地表岩石的循環 圖片請參閱 : Plummer, Charles C.&Carlson, Diane H. (2007). Physical Geology (p.56). New York:McGraw Hill.
第三章火成岩之ㄧ (IGNEOUS ROCKS)
主要觀念 : 1. 岩漿為熔融狀的岩石, 因下部地殼和上部地函的組成岩石部份熔解所產生, 其形成深度通常在地表下方 10 至 200 公里的範圍內 2. 岩漿可分成兩大類 :(a) 玄武岩質和 (b) 矽質 中間成份亦有所發現 3. 火成岩的岩理可提供岩漿冷卻過程的重要資訊
4. 火成岩的岩理主要可分為 :(a) 玻璃質 (b) 微晶狀 (c) 顯晶狀 (d) 斑狀和 (e) 碎屑狀 5. 高矽石含量的岩漿產生花崗岩 - 流紋岩族岩石, 其主要組成礦物有石英 鉀長石 鈉斜長石和少量黑雲母或角閃石 6. 低矽石含量的岩漿產生輝長岩 - 玄武岩族岩石, 其主要組成礦物有輝石 鈣斜長石和少量橄欖石, 以及極少量或不含石英
7. 中性成份岩漿產生閃長岩 - 安山岩族岩石 8. 玄武岩質岩漿在張裂帶因地函岩石部份熔解而成 矽質岩漿在隱沒帶因海洋地殼和下部大陸地殼岩石部份熔解而成
3-1 岩漿 (MAGMA) 的特性 岩漿即熔融狀的岩石, 液態 氣態和固態成份兼而有之 岩漿可在地下深處侵入上覆岩層的縫隙中, 形成深成岩體, 岩漿亦可在地表噴發, 形成噴發岩類 化學分析顯示岩漿的成份主要為矽酸鹽, 含有 O Si Al Ca Na K Fe Mg 等元素
岩漿成份變異極大, 主要有兩類 : (1) 玄武岩質 -SiO 2 含量約為 50 % ( 重量百分比 ), 溫度介 於 900 和 1200 之間, 鐵鎂質礦物較多, 黏度低 (2) 矽質 -SiO 2 含量介於 65 和 77 % ( 重量百分比 ) 之間, 溫 度一般低於 850, 矽鋁質礦物多, 黏度高
岩漿中 90% 以上的氣體成份為 H 2 O 和 CO 2, 在岩漿中的重量百分比為 0.1 至 5% 之間 氣體的含量影響岩漿的可流動性與熔點, 含量愈高, 岩漿的可流動性愈高, 熔點則降低
3-2 火成岩岩理 (TEXTURE) 岩石的岩理即組成礦物的大小 形狀以及其排列 方式 岩理記錄著岩石形成過程中能量的變化情況, 亦反映出岩石形成時的條件
( 一 ) 玻璃質岩理 (Glassy Texture)- 岩漿在非常急速冷卻的環境下, 離子沒有足夠時間進行規則性排列, 所造成岩石外觀形如玻璃的岩理 部份熔岩流表面可形成玻璃質外殼, 當岩漿侵入水體中時, 亦會形成玻璃質碎片
( 二 ) 微晶狀岩理 (Aphanitic Texture)- 岩漿在急速冷卻的環境下, 礦物顆粒無法長大, 大部份僅能在顯微鏡頭下方可辨識 熔岩流內部大多形成微晶狀岩理 ( 三 ) 顯晶狀岩理 (Phaneritic Texture)- 岩漿在緩慢冷卻的環境下, 礦物顆粒長大到足以直接藉由肉眼觀察 岩漿緩慢冷卻的條件下, 一般發生在地表下地球內部深處
( 四 ) 斑狀岩理 (Porphyritic Texture)- 岩漿結晶的早期, 溫度緩慢下降, 礦物晶體可以長大至肉眼可見 ( 顯晶狀 ) 的尺度, 而後岩漿溫度迅速下降, 剩餘岩漿結晶成微晶狀岩理, 由此部份可見大的礦物晶體, 稱之為斑晶 (Phenocryst), 分布於細粒微晶狀的基質 (Matrix or Groundmass) 中
( 五 ) 碎屑狀岩理 (pyroclastic exture) - 當岩漿產生劇烈噴發時, 火山碎屑 ( 火山灰 礦物顆粒和火山玻璃等 ) 噴發至空中, 復掉落至地表, 因此等火山碎屑仍具高溫, 當其掉落至地表相互接觸時, 可融接在一起, 或可能在岩漿冷卻的晚期膠結在一起
岩漿 理屬性之不同與常見火成岩之分類 圖片請參閱 : Hamblin, K. W. & Christiansen, H. E. (2001). Earth s dynamic system (p.83). New Jersey: Prentice Hall. Classification of commom igneous rocks
3-3 火成岩的種類 ( 一 ) 微晶狀岩理 玄武岩 (Basalt)- 細粒且深色的微晶狀岩石 主要組成礦物有高鈣含量的斜長石和輝石, 少量橄欖石和角閃石 橄欖石或輝石可形成斑晶, 呈斑狀岩理, 而熔岩流表面的玄武岩則多玻璃質 比重約 3.2, 為海洋地殼的主要成份
安山岩 (Andesite)- 由斜長石 輝石和角閃石組成 安山岩常呈斑狀岩理, 以灰色或暗灰色者較為常見, 斑晶多為長石和鐵鎂質礦物 安山岩為次多的火成熔岩流, 最常見於大陸邊緣, 可能係收斂板塊邊界處的海洋地殼和下部大陸地殼岩石, 經部份熔解所形成
流紋岩 (Rhyolite) - 成份和花崗岩相同, 含少數長石 石英或雲母斑晶, 顏色有白 灰 紅和紫紅色等 流紋岩常呈大燈泡型的穹窿狀岩體, 聳立於地表上, 常見流紋狀岩理 (Flow Texture)
( 二 ) 碎屑狀岩理 凝灰岩 (Tuff)- 火山噴發的火山碎屑掉落地面膠結而成, 自塵埃似的小顆粒至直徑大於一公尺的岩塊兼而有之, 並可能含少量沉積物, 具沉積岩的特性 灰流凝灰岩 (Ash-Flow Tuff)- 包含火山玻璃 破碎的礦物晶體 岩屑和固化的岩漿, 全部融合成一堅實的塊體
( 三 ) 顯晶狀岩理 花崗岩 (Granite)- 粗顆粒火成岩, 主要由石英和長石所組成, 長石以粉紅色的鉀長石量最多, 灰白色的斜長石時有可見, 黑雲母亦常均勻分布於岩體中 花崗岩比重約 2.7, 為大陸地殼的主要成份
閃長岩 (Diorite)- 岩理和花崗岩一樣, 但組成礦物以斜長石和角閃石為主, 輝石亦常存在, 鉀長石和石英量少, 其成份介於花崗岩和玄武岩之間
輝長岩 (Gabbro)- 為海洋下部地殼的組成岩石, 亦見於古老的大陸 輝長岩的岩理和花崗岩一樣, 但概由鈣斜長石和輝石組成顏色深灰 深綠或近乎黑色 橄欖岩 (Peridotite)- 由橄欖石和輝石組成, 比重高, 在地表和大陸地殼甚 為少見, 可能為上部地函的組成岩石
3-4 噴發岩體 (EXTRUSIVE ROCK BODIES) 噴發火成岩類乃火山活動岩漿在地表噴發而成 岩漿主要可分為兩大類 : (1) 玄武岩質 (Basaltic)- 矽石含量低, 可流動性高, 氣體容易散失, 常為寧靜式噴發 (Quiet Eruption), 重複的裂隙噴發使得熔岩流覆蓋大的面積範圍
(2) 矽質 (Silicic)- 矽石含量高, 可流動性低, 氣體不易散失, 常累積足夠壓力產生爆裂性噴發 (Explosive Eruption), 常形成厚熔岩流 穹窿 (Dome) 或火山灰流 (Ash Flow)
第三章火成岩之二 (IGNEOUS ROCKS-II)
( 一 ) 玄武岩質噴發 (Basaltic Eruptions) 最為常見, 噴發溫度介於 900 和 1200 之間, 岩流時速可高達 20 公里以上, 當岩流下坡流動時, 氣體逐漸散失, 溫度亦逐漸降低, 粘度升高, 乃至中止流動 玄武岩質岩流沿海脊裂谷噴發時, 可形成新的海洋地殼 常見的玄武岩質熔岩流有兩類 :
(1)AA 岩流 (AA Flow), 又名塊狀熔岩 (Blocky Lava)- 氣體含量較低, 流動較慢, 厚約三至十公尺 此類岩流流動時, 表面先冷卻成岩殼, 內部熔岩仍繼續流通, 衝破岩殼而形成大小不一的角礫形岩塊
(2)Pahoehoe 岩流 (Pahoehoe Flow), 又名繩狀熔岩 (Ropy Lava)- 氣體含量較高, 流動較快, 厚度一般小於一公尺 表面玻璃質岩殼因內部岩流流動的牽引, 造成形如繩狀扭曲的表面
其他玄武岩質噴發的火山現象有 : (3) 柱狀節理 (Columnar Joint)- 岩流冷卻收縮, 熔岩體積減少, 開始由外向內結晶, 產生收縮張應力, 造成垂直岩面的柱狀節理, 以六邊形最為常見 (4) 熔岩管 (Lava Tube)- 岩流衝破岩殼前緣而溢流, 留下後頭岩殼內部中空的管道
(5) 壓力脊 (Pressure Ridge)- 岩流頂破岩殼表面, 形如山脊狀的隆起 (6) 濺錐 (Spatter Cone)- 裂隙噴發時, 岩漿如泉水般濺出, 再於裂隙上堆積成圓錐形的小隆起 (7) 火山碎屑 (Pyroclastic Debris of Tephra)- 火山噴發時所造成的固體碎屑其分類為 :
名稱 火山塵 (Volcanic Dust) <0.25 直徑 (mm) 火山灰 (Volcanic Ash) 0.25-4 火山礫 (Volcanic Lapilli) 4-32 火山塊 (Volcanic Block) 火山彈 (Volcanic Bomb) >32 >32 ( 兩端尖銳 )
(8) 火山渣錐 (Cinder Cone)- 粗粒火山碎屑在火山頸 (Volcanic Neck) 周遭堆積而成 (9) 盾狀火山 (Shield Volcano)- 形如倒置的盾牌, 覆蓋直徑超過 100 公里的地區, 四周邊坡傾角小於十度, 內部由許多玄武岩熔岩組成 夏威夷島的盾狀火山自海盤上升一萬公尺, 乃地球最大的火山
(10) 枕狀熔岩 (Pillow Lava/Basalt)- 在水中噴發的熔岩遇水急速冷卻, 表面收縮成不規 則的橢圓形, 向上击出, 形如上下疊置的枕頭
( 二 ) 矽質噴發 (Silicic Eruptions): 粘度高, 氣體不易流失, 常形成劇烈的火山爆發, 產生大量的火山碎屑 矽質噴發的火山現象有 : (1) 複式火山 (Composite Volcano) 或層狀火山 (Stratovolcano)- 熔岩和火山碎屑層相間成層混合而成 火山頂的坡度達 30 度, 底部則變緩為 5 度
(2) 火山口 (Crater)- 岩漿噴發至地面的通道, 為一 窪地, 四周陡峭, 窪地半徑很少超過一公里, 深度小於 300 公尺 (3) 破火口 (Caldera)- 形如盆地, 半徑在 1500 公尺 以上, 大者可達數公里或十餘公里, 深數百公尺以上, 由原來的火山口崩陷或爆裂再加上侵蝕作用所造成
(4) 火山灰流 (Ash Flow)- 由氣體 火山灰 礦物 顆粒碎屑 岩漿 和岩屑混合而成的雲霧狀物質, 在接近地表處迅速流動, 時速高達 250 公里 (5) 熔接凝灰岩 (Welded Tuff)- 火山灰流靜止時, 高溫的晶體碎屑 玻璃和火山灰熔接而成 其厚度可達一百公尺以上, 面積廣達數千平方公里, 並可能發展出柱狀節理
3-5 侵入岩體 (INTRUSIVE ROCK BODIES) 侵入岩為岩漿在地下冷凝所形成的火成岩體, 其分類係依岩體的大小 形狀和與圍岩的關係而定 若深成岩體的分布和圍岩的層狀組織平行, 稱為整接貫入 (Concordant), 反之, 則為不整接貫入 (Discordant)
( 一 ) 岩基 (Batholith) - 規模最大的不整接貫入岩體, 以花崗岩和花崗閃長岩為主 岩基在地表出露面積大於一百平方公里, 形成於七公里以下的地下 其大小先隨著深度而增加, 但隨後則在深處逐漸尖滅, 重力和震測資料顯示其深度約及於地殼下部, 厚度小於 60 公里 岩基大都存在於大陸或大的島弧區下方造山帶的深部, 經強烈的上升和侵蝕作用方能出露於地表
( 二 ) 岩株 (Stock) - 亦為不整接貫入岩體, 在地表出露面積一般小於十平方公里, 許多岩株為岩基部份向上延展而成, 岩體多為花崗岩, 亦有斑狀岩理的出現 許多金 銀 鉛 鋅和銅的礦脈皆由岩株向外延展, 進入周圍岩層的裂縫而成
( 三 ) 岩脈 (Dike)- 不整接貫入岩體的一種, 形如狹長的板狀岩體, 長度比寬度大得多, 寬可由數公分至數十公尺 ( 少超過三十公尺 ), 長則可自數公尺至百餘公里 ( 四 ) 岩床 (Sill)- 為整接貫入岩體, 水平 垂直或各種傾角兼而有之, 厚度由數公分至數百公尺, 延長可達數公里, 常發生在地球淺部, 岩漿的液態壓力超過上覆岩層的壓力之處
( 五 ) 岩蓋 (Laccolith)- 為蕈狀整接貫入岩體, 上部呈穹丘形, 下部平坦, 因岩漿拱起上覆沉積岩層所致 岩蓋的延長和厚度比一般小於十, 直徑可達數公里, 厚度可達數千公尺, 組成岩層具斑狀岩理 ( 六 ) 岩盆 (Lopolith)- 為盆狀整接貫入岩體, 岩頂和岩底均下凹如碗碟狀, 常形成於地殼深處
3-6 岩漿的起源 (ORIGIN) 岩漿一般為地下 50 至 200 公里處, 上部地函和下部地殼的組成岩層經部份熔解所造成 由全球性的火山 岩基和造山帶的分布可見, 火成活動與活動板塊邊緣 (Active Plate Margin) 息息相關, 兩基本型態的岩漿亦應由而生
(1) 玄武岩質岩漿 在板塊分離中心, 因上湧的地函組成岩層的部份熔解而產生 玄武岩質火山活動為海洋盆地火山作用的主體 (2) 矽質岩漿 在隱沒帶 ( 板塊衝撞位置 ), 因海洋地殼或下部大陸地殼組成岩層的部份熔解而產生
岩石為礦物的聚合體, 每一組成礦物的熔點不一, 影響岩石熔解的因素有 : (1) 溫度 (2) 壓力 (3) 水和其他氣體含量, 與 (4) 岩石成份 在一定的溫度和壓力條件下, 岩層可能僅有部份被熔解, 所生成的液態熔體成份可能和原岩差異甚大, 此過程即為部份熔解 (Partial Melting)
反之, 當岩漿冷卻時, 礦物依熔點高低順序結晶, 若剩餘岩漿在部份結晶階段被分離出來, 則此分離出的岩漿和母岩漿的成份亦差異甚大, 此過程稱為岩漿分化作用 (Magmatic Differentiation)
實驗顯示, 早期結晶的礦物會與剩餘岩漿起反應, 造成成份不同的新礦物, 橄欖石和鈣斜長石在高溫 (1050~1200 之間 ) 時先行結晶, 而後依序為輝石 角閃石 黑雲母和鈉斜長石, 石英和鉀長石為低溫礦物, 在 900 以下才進行結晶
包溫氏反應系列 出處 : 維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%e5%8c%85%e6%ba%ab%e6%b0%8f%e5 %8F%8D%E6%87%89%E7%B3%BB%E5%88%97
Crystallizing minerals and their slicate strucures 圖片請參閱 : Plummer, C. & Carlson, D. (2007). Physical Geology (p.71). New York: McGraw Hill.
( 一 ) 玄武岩質岩漿的產生 軟流圈由橄欖岩 ( 含橄欖石和輝石 ) 組成, 該處的溫 壓組合恰可使岩層輕度熔解 當軟流圈岩層在板塊分離處向上移動時, 由於壓力的降低, 使得橄欖岩部份熔解 (10~30%), 生成玄武岩質岩漿 而因岩漿的密度小於圍岩, 使得岩漿開始沿著海脊噴發, 在分離海洋盆地中形成新的海洋地殼
( 二 ) 花崗岩質岩漿的產生 沿著隱沒帶, 陸源的海洋沉積物和玄武岩質海洋地殼向下隱沒至地函, 隨著溫度的升高, 隱沒材料開始進行部份熔解, 形成高矽石含量的安山岩質或花崗岩質岩漿 當隱沒作用涉及大陸碰撞和造山運動時, 山根位置的變質岩因部份熔解, 形成各種高矽石含量的岩漿, 此等岩漿因密度較低, 開始上升集中, 造成大規模的花崗岩質岩基, 此即造山帶的特性
( 三 ) 地函熱柱 (Mantle Plume) 岩漿 部份海洋中的火山島和海底山之玄武岩被視為是地函熱柱的表徵 其成份顯示, 此等玄武岩可能係由固態地函的上升熱柱經部份熔解所造成 地函熱柱所形成的玄武岩常形成呈鏈狀排列的盾狀火山 (Shield Volcano), 或覆蓋廣大面積的洪流玄武岩 (Flood Basalt) 假如地函熱柱發生於大陸內部, 則因大陸物質的熔解而可能產生流紋岩