1966 Green, Ringwood - obliczyli, ze skład płaszcza powinien odpowiadać pod względem chemicznym jednej części bazaltu i trzech części skał oliwinowo - piroksenowych, takich jak dunity oraz harzburgity. Taką mieszaninę nazwali mianem pirolitu. Główny skład płaszcza to szeroko rozumiane perydotyty.
Zakres górnego płaszcza to mniej więcej 400km. Kolejna powierzchnia nieciągłości występuje na głębokości 1000km, w ten sposób uzyskujemy podział na płaszcz górny i średni (płaszcz górny do 400, płaszcz średni do 1000, płaszcz dolny do 2900). na głębokości 2900km mamy szczególnie wyraźną powierzchnię nieciągłości - gwałtowny spadek fal P, zanik fal S i jest to powierzchnia, która oddziela skały płaszcza od ciekłego jądra zewnętrznego Ziemi. Powierzchnia ta odkryta w 1914 przez Beno Gutenberga.
Na głębokości ok. 4900 - 5100km fale typu P zwiększają swoją prędkość o ok. 11%, co uznawane jest za dowód, iż jest strefą graniczną z jądrem wewnętrznym znajdującym się w stanie stałym.
Jak można tłumaczyć różnice składu skorupy ziemskiej i płaszcza ziemskiego?
Wraz z głębokością wzrasta ciśnienie i ono zmusza minerały do przebudowy ich budowy wewnętrznej, pod względem składu chemicznego płaszcz jest jednorodny, ale na różnych poziomach płaszcza występują różne minerały, bo powstają minerały o coraz większej gęstości, zanikają plagioklazy a powstają granaty, spinele, atomy krzemu i glinu są bliżej siebie.
Plutonizm
Magma - stopiony materiał skalny, który powstaje w wyniku częściowego wytapiania skał płaszcza Ziemi, skorupy oceanicznej lub dolnej części skorupy kontynentalnej.
Magma, przemieszczając się ku górze, tworzy różnego typu intruzje lub ekstruzje (gdy magma wydostaje się na zewnątrz). Magma może być układem jedno-, dwu- lub trójfazowym.
Faza ciekła (objętościowo najliczniejsza) składa się z jonów pierwiastków metalicznych takich jak żelazo, magnez, sód, potas, wapń, w różny sposób połączonych z atomami krzemu, glinu oraz tlenu.
Fazę stałą tworzą zarówno kryształy pojawiające się w momencie spadku temperatury jak też ksenolity (fragmenty skał tzw. osłony), względnie porwaki płaszcza.
Jeżeli generowana jest magma w obrębie płaszcz ziemi, to płaszcz jest topiony i czasem w obrębie tego stopu pozostają niestopione fragmenty płaszcza i to są porwaki. Synonimem dla porwaków są ksenolity - ciała obce. Mogą być to skały na obrzeżach komory magmowej, jak tez mogą to być fragmenty skał, z których magma była topiona.
Faza gazowa to przede wszystkim H2O, CO2, H2S, CH4, NH3. Faza gazowa pojawia się przy spadku ciśnienia, co widoczne jest w formie pęcherzyków. Im większy udział fazy gazowej, tym większa eksplozywność wulkanów.
Ze względu na pochodzenie wyróżnia się magmy:
pierwotne (prymitywne)
macierzyste
pochodne
Skały, z których powstaje magma w procesie topienia, noszą nazwy substratu. Pozostałość substratu to restyt.
Określa się te magmy, które powstały przez wytopienie skał tych partii płaszcza, który nie podlegał wcześniejszemu topieniu. Magmy te zazwyczaj nie są spotykane na powierzchni Ziemi, gdyż po drodze ulegają dyferencjacji.
Magmy macierzyste to te, które gromadzą się w komorze magmowej, część z nich może mieć charakter pierwotny, a część mogła powstać ze skał, które wcześniej podlegały topieniu.
Magmy pochodne to produkty dyferencjacji magmy macierzystej.
Pod względem składu chemicznego wyróżniane są magmy:
krzemianowe (najliczniejsze)
siarczkowe
węglanowe (karbonatyty)
tlenkowe (ferrolity)
Magmy krzemianowe stanowią 99,5% wszystkich magm. Największy w nich udział zajmuje krzemionka od 75-35% (krzemionka - każda chemiczna postać SiO2), kolejne miejsce zajmuje glinka (dowolna postać Al2O3) od 20-9%, tlenek magnezu (MgO) 20-0,1%, CaO 14-0,6%, FeO 10-1%, Fe2O3 9-1%, Na2O 9-1%, K2O 7-0,5%, IO2 4-0,1%, TiO2 4-0,1% oraz MnO <0,3%.
Zróżnicowanie składu chemicznego podstawowych typów skał
Składnik |
Ryolity |
Dacyty |
Andezyty |
Bazalty |
Fonolity |
Nefelinity |
SiO2 |
73 |
65 |
56 |
49 |
56 |
40 |
Al2O3 |
13 |
15 |
17 |
15 |
19 |
14 |
fe2O3 |
1,5 |
2,5 |
3 |
4 |
3 |
5,5 |
CaO |
1 |
4 |
3 |
2 |
8 |
5 |
Na2O |
3,5 |
4 |
3,5 |
3 |
8 |
5 |
Suma analiz nigdy nie wynosi 100%.
Tempo wznoszenia się magmy ku górze jest bardzo zróżnicowane. Największe posiadają kimberlity (prędkość 40km/h), najniższe tempo migracji magmy to kilka cm na tysiąc lat. Magmy nie krzepną nagle, w przeciwieństwie do law (dostana do wody morskiej krzepnie bardzo szybko). Temperatura ich krzepnięcia zależny od ich składu oraz ciśnienia. Ze wzrostem ciśnienia temperatura krystalizacji spada, stąd granitoidy krystalizują w temperaturze dochodzącej do 600oC. Jeżeli chodzi o krzepnięcie law, to musimy pamiętać, że jedynym czynnikiem, który określą tą temperaturę to skład chemiczny. Temperatura krzepnięcia stopu bazaltowego to 900-1500oC (zazwyczaj 1000-1200). Średni batolit o objętości 10 tys km3 zastyga w okresie ok. 10 mln lat.
Temperatura, powyżej której żadna faza stała nie jest trwała, nosi nazwę likwidus. Z kolei temperatura, poniżej której zanika faza ciekła, to solidus.
Powstanie magm może być wywołane przez 3 czynniki:
spadek ciśnienia wywołany pojawieniem się rozłamów tektonicznych
wzrost temperatury wywołany obecnością diapiru astenosfery (plam gorąca) lub w efekcie spotkania prądów konwekcyjnych lub w
topienie wywołane obecnością pary wodnej pochodzącej z zanurzającej się kry litosfery
Migrująca ku górze magma tworzy różnego typu iniekcje, które nazywamy intruzjami. Powstałe w ten sposób ciała intruzywne mogą mieć różną formę. Wyróżniane są:
intruzje zgodne (równoległe do płaszczyzn ławic lub warstw skał osłony)
sill - rodzaj intruzji płytowej równoległej do przebiegu warstw skalnych, ma on dużą miąższość, dzięki czemu obserwowane są w jego obrębie (nie zawsze) procesy dyferencjacji; diabazowy sill wśród ilastych łupków formacji Karoo
lakkolit - przypomina kształtem bochenek chleba - formę wypukła ku górze, płaską od spodu, do której dochodzi od dołu kanał doprowadzający. Warstwy skał osłony nad lakkolitem są wygięte jak on sam; Chełmiec (Góry Wałbrzyskie) jako przykład ryolitowego lakkolitu
lopolit - forma odwróconego lakkolitu, powstaje w wyniku ugięcie pod jego ciężarem skał spongowych
fakolit - gr. fakos - soczewka; soczewkowate formy w przegubach fałdu
intruzje niezgodne (przecinają powierzchnie strukturalne skał osłony)
dajki - intruzje o kształcie deski, które przecinają struktury skal osłony, miąższości od kilku do kilkuset m, długości wielu km. Zgrupowania dajek to tzw. roje dajek.
etmolit - forma przypominająca kształtem lejek; najbardziej znanym przykładem był etmolit masywu Adamello w północnych Włoszech
Duże ciała skalne o genezie magmowej to plutony.
Od komory odchodzą różnego rodzaju żyły - apofizy.
Granitoidowe plutony noszą nazwę batolitu (np. batolit karkonoski, tatrzański, Strzegom - Sobótka)
Cios pokładowy batolitu
Przed wojną ciosy spękań w Sudetach badał Hans Closs.
Podobny system spękań jak w Karkonoszach - Masyw Kościelca w Tatrach.
Za najbardziej prawdopodobna przyczynę powstania ciosu pokładowego przyjmuje się zmiany objętościowe wywołane stygnięciem magmy. Drugim źródłem takich spękań mogą być tez naciski tektoniczne związane z fazami górotwórczymi.
Różnicowanie magmy
Magmy pierwotne czy macierzyste są w dużym stopniu jednorodne. Przy spadku temperatury zaczynają krystalizować minerały, które są lżejsze lub cięższe od otaczającego stopu. W efekcie tworzą się magmy pochodne o różnym składzie. Proces ten nosi nazwę różnicowania (dyferencjacji) magmy. Jest to podstawowy proces odpowiedzialny za różnorodność skał na powierzchni ziemi. Stopień różnicowania tegoż pierwotnego stopu zależy od tempa jego stygnięcia, co z kolei zależy od jego składu, w tym zawartości fazy gazowej oraz objętości. Im stygnięcie wolniejsze, tym może nastąpić większe różnicowanie magm pierwotnych.
Do najważniejszych procesów różnicujących magmę zalicza się:
frakcyjną krystalizację
asymilację
konwekcję
likwację
Frakcyjna krystalizacja
Proces krystalizacji minerałów o określonym uprzednio składzie chemicznym zazwyczaj jest odtwarzany laboratoryjnie. W efekcie tych badań powstają diagramy obrazujące kolejność krystalizacji minerału w warunkach określonych temperatur, dużych ciśnień przy określonym składzie chemicznym. Są to diagramy obrazujące przejście fazy ciekłej w fazę stałą i na odwrót. Podstawowe... powstały na początku XX w. dzięki eksperymentom Normana L. Bowena (1887-1956). Na czym to polega? Wkładane są do pieca 2-3 wymieszane ze sobą fazy mineralne w różnych proporcjach (np. ileś procent anortytu i piroksenu), ustawiamy piec na 400oC, trzymamy długo, aż nastąpi równowaga termodynamiczna między tymi minerałami - w pewnej temperaturze poszczególne minerały zaczną się topić, eksperyment trwa tak długo, aż proces ten nastąpi do końca. Wyjmujemy tygiel z pieca i gwałtownie studzimy. W ten sposób poszczególne relacje fazowe między tymi minerałami (ilość stopu w stosunku do ilości niestopionej) zostają zamrożone. To gwałtowne studzenie zapewnia, że cała ilość powstałego stopu zostanie zamrożona w postaci szkliwa. Wykonujemy z tego preparat i wkładamy pod mikroskop. Sprawdzamy proporcje między kryształami a stopem i stwierdzamy, co to za kryształy. Otrzymane w ten sposób wyniki są nanoszone na diagram obrazujący proporcję poszczególnych faz w zależności od ich składu oraz temperatury.
Wyróżniane są dwa podstawowe rodzaje krystalizacji:
równowagowa - przebiega w układzie odizolowanym od otoczenia na dużych głębokościach; powstałe kryształy nie są oddzielane ze stopu, lecz pozostają z nim w stanie równowagi termodynamicznej (tzn. stanie, w którym procesy reakcji chemicznych nie przebiegają samorzutnie, aż nie zmieni się jeden z czynników: T lub P lub skład chemiczny). Przy spadku T powstałe kryształy ponownie reagują z magmą zmieniając swój skład chemiczny. Ostateczny produkt w postaci skały ma skład identyczny jak lawa, z której ta skała powstała. Taki proces ilustruje diagram fazowy, obrazujący krystalizację układu dwuskładnikowego diopsyd (wapniowy piroksen) - anortyt
Przedstawiony diagram obrazuje kolejność krystalizacji i topienia w zależności od T przy założonym określonym ciśnieniu. Udział piroksenu i skalenia stanowi 100% badanego układu. Krzywe TA - E, TB - E oddzielają stop od mieszaniny stopu i kryształów diopsydu oraz stopu i kryształów anortytu. To krzywe likwidusu. Prosta DP oddziela stop z kryształami od fazy stałej. To tzw. solidus. Punkt E, gdzie krzywe likwidusu i prosta solidusu spotykają się nazywa się punktem eutektycznym. Jeśli mielibyśmy tylko jedną czystą fazę diopsydu, to temperatura jego topnienia TA będzie 1300oC. W przypadku anortytu temperatura topnienia TB wyniesie 1600oC. Dla wszystkich mieszanin, temperatura topnienia będzie znacznie niższa. Topienie rozpoczyna się w temperaturze TE. Zwróćmy uwagę na fakt, że dla różnych proporcji piroksen - anortyt topienie (nie mylić z krystalizacją) przebiega w pewnym zakresie temperatur zawartym między likwidusem a solidusem. Jest tylko jeden wyjątek, jest nim proporcja punktu eutektycznego, w którym składniki topią się jedynie w temperaturze TE.
frakcyjna