Lava

Samenstelling

De samenstelling van bijna alle lava van de aardkorst wordt gedomineerd door silicaatmineralen: voornamelijk veldspaat, veldspaat, olivijn, pyroxenen, amfibolen, micas en Kwarts. Zeldzame niet-silicaatlavas kunnen worden gevormd door lokaal smelten van niet-silicaat-minerale afzettingen of door scheiding van een magma in afzonderlijke niet-mengbare silicaat- en niet-silicaat-vloeistoffasen.

Silicaatlavas

Silicaatlavas zijn gesmolten gedomineerd door zuurstof en silicium, de meest voorkomende chemische elementen van de aarde, met kleinere hoeveelheden aluminium, calcium, magnesium, ijzer, natrium en kalium, en kleine hoeveelheden van vele andere elementen. Petrologen drukken de samenstelling van een silicaatlava routinematig uit in termen van het gewicht of de molaire massafractie van de oxiden van de belangrijkste elementen (behalve zuurstof) die in de lava aanwezig zijn.

Het fysieke gedrag van silicaatmagmas wordt gedomineerd. door de silica-component. Siliciumionen in lava binden sterk aan vier zuurstofionen in een tetraëdrische opstelling. Als een zuurstofion is gebonden aan twee siliciumionen in de smelt, wordt het beschreven als een overbruggende zuurstof, en lava met vele klonten of ketens van siliciumionen verbonden door overbruggende zuurstofionen wordt beschreven als gedeeltelijk gepolymeriseerd. Aluminium in combinatie met alkalimetaaloxiden (natrium en kalium) heeft ook de neiging om de lava te polymeriseren. Andere kationen, zoals ferro-ijzer, calcium en magnesium, hechten veel zwakker aan zuurstof en verminderen de neiging tot polymerisatie. Gedeeltelijke polymerisatie maakt de lava stroperig, dus lava met veel silica is veel stroperiger dan lava met weinig silica.

Vanwege de rol van silica bij het bepalen van de viscositeit, en omdat veel andere eigenschappen van een lava (zoals zijn temperatuur) correleren met silicagehalte, worden silicaatlavas onderverdeeld in vier chemische typen op basis van silicagehalte: felsisch, intermediair, mafisch en ultramafisch.

Felsische lava

Felsic of kiezelzuur lava hebben een silicagehalte van meer dan 63%. Ze omvatten ryoliet- en daciet-lavas. Met zon hoog silicagehalte zijn deze lavas extreem stroperig, variërend van 108 cP voor hete rhyolietlava bij 1.200 ° C (2190 ° F) tot 1011 cP voor koele rhyolietlava bij 800 ° C (1470 ° F). Ter vergelijking: water heeft een viscositeit van ongeveer 1 cP. Vanwege deze zeer hoge viscositeit barsten felsische lava gewoonlijk explosief uit om pyroclastische (fragmentarische) afzettingen te produceren. Echter, ryoliet-lavas barsten af en toe uitbundig uit en vormen lava-stekels, lavakoepels of “coulees” (dit zijn dikke, korte lavastromen). De lavas fragmenteren meestal terwijl ze extruderen, waardoor blok lavastromen ontstaan. Deze bevatten vaak obsidiaan.

Felsische magmas kunnen uitbarsten bij temperaturen zo laag als 800 ° C (1470 ° F). Ongewoon hete (> 950 ° C; > 1740 ° F) rhyolietlava kunnen echter over afstanden van vele tientallen kilometers stromen, zoals in de Snake River Plain in het noordwesten van de Verenigde Staten.

Tussenliggende lava

Tussenliggende of andesitische lavas bevatten 52% tot 63% silica, en zijn lager in aluminium en meestal iets rijker in magnesium en ijzer dan felsic lava. Tussenliggende lavas vormen andesietkoepels en bloklavas en kunnen voorkomen op steile samengestelde vulkanen, zoals in de Andes. Ze zijn ook vaak heter, in het bereik van 850 tot 1.100 ° C (1560 tot 2010 ° F)). Vanwege hun lagere silicagehalte en hogere eruptietemperaturen, hebben ze de neiging veel minder stroperig te zijn, met een typische viscositeit van 3,5 x 106 cP bij 1.200 ° C (2.190 ° F). Dit is iets groter dan de viscositeit van gladde pindakaas. Tussenliggende lavas vertonen een grotere neiging om fenocrysten te vormen, hoger ijzer en magnesium hebben de neiging om zich te manifesteren als een donkerdere grondmassa, inclusief amfibool- of pyroxeenfenocrysten.

Mafische lava

Mafische of basaltische lavas hebben een silicagehalte van 52% tot 45%. Ze worden gekenmerkt door hun hoge ferromagnesiumgehalte en barsten in het algemeen uit bij temperaturen van 1.100 tot 1.200 ° C (2.010 tot 2.190 ° F). Viscositeiten kunnen relatief laag zijn, rond de 104 tot 105 cP, hoewel dit nog steeds vele ordes van grootte hoger is dan bij water. Deze viscositeit is vergelijkbaar met die van ketchup. Basaltlavas hebben de neiging om laag-profiel schildvulkanen of vloedbasalt te produceren, omdat de vloeibare lava over lange afstanden van de ventilatieopening stroomt. De dikte van een basaltlava, in het bijzonder op een lage helling, kan veel groter zijn dan de dikte van de bewegende lavastroom op een bepaald moment, omdat basaltlava kan “opblazen” door toevoer van lava onder een gestolde korst. De meeste basaltlavas zijn van Aa of pahoehoe-typen, in plaats van blok-lavas. Onder water kunnen ze kussenlavas vormen, die nogal lijken op pahoehoe-lavas van het entrail-type op het land.

Ultramafische lava

Ultramafische lava, zoals komatiiet en zeer magnesiaire magmas die boniniet vormen, nemen de samenstelling en temperaturen van uitbarstingen tot het uiterste. Ze hebben allemaal een silicagehalte van minder dan 45%. Komatiieten bevatten meer dan 18% magnesiumoxide en er wordt aangenomen dat ze zijn uitgebarsten bij temperaturen van 1600 ° C (2910 ° F). Bij deze temperatuur vindt praktisch geen polymerisatie van de minerale verbindingen plaats, waardoor een zeer mobiele vloeistof ontstaat. Aangenomen wordt dat de viscositeit van komatiietmagmas zo laag is als 100 tot 1000 cP, vergelijkbaar met die van lichte motorolie. De meeste ultramafische lavas zijn niet jonger dan de proterozoïcum, met enkele ultramafische magmas die bekend zijn uit het phanerozoïcum in Midden-Amerika en die worden toegeschreven aan een hete mantelpluim. Er zijn geen moderne komatiiet-lavas bekend, aangezien de aardmantel te veel is afgekoeld om zeer magnesiaans magma te produceren.

Akaline-lavas

Sommige kiezelzuurlavas hebben een verhoogd gehalte aan alkalimetaaloxiden (natrium en kalium), met name in regios met continentale rifting, gebieden die diep ondergedompelde platen bedekken of op hotspots binnen de plaat. Hun silicagehalte kan variëren van ultramafisch (nefelinieten, basanieten en tefriet) tot felsisch (trachyten). gegenereerd op grotere diepten in de mantel dan subalkalische magmas. Olivijn nefeliniet lavas zijn zowel ultramafisch als sterk alkalisch, en men denkt dat ze van veel dieper in de mantel van de aarde komen dan andere lavas.

/ h4>

Sommige lavas met een ongewone samenstelling zijn uitgebarsten op het aardoppervlak. Deze omvatten:

• Carbonatiet- en natrocarbonatiet-lavas zijn bekend van de Ol Doinyo Lengai-vulkaan in Tanzania, de enig voorbeeld van een actief carbonatiet vol cano. Carbonatieten in het geologische record zijn typisch 75% carbonaatmineralen, met kleinere hoeveelheden silica-onderverzadigde silicaatmineralen (zoals micas en olivijn), apatiet, magnetiet en pyrochloor. Dit weerspiegelt mogelijk niet de oorspronkelijke samenstelling van de lava, die mogelijk natriumcarbonaat bevatte dat vervolgens werd verwijderd door hydrothermale activiteit, hoewel laboratoriumexperimenten aantonen dat een calcietrijk magma mogelijk is. Carbonatiet-lavas vertonen stabiele isotoopverhoudingen, wat aangeeft dat ze zijn afgeleid van de sterk alkalische kiezelzuurlavas waarmee ze altijd geassocieerd zijn, waarschijnlijk door scheiding van een niet-mengbare fase. Natrocarbonatiet-lavas van Ol Doinyo Lengai bestaan voornamelijk uit natriumcarbonaat, met ongeveer de helft zoveel calciumcarbonaat en weer half zoveel kaliumcarbonaat en kleine hoeveelheden halogeniden, fluoriden en sulfaten. De lavas zijn extreem vloeibaar, met een viscositeit die slechts iets groter is dan die van water, en zijn erg koel, met gemeten temperaturen van 491 tot 544 ° C (916 tot 1011 ° F).
• IJzeroxide lava wordt verondersteld de bron te zijn van het ijzererts in Kiruna, Zweden, dat gevormd werd tijdens het proterozoïcum. IJzeroxide-lavas uit het Plioceen komen voor in het vulkanische complex El Laco aan de grens tussen Chili en Argentinië. Men neemt aan dat ijzeroxide-lavas het resultaat zijn van een niet-mengbare scheiding van ijzeroxide-magma uit een oudermagma met een calc-alkalische of alkalische samenstelling.
• Zwavellava stroomt tot 250 meter lang en 10 meter breed bij de Lastarria-vulkaan, Chili. Ze werden gevormd door het smelten van zwavelafzettingen bij temperaturen zo laag als 113 ° C (235 ° F).

De term “lava” kan ook worden gebruikt om te verwijzen naar gesmolten “ijsmengsels” bij uitbarstingen op de ijzige satellieten van de gasreuzen van het zonnestelsel. (zie cryovolcanisme). p>

Reologie

Het gedrag van lavastromen wordt grotendeels bepaald door de viscositeit van de lava. Terwijl de temperaturen in gewone silicaatlavas variëren van ongeveer 800 ° C (1470 ° F) voor felsische lava tot 1.200 ° C (2190 ° F) voor mafische lava, de viscositeit van dezelfde lava varieert meer dan zeven orden van grootte, van 104 cP voor mafische lava tot 1011 cP voor felsische magmas. De viscositeit is wordt meestal bepaald door de samenstelling, maar is ook afhankelijk van de temperatuur. De neiging van felsische lava om koeler te zijn dan mafische lava vergroot het viscositeitsverschil.

Lava-viscositeit bepaalt het soort vulkanische activiteit dat plaatsvindt wanneer t de lava is uitgebarsten. Hoe groter de viscositeit, hoe groter de neiging dat uitbarstingen eerder explosief dan uitbundig zijn. Als gevolg hiervan zijn de meeste lavastromen op aarde, Mars en Venus samengesteld uit basaltlava. Op aarde is 90% van de lavastromen maffisch of ultramafisch, waarbij tussenliggende lava 8% van de stromen uitmaakt en felsische lava slechts 2% van de stromen uitmaakt. De viscositeit bepaalt ook het aspect (dikte ten opzichte van laterale omvang) van stromingen, de snelheid waarmee stromingen bewegen en het oppervlaktekarakter van de stromingen.

Wanneer ze uitbundig uitbarsten, barsten zeer stroperige lava bijna uitsluitend uit als high-aspect stromen of koepels. Stromen nemen de vorm aan van bloklava in plaats van aā of pāhoehoe. Obsidiaanstromen komen vaak voor. Tussenliggende lavas hebben de neiging om steile stratovolkanen te vormen, met afwisselende lavabedden van uitbundige uitbarstingen en tefra van explosieve uitbarstingen. Mafische lavas vormen relatief dunne stromen die zich over grote afstanden kunnen verplaatsen en vormen schildvulkanen met zeer zachte hellingen.

De meeste lavas bevatten vaste kristallen van verschillende mineralen, fragmenten van exotische rotsen die bekend staan als xenolieten en fragmenten van eerder gestolde lava. Het kristalgehalte van de meeste lavas geeft ze thixotrope en afschuifverdunnende eigenschappen. Met andere woorden, de meeste lava gedragen zich niet als Newtoniaanse vloeistoffen, waarbij de stroomsnelheid evenredig is met de schuifspanning. In plaats daarvan is een typische lava een Bingham-vloeistof, die een aanzienlijke stromingsweerstand vertoont totdat een spanningsdrempel, de vloeispanning genaamd, wordt overschreden. Dit resulteert in een propstroom van gedeeltelijk kristallijne lava. Een bekend voorbeeld van propstroom is tandpasta die uit een tube tandpasta wordt geperst. De tandpasta komt eruit als een halfvaste plug, omdat de shear in een dunne laag in de tandpasta naast de tube is geconcentreerd, en alleen hier gedraagt de tandpasta zich als een vloeistof. Thixotroop gedrag verhindert ook dat kristallen uit de lava bezinken. Zodra het kristalgehalte ongeveer 60% bereikt, gedraagt de lava zich niet langer als een vloeistof en begint hij zich te gedragen als een vaste stof. Zon mengsel van kristallen met gesmolten gesteente wordt soms omschreven als kristalbrij.

De stromingssnelheden van lavastromen variëren voornamelijk op basis van viscositeit en helling. Over het algemeen stroomt lava langzaam, met typische snelheden van 0,25 mph (0,40 km / h) en maximale snelheden van 6 tot 30 mph (9,7-48,3 km / h) op steile hellingen. Een uitzonderlijke snelheid van 20 tot 60 mph (32 tot 97 km / u) werd geregistreerd na de ineenstorting van een lavameer bij de berg Nyiragongo. De schaalverhouding voor lavas is dat de gemiddelde snelheid van een stroom wordt geschaald als het kwadraat van de dikte gedeeld door de viscositeit. Dit impliceert dat een rhyolietstroom ~ 1000 × zo dik als een basaltstroom zou moeten zijn om met een vergelijkbare snelheid te stromen.

Thermisch

Lavas variëren in temperatuur van ongeveer 800 ° C (1470 ° F) tot 1.200 ° C (2.190 ° F). Dit is vergelijkbaar met de heetste temperaturen die haalbaar zijn met een houtskoolsmederij met geforceerde lucht. Een lava is het meest vloeibaar wanneer hij voor het eerst uitbarst en wordt veel stroperiger naarmate de temperatuur daalt.

Lavastromen ontwikkelen snel een isolerende korst van vast gesteente, als gevolg van stralingsverlies van warmte. Daarna koelt de lava af door zeer langzame geleiding van warmte door de rotsachtige korst. Geologen van de United States Geological Survey boorden regelmatig in de Kilauea Iki lavameer, gevormd tijdens een uitbarsting in 1959. Het meer was ongeveer 100 m (330 ft) diep. Na drie jaar was de vaste oppervlaktekorst, waarvan de basis een temperatuur van 1065 ° C (1949 ° F) had, stil l slechts 14 m dik. Restvloeistof was nog steeds aanwezig op een diepte van ongeveer 80 m (260 ft) negentien jaar na de uitbarsting.

Afkoelende lavastromen krimpen, en dit resulteert in het breken van de stroom. In basaltstromen levert dit een karakteristiek breukpatroon op. De bovenste delen van de stroom vertonen onregelmatige neerwaartse breuken, terwijl het onderste deel van de stroom een zeer regelmatig patroon van breuken vertoont die de stroom opsplitsen in vijf- of zeszijdige kolommen. Het onregelmatige bovenste deel van de gestolde stroom wordt het hoofdgestel genoemd, terwijl het onderste deel dat kolomvormige verbindingen vertoont de collonade wordt genoemd. De termen zijn ontleend aan de Griekse tempelarchitectuur. Evenzo worden regelmatige verticale patronen aan de zijkanten van kolommen, geproduceerd door afkoeling met periodieke breuk, beschreven als beitelmarkeringen. Dit zijn natuurlijke kenmerken die voortkomen uit de fysica van afkoeling, thermische samentrekking en breuk.

Terwijl de lava afkoelt en naar binnen kristalliseert vanaf de grenzen, worden gassen uit de lava verdreven om blaasjes te vormen aan de onder- en bovengrenzen . Deze worden beschreven als pijpsteelblaasjes of pijpsteelamygdales. Vloeistoffen die uit de koelkristallen brij worden verdreven, stijgen omhoog in het stilstaande vloeistofcentrum van de koelstroom en produceren verticale blaasjescilinders. Waar deze samensmelten naar de top van de stroom, worden vellen vesiculair basalt gevormd die soms worden afgedekt met gasholtes. Deze zijn soms gevuld met secundaire mineralen. De prachtige amethistgeodes die in de vloedbasalten van Zuid-Amerika worden aangetroffen, zijn op deze manier gevormd.

Overstromingsbasalt ondergaan doorgaans weinig kristallisatie voordat ze zijn gestopt met stromen, en als gevolg daarvan zijn vloei-texturen ongebruikelijk in minder kiezelstromen . Aan de andere kant is flow banding gebruikelijk in felsic flows.