Vad är Bowens reaktionsserie?

April 22

Stenarna som utgör jordskorpan består av en mängd olika mineraler med olika kemiska sammansättningar och fysikaliska egenskaper. Mineraler har sitt ursprung i magmatiska bergarter, som har stelnat från magma, och vilka typer av mineralämnet beror inte bara på den kemiska sammansättningen av den ursprungliga magma, men på dess temperatur, tryck och i vilken takt den svalnat. I början av 20-talet, geologen Norman L. Bowen i Geophysical Laboratory vid Carnegie Institution of Washington, DC genomfört en serie experiment som syftar till att bestämma sekvensen av kristallisering av olika mineraler från magma. Han smälte pulveriserade prover av magmatisk sten, sedan lät dem svalna till förutbestämda temperaturer så att han kunde observera bildandet av mineralkristaller och i vilken ordning de verkade. Från dessa resultat, han sammanställt vad som blev känt som Bowens reaktionsserie, en sekvens av mineralbildning som ofta används i geologi, petro och volcanology.

När smält sten kyls mycket snabbt, finns det inte tillräckligt med tid för mineraler för att bilda kristaller; resultatet är istället ett amorft glas. Den experimentella proceduren som används av Bowen var utformad för att utnyttja detta fenomen för att "frysa" kristallisationsprocessen i olika skeden. De bergartsprover placerades i en extremt robust behållare känd som en "bomb" och upphettas till ca 2912 ° F (1600 ° C), vilket säkerställer att allt material skulle smälta. Provet fick svalna till en viss temperatur och hålles vid denna temperatur tillräckligt länge för att tillåta kristallisering av vissa mineraler kan ske, kyldes sedan plötsligt med vatten för att ge en "ögonblicksbild" av processen vid det särskilda steget. De mineraler som redan hade kristallis bevarades, medan resten av materialet, som fortfarande hade varit smält, stelnade till glas.

Genom att upprepa denna procedur för olika temperaturer, blev Bowens reaktionsserie utvidgas, vilket ger en bild av de kristallina mineraler produceras vid temperaturer från 2552 ° F (1400 ° C) ner till 1472 ° F (800 ° C). Bowen två avgränsade grenar av serien, kännetecknas av kemin av mineraler, som förenade vid lägre temperaturer. En, som han kallade den kontinuerliga serien, beskrev sekvensen av kristallisering av mineral rika på natrium, kalcium, aluminium och kisel, gemensamt benämnda plagioclases. Den andra, kallad diskontinuerliga serien, beskrev sekvensen för mineraler rika på järn och magnesium, så kallade mafiska mineral.

Den kontinuerliga serien kallas så eftersom den visar en mjuk övergång i sammansättningen av de mineraler som bildas när temperaturen sjunker. Detta illustreras bäst av de relativa proportionerna av kalcium och natrium. När kristallisa sker vid mycket höga temperaturer, är det kristallina materialet mycket rik på kalcium och mycket låg natrium. Med sjunkande temperatur, stadigt ökar kvoten natrium till kalcium, tills dessa proportioner är omvända. Andelen av kiseldioxid i de mineraler ökar också med minskande temperatur.

I det diskontinuerliga grenen av Bowens reaktionsserie, processerna är mer komplexa. Såsom med kontinuerlig serie, andelen kiseldioxid ökar när temperaturen sjunker; Men i stället för en stadig ökning av halten kiseldioxid finns en sekvens av helt skilda mineraler: olivin, pyroxen, amfibol och biotit. Olivin är den första att kristallisera - vid ca 2552 ° F (1400 ° C), men när temperaturen sjunker den reagerar med den fortfarande smälta materialet, som bildar nästa mineral i serien, pyroxen. Liknande processer omvandlar pyroxen att amfibol, och amfibol att biotit; dock kommer varje förändring från ett mineral till nästa bara ske om det finns tillräckligt med kiseldioxid fortfarande närvarande i magma. Sekvensen kan också stanna vid någon punkt, om magma kyls mycket snabbt genom att nå ytan, lämnar mineraler såsom olivin, pyroxen och amfibol kvar i den stelnade berget, precis som i Bowen experiment.

Om de två grenarna samman, fortsätter sekvensen. De återstående mineraler, i stigande ordning av kiseldioxid innehåll är orthoclase - även känd som kaliumfältspat - muskovit och kvarts. Sammantaget går Bowens reaktionsserie från stenar som innehåller mycket kalcium, magnesium och järn, och låg natrium och kiseldioxid - såsom basalt - till stenar som är låg på kalcium, magnesium och järn, och högt i natrium och kiseldioxid - t.ex. granit. I en stor, tunnelbana, magmakammare som kyler mycket långsamt, det olivin och hög kalcium plagioklas kristalliserar först och sjunka genom vätskan magma till botten av kammaren, följt av andra mineraler i sekvensen, lämnar granit och liknande stenar på toppen med den tid hela massan har stelnat. Goda exempel på denna sekvens, som går från granit överst till gabbro - en grov kristallint berg med samma sammansättning som basalt - längst ner finns på ett antal platser i hela världen.