M1 Γένεση μάγματος στον ηπειρωτικό φλοιό 1. Γενικά 2. Τήξη αφυδάτωσης 3. Υπολειμματικό υλικό στην πηγή 4. Μετανάστευση των υγρών 5. Διαχωρισμός του μερικούτήγματος από την πηγή 1
1. Γενικά Η γένεση μάγματος σε πλανητική κλίμακα είναι μία εκδήλωση της μεταφοράς θερμότητας μέσα στο μανδύα κατά την ψύξη της θερμής ακόμα Γης. Ο μανδύας και ο υποκείμενος πυρήνας είναι η πηγή της απαιτούμενης θερμικής ενέργειας. Η θερμική μεταφορά που λαμβάνει χώρα μέσα στον ψυχόμενο μανδύα μέσω των «μανιταριών» μ ρ (plumes) και της κίνησης ης των πλακών, προκαλεί διαταράξεις των Ρ, Τ, Χτου στερεού υλικού μιάς ενδυνάμει πηγής μάγματος στον ανώτερο μανδύα και κατώτερο φλοιό. Η γένεση τήγματος με μάζα μικρότερη εκείνης του ολικού πετρώματος αναφέρεται ως μερική τήξη. Τύποι μερικής τήξης είναι: α) Η μερική τήξη ισορροπίας equilibrium (batch) melting- παράγει τήγμα πουείναισεισορροπία με το κρυσταλλικό υπολειμματικό υλικό όσο τα δύο αυτά βρίσκονται σε στενή επαφή και μέχρι το τήγμα να αποχωρήσει. Η τήξη ισορροπίας σε κλειστό σύστημα είναι διαδικασία αντίστροφη της κρυστάλλωσης ισορροπίας. β) Η κλασματική μερική τήξη fractional partial melting παράγει τήγμα που απομονώνεται αμέσως από το κρυσταλλικό υπόλειμμα δεν υπάρχουν σχέσεις αντιδράσεων μεταξύ τήγματος και κρυστάλλων. Καθώς είναι διαδικασία μή-ισορροπίας, δεν είναι αντίστροφη της κλασμάτωσης ισορροπίας. 2
Μεγάλοι όγκοι φελσικών μαγματικών πετρωμάτων που αποτελούνται κυρίως από δύο αστρίους και χαλαζία, εμφανίζονται σε ηπειρωτικά τόξα, π.χ. δυτική Βόρεια και Νότια Αμερική, ενώ αντιθέτως στα ωκεάνεια νησιωτικά τόξα (π.χ. δυτικές Aleutians και Tonga) οι όγκοι τέτοιων εμφανίσεων είναι μηδαμινοί. Το γεγονός αυτό και μόνο δείχνει ότι για τη δημιουργία μεγάλων όγκων φελσικού μάγματος χρειάζεται προϋπάρχων ηπειρωτικός φλοιός επειδή, η πιο ουσιαστική διαφορά μεταξύ των ζωνών αυτών υπώθησης γύρω από τον Ειρηνικό είναι η φύση του φλοιού της επωθούμενης λιθόσφαιρας. Επειδή οι άστριοι καιοχαλαζίαςείναιοιφάσειςκοντάστηliquidus στα περισσότερα φελσικά συστήματα υπό πιέσεις φλοιού και ανώτερου μανδύα (Σχ. 1), δεν είναι δυνατόν να δημιουργηθούν φελσικά μάγματα από περιδοτίτη για τον οποίο φάσεις κοντά στη liquidus είναι ο ολιβίνης και ο πυρόξενος. Σχ. 1 (Best & Christiansen, 2001) 3
Σχ. 1 Σημαντικές ποσότητες φελσικού μάγματος μπορούν να παραχθούν σε τρία ηπειρωτικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των ηπειρωτικών τόξων, στα οποία υπάρχει διαθεσιμότητα πρόσθετης θερμότητας και υδατικών ρευστών προκειμένου να διαταραχθεί το υπο-solidus καθεστώς του κατώτερου φλοιού. Τα τρία αυτά περιβάλλοντα είναι, κατά σειρά μειούμενου όγκου μαγματογένεσης (Σχ. 2): 1. Ηπειρωτικά τόξα πάνω από κατερχόμενη ωκεάνεια λιθόσφαιρα, όπου μεγάλοι όγκοι θερμού βασικού μάγματος που ανέρχεται από το υποκείμενο μανδυακό πρίσμα, παγιδεύεται ή υποστρώνει τον κατώτερο φλοιό 2. Ηπειρωτικές τάφροι ή περιοχές πάνω από ανερχόμενα μανδυακά «μανιτάρια» ά όπου μανδυακό βασαλτικό μάγμα που υποστρώνει την περιοχή προσφέρει πρόσθετη θερμότητα για τήξη. 3. Παχύςφλοιόςζωνώνσύγκρουσηςηπείρου-ηπείρου όπως των Ιμαλαϊων, που θερμαίνεται προσαρμοζόμενος στη γεωθερμική βαθμίδα. 4
Σχ. 2 (Best & Christiansen, 2001) Σχ. 2 5
2. Τήξη αφυδάτωσης Η μερική τήξη, αποκαλούμενη και ανάτηξη, των ηπειρωτικών πετρωμάτων που δίνει φελσικά μάγματα μπορεί θεωρητικά να συμβαίνει σε άνυδρα συστήματα από τα οποία λείπει το νερό ως ξεχωριστή φάση και ως ένυδρα ορυκτά. Ομως επειδή οι solidus θερμοκρασίες είναι σχετικά υψηλές, τέτοια τήξη είναι περιορισμένη. Ενας άλλος λόγος για τον οποίο η άνυδρη τήξη σπανίζει είναι η αφθονία των ένυδρων ορυκτών στα ενδυνάμει πετρώματα πηγής του μάγματος. Η μερική τήξη πετρωμάτων που περιέχουν ένυδρα ορυκτά απουσία ξεχωριστής ένυδρης ρευστής φάσης αναφέρεται ως τήξη αφυδάτωσης (και επίσης ως τήξη απουσία ρευστού, ελλειμματική σε νερό, χαμηλής πτητικότητας fugacity - νερού, χαμηλής ενεργότητας νερού). Το μόνο νερό που υπάρχει κατά την τήξη αφυδάτωσης είναι χημικά δεσμευμένο μέσα στους μαρμαρυγίες και τις αμφιβόλους και επουσιώδη ένυδρα ορυκτά (π.χ. επίδοτο, απατίτης). Η σύσταση των μερικών τηγμάτων κυμαίνεται από γρανίτη σε γρανοδιορίτη σε τονάλιθο (Σχ.3). Σχ. 3 (Best & Christiansen, 2001) 6
Επειδή τα φελσικά τήγματα είναι πολύ παχύρρευστα, μικρά κλάσματα τήγματος δεν μπορούν να αποχωρισθούν εύκολα από το κρυσταλλικό υπόλειμμα σε γεωλογικά λογικούς χρόνους. Επιπλέον τα μικρά κλάσματα τήγματος δεν προσφέρονται για επαρκή άνωση που θα κινητοποιούσε τη συνολική μάζα τήγματος-κρυστάλλων σε άνοδο π.χ. ως μαγματικό διαπειρικό σώμα. Ενας θεμελιώδης περιορισμός στη γένεση φελσικού μάγματος σε βάθος μέσα στον ηπειρωτικό φλοιό είναι η αναγκαιότητα μεγάλων κλασμάτων τήγματος, ίσως >20%, για να εξασφαλισθεί αρκετός όγκος για άνωση προς την επιφάνεια. Επομένως η γονιμότητα του πετρώματος πηγής και οι εντατικές μεταβλητές που προάγουν την παραγωγή τήγματος είναι ύψιστης σημασίας για τη δημιουργία μιάς ευκίνητης μάζας φελσικού τήγματος ικανής να ανέλθει μέσα στο φλοιό. Ως γονιμότητα της πηγής νοείται η ενδυνάμει ποσότητα συστατικών διαθέσιμων για την παραγωγή τήγματος, ενπροκειμένω φελσικής σύστασης. Για παράδειγμα, ένας τρόπος σύγκρισης σχετικών γονιμοτήτων είναι η σύγκριση τωνγρανιτικώνσυστατικώνελάχιστης-τ (βλέπε π.χ. Σχ. 1, σχεδόν ίσες αναλογίες νορμικού χαλαζία, ορθόκλαστου και αλβίτη) σε ενδυνάμει πετρώματα πηγής. Το Σχ. 3 δείχνει κλάσματα τήγματος και εκατοστιαίες αναλογίες (modal) των κρυσταλλικών υπολειμμάτων που προκύπτουν από την τήξη αφυδάτωσης μεταμορφωμένων αργιλικών πετρωμάτων (shales) και μαφικών πετρωμάτων, θεωρώντας συνθήκες ισορροπίας. Οι δύο αυτοί τύποι πετρωμάτων είναι ευρέως διαδεδομένοι στον ηπειρωτικό φλοιό. Οι πλούσιοι σε μοσχοβίτη αργιλικοί σχιστόλιθοι (shales) αρχίζουν να τήκονται στους 800 ο -825 ο C, με τη διάσπαση του μοσχοβίτη. Μέχρι τους 850 ο C, όλος ο μοσχοβίτης έχει καταναλωθεί, παράγοντας ~20% ένυδρο τήγμα, με την αντίδραση: μοσχοβίτης + πλαγιόκλαστο + χαλαζίας = ένυδρο φελσικό τήγμα + αλκ. άστριος + σιλλιμανίτης + γρανάτης 7
Σε μεταμορφωμένους αργιλικούς σχιστολίθους με βιοτίτη, ηφάσηαυτήαποσυντίθεταιγιαέναευρύτεροδιάστημα υψηλότερων θερμοκρασιών από ό,τι ο μοσχοβίτης, δίνοντας σταθερά αυξανόμενα κλάσματα τήγματος, με αντιδράσεις όπως: Βιοτίτης + χαλαζίας = ένυδρο φελσικό τήγμα + γρανάτης και Βιοτίτης και πλαγιόκλαστο και χαλαζίας = ένυδρο πυριτικό τήγμα + ορθοπυρόξενος Ενα παράδειγμα της πρώτης αντίδρασης δίνεται στο Σχ. 4. Πετρώματα πηγής χωρίς μοσχοβίτη αλλά με άφθονο βιοτίτη ή κεροστίλβη αρχίζουν να τήκονται στους ~875 ο - 900 ο C, καταναλίσκοντάς τα μέχρι τους 950 ο C. Η κκεροστίλβη διασπάται με την αντίδραση: Κεροστίλβη + χαλαζίας = ένυδρο φελσικό τήγμα + κλινοπυρόξενος + ορθοπυρόξενος Η τήξη αφυδάτωσης μίγματος διμαρμαρυγιακύ πετρώματος με τονάλιθο (κεροστίλβη + πλαγιόκλαστο + χαλαζίας) είναι σημαντικά πιο παραγωγική σε τήγμα συγκρινόμενη με τα κλάσματα τήγματος που παρήχθησαν τήκοντας μόνο του κάθε ένα από αυτά τα πετρώματα πηγής. Η αυξημένη γονιμότητα μιάς σύνθετης πηγής, που μπορεί να είναι αρκετά ρεαλιστική για τον ετερογενή ηπειρωτικό φλοιό, φαίνεται ότι συμβαίνει επειδή το Κ μεταναστεύει προς τον τονάλιθο από το διμαρμαρυγιακό πέτρωμα και το Na αντίστροφα, δημιουργώντας μία σύνθετη σύσταση πηγής πλησιέστερη προς το θερμικό ελάχιστο του γρανιτικού συστήματος (Σχ. 1). Τα γρανιτικά πετρώματα και οι αστριούχοι ψαμμίτες έχουν δυναμικό να παράγουν μεγάλους όγκους μερικού τήγματος για τον ίδιο λόγο, αν και η τήξη αφυδάτωσης των γενικά μικρών ποσοστών βιοτίτη και αμφιβόλου σ αυτά τα πετρώματαμπορείναμηνείναισεθέσηναδώσειπολύνερό ώστε να διευκολύνει τη διάλυση των φελσικών πετρωμάτων. 8
Τα ασύμφωνα φελσικά μερικά τήγματα είναι ενγένει σχετικά εμπλουτισμένα σε Si, Na, K και νερό και φτωχά σε Ti, Mg, Fe, και Ca, σε σχέση με το πέτρωμα της πηγής Τα τήγματα αυτά μπορεί να είναι υπέρκορα σε πυρίτιο με νορμικό χαλαζία, αν και το πέτρωμα της πηγής μπορεί να είναι μόλις κορεσμένο ή ακόμα καιακόρεστο σε πυρίτιο. Τα μερικά τήγματα είναι υπεραργιλικά, μεταργιλικά, ήκαι υπεραλκαλικά, ανάλογα με τη σύσταση της πηγής, τις εντατικές παραμέτρους και το βαθμό τήξης. Οι ίδιες συνθήκες υπαγορεύουν τη σύσταση του κρυσταλλικού υπολείμματος το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει τη σύσταση του τήγματος για παράδειγμα, τήγματα σε ισορροπία με υπολειμματικό γρανάτη ή πλαγιόκλαστο είναι λιγότερο αλουμινούχα από ό,τιεάναυτάταπλούσιασεal ορυκτά είναι τελείως διαλελυμένα, και φτωχά είτε σε βαρειές REE (γρανάτης) είτε σε Eu (πλαγιόκλαστο), αφού αυτά τα ιχνοστοιχεία είναι συμβατά. Η μερική τήξη πετρωμάτων πηγής που περιέχουν δύο αστρίους και χαλαζία μόλις πάνω από τη solidus είναι αναμενόμενο ότι δίνει τήγματα γρανιτικής σύστασης στο θερμικό ελάχιστο του γρανιτικού συστήματος (Σχ. 1). Πετρώματα πηγής με μόνο δύο, μία ή καμία από αυτές τις τρεις κρυσταλλικές φάσεις, δίνουν μερικά τήγματα πιο μακριά από την ελάχιστη σύσταση. Η μερική τήξη βασαλτικών πετρωμάτων υπό Ρ =5-32 kbar και συνθήκες απουσίας νερού τέτοιες που η αμφίβολος να παραμένει σταθερή δίνει γρανιτικά τήγματα κοντά στη solidus, όπου τα κλάσματα τήγματος είναι μικρότερα από λίγες εκατοστιαίες μονάδες αλλά τροντχεμίτη για κλάσματα τήγματος ~ 10%. Σε ακόμα μεγαλύτερους βαθμούς τήξης, γεννώνται τοναλιθικές συστάσεις, υπερβαίνοντας στην ουσία το γρανοδιορίτη (Σχ.5). 9
Σχ. 4 (Best & Christiansen, 2001) Σχ. 5 (Best & Christiansen, 2003) 10
3. Υπολειμματικό υλικό στην πηγή Τρία ενδυνάμει υπολειμματικά υλικά από μερική τήξη έχουν διακριθεί σε βαθειά αποσαθρωμένες ρίζες ορογενών ζωνών και ως ξενόλιθοι τέτοιου πετρώματος βάθους σε ηφαιστειακά πετρώματα. Ο γρανουλίτης είναι ένα μεταμορφωμένο πέτρωμα που αποτελείται λί από μία άνυδρη παραγένεση πλαγιόκλαστου + πυρόξενου + χαλαζία + γρανάτη + σιλιμανίτη + κορδιερίτη. Ο μιγματίτης αποτελείται από στρώματα, φακοειδή σώματα και ακανόνιστες μάζες γρανίτη αναμεμειγμένου με μαφικό μεταμορφικό πέτρωμα που αποτελείται κυρίως από πλαγιόκλαστο, αμφίβολο, βιοτίτη, πυρόξενο και άλλα υψηλότηκτα ορυκτά. Οι μιγματίτες συχνά ερμηνεύονται ως μερικώς τηγμένο πέτρωμα στο οποίο το γρανιτικό μερικό τήγμα δεν έχει αποχωρισθεί από το συμπληρωματικό του υπόλειμμα. Ορισμένοι πετρολόγοι πιστεύουν ότι οι μιγματίτες αντιπροσωπεύουν υπολείμματα της παραγωγής γρανιτικών πλουτωνιτών, αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανότητες. Γρανατικοί πυροξενίτες και εκλογίτες, μερικοί με αμφίβολο, είναι το τρίτο υπολειμματικό υλικό. 4. Μετανάστευση των υγρών Τα υγρά μπορούν να μεταναστεύσουν μέσα σε κοκκώδη αθροίσματα ορυκτών (πετρώματα) είτε δημιουργώντας υδραυλική ρωγμάτωση είτε με ροή πορώδους δηλαδή δή με κίνηση κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Η αρχή της ελαχιστοποίησης της επιφανειακής ενέργειας, ή ιστολογική εξισορρόπηση (textural equilibration) είναι ένας σημαντικός παράγων που επηρεάζει την κατανομή και μετανάστευση πολύ μικρών όγκων υγρού κατά μήκος ορίων κόκκων στα πετρώματα. Οι τεμνόμενες μ επιφάνειες επαφής υγρού- στερεού σχηματίζουν μία γωνία θ, την αποκαλούμενη δίεδρο υγραντική-γωνία (the dihedral-wetting-angle) που εξαρτάται από τα σχετικά μεγέθη τών επιφανειακών τάσεων κρυστάλλου-κρυστάλλου κρυστάλλου-υγρού (Σχ. 5): και 11
Σχ. 5 (Best & Christiansen, 2001) Σχ. 5 12
5. Διαχωρισμός του μερικού τήγματος από την πηγή Μπορούν να αναγνωρισθούν τρεις τουλάχιστον παράγοντες που επηρεάζουν τον διαχωρισμό των μερικών τηγμάτων απότουπόλειμμα: 1. Ογκος του τήγματος που δημιουργήθηκε: η σχετίζεται με την γονιμότητα της πηγής και τις θερμοκρασίες της τήξης. Σε πηλιτικές πηγές π.χ. μέτρια κλάσματα τήγματος, έστω 10% - 20%, από τη διάσπαση μοσχοβίτη, μπορεί να παράγουν συγκεντρώσεις γρανίτη σε μγματίτη, μεγαλύτερα όμως κλάσματα τήγματος που σχετίζονται με τη διάσπαση βιοτίτη και/ή κεροστίλβης μπορεί να χρειάζονται για πλήρη αποχωρισμό του τήγματος από το πέτρωμα της πηγής ή για μαζική κινητοποίηση. 2. Διαδικασία τήξης: Η τήξη αφυδάτωσης πρoκαλεί μεγαλύτερη αύξηση όγκου από την τήξη σε συνθήκες κορεσμού σε νερό και επομένως είναι πιο αποτελεσματική για τη δημιουργία πορώδους στο πέτρωμα της πηγής. 3. Παραμόρφωση του πετρώματος της πηγής κατά την τήξη. Η παραμόρφωση μαγματικών σωμάτων με υψηλή κρυσταλλικότητα μπορεί να προκαλέσει διαστολή του όγκου καθώς οι κρύσταλλοι περιστρέφονται, ανακατεύονται και αλληλοεπιδρούν (διαστολική άντληση dilatancy pumping). Συγκεντρώσεις γρανίτη συχνά απαντούν κατά μήκος ζωνών διάτμησης ης (shear zones) (Σχ. χ 6) σε παραμορφωμένους ρφ μ μιγματίτες όπου το ευκίνητο υγρό μπορεί να σύρθηκε σε τοπικές θέσεις χαμηλότερης πίεσης με διαστολική άντληση. Ο πιθανός ρόλος των φαινομένων ιξώδους θέρμανσης (viscous heating) και θερμικής ανάδρασης (thermal feedback) στα μαγματικά συστήματα σημειώθηκε αρχικά από τον Shaw (1969). Οταν ένα παχύρρευστο σώμα υφίσταται διατμητική παραμόρφωση, η κινητική ενέργεια υποβαθμίζεται σε θερμική ενέργεια κατά ένα τρόπο ανάλογο με τη θέρμανση τριβής δύο στερεών σωμάτων που το ένα ολισθαίνει πάνω στο άλλο. Η αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στο σύστημα που ρέει εξαρτάται από την ταχύτητα της παραμόρφωσης, το φαινόμενο ιξώδες και διαστάσεις του συστήματος και την ταχύτητα διαφυγής της θερμότητας από το σύστημα. 13
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται κατά την ιξώδη θέρμανση, το ιξώδες του μάγματος μειώνεται, τοπικοποιώντας ενδεχομένως την επακόλουθη ροή και θέρμανση, προκαλώντας περαιτέρω μείωση του ιξώδους κ.ο.κ., κατά μία διαδικασία που αναφέρεται φρ ως θερμική ανάδραση (thermal feedback). H μαγματική ροή και ανάδραση μπορεί να γίνεται τοπικά κατά μήκος διάκριτων λεπτών επιφανειών μεταξύ παχύτερων στρωμάτων που παραμένουν χωρίς διατμητική παραμόρφωση. Τοφαινόμενοαυτόμπορεί να σχετίζεται με την ανάπτυξη στρωμάτωσης ροής σε ρεύματα παχύρρευστης λάβας. Είναι δύσκολο να είναι κανείς βέβαιος ποιό είναι το αίτιο και ποιό το αποτέλεσμα σε τέτοιους χαρακτήρες, επειδή η διατμητική παραμόρφωση μπορεί να εστιάζεται στα μέρη του πετρώματος που περιέχουν γρανιτικό τήγμα. Σχ. 6 (Best & Christiansen, 2001) 14