Gammal petrologi

Gammal petrologi handlar om identifiering, klassificering, ursprung, utveckling och processer för bildning och kristallisering av magmatiska bergarter. De flesta av de bergarter som kan studeras kommer från jordskorpan, men några få, t.ex. eklogiter, kommer från manteln. Den magmatiska petrologin är mycket omfattande eftersom magmatiska bergarter utgör huvuddelen av den kontinentala och oceaniska jordskorpan och av världens bergsbälten, vars ålder sträcker sig från tidig arkeisk tid till neogen, och de omfattar även de höga vulkaniska extruderande bergarterna och de plutoniska bergarterna som bildats djupt inne i jordskorpan. Geokemi är av yttersta vikt för den magmatiska petrologiska forskningen, som handlar om sammansättningen av huvud- och spårämnen i magmatiska bergarter och i de magmer från vilka de har uppstått. Några av de viktigaste problemen inom den magmatiska petrologin är följande: (1) form och struktur hos magmatiska kroppar, vare sig de är lavaströmmar eller granitiska intrusioner, och deras förhållande till omgivande bergarter (detta är problem som studeras på fältet); (2) kristalliseringshistorien hos de mineraler som ingår i magmatiska bergarter (detta bestäms med hjälp av det petrografiska polarisationsmikroskopet); (3) Klassificering av bergarter baserat på texturella egenskaper, kornstorlek samt förekomsten och sammansättningen av ingående mineraler. (4) Fraktionering av modermagma genom den magmatiska differentieringsprocessen, som kan ge upphov till en evolutionär sekvens av genetiskt besläktade magmatiska produkter; (5) Mekanismen för generering av magma genom partiell smältning av den nedre kontinentala jordskorpan, den suboceaniska och subkontinentala manteln och subducerande plattor av oceanisk litosfär. (6) Bildningshistorien och sammansättningen av den nuvarande oceaniska jordskorpan fastställd på grundval av data från det integrerade havsborrningsprogrammet (IODP); (7) utvecklingen av magmatiska bergarter genom den geologiska tiden, (8) mantelns sammansättning utifrån studier av bergarterna och mineralkemin i eklogiter som förts upp till ytan i kimberlitrör, (9) de tryck- och temperaturförhållanden vid vilka olika magmer bildas och vid vilka deras magmatiska produkter kristalliserar (bestämda utifrån experimentell högtryckspetrologi).

Det grundläggande instrumentet för magmatisk petrologi är det petrografiska polarisationsmikroskopet, men majoriteten av de instrument som används idag har att göra med bestämning av bergarts- och mineralkemi. Dessa inkluderar röntgenfluorescensspektrometer, utrustning för neutronaktiveringsanalys, induktionskopplad plasmaspektrometer, elektronmikrosond, jonsond och masspektrometer. Dessa instrument är i hög grad datoriserade och automatiska och producerar analyser snabbt (se nedan Geokemi). Komplexa experimentella högtryckslaboratorier ger också viktiga data.

Med ett stort antal sofistikerade instrument till förfogande kan den magmatiska petrologen besvara många grundläggande frågor. Studier av havsbotten har kombinerats med undersökningar av ophiolitkomplex, som tolkas som plattor av havsbotten som har skjutits upp på intilliggande kontinentalmarginaler. En ophiolit ger ett mycket djupare snitt genom havsbotten än vad som finns tillgängligt från grunda borrkärnor och mudderprover från den befintliga havsbotten. Dessa studier har visat att det översta vulkaniska lagret består av tholeiitisk basalt eller basalt från mitthavsryggen som kristalliserats vid en ackreterande rift eller ås mitt i ett hav. En kombination av basaltmineralens mineralkemi och experimentell petrologi av sådana faser gör det möjligt för forskarna att beräkna djupet och temperaturen i magmakamrarna längs den mellanoceana ryggen. Djupet är nära sex kilometer och temperaturen varierar mellan 1 150 °C och 1 279 °C. En omfattande petrologisk undersökning av alla lager i en ophiolit gör det möjligt att bestämma strukturen och utvecklingen av den tillhörande magmakammaren.

I 1974 upptäckte B.W. Chappell och A.J.R. White två stora och distinkta typer av granitstenar – nämligen granitoider av I- och S-typ. I-typen har strontium-87/strontium-86-förhållanden lägre än 0,706 och innehåller magnetit, titanit och allanit men ingen muskovit. Dessa bergarter bildades ovanför subduktionszoner i öbågar och aktiva (subducerande) kontinentala marginaler och härrörde i slutändan från partiell smältning av mantel och subducerad oceanisk litosfär. Granitoider av S-typ däremot har strontium-87/strontium-86-förhållanden högre än 0,706 och innehåller muskovit, ilmenit och monazit. Dessa bergarter bildades genom partiell smältning av lägre kontinentalskorpa. De som finns i Himalaya bildades under den miocena epoken för cirka 20 000 000 år sedan som ett resultat av att Indien trängde in i Asien, vilket förtjockade kontinentalskorpan och sedan orsakade dess partiella avsmältning.

I de öbågar och aktiva kontinentalmarginaler som kantar Stilla havet finns det många olika vulkaniska och plutoniska bergarter som tillhör den kalk-alkaliska serien. Dessa inkluderar basalt, andesit, dacit, rhyolit, ignimbrit, diorit, granit, peridotit, gabbro samt tonalit, trondhjemit och granodiorit (TTG). De förekommer vanligtvis i stora batholiter, som kan vara flera tusen kilometer långa och innehålla mer än 1 000 separata granitkroppar. Dessa kalkalkaliska bergarter av TTG-typ utgör det huvudsakliga tillväxtsättet för den kontinentala jordskorpan under hela den geologiska tiden. Mycket forskning ägnas åt dem för att försöka fastställa källområdena för deras modermagma och magmaernas kemiska utveckling. Man är allmänt överens om att dessa magmer till stor del härstammar från smältning av en subducerad oceanisk platta och den överliggande hydrerade mantelns kile. En av de viktigaste influenserna på utvecklingen av dessa bergarter är närvaron av vatten, som ursprungligen härrörde från uttorkning av den subducerade plattan.