:1515–1522.

Cashman KV, Mangan MT. (1994): Physical aspects of magma degassing. Constraints on vesiculation from textural studies of eruptive products. In: Carroll MR, Holloway JR, ed. Volatiles in magmas: Rev. Mineral. 30:447– 478.

Dawson JB, Pinkerton H, Norton GE, Pyle DM. (1990): Physicochemical properties of alkali carbonatite lavas: Data from the 1988 eruption of Oldoinyo Lengai, Tanzania. Geology 18:260–263.

Geshi Nobuo, Browning John & Kusumoto (2020): Magmatic overpressures, volatile exsolution and potential explosivity of fissure eruptions inferred via dike aspect ratios. Scientific Reports volume 10, Article number: 9406

Gudmundsson Agust (2020): Volcanotectonics, Cambridge University Press,

Gudmundsson Agust and Løtveit Ingrid F. (2012): Sills as fractured hydrocarbon reservoirs: examples and models Geological Society, London, Special Publications,374,251-271,10 September 2012, https://doi.org/10.1144/SP374.5

Gudmundsson Agust, Pasquarè Federico A., Tibaldi Alessandro (2014): Dikes, sills, laccoliths, and inclined sheets in Iceland. doi:10.1007/11157_2014_1

Guilbert JM, Park CF, Jr. (1986): The geology of ore deposits. New York, Freeman.

Henley RW, Truesdell AH, Barton PB, Jr, Whitney JA. (1984): Fluid-mineral equilibria in hydrothermal systems. Rev. Econ. Geol. 1.

Jahns RH, Burnham CW. (1969): Experimental studies of pegmatite genesis: A model for the derivation and crystallization of granitic pegmatites. Econ. Geol. 64:843–864.

Johnson MC, Anderson AT, Jr, Rutherford MJ. (1994): Pre-eruptive volatile contents of magmas.

In: Carroll MR, Holloway JR, eds. Volatiles in Magmas. Rev. Mineral. 30:281–323.

Lagergren Hanna (2012): Magmatic Stoping and a Case Study from the Åva Ring Complex, Finland. Geotryckeriet, Uppsala universitet.

Le Maitre, R.W. (ed.) (1989): A classification of igneous rocks and glossary of terms. Blackwell Science, Oxford.

Lister JR, Kerr RC. (1989): The effect of geometry on the Gravitational instability of a buoyant region of viscous fluid. J. Fluid Mech. 202:577–594.

Lelong, Gérald, Radtke Guillaume, Cormier Laurent, Bricha Hanane, Rueff Jean-Pascal Ablett, James M., Cabaret Delphine Gélébart Frédéric and Shukla Abhay (2014): Detecting Non-bridging Oxygens: Non-Resonant Inelastic X‑ray Scattering in Crystalline Lithium Borates. doi: 10.1021/ic501730q, pubs.acs.org.

Lofgren G. (1980.) Experimental studies on the dynamic crystallization of silicate melts. In: Hargraves RB, ed. Physics of magmatic processes. Princeton, Princeton University:487–551.

Luchitskaya, M.V. (2022): The Composition, Petrogenesis, and Geodynamic Setting of Adakite Magmatism: An Overview. Geotecton. 56, 486–519  

Mysen BO. (1988): Structure and properties of silicate melts. Amsterdam, Elsevier

Ramsay, J.G. (1981) Emplacement mechanics of the Chindamara batholith, Zimbabwe. Abstr, in J.Struct.Geol. 3, 93.

Rose AW, Burt DM. (1979): Hydrothermal alteration. In: Barnes HL, ed. Geochemistry of hydrothermal ore deposits, 2nd ed. New York, John Wiley and Sons:173–235.

Ryan MP. (1994): Neutral-buoyancy controlled magma transport and storage in mid-ocean ridge magma reservoirs and their sheeted-dike complex: A summary of basic relationships. In: Ryan MP, ed. Magmatic systems. New York, Academic Press:97–138.

Saha Indrashis (2020): Study of Rayleigh Taylor Instability with the help of CFD simulation. Department of Chemical Engineering, University of Calcutta, doi.10.20944/preprints20200 7.0385.v1.

Sharkov E. V. (2002): Role of the Energy of Interface Formation in the Melting and Retrograde Boiling. Institute of Geology of Ore Deposits, Petrography, Mineralogy, and Geochemistry, Russian Academy of Sciences.

Shaw HR. (1965): Comments on viscosity, crystal settling, and convection in granitic magmas. Am. J. Sci. 263:120–152.

Sparks RSJ, Sigurdsson H. (1977): Magma mixing: A mechanism for triggering acid explosive eruptions. Nature 267:315–318.

Swanson SE, Fenn PM. (1986): Quartz crystallization in igneous rocks. Am. Mineral. 71:331–342.

Symonds RB, Rose WI, Bluth GJS, Gerlach TM. (1994): Volcanic-gas studies: Methods, results, and applications. In: Carroll MR, Holloway JR, eds. Volatiles in Magmas, Rev. Mineral. 30:1–66.

Verhoogen J. (1980): Energetics of the earth. Washington, DC, National Acad.

White, J., Ross, P.-S. (2011): Maar-diatreme volcanoes: a review. Journal of Volcanology and Geothermal Research, v. 201, p. 1-29

Williams H, McBirney AR. (1979): Volcanology. San Fransisco, Freeman Cooper.

Závada P., Dědeček P., Lexa, J. and Keller G.R (2015): Devils Tower (Wyoming, USA): A lava coulee emplaced into a maar-diatreme volcano? Geosphere; April 2015; v.11; no.2; p.354–375; doi:10.1130/GES01166.