Proč se sopka chrlící lávu neroztaví?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram, Threads a zde na Médiu.

Hodně často se u svých známých a kamarádů setkávám s přesvědčením, že zemská kůra, na které žijeme, plave na obrovské vrstvě roztavených hornin, takzvaném magmatickém oceánu. Fyzikální zákony však existenci takového oceánu neumožňují.

I přesto, že v zemské kůře (nejsvrchnější vrstvě naší planety s tloušťkou 10–80 km) a ve svrchním plášti (vrstvě pod zemskou kůrou) panují obrovské teploty, horniny se tam neroztaví, protože na ně zároveň působí i obrovský tlak [1]. Abychom horninu začali tavit, musíme buď tento tlak snížit, nebo výrazně zvýšit teplotu. Případně můžeme do horninového prostředí vypustit vodu, která teplotu tavení snižuje [2].

Životní dráha typického magmatu obvykle začíná tavením horniny. K tomu může docházet i v poměrně velkých hloubkách 50 až 100 km pod zemským povrchem [2]. Oblasti, kde se horniny taví a vzniká magma, se obvykle nacházejí na styku litosférických desek, konkrétně v místech, kde se desky pohybují od sebe (divergentní rozhraní).

Kvůli oddalování desek se zde totiž snižuje mocnost kůry a s tím klesá tlak vyvíjený na horniny. Dochází tak k výrazné sopečné činnosti a výlevům velkého množství lávy, vlivem čehož vzniká nová zemská kůra [3].

Naopak v místech, kde se desky pohybují proti sobě (konvergentní rozhraní), se jedna deska zasouvá pod druhou do zemského pláště, a tím zemská kůra zaniká. Typickou oblastí je pacifický Ohnivý kruh.

Tímto procesem se do hlubin Země dostává velké množství vody vázané v horninách jako OH (hydroxylová) skupina. Tato vázaná voda se po zahřátí hornin uvolňuje. Volná voda pak způsobí snížení teploty tavení, protože dokáže snížit množství potřebné energie pro narušení vazeb mezi atomy tvořící jednotlivé horniny, a způsobí vznik nového magmatu [4].

Třetí oblast vzniku je vázána na takzvané horké skvrny (například Havaj nebo Yellowstone), což jsou místa výstupu velmi horkých hmot z hranice zemského jádra a pláště v hloubce asi 2900 km pod povrchem. Tyto hmoty se mohou dostat až na rozhraní zemského pláště a kůry, což je v případě oceánské kůry jen několik kilometrů pod zemským povrchem, a jejich vysoká teplota způsobí tavení a vznik magmatu [5].

Běžné horniny bohaté na světlé minerály jako živce a křemen s vysokým obsahem oxidu křemičitého (SiO₂) se taví za nižších teplot v rozmezí 800 až 1000 °C. Vzniká tím ryolitové magma (více než 63 % SiO₂). Horniny s rovnoměrným zastoupením světlých a tmavých minerálů, které jsou charakteristické nižším obsahem oxidu křemičitého, se taví za vyšších teplot v intervalu 1000 až 1300 °C a výsledkem je andezitové magma (52–63 % SiO₂).

Naopak horniny s převahou tmavých minerálů, jako jsou třeba olivín, pyroxen, nebo amfibol, se taví za ještě vyšších teplot, 1300 až 1600 °C. Vzniká bazaltové (čedičové) magma (43–52 % SiO₂ [2]). Extrémním případem jsou pak takzvané komatiitové a karbonatitové lávy.

Teplota první jmenované lávy, jejíž název pramení z lokality v údolí řeky Komati v jižní Africe, mohla dosahovat více než 1600 °C. Jednalo se o lávy, které se na zemský povrch vylévaly v raných obdobích naší planety, a dnes již k takovým výlevům nedochází [6]. Karbonatitové lávy složené převážně z karbonátových (uhličitanových) minerálů mají naopak relativně nízkou teplotu v rozmezí 500 až 600 °C a dodnes se s nimi můžeme výjimečně setkat, například v Africe [7].

Toto jsou však teploty, které má magma pouze na začátku své životní dráhy v místech, kde vzniká. Když se ale vydá na dlouhou cestu k zemskému povrchu, tuto teplotu postupným ochlazováním ztrácí.

Nutno je však zmínit, že magma se může v zemské kůře kdykoliv zastavit, pomalu vychladnout a krystalizovat, aniž by se dostalo na povrch. Taková hornina se označuje jako pluton nebo batolit, příkladem může být třeba liberecká žula. Platí přitom, že většina vystupujícího magmatu nikdy povrchu nedosáhne. Menší část magmatu se ale dostane až na zemský povrch, kde vyvěrá v podobě lávy nebo je trháno na kusy za vzniku mračna sopečného prachu a popela [8].

Ve chvíli, kdy se začne pohybovat od svého zdroje, začíná magma chladnout [9]. Čím výše do svrchních partií zemské kůry se dostane, tím chladne rychleji. Svrchní část zemské kůry je na rozdíl od místa vzniku magmatu relativně studenější. To samé platí pro sopečné erupce, koncový děj životní dráhy magmatu.

Magma dostávající se na povrch v podobě lávy má teplotu výrazně nižší (v rozmezí 600 až 1200 °C dle minerálního složení a obsahu SiO₂), než je teplota tavení své zdrojové horniny (v rozmezí 800 až 1600 °C dle minerálního složení a obsahu SiO₂). Ve skutečnosti se jedná o teplotu, kdy láva pomalu tuhne do pevné horniny.

Během erupce dochází k rychlému chlazení magmatu o studené horniny na povrchu, po kterých teče, o studenou atmosféru nebo o chladné vody oceánu, v případě podmořské erupce [10]. I proto láva rychle mění svou barvu z oranžové na červenou a černou, která značí vznik pevné horninové krusty.

Sopky obvykle produkují lávy o podobném složení. Jako příklad si vezměme nedávnou erupci sopky Litli-Hrúture na Islandu (2023), ze které vytekla horká bazaltová (čedičová) láva. Tato láva se vylila mimo jiné i na utuhlou bazaltovou lávu z předchozí erupce sopky Fagradalsfjall. Vzhledem k tomu, že tato láva měla také čedičové složení, nemohlo dojít k významné tepelné erozi.

Dovedu si představit, že ta nejteplejší láva může částečně natavit horniny, po kterých teče, ale pouze ve velmi omezeném rozsahu a bez výraznějšího efektu na celkovou stabilitu sopky. Pravděpodobnější je však zhroucení samotného sopečného kuželu v důsledku váhy náhle nahromaděného magmatu [11], destabilizace sopky v důsledku toku horkých sopečných roztoků a plynů v utuhlých sopečných horninách [12], nebo zhroucení celé sopky v důsledku vyčerpání podložní magmatické komory [13].

Tepelná eroze rychle tekoucího a horkého lávového proudu však byla navržena jako důvod vzniku takzvaných klikatých brázd na Měsíci a Marsu. Jedná se o povrchové terénní struktury vulkanického původu, které nápadně připomínají říční koryta [14].

Za Zeptej se vědce odpovídal Filip

Mgr. Filip Tomek, Ph.D., Ústav geologie a paleontologie PřF UK & Geologický ústav Akademie věd České republiky

Odbornou revizi poskytl Mgr. Petr Brož, Ph.D., Geofyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Odpověď editovali Luděk Vašta a Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, University of Colorado Boulder, Geological Sciences & Institute of Arctic and Alpine Research

[1] https://www.wiley.com/en-us/Global+Tectonics%2C+3rd+Edition-p-9781118688083

[2] https://www.cambridge.org/highereducation/books/principles-of-igneous-and-metamorphic-petrology/6C7AB39D8F52D8A05EC918A181A9CD25#overview

[3] https://doi.org/10.1007/0-387-30845-8_217

[4] https://www.geosociety.org/gsatoday/archive/15/7/pdf/i1052-5173-15-7-4.pdf

[5] https://doi.org/10.1146/annurev.ea.20.050192.000315

[6] https://doi.org/10.1038/309019a0

[7] https://doi.org/10.1180/minmag.1981.044.334.02

[8] https://doi.org/10.1016/C2015-0-06837-X

[9] https://doi.org/10.1016/S0012-821X(85)80009-1

[10] https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.32.1.477

[11] https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2019.05.012

[12] https://doi.org/10.1007/s00445-004-0369-3

[13] https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2004.06.004

[14] https://doi.org/10.1007/BF00562210

Projekt Zeptej se vědce se snaží zprostředkovat kontakt mezi vědeckou a nevědeckou veřejností. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na Facebooku, Twitteru nebo Instagramu. Líbí se vám naše příspěvky? Podpořit nás můžete na https://donio.cz/naucme-vedce-vypravet