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岩石的演化

已有 4113 次阅读 2012-12-13 01:18 |个人分类:故事|系统分类:科普集锦| 岩石, 演化

      Keith Gordon Cox、J.D. Bell和R.J.Pankhurst在他们1979年的《The Interpretation of Igneous Rocks》提到Norman Bowen(1887-1956)的工作时说到:“岩浆岩最明显的特征就是他们不论从矿物学还是化学成分上都有很大差别。这一特点让岩石学家们自然地想到岩浆岩是否也想生物学中一样存在有某种自然演化现象。但是没有明显的直接证据可以证明无生命的物质有演化的能力。”
      在1928年出版的Norman Bowen的《岩浆岩的演化》一书中,Bowen对他20多年的岩石学研究做了一个总结。Bowen仔细记录了一般造岩矿物的熔融温度来反映矿物的种类是如何随着温度的变化而变化的。他希望借此来了解不同的岩浆岩是在地壳和地幔中如何生成的。他1909年在麻省理工(MIT)的研究生导师就是加拿大地质学家Reginald A. Daly(1871-1957)。
在19世纪末,一些岩浆岩的研究学者认为地球上存在有多种不同的岩浆类型,从而形成了不同类型的岩浆岩。不同于沉积岩和变质岩这种在现有岩石的基础上经历次生过程而形成岩石,岩浆岩是由岩浆冷却固结而形成的原生产物。Daly假设地球内部只有一个母岩浆源,就是冷却形成大洋玄武岩的岩浆源。他认为其他的岩浆都是由玄武质岩浆演化而来的。只不过其他岩浆是如何从玄武质岩浆演化形成的过程还很不清楚。
      之后Daly在Harvard转向了与Percy Bridgman的高压研究中,并且与华盛顿卡内基研究院地球物理实验室的研究人员保持着密切的合作关系,以研究矿物和岩石在极高温度下的性质。Daly在他1914年出版的《岩浆岩及其起源》的一书中写道:“这个行星在本质是由结晶的和为结晶的岩浆岩物质组成的球体,有关地球历史的答案最终将在岩浆岩岩石学中揭开。土壤中的盐、河流与海洋中的水、生物圈的有机物质以及大气即使不是全部,也有大部分是由熔融状态的岩石物质在某些过程分离出来的。”而想要证实这一想法,Daly则面临着许多的不确定与可能性需要被确定。
     他发现与他密切合作的华盛顿卡内基研究院地球物理实验室的地球化学家Arthur L. Day和E. T. Allen在1905年的工作在斜长石的热性质的研究中十分领先。Bowen通过测试不同化学物质的相平衡,学会了如何控制并生成将固体熔融或液体结晶的环境的技术,而结晶过程就可以研究岩浆熔体如何形成矿物。他的工作中发现了主要的成岩矿物在不同温度结晶,这一过程被称为分离结晶。这意味着随着晶体的析出,岩浆的成分将会变得与原始岩浆不同。继续降温冷却,岩浆将会结晶出不同的矿物晶体。Bowen将他关于岩浆岩的后期演化的论文发表在了1915年的Journal of Geology上,论文中他列出了岩浆的结晶序列。他的工作时的岩石学家们对岩浆的演化有了新的理解。从母岩浆中先结晶出的矿物形成大洋地壳,随着这些矿物结晶析出,岩浆的成分发生了改变,之后结晶出了较轻的大陆地壳。
      在1998年,华盛顿卡内基研究院地球物理实验室荣誉主任Hatten Yoder(1921-2003)将Bowen称作20世纪最伟大的岩石学家。他这一表达十分谦虚,如果Bowen是20世纪最伟大的岩石学家,而Bowen的贡献主要集中在前半个世纪,Yoder在后半个世纪也做出了同样重要的贡献。Bowen的愿望就是建立起一个能够解释岩浆岩和变质岩多样性的实验和理论基础框架。
在其1928年的书中,Bowen列出了解决岩石学问题的六个步骤:

1.通过野外观察确定岩石的模式和相互关系。
2.建立能重现形成观察出的模式的实验条件。
3.仔细清晰的完成实验。
4.寻找实验结果与野外观察的不一致。
5.增加新的野外观测结果与实验理论进行比较。
6.重复上述步骤,建立新的实验和新的观察直到预测理论与观察一致为止。

      这些过程使得地质学家能够在实验室中使用通用的方法来检测他们对自然的理论解释。“Norman Levi Bowen的伟大之处源于他对物理化学准则的清晰阐述,和这些准则在主要的复杂的地质问题中的应用。”Yoder曾写道,“半个世纪之后,即使在需要更多细节来解释的今天Bowen的研究思路依然是十分正确的。”


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