花崗岩戰爭 - 第二集:新的相(圖)

“在地球內部存在著神秘的力量,其影響在表面顯現出來。蒸汽的噴發,熾熱的熔岩和新的火山岩……[]” 亞歷山大·馮·洪堡 在19世紀末,在“火成論”在偉大的花崗岩戰爭中獲勝之後,地質學家接受了火成岩起源於地球深處的觀點 [...]

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在地球內部存在著神秘的力量,其影響在表面顯現出來。蒸汽的噴發,熾熱的熔岩和新的火山岩…[]”

亞歷山大·馮·洪堡

在19世紀末,在“火成論”在偉大的花崗岩戰爭中獲勝之後,地質學家接受了火成岩起源於地球深處的觀點。然而,從深色玄武岩到淺色花崗岩,火山岩和深成岩的巨大差異很難解釋,因為人們認為地球內部是相對均勻的(基於地球是由原始物質凝聚而成的觀點,它被想象成一系列同心殼)。


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圖1. 特爾拉諾侵入體(阿爾卑斯山)的深成岩,長石斑岩(帶有一顆孤立的長石晶體)樣品。

一些地質學家,即法國地質學家P.T. Virlet d´Aoust創造的術語“花崗岩化論者”提出,火成岩是透過熔化先前存在的岩石形成的。這種模型可以解釋某些岩漿岩的分佈(花崗岩只在大陸上發現,因為它是由熔化其他地殼岩石形成的),但是它無法解釋在野外經常看到的火山導管之間的清晰界限。此外,熔化“源巖”所需的能量非常高,並且新舊岩石之間元素必要的化學擴散非常低。

根據“岩漿論者”的觀點,該術語來自法國博物學家德·多洛米厄在1794年創造的“岩漿”,花崗岩和其他深成岩實際上是透過不同熔體的冷卻形成的。德國化學家羅伯特·威廉·E·本生(1811-1899)在1851年提出了一個基於此前提的簡化模型,以及他在冰島的地質觀察(“關於冰島火山岩形成的程序”)。他認為地球上只有兩種岩漿型別——基本的“輝石巖”和酸性的“粗面岩”,它們形成於地殼的不同層。透過混合這兩種主要的岩漿型別,可以產生所有其他火山岩。

聖胡安山脈(科羅拉多州)的安山岩和英安巖中的一項發現似乎證實了這一模型。在這裡,單個大的長石晶體的化學成分與周圍帶有小長石晶體的基質明顯不同。對於本生來說,較大的長石晶體是獨立形成的,後來被混合到熔化的細粒岩石中。

1844年,地質學家查爾斯·達爾文提出了一個只需要一種岩漿的岩石學模型

我認為,如果我們可以相信大多數深成岩體在一定程度上已經排出了那些相對較重且容易液化的元素,這些元素構成了粗面岩和玄武岩系列的岩石,那麼地質學家在比較火山岩和深成岩的成分時所經歷的許多困難將得到消除。

達爾文僅基於野外觀測,設想了岩漿透過礦物分離進行的礦物學分異。礦物顆粒在冷卻的岩漿中形成,重礦物沉到岩漿室的底部,殘留的熔體現在重元素貧乏,可以形成另一種型別的火成岩。

圖2. 火成岩的“進化樹” - 最基本(在地球地幔中發現 - 如橄欖岩)在底部,而較衍生的(如花崗岩)在頂部。來自 KRÜGER, K. (1954): "Das Reich der Gesteine", 公有領域影像。

但只有透過加拿大諾曼·列維·鮑文(1887-1956)的實驗,地質學家才開始意識到產生火成礦物和岩石的機制。

N.L. 鮑文出生於金斯頓(安大略省),但在大學畢業後前往麻省理工學院,在那裡他遇到了岩石學家亞瑟·L·戴(1871-1957),他是卡內基研究所地球物理實驗室的主任,該實驗室於1905年在華盛頓新成立。戴特別感興趣的是瞭解熔體如何從不同礦物的混合物中形成。他建議鮑文研究斜長石的性質,斜長石是火成岩中常見且重要的成分,由兩種礦物鈣長石鈉長石的混合物組成。由於有了新的電爐、耐高溫探頭和新的分析方法,鮑文最終於1913年發表了岩石學中最著名的圖表之一——斜長石的相圖。

圖3. 鮑文的“斜長石熔融現象”(1913年)中斜長石的相圖。此圖顯示了晶體如何從冷卻的熔體中形成,請注意晶體的成分(下線)與殘留熔體的成分(上線)有何不同。晶體繼續與冷卻的熔體反應,遵循各自的線。但是,如果從系統中移除晶體,則系統的起點將發生變化。冷卻此熔體現在將產生另一種斜長石,其化學成分與殘留熔體的化學成分相同。地質學學生將此機制稱為(並畏懼)“分級結晶”(影像用於教育目的,屬於合理使用)。

鮑文確信,僅分級結晶就可以解釋觀察到的各種火成岩。但是,此模型有一個很大的缺陷 - 分級結晶效率很低;您需要的源岩漿體積是觀察到的花崗岩的九倍,此外,分級結晶應該發生在整個地球上,但是花崗岩岩石集中在大陸地殼中。

缺少了某些東西……

參考書目

HÖLDER, H. (1989): Kurze Geschichte der Geologie und Paläontologie - Ein Lesebuch. Springer Verlag, Heidelberg: 243

YOUNG, D.A. (2002): Norman Levi Bowen (1187-1956) and igneous rock diversity. From OLDROYD, D.R. (ed.); The Earth Inside and Out: Some Major Contributions to Geology in the Twentieth Century. Geological Society, London, Special Publications Nr. 192: 99-111

My name is David Bressan and I'm a freelance geologist working mainly in the Austroalpine crystalline rocks and the South Alpine Palaeozoic and Mesozoic cover-sediments in the Eastern Alps. I graduated with a project on Rock Glaciers dynamics and hydrology, this phase left a special interest for quaternary deposits and modern glacial environments. During my research on glaciers, studying old maps, photography and reports on the former extent of these features, I became interested in history, especially the development of geomorphologic and geological concepts by naturalists and geologists. Living in one of the key area for the history of geology, I combine field trips with the historic research done in these regions, accompanied by historic maps and depictions. I discuss broadly also general geological concepts, especially in glaciology, seismology, volcanology, palaeontology and the relationship of society and geology.

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