Osaline sulamine

Osaline sulamine ehk osaline ülessulamine on magmaline protsess, kus kivim hakkab sulama sulamisvahemiku alumises otsas, moodustades magma, mille keemiline koostis erineb lähtekivimi koostisest.^[1]

Suurem osa magmast luuakse ülavahevöös. Viimane koosneb põhiliselt peridotiidist, mille peamised koostisosad on oliviin ja pürokseen. Vahevöö on üldjuhul tahke, kuid mõningates osades on rõhu ja temperatuuri tingimused parajad selleks, et põhjustada kivimite sulamist. Võrreldes oliviiniga, on pürokseen madalama sulamistemperatuuriga ja hakkab sulama esimesena. Kivimi ülessulamisel tekib esimene sula eri tüüpi mineraaliterade kokkupuute pindadel. Siiski ei sula vahevöö kivimid terves ulatuses kunagi üles, sest pärast kivimi juba mõneprotsendilist sulamist hakkab sula liikuma ülespoole ning lahkub oma algsest tekkekohast. Teel maakoore ülemistesse kihtidesse liituvad väikesed sulakehad suuremateks kokku. Osalise ülessulamise üldreegli kohaselt muutub tekkinud sula ränirikkamaks kui tema lähtekivim. Sellepärast sisaldab tekkinud magma rohkem Si ja vähem Mg kui lähtekivim. Peridotiidi, ultraaluselise lähtekivimi, osalisel ülessulamisel tekib üks põhilisi magmatüüpe – aluseline (basaltne) magma.^[2]

Ka kaks teist põhilist magmatüüpi – andesiitsed ja graniitsed magmad – on osalise sulamise teel tekkinud.^[3]

Skemaatilised graafikud (pildil paremal), mis näitavad magma tekkega seotud füüsikalisi protsesse Maa ülavahevöös, on ühtlasi osalise sulamise tekke põhiskeemid. A...D on erinevad laamtektoonilised olukorrad. Graafikutel on näidatud punase joonega geotermiline gradient (temperatuurikõver Maa sees) ja rohelise joonega vahevöö ainese solidusjoon (faasidiagrammil kivimi sulamise algtemperatuure näitav joon). Kui kaks kõverat lõikuvad, algab osaline sulamine ja järelikult ka magma teke.

A) Tavaolukord: kõverad ei lõiku ja vahevöö aineses osalist sulamist ei saa tekkida – seetõttu magmat tavaolukorras ei moodustu. Näiteks 200 kilomeetri sügavusel maapinnast on vahevöö temperatuur ligi 1500 °C, kuid siiski ebapiisav, et vahevöö materjal (peridotiit) hakkaks üles sulama.^[2]

B) Ookeani keskahelikes leiab osaline sulamine aset üsna madalal sügavusel kõrge temperatuuri ja väga õhukese litosfääri juures.

C) Vahevöö pluumis toimub osaline sulamine suurematel sügavustel veelgi kõrgemate temperatuuride tõttu, kuid paksema litosfääri juures.

D) Subduktsioonivööndites leiab aset osaline sulamine suurematel sügavustel vee lisandumisest tingitud kivimi soliduse vähenemise tõttu.

Ookeanide keskahelike all on vahevöö konvektiivsed tõusuvoolud, mis toovad kivimid madalama rõhuga piirkonda, kus algab osaline sulamine. Enne kui materjal liikuma hakkab, on rõhk astenosfääris piisavalt kõrge, et ülessulamist takistada. Kui materjal liigub ülespoole, siis rõhk langeb. Seepärast satub aines sellistesse temperatuuri ja rõhu tingimustesse (faasidiagrammil solidusjoonest paremale jääv ala), kus materjal hakkab osaliselt sulama.^[2]

Sellise osalise sulamise protsessi põhjuseks on dekompressionaalne sulamine, mis toimub vahevöö ainese adiabaatilise tõusu tulemusena.^[4]

Vahevöö mõnedes alumistes osades on temperatuur ümbritsevast tunduvalt kõrgem. Selliseid soojuse allikaid nimetatakse kuumadeks täppideks. Nendes kohtades on vahevöö materjal kuumem ja seetõttu ümbritsevast kergem. Seetõttu tõuseb too materjal vahevöö ülemistesse osadesse peenikeste sammaste ehk vahevöö pluumidena. Kui pluumide aines jõuab vahevöö ülemistesse osadesse, on rõhk tunduvalt alanenud selleks, et materjal hakkaks osaliselt sulama.^[5]

Ka sellise osalise sulamise protsessi põhjuseks on dekompressionaalne sulamine, mis toimub vahevöö ainese adiabaatilise tõusu tulemusena.

Osalist sulamist mõjutavate tegurite hulgas on lisaks temperatuurile ja rõhule ka kivimi koostis. Näiteks kui kivimile lisandub täiendava komponendina vesi, siis see vähendab kivimi solidust.^[6]

Subduktsioonivööndites sukeldub ookeaniline laam mandrilise laama alla. Sukeldunud laama sügavamale nihkudes hakkab tõusma temperatuur ja rõhk, mis viib kivimite moondumisele. Moonde käigus kristalliseeruvad kivimid ümber, kusjuures kristallstruktuuris olnud vesi tõrjutakse välja. Vabanenud vesi liigub ülespoole sukelduva laama kohal olevasse vahevöö kiilu ja segunedes sealse ainesega (peridotiitidega) vähendab selle solidust sedavõrd^[7], et algab peridotiitide osaline sulamine ning moodustuma hakkavad esimesed magmatilgad. Sulanud magma on lähtekivimist väiksema tihedusega ja hakkab seetõttu aeglaselt ülespoole liikuma.

Kõrvaloleval pildil on näidatud kahte skemaatilist graafikut – kuiva peridotiidi ja hüdrateeritud peridotiidi sulamise graafikuid, kus horisontaalteljeks on temperatuur ja vertikaalteljeks sügavus (ka rõhk). Graafikutel on punase joonega tähistatud geotermiline gradient, tumesinise joonega peridotiidi solidusjoon ja tumekollase joonega likvidusjoon. Helesinise värviga tähistatud alas on materjal osaliselt üles sulanud ja kollast värvi alas on materjal täielikult üles sulanud. Vasakpoolne graafik kirjeldab tavaolukorda – üldjuhul on peridotiit Maa sisemuses tahke, sest tema solidusjoon ei lõiku Maa geotermilise gradiendiga. Seevastu parempoolsel graafikul nad lõikuvad, sest subduktsioonivööndites vee lisandumine peridotiidile vähendab viimase solidust ja algab osaline sulamine.