火成岩的種類和形成

Storyteller／玩石碎碎念

澎湖島上鱗次櫛比的柱狀玄武岩、噴著熱氣薰人的陽明山小油坑、令人錯覺身處於仙境的黃石國家公園。這些地方都是著名的火山景點。那麼究竟這些火山是怎麼形成的？岩漿又是如何產生不同化學性質，進而在不同地點形成相異的火成岩呢？

火成岩的定義

火成岩（Igneous rock），泛指因火山活動而產生的岩石，像是枕狀玄武岩、火山灰組成的凝灰岩…等等。火成岩依冷卻速度可分成「深成岩」（Intrusive）和「噴出岩」（Extrusive）。深成岩為岩漿在地底緩慢冷卻所形成，有足夠的時間與空間讓礦物長大，所以礦物顆粒皆大且完整；而噴出岩則是岩漿噴至地表，接觸較冷的空氣或水體，快速冷卻而導致礦物顆粒小，甚至有時肉眼還無法分辨。

另一種分類，則是依照「化學性質」，以二氧化矽（SiO₂）含量為基準，由低到高分為「基性」、「中性」、「酸性」，通常含量升高，黏性越高，流動性則越差。

基性火成岩（Mafic ）：岩漿SiO₂含量在45~52%，流動性及溫度皆最高，約900~1200℃。主要以鈣斜長石和輝石為主要礦物，呈現較深的顏色。以中洋脊噴出的「玄武岩」，以及深成的「輝長岩」為代表。
中性火成岩（Intermediate）：岩漿SiO₂含量在52~66%，流動性及溫度皆界在中間。主要以斜長石和角閃石為主要礦物，含有少許輝石。以碰撞產生的「安山岩」島弧和深成的「閃長岩」為代表。
酸性火成岩（Felsic）：岩漿SiO₂含量大於66%，流動性和溫度皆最低，約850℃，黏性極高。主要以鈉斜長石、鉀長石、雲母和石英為主為礦物，顏色淺。噴出的「流紋岩」和古陸塊常見的「花崗岩」為代表岩石。

當然，這些分類沒有那麼硬性，還是有些例外！像是「花崗閃長岩」，就是化學性質介在酸性與中性之間，同時具備兩種性質的深成火成岩。而SiO₂含量小於45%的，我們稱為「超基性火成岩」（Ultramafic），主要為在地下深處，靠近地函的「橄欖岩」。

包溫反應序列

1920年代，岩石學家諾曼．包溫（Norman Levi Bowen）加熱熔化各種火成岩粉末，再逐步冷卻來觀察礦物的結晶，最後歸納出礦物和岩漿之間的關係，也就是包溫反應序列（Bowen’s reaction series）。他認為岩漿冷卻的過程中，由於各礦物的結晶溫度不同，熔點較高的礦物會先冷卻析出，剩餘的岩漿性質就改變了。之後，先產生的礦物又會和剩餘岩漿反應，產生後期結晶的礦物。不斷地析出和反應，就形成了礦物結晶序列。而礦物結晶序列又可分為「不連續反應序列」(Discontinuous Series)和「連續反應序列」(Continuous Series)。

不連續反應序列：以鐵鎂矽酸鹽礦物為主，先析出熔點最高的橄欖石，之後和剩餘岩漿反應產生輝石，輝石再反應成角閃石，最後產生黑雲母。由於這些礦物的成分和結晶構造皆不同，呈現跳躍式的變化，所以稱做不連續反應序列。
連續反應序列：以斜長石為主，鈣長石首先析出再和剩餘岩漿反應，之後連續不斷地成分和溫度變化，鈉逐漸取代鈣，形成含鈉含量高的斜長石，像是拉長石、中長石，最後變成完全的鈉長石。由於所有礦物的結晶構造沒有什麼改變，只有成分上的些微轉變，所以被稱為連續反應序列。
當岩漿反應到最後，剩餘在岩漿中的元素矽、鋁、鉀，便合成產生新的低溫礦物，依序為鉀長石，白雲母和石英。

包溫反應序列對研究火成岩中礦物的結晶順序有很大的貢獻。由此序列搭配觀察，可以發現在溫度較高的基性火成岩中，所含的礦物屬於較早結晶的輝石和斜長石。隨著溫度降低，在酸性火成岩裡則多為低溫的石英、雲母和鉀長石。由岩石內礦物的組成以及顆粒大小，就可以良好的分類出火成岩，進而慢慢推出地質故事喔！