Magmakivien petrologia

Magmakivien petrologia käsittelee magmakivien tunnistamista, luokittelua, alkuperää, kehitystä sekä muodostumis- ja kiteytymisprosesseja. Suurin osa tutkittavista kivistä on peräisin maankuoresta, mutta muutamat, kuten eklogiitit, ovat peräisin vaipasta. Magneettisen petrologian ala on hyvin laaja, koska magmakivet muodostavat suurimman osan maailman manner- ja valtamerenkuoresta ja vuoristovyöhykkeistä, joiden ikä vaihtelee varhaisesta arkeeisesta kautenaikaisesta neogeeniin, ja niihin kuuluvat myös korkeatasoiset vulkaaniset ekstrussiiviset kivet ja syvällä maankuoren sisällä muodostuneet plutoniset kivet. Kallioperäisen petrologisen tutkimuksen kannalta äärimmäisen tärkeää on geokemia, joka tutkii sekä magmakivien että magmojen, joista ne ovat syntyneet, pää- ja hivenainekoostumusta. Joitakin tärkeimpiä ongelmia vulkaanisen petrologian alalla ovat: (1) magmakappaleiden muoto ja rakenne, olivatpa ne sitten laavavirtoja tai graniittisia intruusioita, sekä niiden suhteet ympäröiviin kiviin (näitä ongelmia tutkitaan kentällä); (2) magmakivet muodostavien mineraalien kiteytymishistoria (tämä selvitetään petrografisella polarisoivalla mikroskoopilla); (3) kivien luokittelu, joka perustuu tekstuuripiirteisiin, raekokoon sekä muodostavien mineraalien runsauteen ja koostumukseen; (4) emämagmojen fraktioituminen magmaattisen erilaistumisprosessin avulla, joka voi synnyttää geneettisesti sukua olevien magmatuotteiden evolutiivisen sarjan; (5) magmojen syntymismekanismi, joka perustuu alemman mannermaisen kuoren, valtamerten ja mannerten alapuolisen vaipan ja valtamerellisen litosfäärin subduktoituvien laattojen osittaiseen sulamiseen; (6) nykyisen valtamerikuoren muodostumishistoria ja koostumus, joka on määritetty integroidun valtamerenporausohjelman (IODP) tietojen perusteella; (7) magmakivien kehittyminen geologisen ajan kuluessa; (8) vaipan koostumus kimberliittiputkissa maanpinnalle tuotujen eklogiittien kivilajien ja mineraalikemian tutkimusten perusteella; (9) paine- ja lämpötilaolosuhteet, joissa erilaiset magmat muodostuvat ja joissa niiden magmatuotteet kiteytyvät (määritetty korkeapaineisen kokeellisen petrologian perusteella).

Magmaattisen petrologian perusinstrumentti on petrografinen polarisoiva mikroskooppi, mutta suurin osa nykyisin käytetyistä instrumenteista liittyy kiven ja mineraalien kemian määrittämiseen. Näihin kuuluvat röntgenfluoresenssispektrometri, neutroniaktivaatioanalyysilaitteisto, induktiokytketty plasmaspektrometri, elektronimikrosondi, ionisondi ja massaspektrometri. Nämä laitteet ovat pitkälle tietokoneistettuja ja automaattisia, ja ne tuottavat analyyseja nopeasti (ks. jäljempänä Geokemia). Monimutkaiset korkeapaineiset koelaboratoriot tuottavat myös elintärkeitä tietoja.

Kun käytettävissä on laaja valikoima kehittyneitä instrumentteja, magmakivipetrologi pystyy vastaamaan moniin perustavanlaatuisiin kysymyksiin. Merenpohjan tutkimiseen on yhdistetty ofioliittikompleksien tutkiminen, jotka tulkitaan merenpohjan laatoiksi, jotka ovat työntyneet viereisille mannerreunoille. Ofioliitti tarjoaa paljon syvemmän läpileikkauksen merenpohjan läpi kuin mitä on saatavissa matalista kairaussydämistä ja ruoppausnäytteistä nykyisestä merenpohjasta. Nämä tutkimukset ovat osoittaneet, että ylin vulkaaninen kerros koostuu tholeiittisesta basaltista tai keskimerenharjun basaltista, joka on kiteytynyt akkretoituvassa repeämässä tai harjanteessa keskellä valtamerta. Basalttimineraalien mineraalikemian ja tällaisten faasien kokeellisen petrologian yhdistelmän avulla tutkijat voivat laskea magmakammioiden syvyyden ja lämpötilan valtameren keskimmäisen selänteen varrella. Syvyydet ovat lähes kuusi kilometriä, ja lämpötilat vaihtelevat 1 150 °C:sta 1 279 °C:een. Ofioliitin kaikkien kerrosten kattava petrologinen tutkimus mahdollistaa siihen liittyvän magmakammion rakenteen ja kehityksen määrittämisen.

B.W. Chappell ja A.J.R. White löysivät vuonna 1974 kaksi merkittävää ja toisistaan poikkeavaa graniittisten kivilajien tyyppiä, nimittäin I- ja S-tyypin granitoidit. I-tyypin strontium-87/strontium-86-suhde on pienempi kuin 0,706 ja se sisältää magnetiittia, titaniittia ja allaniittia mutta ei muskoviittia. Nämä kivet muodostuivat subduktiovyöhykkeiden yläpuolella saarikaarissa ja aktiivisilla (subduktoituvilla) mannerreunoilla, ja ne ovat viime kädessä syntyneet vaipan ja subduktoituneen valtameren litosfäärin osittaisen sulamisen tuloksena. Sitä vastoin S-tyypin granitoidien strontium-87/strontium-86-suhde on yli 0,706 ja ne sisältävät muskoviittia, ilmeniittiä ja monasiittia. Nämä kivet ovat muodostuneet alemman mannermaisen kuoren osittaisesta sulamisesta. Himalajalta löydetyt kivet muodostuivat mioseenikautena noin 20 000 000 vuotta sitten Intian tunkeuduttua Aasiaan, jolloin mannermainen kuori paksuuntui ja aiheutti sen jälkeen sen osittaisen sulamisen.

Tyynimerta reunustavilla saarikaarilla ja aktiivisilla mannerreunoilla on monia erilaisia kalsium-alkalisarjaan kuuluvia vulkaanisia ja plutonisia kiviä. Näihin kuuluvat basaltti, andesiitti, dakiitti, rhyoliitti, ignimbiitti, dioriitti, graniitti, peridotiitti, gabro ja tonaliitti, trondhjemiitti ja granodioriitti (TTG). Ne esiintyvät tyypillisesti laajoissa batoliiteissa, joiden pituus voi olla useita tuhansia kilometrejä ja jotka sisältävät yli 1 000 erillistä graniittista kappaletta. Nämä TTG-kalkki-alkalikivet ovat mannermaan kuoren pääasiallinen kasvutapa koko geologisen ajan. Niitä tutkitaan paljon, jotta voitaisiin määritellä niiden emämagmojen lähtöalueet ja magmojen kemiallinen kehitys. Yleisesti ollaan yhtä mieltä siitä, että nämä magmat ovat suurelta osin peräisin subduktoituneen valtamerilaatan ja sen yläpuolella olevan hydratoituneen vaippakiilan sulamisesta. Yksi tärkeimmistä vaikutuksista näiden kivien kehitykseen on veden läsnäolo, joka on alun perin peräisin subduktoituneen laatan kuivumisesta.