Минералы, из которых состоят магматические породы, кристаллизуются при различных температурах. Это объясняет, почему охлажденная магма может содержать в себе несколько кристаллов и при этом оставаться преимущественно жидкой. Последовательность, в которой минералы кристаллизуются из магмы, известна как серия реакций Боуэна.
Из обычных силикатных минералов оливин обычно кристаллизуется первым при температуре от 1200 до 1300°С. Когда температура падает и предполагается, что в магме остается некоторое количество кремнезема, кристаллы оливина реагируют (объединяются) с некоторым количеством кремнезема в магме с образованием пироксена.
Пока остаётся кремнезем и скорость охлаждения медленная, этот процесс продолжается по прерывистой ветви: оливин в пироксен, пироксен в амфибол и (при правильных условиях) амфибол в биотит.
Примерно в тот момент, когда пироксен начинает кристаллизоваться, полевой шпат плагиоклаза также начинает кристаллизоваться. При этой температуре плагиоклаз богат кальцием (анортит).
Когда температура падает и при условии, что в магме остается натрий, плагиоклаз, который образуется, является более богатым натрием.
Кем был Боуэн, и что такое серия реакций?
Норман Леви Боуэн, родившийся в Кингстон Онтарио, изучал геологию в Университете Королевы, а затем в Массачусетском технологическом институте в Бостоне. В 1912 году он присоединился к Институту Карнеги в Вашингтоне, где проводил новаторские экспериментальные исследования процессов охлаждения магм.
Работая в основном с базальтовыми магмами, он определял порядок кристаллизации минералов при понижении температуры.
Короче говоря, метод заключался в том, чтобы расплавить породу до магмы в специально изготовленной печи, дать ей медленно остыть до определенной температуры (позволяя образоваться некоторым минералам), а затем погасить ее (быстро охладить), чтобы не было новой Форма минералов (только стекло).
Результаты были изучены под микроскопом и химическим анализом. Это было сделано снова и снова, каждый раз позволяя магме остыть до более низкой температуры перед гашением.
Серия реакций Боуэна - один из результатов его работы, и даже столетие спустя, это важная основа для нашего понимания магматических пород. Слово реакция имеет решающее значение. В прерывистой ветви оливин обычно является первым образующимся минералом (при температуре чуть ниже 1300°C).
Поскольку температура продолжает падать, оливин становится нестабильным, в то время как пироксен становится стабильным. Ранние кристаллы оливина реагируют с кремнеземом в оставшейся жидкой магме и превращаются в пироксен, что-то вроде этого:
Mg 2 SiO 4 + SiO 2 -> 2MgSiO
3оливин пироксен.
Это продолжается вниз по цепочке, пока в жидкости остается кремнезем. В тех случаях, когда охлаждение происходит относительно быстро, отдельные кристаллы плагиоклаза могут быть зонированы от богатых кальцием в центре до более богатых натрием снаружи.
Это происходит, когда богатые кальцием кристаллы плагиоклаза с ранней формой покрываются постепенно более богатым натрием плагиоклазом по мере охлаждения магмы.
Наконец, если магма с самого начала богата кремнеземом, то при температуре 750–800°C все еще останется некоторое количество жидкой магмы, и из этой последней магмы будут образовываться калиевый полевой шпат, кварц и, возможно, мусковитовая слюда.
Состав исходной магмы имеет решающее значение для кристаллизации, поскольку он определяет, насколько далеко может продолжаться процесс реакции, прежде чем весь кремнезем израсходуется.
Мафические магмы содержат от 45% до 55% SiO 2 , около 25% общего количества FeO и MgO плюс CaO и около 5% Na 2 O + K 2 O. С другой стороны, в магиях из фельсика содержится гораздо больше SiO 2 (65% до 75%) и Na 2 O + K 2 O (около 10%) и значительно меньше FeO и MgO плюс CaO (около 5%).
Когда мафическая магма начинает остывать, часть кремнезема соединяется с железом и магнием, образуя оливин. При дальнейшем охлаждении большая часть оставшегося кремнезема попадает в богатый кальцием плагиоклаз, и любой оставшийся кремнезем можно использовать для превращения части оливина в пироксен.
Вскоре после этого вся магма израсходована и никаких дальнейших изменений не происходит. Присутствующие минералы - оливин, пироксен и плагиоклаз с высоким содержанием кальция.
Если магма медленно остынет под землей, продукт будет габбро, если он быстро остынет на поверхности, продукт будет базальтовым.
Фелсические магмы имеют тенденцию быть круче, чем мафические магмы, когда начинается кристаллизация (потому что они не должны быть очень горячими, чтобы оставаться жидкими), и поэтому они могут начать кристаллизацию пироксена (не оливина) и плагиоклаза.
Ряд процессов, происходящих в магматической камере, может влиять на типы пород, которые в итоге образуются.
Если магма имеет низкую вязкость (то есть, она жидкая) - что, вероятно, если она мафическая, - кристаллы, которые образуются раньше, такие как оливин, могут медленно оседать к дну магматической камеры.
Это означает, что общий состав магмы в верхней части магматического очага станет более рыхлым, поскольку он теряет некоторые компоненты, богатые железом и магнием. Этот процесс известен как фракционная кристаллизация.
Кристаллы, которые оседают, могут образовывать богатый оливином слой около дна магматической камеры, или они могут переплавляться, потому что нижняя часть, вероятно, будет более горячей, чем верхняя часть на Земле из-за геотермального градиента.
Если произойдет какое-либо плавление, осаждение кристаллов сделает магму на дне камеры более опасной, чем это было с самого начала.
Если осаждение кристаллов не происходит, потому что магма слишком вязкая, тогда процесс охлаждения будет продолжаться, как и предсказывалось реакцией Боуэна.
