Välkomna till kursen Världens vulkaner 7,5 hp

Transkript

1 Lektion 1 / sida 1 Vad är det egentligen som kommer ut ur vulkanen? Välkomna till kursen Världens vulkaner 7,5 hp Otto Hermelin / SU

2 Manteln och dess beståndsdelar Under förra lektionen såg vi att vulkaner och vulkanism är starkt förknippad med plattektoniken. Plattektoniken resulterar i att manteln smälter och magma bildas. Manteln består av ca 43 % SiO 2, 38% MgO, 9 % FeO, 4 % Al 2 O 3, 4 % CaO och 2 % NaO. Dessa oxider bygger upp de mineral som i sin tur bygger upp de bergarter som bygger upp manteln. Följande mineral har hittats i manteln: Olivin, Pyroxen, Granat, Biotit och Amfibol. Vi skall starta med att titta lite närmare på dessa beståndsdelar vi börjar med att titta på de mineral som bygger upp de bergarter som bildas i samband med vulkanisk aktivitet. Olivin Amfibol Granat

3 Vad är ett mineral? Ett mineral är ett fast oorganiskt ämne som förekommer i naturen och är definierat genom sin kemiska sammansättning och kristallstruktur. Ett eller flera mineral bildar tillsammans en bergart. När ett mineral, ur ekonomisk synvinkel, är brytvärt för framställning av metall, kallas det för malm. Omkring mineral har upptäckts varav omkring 30 är vanligt förekommande på jorden och ett femtiotal är bergartsbildande. Några av de vanligare mineralen är fältspat, kvarts och glimmer. Mineral kan indelas efter sin kemiska sammansättning, men också efter sina fysikaliska egenskaper, såsom färg, densitet eller hårdhet. I äldre naturvetenskap ansågs mineral utgöra ett eget rike, mineralriket, jämbördigt med växtriket och djurriket.

4 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Olivin - (Fe,Mg) 2 SiO 4 Vanligen olivgrönt mineral, som utgör en dominerande beståndsdel i jordens mantel. I jordskorpan förekommer olivin främst i kiselfattiga mafiska och ultramafiska bergarter som har en sammansättning som liknar mantelns och som härstammar från denna.

5 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Pyroxengruppen (Na,Ca,Fe,Mg,Al) 2 Si 2 O 6 Grupp av mineral, med vanligen mörkgröna till svarta prismatiska kristaller. Förekommer i mafiska (kiselfattiga) magmatiska bergarter (basalt, diabas, gabbro) och i en del metamorfa bergarter bildade vid högt tryck.

6 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Amfibolgruppen (t.ex. hornblände) - NaCa 2 (Mg,Fe,Al) 5 (Si,Al) 8 O 22 (OH) 2 Amfibolerna utgör en hel grupp mineral med komplicerad sammansättning, vanligen mörk färg och avlång, ibland fibrös (ex. asbest), kristallform. Den vanligaste amfibolen är hornblände, som uppträder i många magmatiska och metamorfa bergarter.

7 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Biotit (mörk glimmer) - K(Mg,Fe) 3 Si 3 AlO 10 (OH) 2 Mörkt flakigt mineral med en perfekt spaltriktning. Ingår i många magmatiska och metamorfa bergarter, och kan liksom muskoviten bidra till en bergarts skiffrighet.

8 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Kvarts - SiO 2 Kvarts är ren kiseldioxid. Den är oftast vit eller färglös, med oregelbundet "mussligt" brott. Den utgör dominerande beståndsdel i sandsten och kvartsit, och en viktig beståndsdel i graniter och gnejser av olika slag. Klara, friväxande, färglösa kristaller av kvarts kallas bergkristall. Andra färgvarianter är ametist (violett), citrin (gul) och rökkvarts (rökfärgad). Extremt finkristallina former, bildade som utfällningar ur olika vattenlösningar, kallas kalcedon, agat (bandad), jaspis och flinta. Opal är en amorf (icke-kristallin) form av kiseldioxid, liksom agat användbar som smyckesten.

9 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Muskovit (ljus glimmer) - KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH) 2 Ljust flakigt mineral med en perfekt spaltriktning. Ingår i en del graniter liksom i gnejs och glimmerskiffer. I sistnämnda fall är det glimmerflakens parallella orientering som ger upphov till bergartens skiffrighet. Stora packar av muskovit kan påträffas i många pegmatitgångar.

10 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Kalifältspat - KAlSi 3 O 8 Förekommer som de tre mineralen sanidin, ortoklas och mikroklin, vilka har samma sammansättning men olika kristallstruktur. Vit eller röd, med spaltytor i två riktningar. Utgör en viktig beståndsdel i många magmatiska och metamorfa bergarter, decimeterstora kristaller vanliga i pegmatitgångar. Sanidin Mikroklin Ortoklas

11 Våra vanligaste bergartsbildande mineral Plagioklas (Na-Ca-fältspat) - (Na,Ca)Al(Al,Si)Si 2 O 8 Bildar en kemisk serie från albit (Na-fältspat) till anortit (Ca-fältspat). Vanligen vit till gråvit, med spaltytor i två riktningar. Utgör en viktig beståndsdel i de flesta magmatiska och metamorfa bergarter, decimeter-stora kristaller vanliga i pegmatitgångar. Albit - NaAlSi 3 O 8 Anortit - CaAl 2 Si 2 O 8

12 Varför smälter manteln? När manteln börjar smälta sker det i den delen som ligger närmast skorpan. SÄNKT TRYCK Ju längre in i jorden man kommer desto högre blir trycket (och temperaturen). Så när en bit av manteln börjar närma sig skorpan (genom konvektion) resulterar det i att trycket sjunker och då börjar den och smälta. TILLFÖRSEL AV VOLATILER Manteln kan också tillföras volatiler (vatten och koldioxid) från subducerad havsbotten. Då bryts bindningar i mineralen vilket gör att smältpunkten sänks. UPPHETTNING AV OMGIVANDE BERGARTER När manteln börjar smälta och bilda magma rör sig den magman upp mot skorpan och på vägen hettar den upp omgivande bergarter. Vilket gör att även de kan börja smälta och bildar då ännu mer magma.

13 Hur smälter manteln? Manteln smälter endast delvis (eftersom olika mineral smälter olika mycket) vilket gör att magman som bildas inte kommer att ha samma sammansättning som manteln den bildades av. Den första smälta som bildas kommer att vara den som är kisel (Si) rikast. Ju mer av manteln som smälter desto mindre kisel kommer vi att hitta i den bildade magman.

14 Olika typer av magma Magma (lava) uppträder i flera olika kemiska sammansättningar och geologerna beskriver dessa genom att specificera kiselinnehållet (SiO 2 ).

15 Fyra typer av magma Lava med höga halt ( 70%) kisel kallas felsisk (förr sur ), lava med intermediär ( 60%) kiselhalt andesitisk (eller intermediär) medan lava med låg ( 50%) kiselhalt mafisk (förr basisk. Är kiselhalten mindre än 40% talar man om ultramafisk lava. Ultramafisk <40% SiO 2 Mafisk 50% SiO 2 Intermediär 60% SiO 2 Felsisk 70% SiO 2

16 Varför bildas olika magmor? Mantelns sammansättning Manteln är inte homogen (likadan) över allt. Mer och mer forskning visar att mantelns sammansättning antagligen är ganska olika (heterogen) i sin sammansättning. Det bidrar självklart till att magma med olika sammansättning bildas när det smälter. Delvis uppsmältning Manteln smälter som vi vet bara delvis. Det gör att magmans sammansättning beror av hur mycket av manteln som smälte när just den magman bildades. Kontaminering Magman kan förorenas (kontamineras) när den smälter omgivande bergarter. Detta kan förändra sammansättningen mycket, speciellt när magman kommit upp i den kontinentala skorpan och börjar smälta den. Eftersom kontinental skorpa skiljer sig mycket (framför allt mer kisel) från manteln.

17 Fraktionell kristallisering När en magma börjar svalna och stelna kristalliserar alla mineral inte lika snabbt och vid samma temperatur, detta kallas för fraktionell kristallisering. Fraktionell kristallisering fungerar precis som hur manteln smälter fast tvärtemot som i Bowens reaktionsserie vilken har påvisats i laboratorieexperiment.

18 Varför finns mineralkorn i en annars homogen lava? När magman börjar svalna och stelna kristalliserar kommer mineral som pyroxen och olivin att kristallisera först och därmed öka halten kisel i magman. Detta gör att bergarten som bildas vid låga temperaturer blir kiselrikare än den som bildas vid höga temperaturer.

19 Vad är skillnaden mellan magma och lava? Magma är helt enkelt smält berg innehållande mineralkorn och gas. Magman bildas i Jordens skorpa eller manteln, där temperaturen var tillräckligt hög för att smälta berggrunden. När magman når jordytan så gör den det genom en vulkan, en utloppskanal för magma, fasta bergsfragment och gaser. När magman når markytan kallar man den för lava vilken sprider sig i flytande form över markytan eller havsbottnen för att sedan stelna.

20 Olika bildningsmiljö bildar olika magmatiska bergarter Beroende på var magman stelnar så kommer den resulterande bergarten at få olika karakteristika. En magma som stelnar innan den når markytan kommer att svalna av långsamt och de mineral som bildas kommer att kunna växa till och vi får en grovkristallin bergart (en intrusiv bergart). Stelnar magman först när den når markytan eller då den kommer i kontakt med vatten vid mittoceaniska ryggar kommer den att stelna snabbt och mineralkorn hunner inte växa till innan lavan stelnat vi får en finkristallin bergart (en extrusiv bergart). Den mineralogiska sammansättningen hos de två bergarterna kan dock vara densamma. Finkristallin bergart stelnat snabbt Grovkristallin bergart stelnat långsamt

21 Olika magma bildar olika magmatiska bergarter Felsisk Intermediär Mafisk Ultramafisk Mineralogisk sammansttning Beroende på magmans sammansättning vid tillfället då magman stelnar kommer den att bilda olika bergarter. Felsiska bergarter som granit och ryolit har höga halter av kvarts medan mafiska bergarter som basalt och gabbro saknar kisel (kvarts) men har höga halter av mineral med järn och magnesium. Bergarten definieras av den kemiska sammansättningen av de olika mineral som ingår. Dessutom kommer bergarten att ha olika utseende (fin- respektive grovkornig) beroende på var i jordskorpan den bildas

22 Några magmatiska bergarter Extrusiva bergarter Intrusiva bergarter Ryolit Granit Basalt Gabbro Magma som stelnat på jordytan Magma som stelnat i Jordens inre

23 Hur flyter lavan? När lava stelnar det på ytan först, redan efter ett par minuter. Den skorpa som då bildas knuffas framåt av den underliggande flytande lavan. Beroende av vilken temperatur, hastighet, sammansättning, viskositet (motstånd mot att flyta) och lutningen på underlaget bildas olika typer av lava. Viskositeten eller segheten hos lavan beror på den kemiska sammansättningen samt temperaturen. Ju mindre kisel i lavan desto mindre viskositet och desto lättare flyter den. Orsaken är att kiselmolekylerna länkar ihop sig i kedjor, eller polymerer, vilket binder samman lavan och gör den trögflytande. I vissa fall har man längs branta sluttningar uppmätt hastigheter på dryga 60 km/tim hos lavor med låg viskositet (låg kiselhalt). Temperaturen och gasinnehållet påverkar också viskositeten; ju hetare lava desto mindre viskositet, eftersom värmen tenderar att bryta sönder de kedjor som kiselmolekylerna bildar. Likaså kommer gasrik lava att ha mindre viskositet än gasfattig.

24 Aa- och blocklava När lava tränger upp ur en krater eller spricka har den en hastighet som är 10 gånger snabbare än nere vid fronten av flödet. Nere vid fronten rör den sig med några kilometers hastighet per dag. Lavaflöden som fortsätter att röra sig efter det att överytan stelnat bryts sönder i skarpkantade fragment bildar sk. Aa lava (uttalas ah-ah). Lavablocken på ytan dras med av det inre lavaflödet. Vid lavaflödets front kan dock de svalnade blocken falla ned framför lavaflödet för att begravas under den framvällande lavan. Dessa block bildar sedan ett lager av fragment under själva lavaflödet.

25 Aa- och blocklava De har en grov och skrovlig textur som består av sönderbrutna lavablock. De högar med sönderspruckna block som Aa-lavan lämnar efter sig kan vara upp till tre meter stora och är mycket svåra att ta sig fram över. Under den grova ytan finns en massiv kärna som bildas av det mest aktiva flödet.

26 Pahoehoelava Het lava med låg viskositet (lite kisel) kan bilda långa lavaflöden och när de slutligen stelnar kommer den varma släta ytan att veckas till glansiga repliknande strukturer, pahoehoe (uttalas pa-hoj-hoj), ett ord från Hawaii.

27 Pahoehoe-lava Rinner långsamt. Därför spricker inte den stelnade ytan. Lavan sprider sig i ett par decimeter tjockt lager för att sedan bli högre när mer lava från kratern letar sig fram under det första flödet. När pahoehoe rinner bildas karaktäristiska "tår" eller "flikar" som väller fram ur det stelnande ytskiktet. Pahoehoe kan långt från källan övergå till aa-lava på grund av den ökade viskositeten. Lavans temperatur Färg Vit Guldgul Orange Körsbärsröd Mörkröd Mörkaste synbart röda Svart C > < 450

28 Replava Ett pahoehoe-lavaflöde på Hawaii i färd med att stelna samt ett nästan 300 år gammalt på ön Pico. Båda uppvisar den karakteristiska släta repliknande mönstret som bildas när överytan på en lågviskös basaltisk lava stelnar samtidigt som lavan under fortfarande flyter fram.

29 Lavatunnlar Även efter det att lavans överyta stelnat kan dess inre fortfarande vara smält och strömmande. Många gånger kan denna inre ström kanaliseras i en tunnel och om lavaflödet avtar kan en tom lavatunnel utbildas

30 Lavatunnel under Ponta Delgada på São Miguel

31 Pelarförklyftad basalt I vissa fall då tjockare lavaflöden på jordytan eller i en vulkans tilloppsflöden successivt kyls av kan mer eller mindre hexagonala sprickor utbildas då lavan minskar i volym. Denna sk pelarförklyftning sker alltid vinkelrätt mot avkylningsytan.

32 Kuddlava Basaltisk lava som tränger fram i vatten får ett helt annat utseende än om det den på land eftersom lavan kyls av betydligt snabbare. I vatten kyls lavan ned 30 gånger snabbare än i luften (detta är orsaken till att vi själva också kyls ned snabbt i kallt vatten). När lavan tränger fram i vattnet kommer den snabba avkylningen att få lavan att bilda en stelnad bubbla eller kudde. Fortsatt lavaflöde bildar nya kuddar och det bildas sk kuddlava.

33 Pyroklastiskt material Ur vulkanerna kommer inte bara lava utan också pyroklastiskt material. Pyroklast betyder eldfragment. Pyroklastiskt material erupteras bara ur explosiva vulkaner. Vad är då pyroklastiskt material? När det sker ett utbrott där magman innehåller mycket gas händer samma sak med magman som med läsken i en läskflaska som öppnas direkt efter den har skakats. Den fragmenteras, splittras i massa små delar och kastas upp i luften. Ju explosivare utbrott desto mindre fragment bildas. En luftburen pyroklastisk ackumulation kallas för tephra efter det grekiska ordet för aska. Pyroklastiskt material delas in i grupper, beroende av hur stora klasterna (fragmenten) är. Klicka på bilden så startar filmen

34 Aska Det pyroklastiska materialet som slungas ut ur en vulkan varierar mycket såväl vad gäller storlek som form. De finaste partiklarna kallas vulkanisk aska och är ofta mikroskopiskt små, mindre än 2 mm i diameter och består av sönderslagna glasbitar, mineral och bergarter. Askan blir när den blandad med jord mycket bärdig och det är en bidragande orsak till att man ofta finner odlingsmarker i anslutning till vulkaner Vulkanaska i elektronmikroskop skalstrecket i bilden är 0,04 millimeter

35 Lapilli Lite större partiklar, mellan 2 och 64 mm i diameter, kallas för lapilli.

36 Block och bomber Partiklarna som är större än 64 mm i diameter kallas för block. Storleken på blocken gör att de svalnar av långsammare och många gånger kan de när de slungas ut i luften få en strömlinjeformad diskusliknande form, man talar om vulkaniska bomber.

37 Pimpsten och scoria I samband med andesitiska och ryolitiska (kiselrika) utbrott kommer ofta fragmenten som slungas ut att vara fyllda med gasbubblor. Pimpsten ser ut som glasartade tvättsvampar med mängder med hålrum. Bildas när superhet komprimerad magma slungas ut i samban med ett explosivt utbrott och sedan kyls ned snabbt. Många gånger är gasinnehållet så stort att bergarten blir så lätt att den flyter på vattnet. Scoria har mer eller mindre cirkulära hålrum med tjockare väggar, densiteten är högre än 1 varför scoria sjunker i vatten. Är vanligtvis mörk i färgen. Ett äldre namn är cinder. Pimpsten Scoria

38 Pelés tårar respektive hår Vid basaltiska utbrott (kiselfattiga) kan när lavan slungas upp i luften små glasaktiga droppar bildas, På Hawaii kallar man dessa för Pelés tårar, efter vulkanernas gudinna Pelé. I andra fall kan dropparna dras ut till långa tunna trådar och bilda Pelés hår.

39 Vulkanisk tuff När vulkanisk aska och lapilli fallit ned kallas sedimentet en tefra och när det cementerat ihop och blivit till en bergart talar man om tuff.

40 Pyroklastiska flöden och ignimbrit Ofta så kommer den vulkaniska askan att långsamt, likt snö, falla tillbaka mot Jorden efter ett utbrott men ibland kan aska tillsammans med lapilli i kontakt med luften snabbt strömma ned längs vulkanens sidor som ett glödande moln, ett pyroklastiskt flöde (på franska kallat nuée ardente, glödande moln ). När dessa pyroklastiska flöden avstannat kan i vissa fall de undre delarna av flödet smält samman och bildat en ny bergart som kallas ignimbrit. Klicka på bilden så startar filmen Ignimbrit notera den flammiga strukturen

41 Lahar När nedfallen vulkanisk aska och lapilli blandas med vatten, från en flod eller efter regn eller snösmältning kommer en vattendränkt lättflytande sörja sk lahar att bildas. Laharflödena kanaliseras till flodfåror och dalar och kan komma mycket plötsligt och med stor hastighet. När de väl stannar av kommer de att utgöras av tjocka konglomeratliknande sedimentpackar med en kaotisk blandning av vulkaniska bergartsfragment, material från vulkanens sida och diverse vegetationsrester, allt blandat med lera.

42 Vulkaniska gaser Vid utbrotten kommer det också att avges vulkaniska gaser vilka består av ämnen eller föreningar som bubblar ut ur magman eller lavan i gasform. En del av denna gas kommer att kondensera när den når den kallare luften ovanför vulkanen och bildar då små droppar, sk. aerosoler, vilka han hålla sig svävande i luften under förhållandevis lång tid. Den rök man ser i samband med vulkanutbrott är en blandning av finare pyroklastiskt damm, gas och aerosoler.

43 Vulkaniska gaser I alla magmor finns en liten del (vanligtvis mellan 0,2 och 3,0 viktsprocent) gas. Även om de vanligtvis förekommer i små mängder kan dessa gaser påverka magmans egenskaper högst betydligt, något som bl.a. påverkar hur explosivt ett utbrott blir. Av naturliga skäl medför just studiet av vulkaniska gaser avsevärda problem. Förutom problem förknippade med själva vulkanutbrottet och den extrema hettan så är de vulkaniska gaserna ofta giftiga och/eller kraftigt korroderande. Det är vattenånga (H 2 O) som tillsammans med koldioxid (CO 2 ) utgör de absoluta huvudingredienserna i de vulkaniska gaserna. Andra gaser som svaveldioxid (SO 2 ) och svavelväte (H 2 S) utgör vanligtvis bara någon enstaka procent. Klicka på bilderna så startar filmerna

44 Vulkaniska gaser Generellt har ryolitiska (dvs kiselrika) magmor ett större gasinnehåll än basaltiska magmor. De vulkaniska gaserna frigörs när magman närmar sig jordytan och trycket blir mindre, precis som bubblorna frigörs i en champagneflaska när korken öppnas. I en magma med låg viskositet kommer bubblorna att röra sig snabbare än magman och kommer att nå magmans överyta och där frigöras ut i atmosfären. Vissa bubblor stelnade dock innan de nådde magmans överyta och håligheter i magman bildades. I mera trögflytande magmor (andesiter och ryoliter) hade gaser svårigheter att frigöra sig och då dessa magmor kom närmare jordytan och trycket blev lägre kom gasen att expandera. I vissa fall kan dessa gasbubblor utgå till 50-75% av magmans volym när de når jordytan.

45 Nästa gång vi ses är 22 februari SAMMA TID SAMMA PLATS