February 22nd 2019

Hotspoter, søylestrømmer og magmakammer

Lava fra Hawaii flyter ned i havet, men hvordan fungerer et magmakammer? Foto: Marc Szeglat/Unsplash.
Hva er egentlig forskjellen på hotspoter, søylestrømmer og magmakammer, spør vår innsender?

Spørsmål

Jeg lurer på sammenhengen mellom hotspot, søylestrømmer og magmakammer, samt hvor magmatisk differensiering oppstår. Slik jeg har skjønt det, oppstår hotspoter rett under litosfæren, da en søylestrøm er under og leverer varme mantelbergarter fra nede ved kjernen. Ved hotspoten vil disse bergartene som bare er delvis smeltet, smelte helt, ettersom det er et smelteområde. Er det kun i disse situasjonene, ved en søylestrøm, at man bruker begrepet magmatisk differensiering? Eller er dette en prosess også  utenfor søylestrømmene, i mantelen? Og vil en hotspot BARE oppstå sammen med en søylestrøm?

Et magmakammer er slik jeg har forstått, et smelteområde uten tilførsel fra nede ved kjernen, det smelter bare der og da. Hvor befinner disse seg? Har bemerket meg at de finnes inni vulkaner, men også i litosfæreplatene, under 
midthavsryggene. Men ved sistnevnte ser det ut til at de får tilførsel fra mantelen. 

Svar

En hotspot er et sted på jordoverflata hvor det, som navnet tilsier, er mye varmere enn normalt. Det kanskje best kjente eksempelet er Hawaii. Hotspoten på Hawaii ligger omtrent midt på stillehavsplata, og de fleste hotspoter befinner seg langt fra plategrenser. Et eksempel på det motsatte er Island, som sitter oppå den nord-atlantiske spredningsryggen. 

Hvilken prosess som forårsaker slike hotspoter er mye diskutert. De fleste mener, som du nevner, at det er overflateeffekten av såkalte 'mantle plumes' (søylestrømmer). Disse søylestrømmene har antakelig sin opprinnelse nede ved kontakten mellom kjerne og mantel og stiger oppover som en søyle med varmt mantelmateriale. Det er viktig å merke seg at søylestrømmene ikke består av smeltet mantel, men av mantelmateriale (stein) som er varmere enn mantelen rundt. Fordi materialet er varmere er det lettere og mer bøyelig (duktilt) enn mantelen rundt, og derfor i stand til å stige oppover som en søyle. 

Etter som det varme materialet stiger oppover, avgir det noe varme til den kaldere mantelen rundt. For de fleste bergarter er det slik at smeltetemperaturen blir lavere når trykket går ned. Siden trykket avtar etter hver som materialet stiger oppover, og denne trykkavlastningen skjer raskere enn varmetapet, vil materialet før eller siden begynne å smelte. Det er dette som igjen forårsaker vulkanisme på overflata (en hotspot).

Om ALLE hotspoter er forårsaket av en søylestrøm er et veldig godt spørsmål. Det er en veldig elelgant måte å forklare hotspoter på, men i mange tilfeller er det vanskelig å se noen klar søyle i f.eks. seismiske data, så da vet vi egentlig ikke hva det er som er årsaken. Det er relativt godt etablert at den kjemiske sammensetningen til lavaer som dannes ved hotspoter må ha en kilde dypt nede i jorda, men om den ligger helt nede ved kjerne-mantelkontakten er usikkert. Så antakelig er den en form for søylestrøm involvert, men det er usikkert hvor dypt den kommer fra.

Magmatisk differensiering er en prosess alle smelter gjennomgår når de avkjøles, uavhengig av hvordan de er dannet. Når temperaturen på smelta er høy kan den oppløse alle elementene den består av, typisk Si, Al, Fe, Mg, K, Na, Ca og noen flere. Dette er omtrent som et glass med varmt vann som kan oppløse veldig mye salt. Når temperaturen synker vil smelta bli såkalt overmettet på noen av disse elementene, dvs. at de begynner å felles ut, omtrent slik salt felles ut av vannet når det avkjøles. I stedet for saltkrystaller danner smelta mineraler. I vann-eksempelet blir vannet mindre salt når saltet felles ut, og det samme skjer i smelta; de første mineralene som felles ut vil være rike på Mg og Fe, så når slike mineraler felles ut vil den gjenværende smelta  bli utarmet på Mg og Fe og få en annen sammensetning enn den opprinnelige. Dette er magmatisk differensiering. Slik fortsetter det med ulike mineraler i ulike deler av prosessen, helt til smelta har krystallisert til en magmatisk bergart.

Denne differensieringsprosessen skjer gjerne i smelter som er lagret i såkalte magmakammer. Et magmakammer er i grunnen bare et volum med smelte et eller annet sted i jordskorpa. Smelta kan komme enten fra mantelen (som ved midthavsrygger og hotspoter), eller ved oppsmelting i nedre deler av skorpa. Som nevnt over dannes det ikke smelte nede ved kjernen, så magmakammer består av smelte fra mantel og/eller nedre skorpe.