Magma
Magma on maanpinnan ala­puolella esiintyvä sulan tai puoliksi sulaneen kiven, sekä erilaisten kiinteiden ja haihtuvien aineiden seos. Saman­kaltaista magmaa oletetaan esiin­ty­vän myös muiden kivi­planeettojen pinnan ala­puolella. Termi johtuu kreikan sanasta μάγμα, joka tarkoittaa seosta. Paitsi sulaa kiveä, magma saattaa sisältää myös kiteisiä aineita, liuenneita kaasuja ja toisinaan myös kaasu­kuplia. Magmaa kerääntyy usein magmasäiliöihin, joita esiintyy usein tulivuorten alla, tai se voi kiteytyä plutoneiksi. Magma voi myös tunkeutua lähellä oleviin kivilajeihin, purkautua maan päälle laavana taikka räjähtää ilmaan tefrana, josta muodostuu pyroklastisia kivilajeja.
Magma on moni­mutkaista kuumaa nestemäistä ainetta. Useimpien magmojen lämpötila on 700 °C ja 1 300 °C:n välillä, mutta hyvin harvinainen karbonatiitti sulaa jo 600 °C:ssä kun taas komatiitti sulaa vasta 1 600 °C:ssä. Useimmat magmat ovat silikaattiseoksia.
Magmaa syntyy subduktiovyöhykkeillä, hautavajoamien alla, valtamerten keskiselänteillä ja kuumissa kohdissa. Vaikka sitä esiintyy näin monissa paikoissa, maankuori ja Maan vaippa kokonaisuudessaan eivät ole sulia. Sen sijaan suurin osa Maan aineesta on reidiä eli kiinteää ainetta, joka voi paineen vaikutuksesta liikkua tai muuttaa muotoaan. Sulaa magmaa muodostuu lähinnä muutama kilometri maanpinnan alapuolella ympäristössä, jossa on korkea lämpötila eikä paine ole kovin suuri.
Magmaa koostumus voi muuttua fraktioivan kiteytymisen tai vieraiden aineiden sekoittumisen kautta. Magmasta kiinteytymällä syntyviä kivilajeja sanotaan magmakiviksi.
Vaikka magman tutkimus on historiallisesti liittynyt laavavirtojen havainnointiin, magmaa on havaittu sellaisenaan kolme kertaa syväkairauksissa—kahdesti Islannissa ja kerran Havaijilla.
Kiinteiden kivilajien sulaminen magmaksi riippuu kolmesta fysikaalisesta parametrista: sen lämpötilasta, paineesta ja koostumuksesta.
Kun kivi sulaa, se tapahtuu vähitellen, sillä useimmat kivilajit muodostuvat useista mineraaleista, joista jokaisella on eri sulamispiste, ja sulaminen riippuu monimutkaisella tavalla fysikaalisista ja kemiallisista tekijöistä. Kun kivi sulaa, sen tilavuus muuttuu. Kun tarpeeksi kiveä on sulanut, pienet sulat pisarat, jotka yleensä ovat mineraalin kiinteiden jyvästen välissä, yhdistyvät toisiinsa ja pehmentävät kiven. Kun maan alla vallitsevassa paineessa alle yksi prosenttikin kivestä sulaa, se riittää saamaan nesteen puristumaan syntymäpaikastaan muuallekin.
Sula aine voi pysyä paikoillaankin niin kauan, kunnes kiviaineesta 20 tai jopa 35 % on sulanut, mutta kivestä harvoin sulaa enempää kuin 50 %, sillä vähitellen sula kivi kiteytyy.
Magman laatu riippuu suuresti siitä, kuinka suuri osa kivestä on sulanut. Kuinka suuren osan kivestä on oltava sulanut, jotta muodostuisi yhtenäinen sula massa, voidaan arvioida sen perusteella, minkä verran siinä on kompatiibileja ja inkombatiibileja alkuaineita. Tavallisimpia kompatiibileja alkuaineita ovat kalium, barium, cesium ja rubidium.
Kun vain pieni osa kivestä on sulanut Maan vaipassa, syntyvät kivilajit ovat tavallisesti emäksisiä ja sisältävät kalsiumia, natriumia ja kaliumia, tai niiden alumiinipitoisuus on suuri verrattuna niissä olevan piin määrään. Tyypillisesti koostumukseltaan tällainen sula aines muodostaa lamprofyyria, lamproiittia, kimberliittiä ja joskus nefeliinipitoisia kivilajia kuten emäksistä basalttia ja esseksiittigabroja tai jopa karbonatiittia.
Pegmatiittia voi muodostua, jos pieni osa maan kuoren aineksesta on sulanut. Jotkut koostumukseltaan graniittia muistuttavat magmat ovat eutektista tai kotektista sulaa ainetta, ja niitä voi muodostua, jos pieni tai suurikin osa maan kuoren aineksesta sulaa, tai myös sen osittain kiteytyessä. Kun suurempi osa maankuoren aineksesta on sulanut, voi muodostua granitoideja kuten tonaliittia, granodioriittia ja montsoniittia, mutta niiden muodostuminen edellyttää yleensä muitakin mekanismeja.
Kun kivi sulaa, syntyvä neste on "primaarista sulaa ainetta". Primaarinen sula aine ei ole käynyt läpi mitään eriyttävää prosessia, ja sen koostumus on sama kuin alkuperäisen kiven. Luonnosta löydetään vain harvoin primaarista sulaa ainetta. Migmatiitin leukosomit ovat esimerkki primaarisesta sulasta aineesta. Maan vaipasta syntyneet primaariset sulat aineet ovat erityisen tärkeitä, ja niitä sanotaan "primitiiviseksi magmaksi". Selvittämällä magmasarjan primitiivisen magman koostumus voidaan mallintaa Maan vaipan koostumus, josta magma on syntynyt, mikä on tärkeää Maan vaipan kehityksen ymmärtämiseksi.
Missä ei voi löytää primitiivista tai primaarista magma-ainesta, on usein hyödyllistä yrittää tunnistaa parentaalinen sula aines. Parentaalinen sula aines on magmamuodostuma, jonka havaittu kemiallinen koostumus voidaan selvittää tuliperäisen aineiden eriytymisen avulla. Sen ei tarvitse olla primitiivistä sulaa ainetta.
Esimerkiksi peräkkäisten basalttivirtojen oletetaan liittyvän toisiinsa. Seosta, josta ne voisivat muodostua sen osittain kiteytyessä, sanotaan "parentaaliseksi sulaksi aineeksi". Osittaisen kiteytymisen malleja voidaan muodostaa sen arvioimiseksi, ovatko kivet muodostuneet samasta parentaalisesta sulasta aineesta.
Kun suuri osa parentaalisesta aineesta on sulanut, muodostuu komatiittia ja pikriittiä.
Tunnetaan kaksi prosessia, jossa magma lakkaa olemasta: se voi purkautua maan pinnalle tulivuoren purkauksessa tai se voi kiteytyä Maan kuoreen tai vaippaan plutoniksi. Kummassakin tapauksessa magma-aines vähitellen jäähtyy ja muodostaa magmakivilajeja.
Kun magma jäähtyy, se alkaa muodostaa kiinteitä mineraaleja. Osa niistä asettuu magmasäiliön pohjalle muodostaen kumulaatteja ja edelleen kerrosintruusioita. Magmasäiliössä hitaasti jäähtyvä magma jähmettyy lopulta tavallisesti magmakivilajeiksi kuten gabroksi, dioriitiksi tai graniitiksi sen koostumuksesta riippuen. Jos magma sen sijaan purkautuu maan pinnalle tulivuoresta, siitä syntyy tuliperäisiä kivilajeja kuten basalttia, andesiittia ja ryoliittia, jotka vastaavat koostumukseltaan garboa, dioriittia ja graniittia.
Magmaa, joka tulivuoren purkauksessa tulee maan pinnalle, sanotaan laavaksi. Laava jäähtyy ja kiinteytyy paljon nopeammin kuin maanalainen magma. Nopean jäähtymisen vuoksi kiteet eivät voi kasvaa suuriksi eikä osa sulasta aineesta kiteydy lainkaan, vaan se jähmettyy vulkaaniseksi lasiksi. Pääasiassa vulkaanisesta lasista koostuneita kivilajeja ovat obsidiaani, skoria ja hohkakivi.
Tulivuorenpurkauksissa ja niiden edellä haituvat aineet kuten hiilidioksidi ja vesi osittain poistuvat sulasta aineksesta prosessissa, jota sanotaan ekssoluutioksi. Magma, jossa on vähän vettä, tulee yhä viskoosimmaksi. Jos ekssoluutiota tapahtuu suuressa määrin magman liikkuessa ylöspäin tulivuorenpurkauksen aikana, purkaus on yleensä räjähdysmäinen.
Sula silikaattiaines sisältää piitä, happea, alumiinia, alkalimetalleja (natriumia ja kaliumia), kalsiumia, magnesiumia ja rautaa. Piiatomit liittyvät tetraedrisesti neljään happiatomiin, samoin kuin lähes kaikissa silikaatti­mineraaleissa, mutta sulassa aineessa atomien säännöllinen järjestys säilyy vain lyhyillä etäisyyksillä. Sulien ainesten fysikaaliset ominaisuudet riippuvat niiden atomi­rakenteesta sekä lämpö­tilasta, paineesta ja koostumuksesta.
Magmojen viskositeetti on tärkein ominaisuus niiden käyttäytymisen ymmärtämiseksi. Paljon piitä sisältävät sulat aineet ovat yleensä poly­meroitu­neempia ja niissä on enemmän silikaatti­tetra­edreja, ja täten niiden viskosi­teetti on suurempi. Veden liukeneminen magmaan alentaa huomattavasti sen viskositeettia. Korkeassa lämpötilassa magman viskosi­teetti on pienempi.
Yleisesti ottaen "mafiset" eli runsaasti magnesiumia ja rautaa sisältävät magmat kuten ne, joista muodostuu basalttia, ovat kuumempia ja vähemmän viskooseja kuin eniten piitä sisältävät, joista muodostuu esimerkiksi ryoliittia. Alhainen viskositeetti johtaa heikompiin, vähemmän räjähdys­mäisiin purkauksiin.
Seuraavassa erityyppisten magmojen tyypillisiä ominaisuuksia:
Missä tahansa paineessa ja olipa kivilajin koostumus mikä tahansa, kiviaines alkaa sulaa, kun sen lämpötila ylittää soliduspisteen. Maan kiinteässä aineessa kivilajin lämpötilan määräävät geoterminen gradientti ja kivessä tapahtuva radioaktiivinen hajoaminen. Geoterminen gradientti on keskimäärin 25 °C/km, mutta se vaihtelee arvosta 5–10 °C/km valtameren syvänteissä aina arvoon 30–80 °C/km saakka valta­merten keski­selänteillä ja seuduilla, joissa on runsaasti tulivuoria.
Kun magma siirtyy ylemmäksi ympäröivän aineen nosteen vaikutuksesta, sen lämpötila alenee adiabaattisesti ohittaen sekä likviduksen että soliduksen. Lopulta se purkautuu maan pinnalle laavana.
Magma voi myös sulaa paineen pienentyessä, mitä sanotaan "dekompressio­sulamiseksi".
Suuren kiviainesmäärän koostumusta on yleensä hyvin vaikea muuttaa, ja niinpä se, sulaako aine tietyssä lämpötilassa ja paineessa, riippuu pääasiassa sen koostumuksesta. Kivilajin koostumukseen voidaan laskea myös siinä mahdollisesti olevat nestemäiset ja kaasumaiset ainekset kuten vesi ja hiilidioksidi.
Nestemäisten ja kaasumaisten faasien läsnäolo paineen alaisessa kivessä voi stabiloida sen sulan osuuden. Jos kivessä on vaikkapa vain 0,8% vettä, sen sulamispiste voi aleta jopa 100 °C. Vastaavasti veden ja muiden haihtuvien ainesten poistuminen magmasta voi saada sen jähmettymään.
Kaikki magmat sisältävät runsaasti silikaa eli piidioksidia. Magma sisältää myös kaasuja, jotka laajenevat sen noustessa. Mitä enemmän magmassa on silikaa, sitä hitaammin se virtaa, joten laajenevat kaasut jäävät sen sisään. Paine kasvaa, kunnes kaasut purkautuvat ulos äkillisessä, vaarallisessa räjähdyksessä. Niukemmin silikaa sisältävä magma virtaa helpommin, joten kaasukuplat nousevat sen läpi ja pakenevat jokseenkin rauhallisesti.