Magma (gesteente)

Magma is het vloeibare gesteente dat zich onder het oppervlak van de Aarde of een andere aardse planeet bevindt. De meeste magma's in de Aarde zijn complexe silica-oplossingen met normaal gesproken een temperatuur tussen de 650 °C en 1200 °C. Wanneer magma stolt ontstaat stollingsgesteente. Magma kan omhoogkomen tot naar het aardoppervlak bij vulkanen. Aan het oppervlak wordt gesmolten gesteente geen magma maar lava genoemd.

Eigenschappen

Magma bestaat meestal uit vloeibare silica (siliciumdioxide, SiO₂) met daarin opgeloste ionen van alkalimetalen zoals natrium en kalium en uit aardalkalimetalen zoals magnesium en calcium en ijzer. Magma en lava worden op basis van het gehalte siliciumdioxide ingedeeld. Magma dat relatief rijk is in silica is felsisch. Mafisch magma is relatief arm in silica.

Het silicaat-ion vormt op moleculaire schaal een regelmatig viervlak, een tetraëder waarbij een ion silicium door vier zuurstofionen wordt omringd. Als het gehalte SiO₂ hoog genoeg is vormen deze tetraëders ketens, waarbij een of meer zuurstofionen door twee tetraëders worden gedeeld. In magma zitten de tetraëders niet op een vaste plek, maar de moleculaire structuur benadert de structuur van vaste stoffen met vergelijkbare samenstelling als de temperatuur tot vlak boven het smeltpunt daalt. In relatief koel magma vormen de tetraëders daarom vaak losse bindingen. In mafischer magma is minder silica aanwezig dan in felsischer magma, zodat de viervlakken daarin minder vaak aan elkaar hechten. Dit maakt felsisch magma viskeuzer (stroperiger) dan mafisch magma en relatief koel magma stroperiger dan relatief warm magma. Wanneer de eerste mineralen uitkristalliseren, ontstaat een mengsel van magma en kristallen, dat nog viskeuzer is.^[2]

Niet alleen de hoeveelheid silica heeft invloed op de viscositeit. Water (H₂O) en de ionen van alkalimetalen kunnen in het magma eveneens bindingen aangaan met silica-tetraëders. Een tetraëder die aan metaalionen bindt kan niet meer aan een andere tetraëder binden. Magma dat rijk is aan alkalimetaal is daarom relatief minder viskeus.^[2]

De viscositeit van magma heeft grote invloed op de wijze waarop het kan intruderen of kan uitvloeien bij een eruptie. Viskeus felsisch magma met hoge concentraties siliciumdioxide beweegt traag en stroperig. Water en gas die bij het omhoogkomen vrijkomen als gevolg van het afnemen van de druk, kunnen moeilijker uit het gesmolten gesteente ontsnappen. Daardoor gaan explosieve erupties zoals bij stratovulkanen. Over het algemeen verloopt een eruptie rustiger naarmate het magma mafischer is.

De eigenschappen van verschillend magma is als volgt:

Ultramafisch magma

SiO₂ < 45%

Fe-Mg >8% tot 32% MgO

Temperatuur: tot 1500 °C

Viscositeit: laag tot zeer laag

Erupties: rustig

Vindplaatsen: divergerende plaatranden, hotspots en convergerende plaatranden. Picrieten en boninieten worden gevonden in zogenaamde back-arc basins, gebieden achter subductiezones, waar oceanische korst, dus in een omgeving met veel water, smelt. Komatiiet en andere ultramafische lava's werden bij een hogere geothermische gradiënt gevormd. Zover bekend worden deze gesteenten tegenwoordig niet meer gevormd.

De temperatuur in de mantel is tegenwoordig niet hoog genoeg om magma van deze samenstelling te produceren. Dat komatiiet vooral in de begintijd vormde is belangrijk bewijs dat de mantel destijds heter was.

Mafisch magma

SiO₂ < 50%

Fe-Mg ~4%

Temperatuur: tot ~1200 °C

Viscositeit: laag

Erupties: rustig

Vindplaatsen: divergerende plaatranden, hotspots en convergerende plaatranden. Magma met de samenstelling van basalt wordt in gebieden gevonden waar oceanische korst aangemaakt wordt. Deze korst bevat grote hoeveelheden ijzer.

Intermediair magma

SiO₂ ~60%

Fe-Mg: ~3%

Temperatuur: ~1000 °C

Viscositeit: gemiddeld

Erupties: explosief

Vindplaatsen: convergerende plaatranden

Felsisch magma

SiO₂ >70%

Fe-Mg: ~2%

Temperatuur: 700 °C

Viscositeit: hoog

Erupties: explosief

Vindplaatsen: hotspots in continentale korst zoals bij het Yellowstone National Park. Dit type magma is vooral te vinden op continenten, omdat het grote hoeveelheden silica bevat.

De chemische samenstelling van magma hangt voor een groot deel van die van de oorsprong af. De samenstelling wordt ook beïnvloed door de snelheid en wijze van omhoogkomen en het materiaal waarin het intrudeert. Processen waardoor een primaire smelt van samenstelling op zijn weg naar het aardoppervlak kan veranderen zijn onder andere fractionele kristallisatie, waarbij mineralen neerslaan en zo worden verwijderd uit de smelt, besmetting door andere gesteenten en het vermengd raken van twee verschillende vormen van magma.

Vorming van magma

De meeste vaste stoffen smelten wanneer ofwel de temperatuur toeneemt, ofwel de druk afneemt. Gesteente vormt hierop geen uitzondering. Behalve temperatuur en druk heeft ook de samenstelling van het gesteente invloed op het smelten. De aanwezigheid van water en gassen (zogenaamde volatiles - vluchtige bestanddelen) kan de temperatuur waarop gesteente smelt sterk beïnvloeden.^[3]

De meeste gesteenten zijn geen eenvoudige verbindingen maar bestaan uit combinaties van verschillende componenten. Ze hebben daarom niet, zoals een moleculaire stof als water H₂O, een smeltpunt, maar een smelttraject. Dit betekent dat bij bepaalde omstandigheden van temperatuur en druk, die de solidus worden genoemd, partieel smelten plaatsvindt en maar een deel van het gesteente smelt. Pas bij zeer hoge temperatuur smelt een gesteente helemaal, bij de liquidus, maar dit komt in de natuur vrijwel nooit voor.

Temperatuur

Gesteente begint te smelten als de temperatuur boven de solidus rijst. In de vaste aarde wordt de temperatuur van gesteente bepaald door de geothermische gradiënt (stijging van de temperatuur in de ondergrond naarmate de diepte groter wordt) en de mate van radioactief verval in het gesteente zelf. De geothermische gradiënt varieert van 5 °C per kilometer in troggen en subductiezones tot 50 °C per kilometer onder mid-oceanische ruggen en vulkanische bogen. De gemiddelde waarde ligt rond 25 °C per kilometer.

Daarnaast kan de temperatuur van bestaand magma - dat omhoog beweegt door de korst en mantel - zo hoog zijn dat het omliggende gesteente ook smelt.

Druk

De temperatuur van de solidus is afhankelijk van de druk, bij lagere druk verschuift de solidus naar lagere temperaturen. Daarom kan gesteente met een vaste temperatuur en samenstelling ook smelten als de druk lager wordt. Met andere woorden: de benodigde temperatuur om een materiaal te laten smelten neemt toe bij een toenemende druk. Aangezien de druk toeneemt met de diepte kan gesteente met een vaste samenstelling en temperatuur dat aan de oppervlakte gesmolten (lava) is, op grote diepte in vaste fase aanwezig zijn. Bij een snelle afname in druk (als gevolg van tektonische bewegingen of het bewegen van een stuk gesteente naar een minder diepe locatie) kan door het snel afnemen van de druk smelten plaatsvinden.

Samenstelling

Aangezien de samenstelling van grote hoeveelheden gesteente vaak constant is heeft deze parameter de meeste invloed op de vraag wanneer een gesteente smelt. Bij de samenstelling van een gesteente zijn ook vluchtige bestanddelen (Engels: volatiles) als water en koolstofdioxide inbegrepen, in gebonden of ongebonden staat. In gesteente werken deze stoffen op dezelfde manier als een oplosmiddel. Ze zorgen voor de afbraak van de sterke silica-verbindingen in mineralen, zodat de solidus van het gesteente naar lagere temperaturen verschuift. Dit is een belangrijk proces voor het smelten van gesteente, want zelfs de aanwezigheid van 1% water kan de smelttemperatuur al met 100 °C verlagen. Het verlies van water en vergelijkbare stoffen kan leiden tot het stollen van het magma.

Vluchtige bestanddelen, met name water, kunnen bij subductie van een tektonische plaat in de aardmantel vrijkomen door de chemische reacties die optreden als de korst op grotere diepte onder hogere druk komt te staan. Daarna zullen deze volatiles opstijgen naar het oppervlak, onderweg laten ze gesteente smelten door de sterke verbindingen in de mineralen te verbreken waardoor het smeltpunt drastisch afneemt.

Partieel smelten van gesteente

Gesteenten hebben een zogenaamd smelttraject in plaats van een smeltpunt; ze smelten geleidelijk omdat ze normaal gesproken bestaan uit verschillende mineralen, die allemaal een ander smeltpunt hebben. Een geheel gesmolten gesteente is om twee redenen erg zeldzaam. Ten eerste is er zeer veel energie voor nodig het gesteente geheel te smelten. Ten tweede gaat door de op grote diepte heersende druk gesteente dat partieel gesmolten is zich scheiden in vloeibare en vaste delen. Het vloeibare gedeelte (de smelt) heeft een lagere dichtheid en wil omhoog bewegen door de aardkorst. Als een bepaald deel van het materiaal in de vloeibare fase is beland, worden ook de omliggende mineralen zachter gemaakt. Zelfs als slechts 5% van het gesteente gesmolten is, kan de smelt als het ware worden weggedrukt. Veel materiaal blijft lang genoeg op dezelfde plaats om 20% tot 35% ervan te smelten, maar zelden smelt meer dan 50% van het gesteente. Het mengsel van gesmolten materiaal en kristallen staat bekend als magma.

Magmadifferentiatie

Na de vorming van een magma, vaak diep in de ondergrond, in de onderkorst of aardmantel, zal het magma beginnen te stromen naar plekken waar een lagere lithostatische druk heerst, meestal omhoog. Hoger in de aardkorst is de temperatuur normaal gesproken lager zodat het magma afkoelt en bepaalde mineralen beginnen uit te kristalliseren. Hierdoor verandert het magma in chemische samenstelling, een proces dat kristalfractionatie genoemd wordt. Door het bezinken van de zwaardere mineralen en het tegelijkertijd verder stromen van het magma worden bepaalde elementen uit het magma onttrokken. Magma's kunnen ook veranderen in chemische samenstelling door interactie met omringend gesteente of mengen met andere magma's.

De smelt die ontstaat wanneer een gesteente smelt wordt een primair magma genoemd. In dit gesmolten materiaal heeft nog geen differentiatie plaatsgevonden - het representeert de beginsamenstelling van magma die in werkelijkheid weinig wordt gevonden in de natuur. Vooral primaire smelten die afkomstig zijn uit de aardmantel zijn van groot belang. Ze worden primitieve magma's genoemd en kunnen worden gebruikt om de samenstelling van de mantel te achterhalen.

Als meerdere stollingsgesteenten worden aangetroffen waarvan vermoed wordt dat ze uit dezelfde primaire smelt moeten zijn ontstaan, kan men proberen de primaire smelt (die dan de ouderlijke smelt - Engels: parental melt - wordt genoemd) te achterhalen. De ouderlijke smelt is een magmasamenstelling waaruit de gevonden magma's redelijkerwijs kunnen zijn ontstaan. Als men de samenstelling van de ouderlijke smelt weet kan men achterhalen of bepaalde magma's met elkaar in verband staan. Vervolgens kunnen bepaalde modellen gebruikt worden om deze hypothese te testen.

Intruderen van magma

Omdat vloeibaar materiaal een lagere dichtheid heeft dan hetzelfde materiaal in vaste fase kan het magma opstijgen, en als gevolg van het afnemen van de druk (waardoor het de solidus bij een lagere temperatuur komt te liggen) nog vloeibaarder en lichter worden. Zo kunnen magmakamers, mantelpluimen, vulkanische vlaktes en uiteindelijk vulkanen ontstaan - deze laatste als het magma het aardoppervlak bereikt. Magma kan ook op diepte blijven en daar stollen in de vorm van gangen, platen, batholieten en lacolieten. Gestold magma wordt dieptegesteente of ganggesteente genoemd. Gestolde lava wordt uitvloeiingsgesteente genoemd.

Voetnoten

↑ Hess (1989)
1 2 Winter (2001), p 46
↑ Thompson & Turk (1997), pp 60-61; Press et al. (2003), p 95

Literatuur

Handboek: (en) Hess, P.C.; 1989: Origin of Igneous Rocks, Harvard University Press, Cambridge.
Lesboek: (en) Press, F.; Siever, R.; Grotzinger, J. & Jordan, T.H.; 2003: Understanding Earth, Freeman & co (4e druk), ISBN 0-7167-9617-1.
Lesboek: (en) Thompson, G.R. & Turk, J.; 1997: Introduction to Physical Geology, Brooks Cole (2nd ed.), ISBN 0-03-024348-3.
Handboek: (en) Winter, J.D.; 2001: An introduction to igneous and metamorphic petrology, Prentice-Hall, ISBN 0-13-240342-0.

[1] Hess (1989)

[winter46-2] 1 2 Winter (2001), p 46

[3] Thompson & Turk (1997), pp 60-61; Press et al. (2003), p 95

[1]

[2]

[3]