Wanneer we over stollingsgesteente praten kunnen we niet om een heel bekende theorie in de geologie heen: de Bowen’s reaction series. Dit is de theoretische volgorde waarin mineralen stollen vanuit een magma. Laten we ons voorstellen dat we een grote pan met kokendhete magma uit een magmakamer scheppen en deze voor ons neerzetten op een fornuis. Zolang het vuur brandt blijft de magma heet. Maar draaien we het vuur uit, dan gaat het heel langzaam afkoelen. Tijdens dit afkoelproces stolt het magma en verandert het in gesteente. Gesteente is een combinatie van verschillende mineralen. De volgorde waarin deze mineralen kristalliseren is afhankelijk van de temperatuur.
Stel je de letter Y voor. Er is één stam en er zijn twee armen. We beginnen bovenaan de linker- en de rechterarm. Dat is het heetste magma, de hoogste temperatuur waarop een mineraal stolt in de aardkorst. De linkerarm is een serie van opeenvolgende verschillende soorten mineralen die naarmate de temperatuur daalt afwisselend stolt. Deze arm is de zogenaamde ‘discontinuous series’, discontinue omdat er steeds een nieuw mineraal vormt. De serie begint met (ultra)mafisch magma, magma dat veel magnesium en ijzer bevat en relatief weinig silica. De rechterarm is de ‘continuous series’ en gaat over één en hetzelfde mineraal, plagioklaas veldspaat, met daarbinnen kleinere variaties. De zogenaamde veldspaat solid solution series. Dit is magma met minder ijzer dan de discontinuous series. Waar de armen bij elkaar komen in de stam vinden we de andere veldspaat serie, de alkali veldspaten. En ook een deel van de mica’s en helemaal onderaan kwarts.
tMaar terug naar de pan met magma die op ons vuurtje staat te pruttelen. Ons magma is ultramafisch, dus veel magnesium en ijzer en relatief weinig silica. We draaien het vuur uit en kijken wat er gebeurt. Daarbij focussen we op de linkerarm van de Y, de discontinuous series. Als eerste kristalliseert bij zo’n 12-1400 graden olivijn. Dat houdt in dat uit de oplossing een deel van de magnesium en ijzer wordt onttrokken om deze olivijnkristallen te vormen. Met het verdwijnen van een deel van het magnesium en ijzer wordt de oplossing een stukje minder mafisch. In verhouding zit er nu meer silica in ten opzichte van magnesium en ijzer. Het volgende mineraal dat kristalliseert wanneer de temperatuur iets verder daalt is de groep van de pyroxenen. Vervolgens kristalliseren de amfibolen en de zwarte mica’s (biotiet). Dan zijn we aangekomen bij het einde van de linkerarm en dus bij de stam. Boven in de stam kristalliseert anorthiet, endmember van de alkali veldspaten. Verder naar beneden kristalliseren de lichte mica’s (muscoviet) en uiteindelijk kwarts. Kwarts is meestal het laatste mineraal dat vormt in het gesteente. Bij zo’n 600 graden is het proces klaar en is onze pan gevuld met een gelaagd pakket gesteentes. Zou je dit proces uitvoeren met magma metminder ijzer dan kristalliseert in je pan een serie plagioklaas veldspaat waarin de onderste, dus heetste laag de calciumrijke plagioklaas is en de bovenste laag, dus laatst afgekoelde, de natriumrijke plagioklaas. Daar tussenin is een gradueel verloop van veel calcium en weinig natrium naar veel natrium en weinig calcium.
Nu we dit weten kunnen we ook beter begrijpen waarom sommige mineralen vaak samen voorkomen. Bovendien is dit proces handig om geologen te helpen te ontdekken bij welke temperaturen bepaalde gesteentes zijn gevormd. Alleen is er een hele grote MAAR… ik noemde het eerder een theorie. Dat deed ik met opzet. Dit proces is namelijk theoretisch correct, maar in de praktijk vinden we nergens perfect gelaagd gesteente volgens de volgorde die Bowen beschreef. Hoe komt dat? Daar zijn een aantal redenen voor. Het gaat erg ver om ze nu allemaal te benoemen, maar een paar zijn toch wel van belang.
De pan die we hebben gebruikt was niet de juiste. In plaats van een eenvoudige soeppan hadden we een snelkookpan moeten gebruiken! Met andere woorden, naast temperatuur heeft ook de druk waaronder de processen plaatsvinden heel veel invloed op het eindresultaat. Ook hebben we te maken met de snelheid waarmee het magma afkoelt. Soms gaat dat erg langzaam en smelt een deel van de kristallen toch weer. Soms gaat het sneller dan gewenst en kan een reactie gestoord worden. Ook kunnen er ‘vreemde’ stoffen in het magma komen. Denk aan water, andere elementen, etc. Die beïnvloeden welke mineralen er gevormd worden en kunnen er soms voor zorgen dat de volgorde in de war geschopt wordt. Ook zijn er magma types waarbij deze serie helemaal niet opgaat, heeft een uitbarsting van een vulkaan invloed op de temperatuur en samenstelling van het magma die achterblijft, etc.
Bowen’s reaction series is dus een goed hulpmiddel, maar alleen theoretisch. Het is wel goed om in de basis te begrijpen hoe gesteentes vormen en waarom sommige mineralen vaak in dezelfde combinaties gevonden worden. Het is ook handig om te weten dat de omgekeerde volgorde ook bestaat bij het verhitten van gesteente en dus bij het vormen van metamorf gesteente of bij het ontstaan van nieuwe magma. Dan smelten de mineralen onderin de stam van de Y het eerste. Ook leren we uit deze serie dat mineralen die aan het aardoppervlak voorkomen het meest stabiel zijn als ze het dichtst bij hun ontstaansomstandigheden zijn. Daarom is kwarts stabieler dan olivijn.
Puffins and Pies 