火成岩學家的觀點

Storyteller/蓋瑞王   Painter/蓋瑞王

若說沉積學家從粉末中看出岩石的故事,那火成岩學家的眼睛可能就更絕了,他們看到的是岩石中的成分,利用成分的變化來述說岩石的歷史。

所謂的火成岩,是由高溫的岩漿(magma)直接冷卻後形成的結晶質或玻璃質岩塊(玻璃質表示物體內部沒有好的建築結構,相當於一盤散沙;相反的,結晶質代表建築結構工整)。它們可說是所有岩石的起點,能告訴你行星誕生時的資訊。此外,火成岩是三大岩類中,唯一可跨界到其他陸質行星去的岩石;也就是說,了解地球上火成岩的形成,有助於我們進一步了解其他的行星表面,像是月球、火星、金星等。

根據岩漿冷卻於地表或地底,我們可把火成岩分成火山岩(Volcanic rocks,起源於希臘神話中的火神之名)及深成岩(Plutonic rocks,取自冥界之神普魯托)兩類;當然,科學家也用了另外一種較「寫實」的方式,將火成岩分成噴出岩侵入岩兩類。二選一,隨你用哪種名稱分類皆可。而要進一步去了解火成岩的話,得要做更細的分類,通常使用的準則是利用岩石中的礦物組成,或是化學組成來區分。以下來一一說明:

 

來自冥界的深成岩與火神鍛造的火山岩

QAPF圖,以礦物組成為深成岩區分(也有針對火山岩設計的QAPF圖)。本圖色塊的區分用於野外觀察,實線格子則為美國地質調查所(IUGS)定義之不同類別的深成岩。

深成岩是岩漿未噴發出地表,但隨著時間逝去,在地底慢慢冷卻而形成的岩石。也因為冷卻時間很長,岩漿中雜亂無章的粒子有時間慢慢建構出自己的小房子、小社區、甚至到一個都市,亦即從岩漿中結晶出的礦物顆粒可以很大(所謂的偉晶岩,其中的礦物結晶可大到1公分,甚至1公尺的,這在地質界中是很不容易的事)。Albert Streckeisen利用了這樣「礦物肉眼可見」的特徵,以礦物組成來幫深成岩分類,其結果可用一張QAPF圖表來顯示(見右圖);而火山岩因為是岩漿噴出地表冷卻形成的物質,其冷卻時間較深成岩來得短,礦物結晶也較小,甚至不容易被觀察,火山岩的分類較適合以化學組成來區分。

不論是火山岩或是深成岩,都能發現它們有深與淺的顏色之分,這通常反映自成分差異:顏色較深的岩石,其中的鐵、鎂等金屬含量較高,矽含量較少;而顏色較淺的岩石,所含的金屬含量較低,但相對的,矽含量也增高了。我們利用這種元素佔岩石中比例不同的狀況,將火成岩簡單分成鐵鎂質(mafic,或稱基性)及長英質(felsic,或稱酸性,含較多石英、鉀長石等礦物的火成岩)兩大類(當然,隨著比例不同,這之中有很多中間產物)。有趣的是,你幾乎不可能看到一塊同時含有很多石英,又含有很多鐵鎂質礦物的岩石,因為他們兩家族從古至今彼此交惡,互不往來,在同一地區中,誰占地較大,另一家族的占地就小。他們家族之間的血淚史,又是另一段故事了。

 

根深柢固的小團體心態

包溫反應序列:描述岩漿於冷卻過程中,結晶分化作用下的礦物生成順序。左側不連續系列受控於礦物之間結構顯著的不同,右側的連續系列則為礦物於相似結構下的成分變化。

岩漿產生的過程中,元素之間會產生類似「分餾」的作用,讓「耐熱度」不同的元素各自產生小團體而分開。耐熱的元素,像是鐵、鎂等,會留在地底深處,而鈉、鉀、矽等元素會被岩漿帶走,如此經過不斷的循環,元素族群之間的差異性會越來越大,岩石中的礦物組成也越趨不同,因而產生前述的鐵鎂質與長英質兩種火成岩。Bowen製作了一張圖表,說明了這種結晶分化(Crystallization fractionation)的結果,由圖上可知,所謂鐵鎂質(基性)的火成岩,裡面的礦物群大多以橄欖石至角閃石的鐵鎂礦物、及含鈣的斜長石為主;長英質(酸性)火成岩,則以鉀長石、白雲母、石英等礦物為主要組成。這樣的礦物組成變化,其實可明顯的由地球內至外的剖面圖中見到:在岩漿的起點-地函中,所含火成岩幾乎為鐵鎂質含量超高的橄欖岩(它被稱為「超基性岩」);到了地殼的誕生之處-中洋脊,則出現了含有輝石、角閃石、斜長石的玄武岩,這說明了岩漿已經過一次分化作用了;而山脈的誕生處-隱沒帶,其周遭則以中性(介於鐵鎂質與長英質之間)的安山岩,以及酸性的花崗岩為主,在此可看出岩漿又經歷了分化的作用(可見地球是個大型的分餾器!)。值得一提的是,要能使岩漿產生分化,要歸功於地球的板塊運動:透過板塊的張裂與聚合,岩漿中的成分慢慢被區隔出來。這使得地球的岩石與其他陸質星球的岩石有很大的不同,你在附近的行星裡是看不到花崗岩的。

總結上面的現象,在橄欖岩中,你絕對看不到石英、雲母等礦物;在花崗岩中,你也別想見到橄欖石、輝石等礦物,他們就是不可能在一起。唯有一種狀況,你能稍微見到類別較接近的兩種火成岩一起出現,他們以叫做「擄獲岩」的形式出現,這是岩漿噴發時,不小心把原來就先形成的岩石一起帶出而產生的。像是自然界中,常見玄武岩包裹橄欖岩這類的擄獲岩出現,這也讓科學家難得有機會親眼看到來自地函的物質。

除此之外,礦物之間是很小心眼的。

 

團結力量大,凝聚力更佳

成分除了影響了岩石的外觀,它也控制了岩漿的噴發特性,這聽起來很玄?原理其實很簡單,一切都是岩漿中的矽造成的。岩漿可說是建築材料的大倉庫,其中包含了重要的「矽氧四面體」,是矽原子與周圍的氧原子所結合的強壯結構,當矽氧四面體之間相互連結越多,建築就會越強健(科學用語是:岩漿的「黏滯度」會越高,越不容易流動)。科學家發現,基性岩漿的矽含量少,因而大多構成「島狀矽酸鹽」的結構,這代表岩漿中的矽氧四面體彼此之間不相連,而是與其他的陽離子銜接(人口少,地卻廣大,因而讓彼此之間距離增加,彼此以羊腸小徑相互連接),這樣的連結是較不穩固的,使得岩漿的黏滯度下降;相反的,中性至酸性岩漿則含有鏈狀、片狀至架構狀的矽酸鹽成分,使得岩漿的黏滯度提高。

黏滯度改變了又如何呢?你可以想像兩個正在「加熱」的火山,其中一個含有基性的岩漿,另一個含有酸性的岩漿。基性岩漿在加熱的過程中,因為黏滯度低,岩漿較容易受到擾動,也因此當岩漿庫承受一些些的溫度與壓力後,岩漿很輕易地就從火山口流出來;但在加熱酸性岩漿的時候,岩漿因為黏滯度高,要攪動它需要有更大的能量,也意味著岩漿能承受高的溫度與壓力,一旦這個火山壓力鍋忍受不住,就會把這些黏性高的岩漿猛烈的噴發出來。目前在世界上紀錄過的大型火山噴發事件,都是以中酸性岩漿噴出為主,像是惡名昭彰的1980年聖海倫火山噴發;基性岩漿則通常以溫和且穩定的方式湧出,像是位在夏威夷的火山群。酸性岩漿的危險性,總是大於基性岩漿。

岩漿的黏滯度也影響了火山地形:酸性火山岩漿因黏滯度高,岩漿流動緩慢,其噴發至冷卻所覆蓋的範圍較侷限,而新的岩漿可能繼續從同一個火山口噴出,最後通常會形成典型的層狀火山;基性岩漿則因黏滯度低,岩漿噴出後可快速向外擴張,因此最後形成地勢較低而廣的盾狀火山,或是寬廣的熔岩平台(臺灣的澎湖群島其實就是玄武岩漿噴發後形成的平台島嶼)。

所以,一般從眾人眼中,首先看到的會是顯著的地形地貌;而地形反映了岩性,岩性差異可藉由礦物組成來了解;礦物組成又受原本岩漿的化學組成所控制…也難怪,在火成岩學家的眼中,一顆顆的岩石都會變成一張張的化學數據。

 

參考資料:

Marcia Bjornerud(2006)Reading The Rocks-The Autobiography Of The Earth.

Harvet Blatt, Robert J. Tracy, and Brent E. Owens (2005)Petrology-Igneous, Sedimentary, and Metamorphic