Igneuze petrologie

Igneuze petrologie houdt zich bezig met de identificatie, classificatie, oorsprong, evolutie, en processen van vorming en kristallisatie van de stollingsgesteenten. De meeste voor studie beschikbare gesteenten zijn afkomstig uit de aardkorst, maar enkele, zoals eclogieten, zijn afkomstig uit de mantel. De reikwijdte van de igneuse petrologie is zeer groot omdat igneuse gesteenten het grootste deel van de continentale en oceanische korsten en van de berggordels van de wereld uitmaken, die in ouderdom variëren van vroeg Archeen tot Neogeen, en zij omvatten ook de vulkanische extrusieve gesteenten op hoog niveau en de plutonische gesteenten die diep in de korst zijn gevormd. Van het grootste belang voor het petrologisch onderzoek van stollingsgesteenten is de geochemie, die zich bezighoudt met de samenstelling van de hoofd- en sporenelementen van stollingsgesteenten en van de magma’s waaruit zij zijn ontstaan. Enkele van de belangrijkste problemen binnen het vakgebied van de igneuze petrologie zijn: (1) de vorm en structuur van stollingslichamen, of het nu lavastromen of granietintrusies zijn, en hun verhouding tot de omringende gesteenten (dit zijn problemen die in het veld worden bestudeerd); (2) de kristallisatiegeschiedenis van de mineralen waaruit stollingsgesteenten zijn opgebouwd (dit wordt bepaald met de petrografische polarisatiemicroscoop); (3) de classificatie van gesteenten op basis van textuurkenmerken, korrelgrootte en de abundantie en samenstelling van de samenstellende mineralen; (4) de fractionering van moedermagma’s door het proces van magmatische differentiatie, die aanleiding kan geven tot een evolutionaire sequentie van genetisch verwante stollingsproducten; (5) het mechanisme van het ontstaan van magma’s door gedeeltelijk smelten van de onderste continentale korst, de suboceanische en subcontinentale mantel en de subductieve platen van oceanische lithosfeer; (6) de ontstaansgeschiedenis en de samenstelling van de huidige oceanische korst bepaald op basis van gegevens van het Integrated Ocean Drilling Program (IODP); (7) de evolutie van stollingsgesteenten door de geologische tijd heen; (8) de samenstelling van de mantel uit studies van het gesteente en de minerale chemie van eclogieten die in kimberlietpijpen aan de oppervlakte zijn gebracht; (9) de druk- en temperatuuromstandigheden waaronder verschillende magma’s worden gevormd en waarbij hun stollingsproducten kristalliseren (bepaald uit experimentele petrologie bij hoge druk).

Het basisinstrument van de igneuse petrologie is de petrografische polariserende microscoop, maar de meeste instrumenten die tegenwoordig worden gebruikt hebben te maken met het bepalen van de chemie van gesteenten en mineralen. Hiertoe behoren de röntgenfluorescentiespectrometer, apparatuur voor neutronenactiveringsanalyse, inductiegekoppelde plasmaspectrometer, elektronenmicrosonde, ionensonde, en massaspectrometer. Deze instrumenten zijn sterk geautomatiseerd en geautomatiseerd en produceren snel analyses (zie onder Geochemie). Complexe experimentele hogedruklaboratoria leveren eveneens vitale gegevens.

Met een uitgebreid gamma van gesofisticeerde instrumenten die beschikbaar zijn, is de igneuse petroloog in staat om vele fundamentele vragen te beantwoorden. De studie van de oceaanbodem is gecombineerd met het onderzoek van ophiolietcomplexen, die worden geïnterpreteerd als platen oceaanbodem die op aangrenzende continentale marges zijn gestuwd. Een ophioliet geeft een veel diepere doorsnede van de oceaanbodem dan mogelijk is met ondiepe boorkernen en baggermonsters van de bestaande oceaanbodem. Deze studies hebben aangetoond dat de bovenste vulkanische laag bestaat uit tholeiitisch basalt of mid-ocean ridge basalt dat gekristalliseerd is op een aangroeiende rift of ridge in het midden van een oceaan. Een combinatie van mineraalchemie van de basaltmineralen en experimentele petrologie van dergelijke fasen stelt onderzoekers in staat de diepte en de temperatuur van de magmakamers langs de mid-oceanische rug te berekenen. De diepten bedragen bijna zes kilometer, en de temperaturen variëren van 1.150 °C tot 1.279 °C. Uitgebreid petrologisch onderzoek van alle lagen in een ophioliet maakt het mogelijk de structuur en evolutie van de bijbehorende magmakamer te bepalen.

In 1974 ontdekten B.W. Chappell en A.J.R. White twee belangrijke en verschillende typen granietgesteente, namelijk I- en S-type granitoïden. Het I-type heeft strontium-87/strontium-86 verhoudingen lager dan 0,706 en bevat magnetiet, titaniet, en allaniet maar geen muscoviet. Deze gesteenten hebben zich gevormd boven subductiezones in eilandbogen en actieve (subducterende) continentale randen en zijn uiteindelijk ontstaan door gedeeltelijk smelten van de mantel en de subductieve oceanische lithosfeer. S-type granitoïden daarentegen hebben een strontium-87/strontium-86 verhouding van meer dan 0,706 en bevatten muscoviet, ilmeniet en monaziet. Deze gesteenten zijn gevormd door het gedeeltelijk smelten van de lagere continentale korst. Die in de Himalaya werden gevormd tijdens het Mioceen tijdperk zo’n 20.000.000 jaar geleden als gevolg van de penetratie van India in Azië, waardoor de continentale korst dikker werd en vervolgens gedeeltelijk smolt.

In de eilandenbogen en actieve continentale randen die de Stille Oceaan omzomen, zijn er veel verschillende vulkanische en plutonische gesteenten die behoren tot de calc-alkalische reeks. Hiertoe behoren basalt; andesiet; daciet; rhyoliet; ignimbriet; dioriet; graniet; peridotiet; gabbro; en tonaliet, trondhjemiet, en granodioriet (TTG). Zij komen typisch voor in uitgestrekte batholieten, die verscheidene duizenden kilometers lang kunnen zijn en meer dan 1.000 afzonderlijke granietlichamen kunnen bevatten. Deze TTG calc-alkalische gesteenten vertegenwoordigen het voornaamste groeimiddel van de continentale korst gedurende de gehele geologische tijd. Er wordt veel onderzoek aan gewijd in een poging om de brongebieden van hun moedermagma’s en de chemische evolutie van de magma’s te bepalen. Men is het er algemeen over eens dat deze magma’s grotendeels zijn ontstaan door het smelten van een gesubducteerde oceanische plaat en de daarboven liggende gehydrateerde mantelwig. Een van de belangrijkste invloeden op de evolutie van deze gesteenten is de aanwezigheid van water, dat oorspronkelijk afkomstig was van de dehydratatie van de subductieplaat.