Летучие вещества — это группа химических элементов и химических соединений , которые могут легко испаряться . В отличие от летучих веществ, элементы и соединения, которые нелегко испаряются, известны как тугоплавкие вещества.
На планете Земля термин «летучие» часто относится к летучим компонентам магмы . В астрогеологии летучие вещества исследуются в коре или атмосфере планеты или луны. Летучие вещества включают азот , углекислый газ , аммиак , водород , метан , диоксид серы , воду и другие.
Планетологи часто классифицируют летучие вещества с исключительно низкими температурами плавления, такие как водород и гелий , как газы, тогда как летучие вещества с температурой плавления выше примерно 100 К (–173 °C , –280 °F ) называются льдами. Термины «газ» и «лед» в этом контексте могут применяться к соединениям, которые могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Таким образом, Юпитер и Сатурн являются газовыми гигантами , а Уран и Нептун являются ледяными гигантами , хотя подавляющее большинство «газа» и «льда» в их недрах представляет собой горячую, очень плотную жидкость , которая становится плотнее по мере приближения к центру планеты. Внутри орбиты Юпитера кометная активность обусловлена сублимацией водяного льда. Сверхлетучие вещества, такие как CO и CO2 , вызвали кометную активность на расстоянии до 25,8 а.е. (3,86 млрд км). [1]
В магматической петрологии этот термин более конкретно относится к летучим компонентам магмы (в основном водяному пару и углекислому газу), которые влияют на внешний вид и взрывоопасность вулканов . Летучие вещества в магме с высокой вязкостью , как правило, кислые с более высоким содержанием кремнезема (SiO 2 ), как правило, вызывают извержения, которые являются взрывными извержениями . Летучие вещества в магме с низкой вязкостью, как правило, мафические с более низким содержанием кремнезема, как правило, вырываются в виде эффузивного извержения и могут вызвать образование лавового фонтана .
Некоторые извержения вулканов являются взрывными из-за смешивания воды и магмы, достигающих поверхности, что приводит к внезапному высвобождению энергии. Однако в некоторых случаях извержение вызвано летучими веществами, растворенными в самой магме. [2] Приближаясь к поверхности, давление уменьшается, и летучие вещества выходят из раствора, создавая пузырьки , которые циркулируют в жидкости . Пузырьки соединяются вместе, образуя сеть. Это способствует фрагментации на мелкие капли или брызги или коагулирующим сгусткам в газе . [2]
Как правило, 95-99% магмы представляет собой жидкую породу. Однако небольшой процент присутствующего газа представляет собой очень большой объем , когда он расширяется при достижении атмосферного давления . Таким образом, газ важен в вулканической системе, поскольку он генерирует взрывные извержения. [2] Магма в мантии и нижней коре имеет высокое содержание летучих веществ. Вода и углекислый газ — не единственные летучие вещества, которые выделяют вулканы ; другие летучие вещества включают сероводород и диоксид серы . Диоксид серы распространен в базальтовых и риолитовых породах. Вулканы также выделяют большое количество хлористого водорода и фтористого водорода в качестве летучих веществ. [2]
Существует три основных фактора, которые влияют на дисперсию летучих веществ в магме: ограничивающее давление , состав магмы, температура магмы. Давление и состав являются наиболее важными параметрами. [2] Чтобы понять, как ведет себя магма, поднимаясь к поверхности, необходимо знать роль растворимости внутри магмы. Эмпирический закон использовался для различных комбинаций магмы и летучих веществ. Например, для воды в магме уравнение имеет вид n=0,1078 P, где n — количество растворенного газа в весовых процентах (wt%), P — давление в мегапаскалях (МПа), которое действует на магму. Значение меняется, например, для воды в риолите n = 0,4111 P, а для углекислого газа n = 0,0023 P. Эти простые уравнения работают, если в магме есть только одно летучее вещество. Однако в действительности ситуация не так проста, поскольку в магме часто присутствует несколько летучих веществ. Это сложное химическое взаимодействие между различными летучими веществами. [2]
Упрощая, растворимость воды в риолите и базальте является функцией давления и глубины под поверхностью при отсутствии других летучих веществ. И базальт, и риолит теряют воду с уменьшением давления по мере того, как магма поднимается к поверхности. Растворимость воды выше в риолите, чем в базальтовой магме. Знание растворимости позволяет определить максимальное количество воды, которое может быть растворено в зависимости от давления. [2] Если магма содержит меньше воды, чем максимально возможное количество, она недонасыщена водой. Обычно в глубокой коре и мантии существует недостаточное количество воды и углекислого газа, поэтому магма часто недонасыщена в этих условиях. Магма становится насыщенной , когда достигает максимального количества воды, которое может быть растворено в ней. Если магма продолжает подниматься к поверхности и растворяется больше воды, она становится перенасыщенной . Если в магме растворено больше воды, она может быть выброшена в виде пузырьков или водяного пара. Это происходит потому, что давление в процессе уменьшается, а скорость увеличивается, и процесс должен также балансировать между уменьшением растворимости и давлением. [2] Если сравнивать с растворимостью углекислого газа в магме, то она значительно меньше, чем у воды, и она имеет тенденцию к выделению на большей глубине. В этом случае вода и углекислый газ считаются независимыми. [2] На поведение магматической системы влияет глубина, на которой выделяются углекислый газ и вода. Низкая растворимость углекислого газа означает, что он начинает выделять пузырьки, прежде чем достигнет магматической камеры. Магма в этой точке уже перенасыщена. Магма, обогащенная пузырьками углекислого газа, поднимается к своду камеры, и углекислый газ имеет тенденцию просачиваться через трещины в вышележащую кальдеру. [2] По сути, во время извержения магма теряет больше углекислого газа, чем воды, которая в камере уже перенасыщена. В целом, вода является основным летучим веществом во время извержения. [2]
Зарождение пузырьков происходит, когда летучее вещество становится насыщенным . На самом деле пузырьки состоят из молекул, которые имеют тенденцию к спонтанному агрегированию в процессе, называемом гомогенным зародышеобразованием . Поверхностное натяжение действует на пузырьки, сжимая поверхность и заставляя их возвращаться в жидкость. [2] Процесс зарождения сильнее, когда пространство для размещения нерегулярно, и летучие молекулы могут ослабить эффект поверхностного натяжения. [2] Зарождение может происходить благодаря присутствию твердых кристаллов , которые хранятся в магматической камере. Они являются идеальными потенциальными местами зарождения для пузырьков. Если в магме нет зародышеобразования, образование пузырьков может показаться действительно поздним, и магма становится значительно перенасыщенной. Баланс между давлением пересыщения и радиусами пузырьков выражается этим уравнением: ∆P=2σ/r, где ∆P равно 100 МПа, а σ — поверхностное натяжение. [2] Если зародышеобразование начинается позже, когда магма очень перенасыщена, расстояние между пузырьками становится меньше. [2] По сути, если магма быстро поднимается к поверхности, система будет более неравновесной и перенасыщенной. Когда магма поднимается, возникает конкуренция между добавлением новых молекул к существующим и созданием новых. Расстояние между молекулами характеризует эффективность летучих веществ для агрегации на новом или существующем участке. Кристаллы внутри магмы могут определять, как растут и зарождаются пузырьки. [2]