什么是鲍恩反应级数(Bowen's Reaction Series)？

构成地壳的岩石由各种不同化学成分和物理性质的矿物组成。矿物来源于岩浆凝固的火成岩，所含矿物的类型不仅取决于原始岩浆的化学成分，还取决于其温度、压力和20世纪初，华盛顿卡内基研究所地球物理实验室的地质学家诺曼L.鲍恩进行了一系列实验，旨在确定岩浆中不同矿物的结晶顺序。他熔化了火成岩的粉末样品，然后让它们冷却到预定的温度，这样他就能观察到矿物晶体的形成和它们出现的顺序。根据这些结果，他编制了后来被称为鲍恩反应系列的矿物形成序列，这是一个广泛应用于地质学、岩石学和火山学的矿物形成序列。当岩浆冷却时，岩浆中所含的矿物按一定的顺序结晶。当熔融岩石迅速冷却时，矿物就没有足够的时间形成晶体，结果变成了非晶玻璃。鲍恩设计的实验程序就是利用这种现象来"冻结"结晶过程在不同的阶段。将岩石样本放入一个称为"炸弹"的极其坚固的容器中，并加热至约2912°F（1600°C），确保所有的材料都会熔化。让样品冷却到一定的温度，并在这个温度下保持足够长的时间，以允许某些矿物发生结晶，然后用水突然冷却，以便提供该特定阶段过程的"快照"已经结晶的矿物被保存下来，而剩下的仍在熔融中的物质凝固成玻璃。通过在不同温度下重复这一过程，Bowen的反应系列扩大，给出了在2552°F（1，400°C）至1472°F（800°C）。Bowen确定了该系列的两个不同分支，其区别在于矿物的化学性质，它们在较低的温度下结合在一起。其中一个，他称之为连续系列，描述了富含钠、钙、铝和硅的矿物的结晶顺序，另一个叫做不连续系列，描述了富含铁和镁的矿物的序列，被称为镁铁质矿物。之所以称之为连续系列，是因为它显示出随着温度降低而形成的矿物成分的平滑转变。钙和钠的相对比例最能说明这一点。当在非常高的温度下结晶时，结晶物质非常丰富在钙中，在钠中含量很低。随着温度的降低，钠与钙的比例逐渐增加，直到这些比例发生逆转。在Bowen反应系列的不连续分支中，过程更为复杂。与连续系列一样，二氧化硅的比例随着温度的下降而增加；然而，硅石含量没有稳定增加，而是有一系列截然不同的矿物：橄榄石、辉石、角闪石和黑云母。橄榄石是第一个结晶的，温度约为2552°F（1400°C），但随着温度的下降，它与仍然熔融的物质发生反应，形成该系列中的下一种矿物，辉石类似的过程将辉石转化为角闪石，角闪石转化为黑云母；但是，只有在岩浆中仍有足够的二氧化硅时，才会发生从一种矿物到另一种矿物的每一种变化。如果岩浆到达地表后很快冷却，留下橄榄石、辉石和角闪石仍然存在于固化岩石中，正如鲍恩的实验一样。在两个分支汇合的地方，序列继续进行。剩下的矿物，按二氧化硅含量的增加顺序，是正长石-也称为钾长石-白云母和石英。总的来说，Bowen的反应系列从钙、镁、铁含量高、钠和硅含量低的岩石（如玄武岩）到钙、镁、铁含量低、钠和硅含量高的岩石，如花岗岩。在一个冷却速度非常慢的地下大型岩浆房中，橄榄石和高钙斜长石将首先结晶，并通过液态岩浆下沉到洞室底部，然后是序列中的其他矿物，当整个岩体凝固时，花岗岩和类似岩石会留在顶部。这一序列的好例子，从顶部的花岗岩到底部的辉长岩（一种与玄武岩成分相同的粗晶岩石）可以在世界各地的许多地方找到。