سری واکنشی بوون: نقشه راه تولد سنگ‌های آذرین
ماگما چیست و چرا سرد می‌شود؟
برای درک سری بوون، ابتدا باید بدانیم ماگما چیست. ماگما سنگ مذابی است که در اعماق زمین یافت می‌شود. این ماده بسیار داغ و مایع است. وقتی ماگما به سمت سطح زمین حرکت می‌کند یا در اعماق محبوس می‌ماند، به تدریج سرد می‌شود. این فرآیند سرد شدن، مانند زمانی است که شما شربت آب‌لیمو درست می‌کنید. اگر شربت را بجوشانید و سپس بگذارید سرد شود، ممکن است بلورهای شکر در ته ظرف تشکیل شوند. در دنیای سنگ‌ها نیز هنگام سرد شدن ماگما، بلورهای جامدی به نام کانی۵ تشکیل می‌شوند. نکته جالب اینجاست که همه کانی‌ها در یک دمای یکسان متبلور نمی‌شوند.
کشف یک الگوی جهانی: نورمن بوون چه گفت؟
نورمن لوئی بوئن۷، زمین‌شناس کانادایی، در اوایل قرن بیستم، با انجام آزمایش‌های متعدد روی ماگماهای مصنوعی متوجه یک الگوی تکراری شد. او فهمید که کانی‌ها همیشه به یک ترتیب خاص و قابل پیش‌بینی از ماگما متبلور می‌شوند. این ترتیب به دمای ماگما بستگی دارد. کانی‌هایی که نقطه ذوب بالاتری دارند، اول و در دمای بالاتر متبلور می‌شوند و کانی‌هایی که نقطه ذوب پایین‌تری دارند، در مراحل بعدی و دمای پایین‌تر به بلور تبدیل می‌شوند. این کشف بزرگ، پایه و اساس سری واکنشی بوون را تشکیل داد.
شاخه‌های دوقلو: سری ناپیوسته و پیوسته
سری بوون به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شود که به موازات یکدیگر پیش می‌روند. این دو شاخه مانند دو مسیر در یک نقشه سفر هستند.
| دمای تقریبی (°C) | سری ناپیوسته (کانی‌های تیره) | سری پیوسته (کانی‌های روشن) |
|---|---|---|
| ~1200-1000 | اولیوین۸ | کلسیم‌دار: پلاژیوکلاز۹ |
| ~1000-900 | پیروکسن۱۰ | |
| ~900-800 | آمفیبول۱۱ | سدیم‌دار: پلاژیوکلاز |
| ~800-600 | بیوتیت۱۲ (میکا) | |
| <600 | اورتوکلاز۱۳، کوارتز۱۴، موسکویت۱۵ |
شاخه ناپیوسته (کانی‌های تیره یا فرومنیزین)۱۶: این شاخه با تبلور اولیوین شروع می‌شود. با کاهش دما، ساختار بلوری کانی‌ها به طور ناپیوسته تغییر می‌کند و کانی‌های جدیدی مانند پیروکسن، سپس آمفیبول و در نهایت بیوتیت تشکیل می‌شوند. این کانی‌ها معمولاً رنگ تیره‌ای دارند و وزن مخصوص بالاتری دارند.
شاخه پیوسته (کانی‌های روشن یا پلاژیوکلاز فلدسپات)۱۷: این شاخه فقط بر روی یک خانواده کانی متمرکز است: پلاژیوکلاز فلدسپات. تغییرات در این شاخه پیوسته است. در ابتدا فلدسپات‌های غنی از کلسیم ($CaAl_2Si_2O_8$) متبلور می‌شوند. با کاهش دما و ادامه تبلور، ترکیب آن به تدریج به سمت فلدسپات‌های غنی از سدیم ($NaAlSi_3O_8$) تغییر می‌کند. این یک تغییر تدریجی درون یک ساختار بلوری ثابت است.
از آزمایشگاه تا کوهستان: کاربرد سری بوون در شناسایی سنگ‌ها
حالا چگونه این دانش به ما کمک می‌کند؟ فرض کنید یک زمین‌شناس هستید و یک نمونه سنگ گرانیت۱۸ پیدا کرده‌اید. وقتی به آن نگاه می‌کنید، عمدتاً کوارتز، فلدسپات صورتی (اورتوکلاز) و کمی میکای سیاه (بیوتیت) می‌بینید. با استفاده از دانش سری بوون، می‌توانید نتیجه بگیرید که این سنگ از ماگمایی تشکیل شده که به آرامی سرد شده و فرصت کافی برای تبلور کانی‌های پایین‌دمای انتهای سری (مانند کوارتز) را داشته است. در مقابل، سنگی مانند بازالت۱۹ که عمدتاً از پلاژیوکلاز کلسیم‌دار و پیروکسن تشکیل شده، نشان می‌دهد که ماگمای مادر آن به سرعت سرد شده و فرآیند تبلور در دمای‌های بالاتر و در اوایل سری بوون متوقف شده است.
تغییر ماگما در حین سرد شدن: فرآیندهای تفکیک
یک نتیجه مهم سری بوون، مفهوم تفکیک ماگمایی۲۰ است. از آنجایی که کانی‌ها در دماهای مختلف متبلور می‌شوند، ترکیب ماگمای باقیمانده دائماً در حال تغییر است. کانی‌های اولیه‌ای که تشکیل می‌شوند (مانند اولیوین) ممکن است به دلیل سنگین‌تر بودن، در ماگما ته‌نشین شوند. این کار باعث می‌شود ماگمای باقیمانده از نظر شیمیایی با ماگمای اولیه متفاوت شود و در نهایت به تشکیل انواع مختلفی از سنگ‌های آذرین از یک منبع ماگمایی واحد منجر گردد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. سری بوون یک مدل ایده‌آل است. در طبیعت، عواملی مانند سرعت سرد شدن، ترکیب دقیق ماگما و فشار می‌توانند این ترتیب را تغییر دهند یا از تکمیل آن جلوگیری کنند. برای مثال، سرد شدن سریع ماگما (مانند زمانی که گدازه به درون آب جاری می‌شود) می‌تواند منجر به تشکیل شیشه آتشفشانی شود که هیچ بلوری در آن وجود ندارد.
کوارتز از $SiO_2$ (سیلیس) خالص تشکیل شده است. در ماگما، سیلیس تمایل دارد با عناصر دیگر مانند منیزیم، کلسیم و آهن ترکیب شود و کانی‌های دیگری مانند اولیوین و پیروکسن را بسازد. تنها زمانی که بیشتر این عناصر مصرف شده‌اند و ماگما از سیلیس غنی شده باشد، کوارتز می‌تواند متبلور شود. به همین دلیل است که آن را یک کانی "سازگار" با محیط‌های پایین‌دما می‌دانند.
به طور کلی بله. سنگ‌های تیره‌رنگ (مانند بازالت و گابرو۲۱) معمولاً حاوی کانی‌های زیادی از ابتدای سری بوون (مانند اولیوین و پیروکسن) هستند. در مقابل، سنگ‌های روشن‌رنگ (مانند گرانیت و ریولیت۲۲) عمدتاً از کانی‌های انتهای سری (مانند کوارتز، اورتوکلاز و موسکویت) تشکیل شده‌اند. سنگ‌های با رنگ وسط، مانند آندزیت۲۳، ترکیبی از هر دو دسته هستند.
پاورقی
۱ Bowen's Reaction Series
۲ Crystallization
۳ Magma
۴ Igneous Rocks
۵ Mineral
۶ Lava
۷ Norman L. Bowen
۸ Olivine
۹ Plagioclase
۱۰ Pyroxene
۱۱ Amphibole
۱۲ Biotite
۱۳ Orthoclase
۱۴ Quartz
۱۵ Muscovite
۱۶ Ferromagnesian / Discontinuous Series
۱۷ Plagioclase Feldspar / Continuous Series
۱۸ Granite
۱۹ Basalt
۲۰ Magmatic Differentiation
۲۱ Gabbro
۲۲ Rhyolite
۲۳ Andesite