火山活動

減圧融解は、体の深部から固体物質が上昇するときに起こります。物質が上昇するにつれて圧力が低下し、融点も上昇します。したがって、特定の圧力と温度で固体である岩石は、温度が一定のままであっても、圧力、ひいては融点が低下すると液体になることがあります。^{[ 9 ] [ 3 ]}ただし、水の場合、圧力が0.208 GPaに達するまでは圧力が上昇すると融点が低下し、その後は圧力とともに融点が上昇します。^{[ 3 ]}

フラックス融解は、水や二酸化炭素などの揮発性物質の添加によって融点が低下するときに起こります。^{[ 3 ] [ 10 ]}減圧融解と同様に、温度の上昇ではなく、融点の低下によって引き起こされます。^{[ 11 ]}

低温火山活動は、均一な地下海から発生するのではなく、個別の液体貯留層から発生する可能性がある。これらの貯留層が形成される最初の方法は、暖かい氷のプルームが湧き上がり、その後沈み込み、対流を形成することである。エウロパに対するこの影響を調査するために開発されたモデルでは、潮汐加熱によるエネルギーがこれらのプルームに集中し、プルームが横方向に（水平方向に）広がるにつれて、これらの浅い深度で融解が発生することがわかった。次に、流体で満たされた亀裂の垂直方向の伝播から水平方向の伝播への切り替えがある。別のメカニズムは、表面から氷殻に侵入する亀裂の横方向の動きによる応力の解放による氷の加熱であり、大きな衝突による加熱でさえ、このような貯留層を作り出すことができる。^{[ 6 ]}

惑星体の物質が溶融し始めると、溶融はまず、特定の高エネルギー領域、例えば粒界の交差部や異なる結晶が反応して共晶液を形成する場所にある小さなポケットで発生し、最初は互いに隔離されたまま岩石の中に閉じ込められます。溶融物質の接触角が溶融物が結晶面を濡らし、粒界に沿って流れることを可能にする場合、溶融物質はより大きな量に蓄積されます。一方、接触角が約 60 度より大きい場合、溶融物が元の岩石から分離する前に、はるかに多くの溶融物が形成されなければなりません。地球上の岩石の研究によると、高温の岩石中の溶融物は、硬い溶融物の浸透モデルとは対照的に、粒径よりもはるかに大きなポケットや脈に急速に集積します。溶融物は、源岩から均一に流れ出るのではなく、合流してより大きな脈を形成する小川を通って流れ出ます。浮力の影響で、溶融物は上昇します。^{[ 3 ]}ダイアピルは非珪酸塩岩体にも形成され、温かい物質を地表に向かって移動させる同様の役割を果たします。^{[ 6 ]}

岩脈は垂直な流体で満たされた亀裂であり、力学的には、水で満たされたクレバスを逆さまにしたものと言えます。マグマが垂直な亀裂に上昇するにつれて、マグマの密度が周囲の岩石に比べて低いため、圧力は周囲の密度の高い岩石よりもゆっくりと低下します。マグマと周囲の岩石の平均圧力が等しい場合、岩脈の上部では岩脈内の圧力が周囲の岩石の圧力を上回り、下部では岩石の圧力が岩脈の圧力を上回ります。そのため、マグマは亀裂の上部を押し上げますが、下部では弾性反応（弾力性のあるソファに座った人の横に膨らみができるのと同様）により亀裂が圧縮されて閉じます。最終的に、尾部は非常に狭くなり、ほとんどちぎれてしまい、それ以上新しいマグマが亀裂に上昇しなくなります。亀裂は独立したマグマの塊として上昇し続けます。^{[ 3 ]}

この火山噴火モデルは、マグマが岩石圏の剛性の開いたチャネルを通って上昇し、静水圧平衡のレベルで沈降すると仮定している。このモデルは、互いに近い火山の標高の明らかな一致など、観測結果をうまく説明できる（新しいモデルではできない）にもかかわらず、剛性の開いたチャネルという仮定が成り立たないほど岩石圏の厚さが大きすぎるため、正しくなく、現在では信用されていない。^{[ 3 ]}

ケイ酸塩火山活動では、溶融物が自身の浮力によって浅い地殻に到達するまで上昇するが、低温火山活動では、水（低温マグマは水が主成分であることが多い）は、その上にある氷よりも密度が高い。低温マグマが地表に到達する方法の一つは、水の密度を低くして浮力を持たせることである。これは、負の浮力を逆転させる他の化合物の存在、低温マグマに以前溶解していた溶存ガス気泡の添加（これにより低温マグマの密度が低くなる）、または氷殻中の高密度化剤の存在によって実現できる。もう一つの方法は、流体に圧力をかけて負の浮力を克服し、地表に到達させることである。地下の海の上にある氷殻が厚くなると、海全体に圧力がかかる（低温火山活動では、凍結した水または塩水は液体の状態よりも密度が低い）。液体の貯留層が部分的に凍結すると、残りの液体も同様に圧力がかかる。^{[ 6 ]}

氷殻の亀裂が上方に伝播するためには、内部の流体が正の浮力を持つか、外部応力が氷を突き破るのに十分な強さでなければならない。外部応力には、前述のように、潮汐や凍結による過剰圧力によるものが含まれる可能性がある。^{[ 12 ]}

氷火山性溶融物の上昇には、他にも考えられるメカニズムがある。水を含む亀裂が海洋または地下流体貯留層に達すると、水は静水圧平衡レベルまで上昇し、表面の約 9/1 の高さまで達する。氷殻に圧縮と張力を引き起こす潮汐は、水をさらに押し上げる可能性がある。^{[ 6 ]}

1988年の論文では、木星の衛星エウロパの地下海から上方に伝播する亀裂の可能性が提案された。上方に伝播する亀裂の先端には低圧領域が存在し、水中に溶解している揮発性物質が気体となって放出されると考えられた。氷殻の弾性により亀裂が表面に到達することはおそらくなく、代わりに亀裂が途中で切れて気体と液体を閉じ込めることになる。気体によって浮力が増し、亀裂が表面に到達する可能性がある。^{[ 6 ]}

衝突によっても、マグマの上昇を促進する条件が作り出されることがある。衝突によって地殻の最上部数キロメートルが除去され、盆地と周囲の地形の高さの差によって生じる圧力差により、そうでなければ地表下に留まっていたマグマが噴火する可能性がある。2011年の論文では、衝突盆地の縁辺部にはマグマの上昇が促進される領域が存在することが示された。^{[ 6 ]}

これらのメカニズムのすべてが特定の身体に作用するとは限らず、場合によっては全く作用しないこともある。^{[ 6 ]}

地球上の火山噴火は、一貫してガスを多く含む物質の噴出からガスが枯渇した物質の噴出へと進行することが観察されているが、噴火はガスを多く含む物質とガスが枯渇した物質の噴出を何度も繰り返すことがある。これは、岩脈が地表を突き破ったときに放出されるガスによって岩脈上部のマグマが濃縮され、その後、ガスが濃縮されていない下部のマグマが噴出することによって説明できる。^{[ 3 ]}

マグマが地表に近づくと、マグマに溶け込んだガスが分離する理由は、温度と圧力がガスの溶解度に及ぼす影響によるものです。圧力が上昇するとガスの溶解度が高まり、ガスが溶け込んだ液体が減圧されると、ガスは液体から溶出（または分離）する傾向があります。その一例として、炭酸飲料のボトルを素早く開けたときに起こる現象が挙げられます。シールを開けると圧力が低下し、液体全体に二酸化炭素ガスの泡が現れます。^{[ 3 ]}

流動性の高いマグマは静かに噴火します。マグマから分離したガスは、地表に到達する前に容易に放出されます。しかし、粘性の高いマグマでは、ガスは分離した後もマグマ内に閉じ込められ、マグ​​マ内部に気泡を形成します。これらの気泡は、圧力の低下によりマグマが地表に近づくにつれて大きくなり、マグマは大幅に増加します。この事実により、このような物質を噴出する火山は「爆発」する傾向がありますが、爆発に伴う圧力の上昇とは異なり、火山噴火では常に圧力が低下します。^{[ 3 ]}

一般的に、爆発的な低温火山活動は、地球で見られる爆発的な珪酸塩火山活動と同様に、以前に低温マグマに溶解していた揮発性物質の溶出によって引き起こされます。以下では主にその点について説明します。^{[ 12 ]}

シリカを多く含むマグマは、噴火する前に地表下で冷え固まります。この過程で、マグマから気泡が分離します。マグマが地表に近づくと、気泡、ひいてはマグマの体積が増加します。その結果生じた圧力が最終的に地表を突き破り、圧力の解放によってさらに多くのガスが分離し、爆発的に噴出します。ガスは毎秒数百メートルの速度で膨張し、上方と外側に広がります。噴火が進むにつれて、連鎖反応によってマグマはますます高速で噴出されます。^{[ 3 ]}

水蒸気爆発は、加圧された熱水が減圧されたときに発生する可能性があります。減圧によって水の沸点が低下するため、減圧されると水は突然沸騰します。^{[ 21 ]}また、地下水が突然加熱されて、突然蒸気になるときにも発生する可能性があります。^{[ 22 ]} 水蒸気爆発で水が蒸気になると、超音速で膨張し、元の体積の最大1,700倍になります。これは固い岩を粉砕し、岩の破片を数百メートル飛ばすのに十分な力になります。^{[ 23 ]}

水蒸気マグマ噴火は、高温のマグマが水と接触して爆発を起こすときに発生する。^{[ 24 ]}

爆発的な低温火山活動のメカニズムの一つは、低温マグマがクラスレートハイドレートと接触することです。クラスレートハイドレートは、高温にさらされると容易に分解します。1982年の論文では、上昇する高温マグマと接触したクラスレートハイドレートの不安定化によって発生する加圧ガスが、地表を突き破る爆発を引き起こし、爆発的な低温火山活動につながる可能性があると指摘されています。^{[ 6 ]}

氷天体の表面に亀裂が達し、上昇する水の柱がほとんどの氷天体の表面のほぼ真空状態にさらされると、水蒸気圧が周囲の圧力よりもはるかに高いため、すぐに沸騰し始めます。それだけでなく、水中の揮発性物質も溶出します。これらのプロセスが組み合わさって水滴と水蒸気が放出され、亀裂を上昇して噴煙を形成します。これはエンケラドゥスの氷の噴煙の一因と考えられています。^{[ 6 ]}

木星の衛星イオは、木星との潮汐相互作用により、太陽系で最も火山活動が活発な天体です。硫黄、二酸化硫黄、ケイ酸塩岩を噴出する火山で覆われており、その結果、イオの表面は常に更新されています。太陽系で火山活動が活発なため容易に観測できる天体は、地球とイオの2つだけです。^{[ 35 ]}イオの溶岩は、太陽系で知られている中で最も高温で、温度は1,800 K (1,500  °C)を超えます。2001年2月、太陽系で記録された最大の火山噴火がイオで発生しました。^{[ 36 ]}

木星のガリレオ衛星の中で最も小さいエウロパにも活発な火山系があるようですが、その火山活動はすべて水の形であり、極寒の表面で氷に凍ります。このプロセスは低温火山活動として知られており、太陽系の外惑星の衛星で最も一般的であるようです。^{[ 37 ]}