ما هي طبيعة تبلور الصهارة للصخور النارية؟

الصهارة هي عبارة عن أنظمة سائلة معقدة كيميائياً تختلف في نواح كثيرة عن المحاليل العادية، حيث يكون الماء هو المذيب والمكون المسيطر، ويمكن اعتبارها بمثابة حلول متبادلة أو ذوبان لمكونات تشكيل الصخور التي توجد بشكل مختلف مثل أيونات بسيطة مثل الأيونات المعقدة والمجموعات الأيونية وأيضاً كجزيئات.

إن أكثر الأيونات البسيطة وفرة في الصهارة الشائعة هي الكات أيونات المفردة والمضاعفة الشحنة مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم والحديد، ونظراً لأن هذه الأيونات يمكن أن تتحرك بحرية في النظام فإنها لا تشغل أي مواقع ثابتة فيما يتعلق بالأيونات الأخرى الموجودة.

وعلى النقيض من ذلك فإن الكات أيونات (أيونات موجبة) الأصغر والأكثر شحنة ولا سيما السيليكا وأكاسيد الحديد محاطة أو محصورة بواسطة أيونات الأكسجين والأنيونات الأخرى (أيونات سالبة) لتشكيل أجزاء من أيونات معقدة نسبياً مثل (SiO4) 4− ،(AlO4) 5−، وFeO6) 9−)، كما أن الأنيونات البسيطة بما في ذلك الحديد والكلور والأكسجين والهايدرو أكسيد توجد عادة بكميات أصغر بكثير.

وبسبب أن الرابطة التي توحد السيليكون والأكسجين قوية بشكل ملحوظ فإن أيونات السيليكا مستقرة في الصهارة حتى في درجات حرارة عالية جداً، وتميل أيضاً إلى الانضمام مع بعضها البعض أو البلمرة لتشكيل مجموعات أنيونية أكثر تعقيداً، وهو اتجاه يكون رائعاً بشكل خاص في الصهارة الأكثر صخرياً، كما يتم تحقيق الانضمام عن طريق مشاركة أيونات الأكسجين بين أيونات السيليكون المجاورة لتشكيل جسور Si-O-Si مثل تلك الموجودة في العديد من معادن السيليكات والألومينوسيليكات.

ونظراً لأن أيونات AlO4) 5−) لها أيضاً ميل قوي إلى البلمرة فمن المحتمل أن تحتوي معظم المجموعات الأيونية الكبيرة في الصهارة على كل من أيونات السيليكون والألومنيوم، هذه المجموعات التي تشبه الترتيب للعديد من المعادن المكونة للصخور ولكنها أقل انتظاماً هندسياً وتؤثر بشكل كبير على لزوجة وتبلور الصهارة.

تؤثر لزوجة الصهارة التي تمتد على نطاق هائل من القيم على سلوك تدفقها وحركات البلورات وشوائب المواد الغريبة داخلها وانتشار المواد من خلالها ونمو البلورات منها وانفجار الانفجارات ( عندما يساعده نمو فقاعات الغاز بالقرب من السطح)، إن تدفقات الحمم البركانية رقيقة وسريعة بالنسبة للصهارة منخفضة اللزوجة ولكنها سميكة وبطيئة للتدفقات اللزجة.

وتعمل الصهارة السائلة على تعزيز نمو البلورات الكبيرة مثل تلك الموجودة في البغماتيت، ولكن يتم منع نمو البلورات في الصهارة اللزجة والتي يتم إخمادها عادةً كزجاج، وعادة ما تنتج الانفجارات شديدة الانفجار مثل التي حدثت في جبل سانت هيلينز من فقاعات الغاز التي تنوي وتنمو وترتفع في صهارة شديدة اللزوجة.

كما يمكن إثبات الديناميكا الحرارية أن الضغط الزائد (الضغط الصخري الزائد) المتطور في الفقاعات المتنامية والمتصاعدة يتناسب عكسياً مع نصف قطرها، وفي الصهارة السائلة تنمو فقاعات الغاز بشكل كبير وترتفع بسرعة، مما يؤدي إلى إنفاق ضغوطها، وبالتالي لوحظ فقط نافورة مذهلة من الحمم البركانية الساخنة على السطح.

في المقابل تمنع الصهارة اللزجة نمو الفقاعات بحيث ترتفع ببطء مع الاحتفاظ بالضغط الزائد؛ نتيجة لذلك ينفجر البركان المرتبط بعنف ويتم إطلاق طاقات تعادل الكمية التي تنتجها عدة قنابل نووية في مثل هذه التفجيرات وتزداد اللزوجة بشكل كبير مع انخفاض درجة الحرارة وأقل بشكل ملحوظ مع زيادة الضغط، كما يمكن أيضاً التحكم فيه جزئياً بكمية وتوزيع أي مواد صلبة أو فقاعات غاز موجودة والتي تميل إلى زيادة اللزوجة.

وأخيراً يختلف بشكل كبير بين الصهارة ذات التركيب الإجمالي المختلف ويرجع ذلك أساساً إلى الاختلافات في درجة بلمرة SiO و AlO، وبالتالي فإن الصهارة عالية السيليكا عموماً أكثر لزوجة من الصهارة المافيكة بعدة أوامر من حيث الحجم وهو اختلاف ينعكس على التناقضات في السلوك البركاني للحمم البازلتية والريوليتية.

كما يمكن أن تكون الصهارة البازلتية عند 1100 درجة مئوية أكثر لزوجة بما لا يقل عن 100000 مرة من الماء في درجة حرارة الغرفة، في حين أن الصهارة الريوليتية عند 800 درجة مئوية تكون على الأقل 10 ملايين مرة أكثر لزوجة من ماء درجة حرارة الغرفة، ويمكن أن يؤدي وجود المكونات المتطايرة إلى زيادة سيولة الصهارة بشكل ملحوظ حتى تلك الغنية بـ SiO2، يُعزى هذا التأثير إلى كسر جسور Si-O-Si من خلال استبدال أيونات مثل F− و (OH) – لأيونات O2− المشتركة في عناصر المجموعات المبلمرة.

كما يمكن النظر إلى الصهارة النموذجية على نطاق واسع على أنها تجمع من أيونات الأكسجين الكبيرة نسبياً والمعبأة بشكل وثيق والتي من بينها بعض الكاتيونات لديها قدر كبير من الحركة؛ لذلك يميل البعض الآخر مثل Si4 وAl3 إلى شغل مناصب أكثر ثباتاً، إن النظام بأكمله ديناميكي ومع ذلك فإن أكبر مجموعات SiO و AlO أيون تتغير باستمرار من حيث الشكل والموضع، حيث يتم كسر الروابط وإنشاء روابط جديدة.

إذا فقدت الصهارة الطاقة الحرارية بسرعة وتبرد إلى زجاج فإن هذه الحركات الداخلية مقيدة بشدة وتتجمد المكونات المختلفة بشكل أساسي في موضعها، لكن إذا كان التبريد أبطأ فإن الأيونات المعقدة الموجودة ومجموعات الأيونات المبلمرة لديها وقت لاتخاذ ترتيبات أكثر انتظاماً ولتثبيتها بواسطة كاتيونات ذات حجم وشحنة مناسبة وخصائص أخرى، وبذلك تتشكل المواد الصلبة المتبلورة، وهيكلها الداخلي المنتظم يحافظ نسبياً على الفضاء، وبالتالي فهي تتمتع بجاذبية نوعية أعلى إلى حد ما من الصهارة التي تتغذى منها.

ما هي سلسل ردود فعل بوين؟

يوجد مثالان يوضحان تفاعلين رئيسيين يحدثان أثناء تبلور الصهارة الشائعة أحدهما متقطع (تفاعل الزبرجد الزيتوني السائل والبيروكسين) والآخر مستمر (تفاعل بلاجيوكلاز مع السائل)، قد تم التعرف على هذا أولاً من قبل عالم البترول الأمريكي نورمان إل بوين الذي رتب ردود الفعل بشكل واضح وتكريماً له سميت سلسلة المعادن منذ ذلك الحين بسلسلة تفاعل بوين.

يتكون الفرع الأيسر من الترتيب (ترتيب بوين) على شكل Y من سلسلة غير متصلة تبدأ بالزبرجد الزيتوني عند أعلى درجة حرارة وتتقدم عبر البيروكسين والأمفيبول والبيوتايت مع انخفاض درجة الحرارة، وهذه السلسلة غير مستمرة لأن التفاعل يحدث عند درجة حرارة ثابتة عند ضغط ثابت، حيث يتم تحويل المعدن المتكون مبكراً إلى بلورة أكثر استقراراً.

ويعرض كل معدن في السلسلة بنية سيليكات مختلفة تظهر بلمرة متزايدة مع انخفاض درجة الحرارة؛ فالزبرجد الزيتوني ينتمي إلى نوع هيكل الجزيرة سيليكات والبيروكسين وأمفيبول والسلسلة المزدوجة والبيوتايت، ومن ناحية أخرى إن الفرع الأيمن هو سلسلة التفاعل المستمر التي يتفاعل فيها بلاجيوكلاز باستمرار مع السائل لتشكيل طور أكثر تحملاً مع انخفاض درجة الحرارة.

وفي كلتا الحالتين يتم استهلاك السائل في التفاعل، وعندما تتلاقى سلسلتا التفاعل عند درجة حرارة منخفضة فإن المعادن التي لن تتفاعل مع السائل المتبقي تقترب من التبلور سهل الانصهار، ويتم تبلور الفلسبار والبوتاس والمسكوفيت والكوارتز، إن المراحل التي تتبلور أولاً هي المعادن الشائعة التي تتكون منها البازلت أو الجابرو مثل البيتاونيت أو اللابرادوريت مع البيروكسين وكميات صغيرة من الزبرجد الزيتوني.

ثم تتبلور معادن أنديسايت أو الديوريت مثل الأنديسين مع البيروكسين أو الأمفيبول يليها الأورثوكلاز والكوارتز وهما المكونان الأساسيان للريوليت أو الجرانيت، ويمكن لسائل بازلتي في الجزء العلوي من Y أن ينزل إلى أسفل السلسلة لتبلور الكوارتز فقط إذا تم منع التفاعلات السابقة.

وكما هو موضح أعلاه فإن التفاعلات الكاملة بين المعادن المتكونة في وقت مبكر والسائل يستنفد إمداد السائل وبالتالي تقليص التقدم إلى أسفل السلسلة، وإحدى الوسائل التي يمكن من خلالها تحويل الصهارة البازلتية إلى صخور أقل في السلسلة هي التبلور الجزئي، حيث أنه في هذه العملية تتم إزالة المعادن المتكونة مبكراً من السائل عن طريق الجاذبية (مثل المعادن مثل الزبرجد الزيتوني والبيروكسين تكون أكثر كثافة من السائل الذي تتبلور منه)، وبالتالي يبقى السائل غير المتفاعل لاحقاً في السلسلة.

طرق أخرى لتفاعل الصهارة:

هناك طريقة أخرى لإنشاء الصهارة وهي جعل المعادن تتفاعل مع صخور الحائط الخاصة بها، فلو فكرنا في الصهارة التي تبلور البيروكسين واللابرادوريت، نجد أنه إذا تمزق الصهارة من معادن جدارها على سبيل المثال الزبرجد الزيتوني والأنورثيت والتي تكونت قبل البيروكسين واللابرادوريت في السلسلة فسوف تتفاعل مع السائل لتكوين نفس هذه المعادن التي تكون الصهارة في حالة توازن، وتأتي حرارة دفع هذا التفاعل مباشرة من الصهارة نفسها.

وسيتبلور المزيد من البيروكسين واللابرادوريت أثناء التفاعل وسيطلق حرارة التبلور الكامنة، ومن ناحية أخرى إذا تم تشكيل معدن (كوارتز على سبيل المثال) في مرحلة لاحقة من البيروكسين أو اللابرادوريت من الجدار الصخري إلى الصهارة، فإن الحرارة الكامنة الناتجة عن تبلور البيروكسين واللابرادوريت ستؤدي إلى ذوبانه، وسيحدث هذا الموقف فقط إذا كان الكوارتز من صخرة الجدار عند درجة حرارة أقل من الصهارة.

سيؤدي ذلك إلى نقل الصهارة حرارتها إلى الكوارتز في عملية التبريد، وسوف يكون تبريد الصهارة بالضرورة مصحوباً ببلورة المعادن الموجودة بالفعل، وفي كلتا الحالتين سيتم تغيير تكوين الصهارة الأم من خلال تلوث (xenolithic) الصخور الأجنبية، ولا يلزم أن ينتمي الملوث إلى سلسلة التفاعل لكي يتسبب في تفاعلات أو انحلال.