Kivisulat eli magmat syntyvät, kun osa kuoren tai vaipan materiasta sulaa lämpötilan kohottua sen sulamisalueelle. Kiinnitetyn sulamispisteen sijaan kivillä on sulamisalueet, joita kuvataan solidus- ja likviduskäyrillä paine-lämpötila koordinaatistossa. Kivi alkaa sulaa, kun olosuhteet saavuttavat soliduksen, ja on sulanut kokonaan kun likvidus saavutetaan. Käyrien väliset lämpötilat voivat paineesta riippuen olla 100-200 astetta, jolloin käytännössä kivet yleensä sulavat vain osittain, eli sulamisen aikana energiaa kuluu sulamiseen niin paljon, että lämpötila ei nouse tarpeeksi saavuttaakseen kiven likvidusta. Syntynyt magma on aina monikomponenttisysteemi, jossa on useita faaseja: erilaisia kiinteitä osioita, sulaa ja kaasuja.
Sulamislämpötilaan vaikuttaa eri faasien läsnäolo ja paineolosuhteet. Kivien sulamislämpötilat ovat aina reilusti alhaisempia kuin mineraalien, joista ne ovat muodostuneet. Lisäksi esimerkiksi vesipitoisuus yleisesti laskee kivien sulamislämpötiloja. Basaltille sulamislämpötila nousee paineen nousun myötä.
Magman jäähtyessä syntyy magmakiviä. Nämä jaetaan ekstrusiivisiin eli vulkaanisiin kiviin ja intrusiivisiin eli plutonisiin kiviin. Ekstrusiivisiä kiviä kutsutaan myös pintakiviksi ja intrusiivisiä syväkiviksi.
Sulaminen ja kiteytyminen kumpikin tapahtuvat tasapainoisesti tai fraktioivasti, luonnossa kuitenkin aina jotain siltä väliltä. Täysin tasapainoisessa prosessissa syntyvä sula tai kiteet jäävät syntypaikalleen ja asettuvat tasapainoon lähtöaineksen kanssa. Täysin fraktioivassa prosessissa syntyvät kiteet tai sula poistuvat seoksesta, jolloin ne eivät enää reagoi keskenään millään tavalla.
Fraktioivassa kiteytymisessä sulan koostumus muuttuu jatkuvasti, sillä kiteytyminen alkaa tietyistä mineraaleista, jotka siten poistuvat ensin sulasta. Fraktioivassa sulamisessa ainesosat sulavat niiden sulamislämpötilojen osoittamassa järjestyksessä. Tällöin prosessi ei ole jatkuva, sillä tietyn komponentin sulettua magman lämpötilan täytyy nousta seuraavan komponentin sulamislämpötilaan ennen kuin aineksen sulaminen jatkuu. Fraktioivassa sulamisessa lähtöaineksen koostumus ei muutu.
Magmakivet vaihtelevat alueittainkin laajoissa koostumuksissa, esimerkiksi yksi tulivuori voi tuottaa koostumukseltaan monia hyvinkin erilaisia kiviä. Tämä vaihtelu voi olla primääristä tai sekundääristä. Primäärisellä vaihtelulla tarkoitetaan erilaisten magmojen syntyä lähdealueella, mistä seuraa erilaisten kivien muodostumista. Sekundäärisessä vaihtelussa syntyy lähdealueella yhdenlaista magmaa, mistä sitten kehittyy muunlaisia magmoja, joista kivet muodostuvat.
Primääristä vaihtelua aiheuttavat eli syntyvän magman koostumukseen vaikuttavat ensisijaisesti lähtömaterian koostumus, osittaissulamisen aste sekä sulamisolosuhteet. Olosuhteista tärkeimmät ovat paine ja lämpötila. Osittaisesta sulamisesta johtuen syntyvän sulan koostumus on erilainen kuin lähtökivellä.
Sekundääristä vaihtelua aiheuttavia prosesseja ovat
Fraktioivassa kiteytymisessä sulasta syntyvät kiteet voivat poistua syntypaikoiltaan erilaisin mekanismein. Kasaantuneita kiteitä kutsutaan kumulus-kiteiksi, ja niistä muodostuu kumulaatteja.
Tavallisin kiteiden poistumismekanismi on gravitatiivinen fraktioiva kiteytyminen, missä syntyvien kiteiden tiheys poikkeaa sulan tiheydestä. Raskaat kiteet (esimerkiksi ferromagneettiset mineraalit) painuvat magmasäiliön pohjalle ja kevyemmät kiteet (esimerkiksi leusiitti) nousevat pinnalle muodostaen omia kerroksiaan syntyviin kiviin. Sulat ovat tiheydeltään yleensä noin 10 prosenttia kevyempiä kuin vastaavat kivettyneet koostumukset, joten kiteiden kerääntyminen säiliön pohjalle on paljon yleisempää kuin niiden nousu pinnalle.
Magman virtaus voi myös siirtää kiteitä niiden syntypaikoilta. Ohuehkossa juonessa tai syöttökanavassa raskailla kiteillä on tietyillä virtausnopeuksilla taipumus siirtyä juonen keskustaan, mutta virtauksen hidastuessa asettua. Tällöin saattaa juonen keskustaan rikastua joko raskaita tai keveitä kiteitä (riippuen mitä mineraaleja kiteytyi magman virratessa). Toisaalta virtauksen alkupäässä magman noustessa ja tunkeutuessa isäntäkiveen voivat syntyneet kiteet painautua seinämiä vasten, jolloin ne muodostavat oman kerroksensa magman jäähtyessä.
Suodattumisella tarkoitetaan vielä sulan osan mekaanista erottumista osittain kiteytyneestä magmasta. Tästä prosessista on useita teorioita kehitteillä, eikä suodattumista ole voitu osoittaa luonnossa tapahtuvan ainakaan merkittävissä määrin. Pieniä määriä sulaa voi poistua kumuloituneiden kiteiden väliköistä esimerkiksi kokoonpuristumisen tai seismisen värähtelyn seurauksena.
Kaasun virtaukset magmassa voivat myös aiheuttaa fraktioitumista. Kaasukuplien noustessa kohti säiliön pintaa ne saattavat kuljettaa mukanaan kiteitä kiinnittymällä niihin. Lisäksi kaasulla on roolinsa kumulaattien väliin jäävän nestefaasin poistossa. Kuplien nouseva liike sekoittaa pohjalle kerääntyneitä kiteitä ja niiden väliin jäänyttä sulaa auttaen kiteitä painautumaan tiukemmin toisiaan vasten, jolloin nesteelle ei jää tilaa niin paljoa.
Myös sula voi erottua gravitatiivisesti. Koska kiteytyminen muuttaa sulan tiheyttä, voi sulan osa josta tapahtuu enemmän kiteytymistä joko nousta kohti säiliön pintaa tai painua pohjalle. Tällöin sulaan syntyy kerroksellinen rakenne kahden tai useamman tyyppisestä (koostumuksellisesta ja tiheydellisestä) sulasta.
Sulien sekoittumattomuus on melko vähäinen merkitykseltään magmojen erilaistumisessa. Siinä alun perin homogeenisestä magmasta erottuu kahdenlaista sulaa, jotka eivät sekoitu keskenään mutta kummankin lähtöaineet ovat sulaneet yhtä aikaa samassa paikassa. Tietyillä sulilla sekoittumattomuus on yleisempää, esimerkiksi silikaatti-karbonaatti ja silikaatti-sulfidi koostumuksellisilla.Sulan fraktioituminen on kolmas prosessi, jossa alun perin homogeeninen magma muuttuu heterogeeniseksi. Tämä tapahtuu ilman kiteytymistä tai sulan jakautumista sekoittumattomiin osiin. Pääasialliset mekanismit sulan fraktioitumiseen ovat terminen diffuusio ja gravitatiivinen diffuusio.
Terminen diffuusio tarkoittaa alkuaineiden jakautumista sulassa lämpötilan mukaisesti. Laboratoriokokeissa on havaittu (lämpötilagradientin ollessa 265 astetta/ 8mm) kuumaan päähän rikastuvan piitä, natriumia ja kaliumia. Kylmään päähän rikastui titaniumia, rautaa, magnesiumia ja kalsiumia. Alkuaineiden lisäksi terminen diffuusio voi myös erottaa saman aineen isotooppeja lämpötilan mukaisesti.
Gravitatiivinen diffuusio on melko kyseenalainen mekanismi, joka toisinaan selittää kyllä muutoin selittämättömiä intruusioiden erilaistumisia. Sen perusajatuksena on täysin sulaneessa kiviaineessa atomi- ja molekyylitasolla tapahtuva raskaiden ja keveiden alkuaineiden jakaantuminen.
Veden diffuusio magmassa on kuitenkin tärkeä tekijä magman erilaistumisessa riippumatta millä tavoin diffuusio tapahtuu. Erityisesti vedellä on taipumus koordinoida alkalimetallikationeiden liikkeitä magmassa.
Kontaminaatiolla tarkoitetaan magmojen muuttumista reagoimalla reunakivien tai ksenoliittien kanssa. Kontaminaatio sisältää sulattamisen, kemialliset reaktiot ja materian irrottamisen säiliön reunoista. Sen kanssa vastakkainen reaktio on assimilaatio: kun magma kontaminoituu niin reunakivi tai ksenoliitti assimiloituu.
Magma voi tuottaa reunakiven sulattamiseen tarvittavan lämmön jäähtymällä, mikäli se on likviduksen yläpuolella, tai matalammassa lämpötilassa lisäksi kiteytymällä. Magma voi nousta yli likvidus lämpötilansa monin keinoin, tärkeinä näistä kuitenkin paineriippuvuus. Kohotessaan syvältä kuoren alaosista maan pinnalle magman lämpötila voi nousta parikin sataa astetta yli sen likviduksen. Magman reagoidessa ksenoliitin kanssa niiden ainekset asettuvat kemialliseen tasapainoon, minkä jälkeen ksenokiteet jakaantuvat magmaan tasaisesti. Tosin yleensä prosessi jää kesken magman ollessa jo jäähtynyt ja kiteytynyt joistain osistaan. Se miten ksenoliittinen mineraali reagoi sulan kanssa riippuu magman jäähtymisvaiheesta. Jos uusi mineraali olisi kiteytynyt aiemmin sulasta, muuntuu se magmasta sillä hetkellä kiteytyväksi mineraaliksi. Vastaavasti jos ksenoliittinen mineraali kiteytyisi vasta alemmassa lämpötilassa, se liukenee magmaan. Jos magma on juuri siinä vaiheessa, että ksenoliittinen mineraali kiteytyisi, ei se reagoi mitenkään.
Suuret magmaan joutuneet kappaleet eivät välttämättä sula kokonaan. Yleensä kuitenkin niiden lämpeneminen johtaa joidenkin mineraalien osittaiseen sulamiseen, jolloin kivi saattaa hajota kiteiksi jotka sittemmin levittyvät magmaan. Tästä seurauksena magmakivistä löytyy joskus mineraalikiteitä, jotka eivät ole magmaattisia.
Alueellisessa sulamisessa magmasäiliön kylmillä alueilla tapahtuu kiteytymistä ja toisaalla magma sulattaa säiliön reunoja. Tällöin alkuperäinen koostumus muuttuu.
Magmojen sekoittumisessa kaksi tai useampia magmoja sekoittuu tuottaen erilaisia välikoostumuksia, jolloin taas alkuperäinen koostumus muuttuu. Sekoittuminen on yleistä matalan viskositeetin omaaville basalttisille magmoille, ja tapahtuu yleisesti kun jo jäähtyvään intruusioon nousee uutta magmaa sen alapuolelta.
Basalttiset ja happamat magmat voivat myös sekoittua keskenään, tuottaen intermediäärisiä koostumuksia, mutta yleisemmin ne eivät sekoitu keskenään johtuen niiden erilaisista tiheyksistä.
Lähde: Hall, Anthony, 1996. Igneous Petrology, 2nd edition. Longman Group Limited. 551s.