Lawa

Skład

Prawie cała lawa skorupy ziemskiej jest zdominowana przez minerały krzemianowe: głównie skaleń, skaleń, oliwin, pirokseny, amfibole, miki i kwarc. Rzadkie lawa bezkrzemianowa może tworzyć się przez miejscowe topienie niekrzemianowych złóż mineralnych lub przez rozdzielenie magmy na oddzielne niemieszające się fazy ciekłe krzemianowe i niekrzemianowe.

Lawy krzemianowe

Lawy krzemianowe są stopionymi mieszaninami zdominowany przez tlen i krzem, najobficiej występujące na Ziemi pierwiastki chemiczne, z mniejszymi ilościami glinu, wapnia, magnezu, żelaza, sodu i potasu oraz niewielkimi ilościami wielu innych pierwiastków. Petrolodzy rutynowo określają skład lawy krzemianowej w kategoriach masy lub udziału masy molowej tlenków głównych pierwiastków (innych niż tlen) obecnych w lawie.

Dominuje fizyczne zachowanie magmy krzemianowej. przez składnik krzemionkowy. Jony krzemu w lawie silnie wiążą się z czterema jonami tlenu w układzie tetraedrycznym. Jeśli jon tlenu jest związany z dwoma jonami krzemu w stopie, określa się go jako mostkujący tlen, a lawa z wieloma grudkami lub łańcuchami jonów krzemu połączonych mostkującymi jonami tlenu jest opisywana jako częściowo spolimeryzowana. Glin w połączeniu z tlenkami metali alkalicznych (sodu i potasu) również ma tendencję do polimeryzacji lawy. Inne kationy, takie jak żelazo, wapń i magnez, wiążą się znacznie słabiej z tlenem i zmniejszają skłonność do polimeryzacji. Częściowa polimeryzacja sprawia, że lawa staje się lepka, więc lawa bogata w krzemionkę jest znacznie lepsza niż lawa o niskiej zawartości krzemionki.

Ze względu na rolę krzemionki w określaniu lepkości oraz wiele innych właściwości lawy (takich jak jego temperatura) koreluje z zawartością krzemionki, lawa krzemianowa dzieli się na cztery typy chemiczne w zależności od zawartości krzemionki: felsic, pośrednio, mafic i ultramafic.

Felsic lava

Felsic lub lawa krzemionkowa ma zawartość krzemionki większą niż 63%. Należą do nich lawy ryolitowe i dacytowe. Przy tak wysokiej zawartości krzemionki, te lawy są wyjątkowo lepkie, od 108 cP dla gorącej lawy riolitowej o temperaturze 1200 ° C (2190 ° F) do 1011 cP dla chłodnej lawy riolitowej w 800 ° C (1470 ° F). Dla porównania woda ma lepkość około 1 cP. Z powodu tej bardzo dużej lepkości, lawa felsyczna zwykle wybuchają, tworząc piroklastyczne (fragmentaryczne) osady. Jednak lawa ryolitowa czasami eksploduje, tworząc kolce lawy, kopuły lawy lub „kule” (które są gęstymi, krótkimi strumieniami lawy). Lawy zazwyczaj fragmentują się podczas wytłaczania, tworząc blokowe przepływy lawy. Te często zawierają obsydian.

Felsic magmy mogą wybuchać w temperaturach tak niskich jak 800 ° C (1470 ° F). Jednak niezwykle gorące (> 950 ° C; > 1740 ° F) lawy ryolitowe mogą płynąć na odległości wielu dziesiątek kilometrów, na przykład w Snake River Plain w północno-zachodnich Stanach Zjednoczonych.

Pośrednia lawa

Pośrednia lub andezytowa lawa zawiera 52% do 63% krzemionki i jest mniej aluminium i zwykle nieco bogatsza w magnez i żelazo niż law felsic. Lawy pośrednie tworzą kopuły andezytu i law blokowe i mogą występować na stromych wulkanach kompozytowych, takich jak Andy. Są również zwykle cieplejsze, w zakresie od 850 do 1100 ° C (od 1560 do 2010 ° F)). Ze względu na niższą zawartość krzemionki i wyższe temperatury erupcji mają one zwykle znacznie mniejszą lepkość, z typową lepkością 3,5 × 106 cP w 1200 ° C (2190 ° F). Jest to nieco więcej niż lepkość gładkiego masła orzechowego. Lawy pośrednie wykazują większą skłonność do tworzenia fenokryształów. Wyższe żelazo i magnez mają tendencję do manifestowania się jako ciemniejsza masa gruntowa, w tym fenokryształy amfiboli lub piroksenu.

Lawa mafijna

Lawa mafijna lub bazaltowa ma zawartość krzemionki od 52% do 45%. Charakteryzuje się wysoką zawartością ferromagnezu i na ogół wybuchają w temperaturach od 1100 do 1200 ° C (od 2010 do 2190 ° F). Lepkość może być stosunkowo niska, około 104 do 105 cP, chociaż nadal jest o wiele rzędów wielkości wyższa niż woda. Ta lepkość jest podobna do lepkości keczupu. Lawy bazaltowe mają tendencję do wytwarzania niskoprofilowych wulkanów tarczowych lub bazaltów powodziowych, ponieważ lawa płynna płynie na duże odległości od otworu wentylacyjnego. Grubość lawy bazaltowej, szczególnie na niskim zboczu, może być znacznie większa niż grubość płynącej lawy w dowolnym momencie, ponieważ lawa bazaltowa może „nadymać się” przez dostarczanie lawy pod zestaloną skorupą. Większość law bazaltowych jest raczej typu Aʻā lub pāhoehoe niż lawami blokowymi. Pod wodą mogą tworzyć lawy poduszkowe, które są raczej podobne do law pahoehoe typu wnętrzności na lądzie.

Ultramafic lava

Ultramafic lavas, takie jak komatiite i silnie magnezytowe magmy, które tworzą boninit, przenoszą skład i temperaturę erupcji do ekstremum. Wszystkie mają zawartość krzemionki poniżej 45%. Komatiites zawierają ponad 18% tlenku magnezu i uważa się, że wybuchły w temperaturze 1600 ° C (2910 ° F). W tej temperaturze praktycznie nie zachodzi polimeryzacja związków mineralnych, tworząc wysoce mobilną ciecz. Uważa się, że lepkość magm komatiitowych wynosiła od 100 do 1000 cP, podobnie jak w przypadku lekkiego oleju silnikowego. Większość law ultramaficznych nie jest młodsza od proterozoiku, z kilkoma ultramaficznymi magmami znanymi z fanerozoiku w Ameryce Środkowej, które są przypisywane gorącemu pióropuszowi płaszcza. Nie są znane żadne współczesne lawy komatiytowe, ponieważ płaszcz Ziemi ostygł zbytnio, aby wytworzyć magmę o dużej zawartości magnezu.

Lawe akalinowe

Niektóre lawy krzemionkowe mają podwyższoną zawartość tlenków metali alkalicznych (sód i potas), szczególnie w rejonach ryftu kontynentalnego, obszarach położonych nad płytami głęboko subdukcyjnymi lub w gorących punktach. Ich zawartość krzemionki może wahać się od ultramafic (nefeliny, basanity i tefryt) do felsii (trachity). generowane na większych głębokościach w płaszczu niż magmy subalkaliczne. Lawa nefelinitowa oliwinu jest zarówno ultramafinowa, jak i silnie zasadowa i uważa się, że pochodzi ze znacznie głębszych warstw płaszcza Ziemi niż inne lawy.

Lawy niekrzemowe

Niektóre lawy o niezwykłym składzie wybuchły na powierzchni Ziemi. Są to:

• Wulkan Ol Doinyo Lengai w Tanzanii, który jest jedyny przykład aktywnego karbonatytu obj cano. Karbonatyty w zapisie geologicznym składają się zazwyczaj w 75% z minerałów węglanowych, z mniejszą ilością minerałów krzemianowych nienasyconych krzemionką (takich jak miki i oliwin), apatytu, magnetytu i pirochloru. Może to nie odzwierciedlać pierwotnego składu lawy, który mógł zawierać węglan sodu, który został następnie usunięty przez aktywność hydrotermalną, chociaż eksperymenty laboratoryjne pokazują, że możliwa jest magma bogata w kalcyt. Lawy karbonatynowe wykazują stabilne stosunki izotopów, co wskazuje, że pochodzą z silnie zasadowych law krzemionkowych, z którymi są zawsze związane, prawdopodobnie przez oddzielenie niemieszającej się fazy. Lawy natrokarbonatytowe Ol Doinyo Lengai składają się głównie z węglanu sodu, z około połową mniej węglanu wapnia i o połowę mniej węglanu potasu oraz niewielkich ilości halogenków, fluorków i siarczanów. Lawa jest niezwykle płynna, z lepkością tylko nieznacznie większą niż woda i jest bardzo chłodna, a zmierzona temperatura wynosi od 491 do 544 ° C (916 do 1011 ° F).
• Uważa się, że lawy tlenku żelaza są źródłem rudy żelaza w Kirunie w Szwecji, która powstała podczas proterozoiku. W kompleksie wulkanicznym El Laco na granicy Chile z Argentyną występują lawy tlenku żelaza z epoki pliocenu. Uważa się, że lawy tlenku żelaza są wynikiem niemieszalnego oddzielania magmy tlenku żelaza od magmy rodzicielskiej o składzie wapniowo-alkalicznym lub alkalicznym.
• Lawa siarkowa płynie do 250 metrów (820 stóp) długości i 10 metrów (33 stóp) szerokości na wulkan Lastarria w Chile. Zostały utworzone przez stopienie osadów siarki w temperaturach tak niskich, jak 113 ° C (235 ° F).

Termin „lawa” może być również używany w odniesieniu do stopionych „mieszanin lodu” podczas erupcji na oblodzonych satelitach gazowych gigantów Układu Słonecznego. (Zobacz kriowolkanizm).

Reologia

Zachowanie się lawy zależy głównie od lepkości lawy. Podczas gdy temperatury w zwykłych lawach krzemianowych wahają się od około 800 ° C (1470 ° F) dla law mafijnych do 1200 ° C (2190 ° F) dla law mafijnych, lepkość tych samych law waha się w granicach siedmiu rzędów wielkości, od 104 cP dla lawy mafijnej do 1011 cP dla magmy felsic. głównie zależy od składu, ale zależy również od temperatury. Tendencja lawy felsic do bycia chłodniejszą niż lawa mafijna zwiększa różnicę lepkości.

Lepkość lawy określa rodzaj aktywności wulkanicznej, która ma miejsce, gdy t wybuchła lawa. Im większa lepkość, tym większa tendencja do wybuchu, a nie wylewu. W rezultacie większość lawy na Ziemi, Marsie i Wenus składa się z lawy bazaltowej. Na Ziemi 90% strumieni lawy to fale maficzne lub ultramaficzne, przy czym lawa pośrednia stanowi 8% przepływów, a lawa felsyjna stanowi zaledwie 2% przepływów. Lepkość determinuje również wygląd (grubość w stosunku do rozciągłości poprzecznej) przepływów, prędkość z jaką przemieszczają się przepływy oraz powierzchniowy charakter przepływów.

Kiedy wybuchają wylewnie, bardzo lepkie lawy wybuchają prawie wyłącznie jako strumienie o wysokim aspekcie lub kopuły. Przepływy przybierają raczej formę blokowej lawy niż „aʻā czy pāhoehoe”. Przepływy obsydianowe są powszechne. Pośrednie lawy mają tendencję do tworzenia stromych stratowulkanów, z naprzemiennymi złożami lawy z wylewnych erupcji i tefry z wybuchów wybuchowych. Lawy mafijne tworzą stosunkowo cienkie strumienie, które mogą przemieszczać się na duże odległości, tworząc wulkany tarczowe o bardzo łagodnych zboczach.

Większość law zawiera stałe kryształy różnych minerałów, fragmenty egzotycznych skał znanych jako ksenolity oraz fragmenty wcześniej zestalonej lawy. Zawartość kryształów większości law nadaje im właściwości tiksotropowe i rozrzedzane ścinaniem. Innymi słowy, większość law nie zachowuje się jak płyny Newtona, w których prędkość przepływu jest proporcjonalna do naprężenia ścinającego. Zamiast tego, typową lawą jest płyn Binghama, który wykazuje znaczny opór przepływu do momentu przekroczenia progu naprężenia, zwanego granicą plastyczności. Powoduje to przepływ tłokowy częściowo krystalicznej lawy. Znanym przykładem przepływu tłokowego jest pasta do zębów wyciśnięta z tubki pasty do zębów. Pasta do zębów wychodzi jako półstała zatyczka, ponieważ ścinanie jest skoncentrowane w cienkiej warstwie pasty do zębów obok tubki i tylko tutaj pasta zachowuje się jak płyn. Zachowanie tiksotropowe utrudnia również osadzanie się kryształów z lawy. Gdy zawartość kryształów osiągnie około 60%, lawa przestaje zachowywać się jak płyn i zaczyna zachowywać się jak ciało stałe. Taka mieszanina kryształów ze stopioną skałą jest czasami opisywana jako papka krystaliczna.

Prędkości przepływu lawy różnią się głównie w zależności od lepkości i nachylenia. Ogólnie rzecz biorąc, lawa płynie powoli, z typową prędkością 0,25 mil / h (0,40 km / h) i maksymalną prędkością od 6 do 30 mil / h (9,7 do 48,3 km / h) na stromych zboczach. Wyjątkowa prędkość od 20 do 60 mph (32 do 97 km / h) została zarejestrowana po zawaleniu się jeziora lawy na górze Nyiragongo. Zależność skalowania dla law jest taka, że średnia prędkość przepływu skaluje się jako kwadrat jego grubości podzielony przez jego lepkość. Oznacza to, że przepływ ryolitu musiałby być ~ 1000 razy grubszy niż przepływ bazaltu, aby płynął z podobną prędkością.

Termiczne

Zakres temperatur Lavas od około 800 ° C (1470 ° F) do 1200 ° C (2190 ° F). Jest to podobne do najgorętszych temperatur, jakie można osiągnąć przy użyciu wymuszonej kuźni węgla drzewnego. Lawa jest najbardziej płynna, gdy po raz pierwszy wybuchła, staje się znacznie bardziej lepka wraz ze spadkiem temperatury.

Lawa szybko tworzy izolacyjną skorupę litej skały w wyniku radiacyjnej utraty ciepła. Następnie lawa ochładza się przez bardzo powolne przewodzenie ciepła przez skalistą skorupę. Geolodzy z United States Geological Survey regularnie wiercili w Kilauea Iki jezioro lawy, powstałe w wyniku erupcji w 1959 r. Jezioro miało głębokość około 100 m (330 stóp). Po trzech latach skorupa na powierzchni stałej, której podstawa miała temperaturę 1065 ° C (1949 ° F), nadal pozostawała L tylko 14 m (46 stóp) grubości. Pozostałości cieczy były nadal obecne na głębokości około 80 m (260 stóp) dziewiętnaście lat po erupcji.

Wypływy lawy chłodzącej kurczą się, co prowadzi do pękania strumienia. W przepływach bazaltu powoduje to charakterystyczny wzór pęknięć. Najwyższe części przepływu wykazują nieregularne pęknięcia rozciągające się w dół, podczas gdy dolna część przepływu wykazuje bardzo regularny układ pęknięć, które dzielą przepływ na pięcio lub sześcioboczne kolumny. Nieregularna górna część zestalonego strumienia nazywana jest belkowaniem, podczas gdy dolna część, która wykazuje połączenia słupowe, nazywana jest kolonadą. Warunki są zapożyczone z greckiej architektury świątynnej. Podobnie regularne pionowe wzory na bokach kolumn, powstałe w wyniku chłodzenia z okresowymi pęknięciami, są określane jako ślady dłuta. Są to naturalne cechy wytwarzane przez fizykę chłodzenia, skurczu termicznego i pękania.

Gdy lawa ochładza się, krystalizuje do wewnątrz od jej granic, gazy są wydalane z lawy, tworząc pęcherzyki na dolnej i górnej granicy . Są one określane jako pęcherzyki z trzonu fajki lub ciała migdałowate z trzonu fajki. Ciecze wyrzucane z chłodzącej papki krystalicznej unoszą się w górę do nadal płynnego środka strumienia chłodzącego i wytwarzają pionowe cylindry pęcherzyków. Tam, gdzie łączą się one w kierunku szczytu przepływu, tworzą się arkusze pęcherzykowego bazaltu, które czasami są zamknięte wnękami gazowymi. Te czasami są wypełnione minerałami wtórnymi. Piękne geody ametystowe znalezione w bazaltach powodziowych Ameryki Południowej uformowały się w ten sposób.

Bazalty powodziowe zwykle ulegają niewielkiej krystalizacji, zanim przestaną płynąć, w wyniku czego tekstury przepływu są rzadkie w mniejszych przepływach krzemionkowych . Z drugiej strony pasmowanie przepływu jest powszechne w przepływach felsycznych.