火成岩的種類和形成

Storyteller/玩石碎碎念

澎湖島上鱗次櫛比的柱狀玄武岩、噴著熱氣薰人的陽明山小油坑、令人錯覺身處於仙境的黃石國家公園。這些地方都是著名的火山景點。那麼究竟這些火山是怎麼形成的?岩漿又是如何產生不同化學性質,進而在不同地點形成相異的火成岩呢?

 

火成岩的定義

火成岩(Igneous rock),泛指因火山活動而產生的岩石,像是枕狀玄武岩、火山灰組成的凝灰岩…等等。火成岩依冷卻速度可分成「深成岩」(Intrusive)和「噴出岩」(Extrusive)。深成岩為岩漿在地底緩慢冷卻所形成,有足夠的時間與空間讓礦物長大,所以礦物顆粒皆大且完整;而噴出岩則是岩漿噴至地表,接觸較冷的空氣或水體,快速冷卻而導致礦物顆粒小,甚至有時肉眼還無法分辨。

另一種分類,則是依照「化學性質」,以二氧化矽(SiO2)含量為基準,由低到高分為「基性」、「中性」、「酸性」,通常含量升高,黏性越高,流動性則越差。

  • 基性火成岩(Mafic ):岩漿SiO2含量在45~52%,流動性及溫度皆最高,約900~1200℃。主要以鈣斜長石和輝石為主要礦物,呈現較深的顏色。以中洋脊噴出的「玄武岩」,以及深成的「輝長岩」為代表。
  • 中性火成岩(Intermediate):岩漿SiO2含量在52~66%,流動性及溫度皆界在中間。主要以斜長石和角閃石為主要礦物,含有少許輝石。以碰撞產生的「安山岩」島弧和深成的「閃長岩」為代表。
  • 酸性火成岩(Felsic):岩漿SiO2含量大於66%,流動性和溫度皆最低,約850℃,黏性極高。主要以鈉斜長石、鉀長石、雲母和石英為主為礦物,顏色淺。噴出的「流紋岩」和古陸塊常見的「花崗岩」為代表岩石。

當然,這些分類沒有那麼硬性,還是有些例外!像是「花崗閃長岩」,就是化學性質介在酸性與中性之間,同時具備兩種性質的深成火成岩。而SiO2含量小於45%的,我們稱為「超基性火成岩」(Ultramafic),主要為在地下深處,靠近地函的「橄欖岩」。

 

包溫反應序列

1920年代,岩石學家諾曼.包溫(Norman Levi Bowen加熱熔化各種火成岩粉末,再逐步冷卻來觀察礦物的結晶,最後歸納出礦物和岩漿之間的關係,也就是包溫反應序列(Bowen’s reaction series)。他認為岩漿冷卻的過程中,由於各礦物的結晶溫度不同,熔點較高的礦物會先冷卻析出,剩餘的岩漿性質就改變了。之後,先產生的礦物又會和剩餘岩漿反應,產生後期結晶的礦物。不斷地析出和反應,就形成了礦物結晶序列。而礦物結晶序列又可分為「不連續反應序列」(Discontinuous Series)和「連續反應序列」(Continuous Series)。

  • 不連續反應序列:以鐵鎂矽酸鹽礦物為主,先析出熔點最高的橄欖石,之後和剩餘岩漿反應產生輝石,輝石再反應成角閃石,最後產生黑雲母。由於這些礦物的成分和結晶構造皆不同,呈現跳躍式的變化,所以稱做不連續反應序列。
  • 連續反應序列:以斜長石為主,鈣長石首先析出再和剩餘岩漿反應,之後連續不斷地成分和溫度變化,鈉逐漸取代鈣,形成含鈉含量高的斜長石,像是拉長石、中長石,最後變成完全的鈉長石。由於所有礦物的結晶構造沒有什麼改變,只有成分上的些微轉變,所以被稱為連續反應序列。

  • 當岩漿反應到最後,剩餘在岩漿中的元素矽、鋁、鉀,便合成產生新的低溫礦物,依序為鉀長石,白雲母和石英。

包溫反應序列對研究火成岩中礦物的結晶順序有很大的貢獻。由此序列搭配觀察,可以發現在溫度較高的基性火成岩中,所含的礦物屬於較早結晶的輝石和斜長石。隨著溫度降低,在酸性火成岩裡則多為低溫的石英、雲母和鉀長石。由岩石內礦物的組成以及顆粒大小,就可以良好的分類出火成岩,進而慢慢推出地質故事喔!

圖一、包溫反應序列與對應的火成岩示意圖。

了解了包溫反應序列以及火成岩的分類方法後,就讓我們跟著影片一起來看看這些火成岩,藏在台灣的哪些地方?Let’s go!