2017年9月27日

大屯火山下有岩漿庫?

宋聖榮/國立臺灣大學地質科學系教授。專長於火山學、岩石學和地球化學。目前從事地熱能源探勘和開發的研究。

岩漿的儲存和演化

岩漿從地函上升到與其比重相似的岩體附近,即會滯留在地殼深處形成岩漿庫。若此時有裂隙直通到地球表面時,岩漿會直接噴至地表形成火山,此階段所產生的岩石較基性,接近玄武岩,氣體的成分較低,故噴發的行為較溫和,以產生熔岩流為主,美國夏威夷群島的火山和冰島大部分的火山,就是屬於此類型的火山噴發。

若無裂隙通到地表,岩漿則滯留在地底下岩漿庫內,並受到周圍岩石較低溫度的影響,開始冷卻結晶形成含鐵鎂質較高的礦物,如橄欖石、輝石和磁鐵礦等,遵行「包溫反應系列(Bowen's reaction series)」使得岩漿成分產生變化,形成較酸性的岩漿(二氧化矽的含量較高,鐵鎂質含量較低,圖一)。滯留在岩漿庫的時間越久,岩漿成分越酸性,形成安山岩質和流紋岩質的液態,氣體成分的比例也隨著岩漿演化而增加,故常常產生較劇烈的噴發行為,以產生火山碎屑岩為主。此種岩漿噴發大都發生在隱沒帶火山島弧、大陸邊緣或大陸內部較酸性岩漿的噴發,如1980年美國西部華盛頓州的聖海倫斯火山(Mt. St. Helens)的噴發、1991年菲律賓皮納吐坡火山(Mt. Pinatubo)的噴發、大陸東北長白山的天池火山、以及印尼吐坡(Toba)火山,都是屬於岩漿演化較久,噴發行為較劇烈的火山。

圖一:岩漿庫中岩漿冷卻過程造岩礦物的結晶順序。

包溫反應系列是描述岩漿冷卻過程中各種火成礦物在一大氣壓、不同溫度下結晶的順序和岩漿分異作用等。其是由實驗岩石學家包溫(Norman L. Bowen)首先提出,以解釋岩漿冷卻過程中,礦物形成的先後順序。包溫反應系列為解釋岩漿冷卻、分異與形成各種火成岩時的重要參考依據。火成岩中的岩漿結晶分異作用可依據包溫反應系列來說明,主要是早期先形成的礦物與殘留的岩漿分離不再反應或不完全反應來進行。控制結晶分異作用的可能機制主要為重力分異作用,早期結晶的鐵鎂礦物如橄欖石和輝石、或鈣含量高的斜長石,其密度都較液態岩漿高,結晶形成後因重力的關係會下沉到岩漿庫底部而無法與殘餘岩漿再反應,故剩餘的岩漿其成分就與原有的岩漿成分不同,演化成含二氧化矽較高的酸性岩漿。火山岩中常可觀察到聚晶組織(glomeroporphyritic)和純橄欖岩(dunite)的聚晶岩cumulates),以及岩漿因後來的移置層狀貫入所形成的層狀礦物分布,都是岩漿重力分異作用的典型代表。

包溫反應系列可簡單的被分為連續及不連續反應系列兩種。在圖二中,右邊一支為連續反應系列,左邊一支則為不連續反應系列。圖中靠上方的礦物其熔點較高、結晶溫度也較高;然後由上而下溫度逐漸降低,故高溫結晶的礦物會出現在圖上的上半部,而較低溫結晶的礦物會出現在圖的下半部。包溫的岩石學實驗顯示當礦物從岩漿冷凝結晶析出後,並未停止發生反應變化。早期晶出的礦物可以和冷卻中殘餘的熔融物質繼續不斷的發生反應而改變其成分和結晶構造,形成新的礦物。基本上,岩漿中矽酸鹽礦物結晶析出的順序主要受控於晶體構造的複雜程度、陽離子半徑大小和濃度。其中,晶體構造越簡單越容易先形成,例如最早結晶的橄欖石為最簡單的矽酸鹽礦物結構。另外,陽離子顆粒越小或濃度越高,也越容易早期晶出。

圖二:包溫反應系列分連續系列和不連續系列與岩漿和岩石種類的關係。






包溫反應系列最原始的岩漿為玄武質岩漿,矽酸鹽礦物從玄武質岩漿冷卻晶出過程中,可以分為兩大系列:一為以鐵鎂質礦物(包括橄欖石、輝石、角閃石和黑雲母等礦物)為主的不連續反應系列;另一為以斜長石為主的連續反應系列。在高溫時先結晶析出的礦物會繼續與殘餘的岩漿反應形成次一礦物,然後此一礦物再與殘餘的岩漿反應形成另一礦物,依此類推,系列中的礦物依序生成,直到岩漿完全冷卻為止。

不連續反應系列是早期結晶的鐵鎂質礦物與殘餘岩漿反應後,其成分和晶體結構都改變;而連續反應系列則是含鈣較高的斜長石先結晶後,再與殘餘的岩漿反應形成含鈉高的斜長石,其成分改變但晶體結構未改變。當殘餘岩漿結晶析出鈉長石後,這種先生成的礦物與殘餘的岩漿之不斷反應便不再發生。接下來結晶析出的礦物是鉀長石、白雲石和石英等較低溫的礦物,此時形成的火成岩是以二氧化矽高的酸性岩石為主。故從包溫反應系列的實驗結果可知火成岩的主要礦物包括有鐵鎂礦物的橄欖石、紫蘇輝石、普通輝石、角閃石和黑雲母等;和淺色礦物的鈣斜長石、鈉斜長石、鉀長石、白雲母和石英等。......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

沒有留言: