Bowenova reakční řada je základním konceptem v oblasti geologie, konkrétně ve studiu vyvřelé skály. Byl vyvinut kanadským geologem NL Bowenem na počátku 20. století a poskytuje kritický pohled na vznik magmatických skály, jejich minerální složení a pořadí, ve kterém minerály krystalizovat, když roztavená hornina (magma) chladne a tuhne. Tento koncept je zásadní pro pochopení geologie Země, procesů, které formují její kůru, a dokonce i vývoje nerostných zdrojů.
Definice a význam:
Bowenova reakční řada je grafickým znázorněním sekvence, ve které minerály krystalizují z chladícího magmatu. Pomáhá geologům pochopit vztah mezi teplotou a minerálním složením vyvřelých hornin. Klíčové body, které je třeba poznamenat, jsou:
- Sekvence krystalizace minerálů: Bowenova řada reakcí nastiňuje dvě hlavní větve – nespojitou větev a průběžnou větev. Nespojitá větev představuje minerály, které krystalizují v různých teplotních intervalech. Souvislá větev představuje minerály, které se tvoří nepřetržitě s klesající teplotou.
- Teplotní gradient: Série ukazuje, že různé minerály mají různé krystalizační teploty. Minerály, které se tvoří při vyšších teplotách, se nacházejí v horní části řady, zatímco minerály vznikající při nižších teplotách jsou ve spodní části. Tento teplotní gradient pomáhá geologům porozumět historii ochlazování konkrétní vyvřelé horniny.
- Změny ve složení: Jak se magma ochlazuje a krystalizují minerály, mění se složení zbývajícího magmatu. To může vést k vývoji různých typů vyvřelých hornin, včetně těch bohatých na felsické (světle zbarvené) minerály jako křemen a živec nebo mafické (tmavě zbarvené) minerály jako pyroxen a olivín.
- Praktické aplikace: Pochopení Bowen's Reaction Series je zásadní v oblastech, jako je průzkum nerostů, petrologie, a vulkanologie. Pomáhá geologům předpovídat minerální složení vyvřelých hornin, což je cenná informace pro průzkum zdrojů a pochopení vulkanických procesů.
Vznik vyvřelých hornin:
Vyvřelé horniny vznikají tuhnutím a krystalizací roztaveného horninového materiálu, buď pod povrchem Země (intruzivní nebo plutonický) nebo na povrchu (extruzivní nebo vulkanický). Proces lze shrnout následovně:
- Vznik magmatu: Magma vzniká hluboko v zemské kůře nebo svrchním plášti prostřednictvím procesů, jako je částečné tání hornin v důsledku zvýšené teploty, změn tlaku nebo přidání těkavých látek (jako je voda). Složení magmatu závisí na zdrojových horninách a stupni částečného tání.
- Intruze nebo Extruze: V závislosti na tom, zda magma zůstává v podzemí nebo se dostane na zemský povrch, může vytvářet intruzivní nebo extruzivní vyvřeliny.
- Intruzivní vyvřelé horniny: Když magma pod zemským povrchem chladne a tuhne, vytváří rušivé vyvřelé horniny. Tento proces je obvykle pomalejší, což umožňuje růst větších minerálních krystalů. Mezi běžné intruzivní horniny patří žula, diorit, a gabro.
- Extruzivní vyvřelé horniny: Magma, které vybuchne na zemský povrch, když se láva rychle ochladí v důsledku vystavení nižším teplotám a vzduchu nebo vodě. Toto rychlé ochlazení má za následek tvorbu menších minerálních krystalů nebo dokonce skelných textur. Mezi běžné vytlačované horniny patří čedič, andezit, a rhyolite.
- Krystalizace minerálů: Jak se magma ochlazuje, minerály v něm začnou krystalizovat podle Bowenovy řady reakcí. Konkrétní minerály, které se tvoří, závisí na složení magmatu a rychlosti ochlazování.
- Textura a složení: Textura a složení výsledných vyvřelých hornin jsou určeny rychlostí ochlazování a minerály, které krystalizují. Například horniny s velkými krystaly se nazývají „faneitické“, zatímco horniny s jemnozrnnou texturou jsou „afanitické“.
Stručně řečeno, Bowenova reakční řada je nezbytná pro pochopení sledu krystalizace minerálů během tvorby vyvřelých hornin. Poskytuje cenné poznatky o historii ochlazování a složení těchto hornin, což zase pomáhá geologům interpretovat geologické procesy a provádět praktické aplikace v různých oblastech.
Obsah
Fáze Bowenovy reakce série
Bowenova série reakcí nastiňuje sekvenci, ve které minerály krystalizují z chladícího magmatu. Dělí se na dvě hlavní větve: nespojitou větev a průběžnou větev. Zde vysvětlím fáze Bowenovy reakční série v každé z těchto větví:
Nespojitá větev (řada nespojitých reakcí):
Tato větev reakční řady popisuje krystalizační sekvenci konkrétních minerálů při poklesu teploty. Skládá se ze dvou fází:
- Olivínová fáze: Olivín je první minerál, který krystalizuje z chladícího magmatu. Tvoří se při nejvyšších teplotách v rámci nespojité větve. Olivín je nazelenalý až nažloutlý minerál složený převážně z železo a křemičitan hořečnatý.
- Pyroxen Amfibol Biotit Fáze: Tato fáze je charakterizována postupnou krystalizací pyroxenu, amfibolu a biotitu malé jak se magma stále ochlazuje. Pyroxeny a amfiboly jsou typicky tmavě zbarvené minerály, zatímco biotit je tmavý slídový minerál. Pořadí krystalizace v této fázi se může lišit v závislosti na specifickém složení magmatu.
Kontinuální větev (řada kontinuálních reakcí):
Spojitá větev popisuje sekvenci minerálů, které se tvoří, když teplota klesá pozvolnějším a kontinuálním způsobem. Nezahrnuje diskrétní fáze jako nespojitá větev, ale představuje postupný přechod. Mezi klíčové minerály v tomto odvětví patří:
- Fáze živce: Souvislá větev začíná krystalizací vápníku bohatého plagioklasový živec (anorthit) při vyšších teplotách. Jak teplota klesá, složení plagioklasových živců se mění na odrůdy bohatší na sodík (bytownite, labradoritu, andezina oligoklas).
- Živec-alkalická fáze živce: Jak teplota stále klesá, plagioklasové živce bohaté na sodík přecházejí na draselné živce (ortoklasy a mikroklin), který má vyšší teplotu krystalizace ve srovnání s plagioklasem.
- Křemenná fáze: Při nejnižších teplotách v rámci souvislé větve začíná krystalizovat křemen. Křemen se skládá z křemíku a kyslíku a je typicky čirý nebo mléčně bílý minerál.
Je důležité poznamenat, že pořadí krystalizace v kontinuální větvi je založeno na idealizovaných podmínkách a může se lišit v závislosti na faktorech, jako je složení magmatu, tlak a rychlost ochlazování. Navíc ne všechny minerály v Bowenově reakční sérii jsou přítomny v každé vyvřelé hornině; jejich přítomnost závisí na konkrétních podmínkách krystalizace magmatu.
Souhrnně se Bowenova reakční řada skládá ze dvou hlavních větví: nespojité větve s fázemi zahrnujícími olivín, pyroxen, amfibol a biotit; a souvislá větev, s postupným přechodem od plagioklasového živce přes alkalický živec až po křemen. Tyto fáze představují sekvenci, ve které minerály krystalizují z chladícího magmatu a poskytují cenné poznatky o vzniku a složení vyvřelých hornin.
Jak dochází ke krystalizaci
Ke krystalizaci v Bowenově reakční sérii dochází v důsledku ochlazování roztavené horniny (magmatu). Bowenova řada reakcí popisuje pořadí, ve kterém minerály krystalizují z magmatu, když se ochlazuje. Zde je návod, jak dochází ke krystalizaci v tomto kontextu:
- Vznik magmatu: Proces začíná, když se pod zemským povrchem vytváří roztavená hornina, známá jako magma. Magma vzniká různými geologickými procesy, jako je částečné tání hornin v zemském plášti nebo kůře. Složení počátečního magmatu závisí na zdrojových horninách a konkrétních geologických podmínkách.
- Snížení teploty: Jak magma stoupá směrem k zemskému povrchu nebo se ochlazuje vlivem změn v okolí, jeho teplota postupně klesá. Rychlost ochlazování se může měnit a tento proces ochlazování je pro krystalizaci minerálů zásadní.
- Nukleace minerálů: První krok v krystalizaci zahrnuje nukleaci drobných krystalových jader. Tato jádra se mohou tvořit spontánně v magmatu (homogenní nukleace) nebo na již existujících pevných površích nebo cizích částicích (heterogenní nukleace).
- Růst krystalů: Jakmile se vytvoří jádra, slouží jako výchozí body pro růst krystalů. Atomy, ionty nebo molekuly z magmatu se připojují ke krystalovým jádrům a postupně vytvářejí strukturu krystalové mřížky.
- Krystalizační sekvence: Bowenova řada reakcí nastiňuje specifické pořadí, ve kterém minerály krystalizují, když se magma ochlazuje. V nespojité větvi řady krystalizují minerály jako olivín, pyroxen, amfibol a biotit v různých teplotních intervalech. V souvislé větvi se minerály jako plagioklasový živec, alkalický živec a křemen tvoří postupně s poklesem teploty. Posloupnost závisí na složení magmatu.
- Minerální nástavec: Každý minerál má specifickou teplotu krystalizace a minerály se připojují k rostoucím krystalům v určité sekvenci, kterou určuje Bowen's Reaction Series. Například olivín se typicky tvoří při nejvyšších teplotách, následovaný pyroxenem a tak dále v nespojité větvi.
- Velikost a struktura krystalu: Velikost a textura výsledných krystalů závisí na faktorech, jako je rychlost ochlazování, tlak a specifické minerální složení magmatu. Pomalé ochlazování obvykle umožňuje tvorbu větších krystalů, zatímco rychlé ochlazování vede k menším krystalům nebo dokonce ke sklovité struktuře.
- Skalní formace: Jak minerály pokračují v krystalizaci a růstu, nakonec vytvoří vyvřelou horninu. Minerální složení této horniny odráží sekvenci, ve které minerály krystalizovaly z původního magmatu. Pokud je například magma bohaté na živec a křemen, může to vést k vytvoření žulové skály, zatímco mafické magma bohaté na pyroxen a olivín může produkovat čedič.
Stručně řečeno, krystalizace v Bowenově reakční sérii je základním procesem při tvorbě vyvřelých hornin. Zahrnuje chlazení a tuhnutí magmatu, přičemž minerály krystalizují ve specifickém pořadí určeném jejich příslušnými krystalizačními teplotami. Tato sekvence poskytuje cenné poznatky o minerálním složení a historii ochlazování vyvřelých hornin.
Role minerálního složení
Minerální složení je ústředním pojmem v Bowen's Reaction Series, protože nám pomáhá pochopit, jak a proč se různé minerály tvoří ve vyvřelých horninách, když se ochlazují z roztaveného magmatu. Minerální složení hraje v tomto kontextu několik klíčových rolí:
- Sekvence krystalizace minerálů: Bowenova reakční série je v podstatě sekvence, která ukazuje pořadí, ve kterém minerály krystalizují z chladícího magmatu. Konkrétní minerály, které krystalizují, závisí na složení magmatu a jeho teplotě. Série pomáhá geologům předpovídat, které minerály se pravděpodobně vytvoří jako první a které vydrží, když se magma ochladí. Tato sekvence je zásadní pro pochopení vzniku vyvřelých hornin.
- Identifikace typů hornin: Zkoumáním minerálního složení vyvřelé horniny mohou geologové určit její pravděpodobnou pozici v Bowenově sérii reakcí. Například horniny bohaté na živec a křemen jsou obvykle klasifikovány jako felsické, zatímco horniny s více mafickými minerály, jako je pyroxen a olivín, jsou klasifikovány jako mafické. Tato klasifikace poskytuje pohled na historii ochlazování horniny, zdroj magmatu a geologický kontext.
- Historie teplot: Minerální složení vyvřelé horniny lze použít k odhadu teploty, při které vznikla. Je to proto, že minerály, které krystalizují při vyšších teplotách, se nacházejí v horní části řady, zatímco minerály vznikající při nižších teplotách jsou ve spodní části. Zkoumáním přítomných minerálů a jejich uspořádání mohou geologové odvodit historii ochlazování horniny.
- Pohledy do geologických procesů: Bowen's Reaction Series poskytuje pohled na geologické procesy, které formují zemskou kůru. Například pochopení sledu krystalizace minerálů může geologům pomoci interpretovat tektonickou a vulkanickou historii oblasti. Může také osvětlit diferenciaci magmat a vznik různých typů hornin.
- Průzkum zdrojů: Znalost minerálního složení je cenná pro průzkum zdrojů. Některé minerály jsou spojeny se specifickým geologickým prostředím a mohou naznačovat přítomnost cenných zdrojů, jako jsou rudy. Geologové používají minerální složení k identifikaci a posouzení ekonomického potenciálu Ložiska nerostných surovin.
- Vulkanické chování: Minerální složení vulkanických hornin ovlivňuje jejich chování při erupcích. Felsické horniny s vyšším obsahem oxidu křemičitého mají tendenci produkovat výbušnější erupce, zatímco mafické horniny s nižším obsahem oxidu křemičitého vedou k efuznějším erupcím. Pochopení minerálního složení pomáhá při předpovídání sopečných nebezpečí.
Stručně řečeno, minerální složení je zásadní v Bowenově řadě reakcí, protože nás vede k pochopení toho, jak a proč různé minerály krystalizují ve vyvřelých horninách během ochlazování. Tyto znalosti jsou nezbytné pro klasifikaci hornin, interpretaci geologických procesů, odhadování teplotní historie a praktické aplikace v oblastech, jako je průzkum zdrojů a hodnocení sopečného nebezpečí.
Praktické aplikace
Bowenova reakční řada a porozumění minerálnímu složení mají několik praktických aplikací v oblasti petrologie a klasifikace hornin, geotermální energie průzkum a ekonomická geologie a nerostné zdroje:
1. Petrologie a klasifikace hornin:
- Identifikace typů hornin: Geologové využívají znalosti Bowenovy reakční řady a minerálního složení k identifikaci a klasifikaci hornin. Tato klasifikace je kritická pro interpretaci geologické historie oblasti a pochopení podmínek, za kterých se horniny formovaly.
- Historie krystalizace: Analýza minerálního složení hornin pomáhá rekonstruovat historii jejich krystalizace. Tyto informace pomáhají při dešifrování geologických procesů, jako je rychlost ochlazování a diferenciace magmatu.
- Geologické mapování: Při mapování geologických formací může rozpoznání konkrétních minerálů a jejich uspořádání pomoci geologům vymezit různé horninové jednotky a pochopit vztahy mezi nimi.
2. Průzkum geotermální energie:
- Odhad teploty: Průzkum geotermální energie se opírá o pochopení podpovrchových teplot. Znalost sledu krystalizace minerálů v Bowenově reakční sérii pomáhá odhadnout teplotní gradient v zemské kůře. To zase pomáhá identifikovat oblasti s potenciálem pro těžbu geotermální energie.
- Charakteristika nádrže: Geotermální nádrže se často skládají z puklinových hornin se specifickým minerálním složením. Analýzou mineralogie kamenů v potenciálu geotermální oblastigeologové mohou lépe charakterizovat vlastnosti nádrže a potenciální produktivitu.
3. Ekonomická geologie a nerostné zdroje:
- Identifikace ložiska rudy: Pro identifikaci je klíčové pochopení sekvence krystalizace minerálů rudní ložiska. Specifické nerosty jsou spojeny s cennými zdroji, jako jsou kovy (např. měď, zlato, a stříbro) a průmyslové nerosty (např. mastek a kaolin). Ekonomičtí geologové využívají tyto znalosti k lokalizaci a posouzení ekonomického potenciálu nerostu vklady.
- Průzkum a těžba: Při průzkumu nerostných zdrojů geologové zkoumají složení hornin a nerostů, aby určili oblasti se zvýšenou koncentrací cenných minerálů. Tyto informace řídí vývoj těžebních operací a technik těžby nerostů.
- Správa zdrojů: Znalost minerálního složení je nezbytná pro udržitelné hospodaření se zdroji. Pomáhá zajistit efektivní těžbu, minimalizovat dopad na životní prostředí a posoudit ekonomickou životaschopnost těžebních projektů.
Stručně řečeno, Bowenova reakční řada a porozumění minerálnímu složení mají širokou škálu praktických aplikací v geologii a příbuzných oborech. Pomáhají při klasifikaci hornin, geologickém mapování, průzkumu geotermální energie, identifikaci cenných nerostných zdrojů a zodpovědné správě geologických aktiv Země. Tyto aplikace přispívají k našemu pochopení zemského podpovrchu a jeho využití pro energii, nerostné zdroje a vědecký výzkum.
Shrnutí klíčových bodů
Bowenova reakční řada je kritickým konceptem v geologii, který popisuje sekvenci, ve které minerály krystalizují z chladícího magmatu. Dělí se na dvě hlavní větve: nespojitou větev a průběžnou větev.
Nepřetržitá pobočka:
- Zahrnuje krystalizaci specifických minerálů v různých teplotních intervalech.
- Začíná olivínem a pokračuje přes pyroxen, amfibol a biotit.
- Pořadí krystalizace závisí na složení magmatu.
Průběžná větev:
- Představuje minerály, které se tvoří nepřetržitě s klesající teplotou.
- Začíná plagioklasovými živci bohatými na vápník a přechází na plagioklasové živce bohaté na sodík, alkalické živce a křemen.
- Sekvence je ovlivněna složením magmatu.
Význam Bowenovy reakční série v geologii:
- Klasifikace hornin: Pomáhá geologům identifikovat a klasifikovat vyvřelé horniny na základě jejich minerálního složení. Tato klasifikace poskytuje pohled na historii ochlazování hornin, geologický kontext a tektonické procesy.
- Odhad teploty: Bowen's Reaction Series umožňuje geologům odhadnout teplotu, při které konkrétní hornina nebo minerál krystalizoval. Tyto informace pomáhají při rekonstrukci geologické historie oblasti.
- Geologické procesy: Pochopení sledu krystalizace minerálů umožňuje nahlédnout do geologických procesů, jako je ochlazování magmatu, diferenciace a tvorba různých typů hornin. Přispívá k našemu pochopení tektonika desek a vulkanické chování.
- Průzkum zdrojů: Znalost minerálního složení je v hospodářské geologii klíčová pro identifikaci a hodnocení ekonomického potenciálu ložisek nerostných surovin. Vede průzkumné a těžební operace.
- Geotermální energie: Bowen's Reaction Series pomáhá odhadovat podpovrchové teploty a pomáhá tak při průzkumu a rozvoji zdrojů geotermální energie.
- Environmentální geologie: Má aplikace v environmentální geologii tím, že poskytuje vhled do podzemních vod a chemického složení půdy, pomáhá posuzovat kvalitu vody a chápe dopady na životní prostředí související s minerálním složením.
- Vzdělávání a výzkum: Bowenova reakční řada je základním konceptem ve výuce a výzkumu geologie. Tvoří základ pro pochopení vzniku vyvřelých hornin a jejich mineralogických charakteristik.
Závěrem lze říci, že Bowenova reakční řada je základním konceptem v geologii s dalekosáhlými důsledky. Zlepšuje naše chápání geologické historie Země, procesů a tvorby vyvřelých hornin. Jeho aplikace pokrývají různé oblasti, od klasifikace hornin a průzkumu zdrojů až po environmentální a energetické studie, což z něj činí nepostradatelný nástroj pro geology a vědce o Zemi.
Kdo je Norman L. Bowen?
Norman Levi Bowen (1887-1956) byl kanadský geolog známý pro své významné příspěvky v oblasti petrologie a studia vyvřelých hornin. Je nejlépe známý pro vývoj Bowenovy reakční série, základního konceptu v geologii, který popisuje sekvenci, ve které minerály krystalizují z chladícího magmatu. Tento koncept způsobil revoluci v chápání tvorby vyvřelých hornin a procesů probíhajících v zemské kůře.
Bowen provedl svůj průlomový výzkum na počátku 20. století, především při práci v Geofyzikální laboratoři Carnegieho institutu pro vědu ve Washingtonu, DC. základ pro moderní petrologii a výrazně ovlivnil studium tvorby hornin, mineralogie a geologických procesů.
Bowenova série reakcí, pojmenovaná na jeho počest, zůstává základním rámcem v geologii a je široce používána ke klasifikaci a interpretaci vyvřelých hornin, pochopení jejich historie ochlazování a získání vhledů do geologických procesů, jako je desková tektonika a vulkanismus.
Příspěvky Normana L. Bowena do oblasti geologie měly trvalý dopad na způsob, jakým geologové a vědci chápou zemskou kůru, tvorbu vyvřelých hornin a mineralogické procesy, které utvářejí naši planetu.
