62. Skład chemiczny law wulkanicznych

Jesień już w pełni, więc dziś temat na rozgrzewkę. Zacznijmy od tego, że materiał skalny stopiony w głębinach Ziemi od panującego tam gorąca to magmalawą staje się dopiero po wypluciu przez wulkan na powierzchnię. Źródło tego wewnętrznego upału naszej planety to zagadnienie interesujące samo w sobie i być może kiedyś jeszcze przyjrzę mu się okiem chemika. Teraz jednak będziemy trzymać się powierzchni.

Z geografii wiemy, że istnieją dwa rodzaje wulkanów: jedne przez sporą część swego życia siedzą cicho jak mysz pod miotłą, ale gdy już wybuchną, to z przytupem. Towarzyszą temu katastrofalne skutki – wysoko w powietrze wystrzelona zostaje duża ilość tzw. materiału piroklastycznego, to znaczy rozpalonych pyłów i kamieni. Wulkan emituje też sporo samej lawy, a wszystko to może błyskawicznie pokryć dużą powierzchnię, np. całe miasta, tak jak było w przypadku Pompejów i Herkulanum. Często towarzyszy temu zniszczenie sporej części samego stożka wulkanicznego, tak jak w przypadku słynnego Santorynu (pierwotnie była to duża kolista wyspa, a obecnie, po kilku wielkich erupcjach, pozostał jedynie poprzerywany pierścień złożony z dużo mniejszych wysp i wysepek). Innym tego typu wulkanem jest sycylijska Etna.

Drugi rodzaj wulkanów zachowuje się spokojniej, choć nie znaczy to, że w ich pobliżu można czuć się całkiem bezpiecznie. Wulkany takie jak na Hawajach mogą emitować mnóstwo lawy przez długie okresy, przy czym lawa ta jest o wiele rzadsza (jej minimalną lepkość porównywano do konsystencji keczupu) i może przemieszczać się z dużą prędkością. Maksymalna zmierzona prędkość spływu lawy po nachylonym zboczu wynosi około 100 km/h, ale i po płaskim terenie lawa może płynąć z prędkością 40 km/h. Mielibyśmy więc problem z ucieczką na piechotę – nawet Usain Bolt, ustanawiając rekord świata na 100 m, biegł z prędkością ok. 37,5 km/h, i to tylko przez mniej więcej 9,5 sekundy.

Wypływ lawy o rzadszej konsystencji – wulkan Pahoehoe na Hawajach

Różnice w zachowaniu wulkanów wynikają właśnie ze składu lawy, który wpływa przede wszystkim na jej gęstość. Większość rodzajów lawy stanowią lawy krzemianowe. Inne występują na Ziemi bardzo rzadko, np. wulkan Lastarria w Chile wypluwa stopioną siarkę (czyli jest to lawa wyjątkowo chłodna, bo mająca tylko nieco ponad 113°C), a wulkan Ol Doinyo Lengai w Tanzanii – lawę karbonatytową, czyli składającą się z mieszaniny węglanów (wapnia, magnezu, sodu i potasu). Uważa się też, że złoża rud żelaza w Kirunie (Szwecja) zostały uformowane przez lawę zawierającą przede wszystkim tlenki żelaza, wyrzucaną przez wulkany w proterozoiku (co najmniej 600 milionów lat temu).

Właściwości law krzemianowych zależą od proporcji SiO₂ do innych tlenków (głównie wapnia, magnezu, glinu i żelaza). Związek ten może tworzyć polimeryczne łańcuchy, co zwiększa lepkość lawy, zatem odmiany o największej zawartości ditlenku krzemu są najmniej płynne. Lawy dzieli się na cztery typy:

  1. Lawy felsyjne (ang. felsic), nazywane też kwaśnymi (zawierają co najmniej 63% SiO₂, np. riolit 73%), o dużej gęstości i szybko krzepnące, co powoduje zatykanie kominów wulkanicznych i gwałtowne erupcje, czyli wybuchy wulkanów w ścisłym sensie.
  2. Lawy pośrednie, zwane też andezytowymi (andezyt zawiera ok. 60% SiO₂), których płynność przyrównuje się do masła orzechowego. Zawierają też mniej glinu, a więcej magnezu i żelaza niż lawy felsyjne. Dwa pierwsze typy lawy tworzą typowe stożki wulkaniczne.
  3. Lawy maficzne (ang. mafic), inaczej bazaltowe, mają zawartość SiO₂ w granicach 45–52% i, jak już wspomniałem, konsystencję keczupu. Bywają wypychane na powierzchnię pod dużym ciśnieniem – obserwowano np. fontanny lawy bazaltowej tryskające na wysokość 10 metrów. Z uwagi na łatwość rozlewania się takiej lawy powstają z nich wulkany tarczowe, chyba że wulkan jest podmorski. Wtedy chłodzenie przez wodę powoduje szybkie zastyganie i budowanie typowego stożka. Zjawisko to obserwujemy obecnie na Hawajach – archipelag ten został utworzony przez szereg wulkanów powstających kolejno w miarę przesuwania się dna oceanicznego ponad jednym słupem gorącej magmy w płaszczu Ziemi. Z uwagi na dużą głębokość Pacyfiku w tym miejscu wyspy hawajskie należą do najwyższych gór na Ziemi, jeśli mierzyć od podstawy. Mauna Kea wznosi się na ponad 10 km, czyli więcej niż Mount Everest. Jednak to i tak niewiele, jeśli porównać ją z najwyższą znaną górą w Układzie Słonecznym, wulkanem Olympus Mons na Marsie, który mierzy 21 km ponad średnią powierzchnię planety. Urósł tak duży dzięki temu, że w okresie jego aktywności na Marsie nie występowały już ruchy płyt tektonicznych.
  4. Lawy ultramaficzne, zawierające poniżej 45% ditlenku krzemu, a równocześnie dużo więcej tlenku magnezu niż inne typy (18%). Takie lawy nie są dzisiaj emitowane przez ziemskie wulkany, gdyż są płynne w bardzo wysokich temperaturach (ok. 1600°C, podczas gdy pozostałe typy law 800–1200°C), a płaszcz Ziemi zbytnio już ostygł. Najmłodsze pokłady law ultramaficznych mają około pół miliarda lat; szacuje się, że miały płynność porównywalną do płynności lekkiego oleju smarowego.

W przypadku gdy lawa zawiera duży procent tlenków sodu i potasu, mówi się też o lawach zasadowych (dotyczy to głównie law maficznych i ultramaficznych).

A jak jest na innych ciałach niebieskich? Ślady czynnego lub przeszłego wulkanizmu zaobserwowano na wielu planetach i ich satelitach. Aktywność wulkaniczna Wenus i skład chemiczny występujących tam law są podobne jak na Ziemi, gdyż pod względem budowy Wenus przypomina naszą planetę. Podobnie było kiedyś na Marsie – najprawdopodobniej ostatnie wulkany na tej planecie ucichły pod koniec ery dinozaurów (aczkolwiek istnieją ślady po płynącej lawie, które mogą liczyć zaledwie 53 tysiące lat).

Olympus Mons na Marsie, góra o powierzchni Polski

Ciekawsze są natomiast obiekty bardziej oddalone od Słońca. W odległej przeszłości wulkany wyrzucające lawę bazaltową istniały na jednej z największych asteroid, Weście. Tamtejszy wulkan Rheasilvia jest również kandydatem do tytułu największej góry Układu Słonecznego – według niektórych szacunków może mieć wysokość nawet 25 km, co jest bardzo niezwykłe w przypadku tego względnie niewielkiego ciała niebieskiego (średnica ok. 525 km).

Rheasilvia na planetoidzie Westa (nazwa pochodzi od imienia kapłanki zbałamuconej przez Marsa [tak przynajmniej mówiła ojcu], matki Romulusa i Remusa). To ten pypeć lewo-góra od środka fotografii.

Obecnie natomiast obserwujemy aktywne wulkany na Io, księżycu Jowisza. Satelita ten zawiera bardzo dużo siarki, w związku z czym występują na nim nie tylko lawy bazaltowe, ale także siarkowe. Znamy 150 czynnych wulkanów na Io, a szacunki mówią, że może ich być nawet 400. Zmierzone temperatury erupcji sięgają 1300°C, co może sugerować lawy ultramaficzne.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja na Enceladusie, księżycu Saturna. Na powierzchni tego satelity temperatura nie przekracza –128°C, więc istniejące tam wulkany noszą nazwę kriowulkanów, czyli „zimnych wulkanów”. Wyrzucają przede wszystkim parę wodną, a także wodór cząsteczkowy i cząstki stałe (m.in. lód wodny i chlorek sodu). Można więc nazywać je też gejzerami. Ich istnienie wynika z obecności na tym księżycu podpowierzchniowego oceanu ciekłej wody. Podobne fenomeny występują na mającym zbliżoną budowę księżycu Jowisza, Europie (maks. temp. –150°C).

Kriowulkany Enceladusa, wizja artystyczna

Najbardziej oddalonym od Słońca ciałem niebieskim, na którym zaobserwowano zjawiska wulkaniczne (kriowulkaniczne), jest największy księżyc Neptuna – Tryton. Jego wulkanizm jest bardzo nietypowy, gdyż na powierzchni Trytona panuje temperatura ok. –235°C. Powierzchnia ta jest pokryta warstwą zamarzniętego azotu, pod którym znajduje się lodowa skorupa, a poniżej podobny płaszcz (głównie H₂O). Z uwagi na to, że atmosfera Trytona jest wysoce umowna (ciśnienie równe 1/70 000 ciśnienia ziemskiego na poziomie morza), azot pod powierzchnią, gdzie jest odrobinkę cieplej, sublimuje i jest wystrzeliwany na zewnątrz jako gaz. Byłaby to więc jedyna w swoim rodzaju lawa gazowa.

Powierzchnia Trytona

Tekst pierwotnie opublikowany na facebookowej stronie dla nauczycieli chemii Wydawnictwa Nowa Era.

[źródła: German Portillo „Differences between magma and lava”, Meteorology Red Level,  https://www.meteorologiaenred.com/en/diferencias-entre-magma-y-lava.html; Educalingo, https://educalingo.com/pl/dic-en/mafic; Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Lava, https://pl.wikipedia.org/wiki/Lawa; Kazimierz Smulikowski „Uwagi o cieszyńskiej prowincji magmowej”, Rocznik Polskiego Towarzystwa Geologicznego, vol. L–1: 41–54]

[źródła ilustracji: Zdjęcie 31659905 © Siimsepp | Dreamstime.com (wiodąca), Zdjęcie 25125413 © Pablo Hidalgo | Dreamstime.com, J.D. Griggs – https://pubs.usgs.gov/dds/dds-80/, Public Domain, archiwum własne × 3, Koutsogiannopoulos Wine Museum, Google Maps, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3970854, NASA]

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *