鲍文反应系列

破除误解#

连续支也常被说成矿物种类在跳。富钙斜长石走向富钠斜长石，变的是固溶体的成分：架子还在，钙少了，钠多了。不是一块晶体突然换成另一种矿物。中间那些按钙钠比例起的名字，是成分轴上的刻度，不是一次次无关的结晶。

分叉图的下端也不是保证。两支靠拢之后，残余熔体可以走向碱长石、白云母和石英，前提是分离结晶真的发生，而且水、钾和硅都允许。早期晶体若沉到别处，堆成富含橄榄石或辉石的岩石，残余熔体才更富硅；两边合起来才回到原来那一团的总成分。只盯着残液，会把一小部分液体的去向说成整座火山的命运。许多花岗岩可以从大陆地壳部分熔融而来，起点就不是玄武岩。

更浅的误用，是把这张图当成野外的颜色检索表。上端矿物常常颜色深，下端的长石和石英常常颜色浅，深色就被派到早期，浅色就被派到晚期。晶粒细、玻璃多，岩石可以很暗；斜长石堆在一起，可以很浅，却不是花岗质残液。图也主要讲亚碱性组合，碱性熔体里会冒出图上没有的矿物，深浅就更不能在图上找位置。

反应原理怎样被写下来#

1922 年，鲍文在华盛顿卡内基研究所的地球物理实验室发表论文，把硅酸盐里常见的晶体与液体的关系称作反应关系，并主张用它理解岩石成因。当时更容易被强调的是共结：熔体冷却到某个终点，几种晶体一起析出。共结并没有被他取消，但他拒绝把共结当成火成结晶的全部。斜长石这类固溶体里，晶体和液体一直在反应，早先的晶体不能在冷却全程保持原成分。论文把这样的固溶体称为连续的反应系列。原理在这篇里被命名，写成寻找事实的向导，不是每座火山必须演完的法令。

1927 年春，他在普林斯顿给地质系高年级学生讲过一小队课程。1928 年《火成岩的演化》把讲座写成书。书里点明要害：矿物按出现的顺序消失，这是反应，而不只是从熔体里减掉晶体。先出现的矿物若继续与液体反应，后来的矿物才会生成，早出现的那些就在后一步里消失。把晶体拿走、让液体少掉某些组分，是另一件事，书里没有把两件事并成一句。

书里的图从更富铁镁、相对贫硅的一端写起。一开始是两支。连续支是斜长石。不连续支从橄榄石到辉石，再到角闪石等，并包括黑云母。降温时两支逐渐靠拢，箭头接到钾长石，之后还有白云母和石英。证据来自熔体实验里谁结晶、谁被再吸收，也来自天然岩石里矿物的先后和结构关系。系列是归纳。

1956 年的重印不是初版，也没有把发现挪到这一年。名字在 1922 年，这套陈述在 1928 年的初版里。实验本身也不提供一张到了某摄氏度就必然出现某矿物的表。混合物熔化后在选定条件下保持，再急速冷却，把当时已经长出、或还没被吃回去的晶体冻住。冻住的是一种关系。成分、水和压力一变，界线就搬家。

不连续支是矿物被替换#

不连续支上的矿物结构逐级不同，所以叫不连续。橄榄石里的硅氧四面体彼此分开，靠铁、镁连着。辉石连成单链，角闪石是双链，黑云母是整片。从一种结构换成另一种，是生成另一种矿物，不是在同一格子里微调成分。连续支才是成分微调。

橄榄石和辉石这一步，可以用受热时的反向过程看。某些富镁辉石受热，并不融成同成分的液体，而会留下橄榄石，放出更富硅的熔体。结晶把方向倒过来：橄榄石若还接触熔体，会与熔体反应生成辉石，自己减少。前一种变成后一种，指的就是这种反应。岩石里橄榄石外面包一圈辉石，常常是反应开了头、没有做完，不是按边的颜色给石头定名的记号。

角闪石和黑云母还要水。它们的结构里有来自熔体的氢和氧，黑云母还要钾。干的玄武质熔体不会自动把这条支走完。它可以停在橄榄石、辉石和斜长石，再加上铁钛氧化物，始终不出现后两种含水矿物。水若足够，反应才有条件继续。水改的是谁能出现，不是在图外多贴两张邮票。

晶体一旦离开，替换就分成两件事。橄榄石若在反应前沉走或被抽走，自己并不变成辉石，而是留在比原始熔体更富铁镁的堆晶里。辉石从已经改变的熔体里另长出来，或只在没离开的晶体表面长一圈。箭头的本义是反应造成的消失。晶体离开之后，消失的是继续反应的机会。没有水，支路后半段走不通；晶体过早离开，前一种被保存，后一种从残液里长，看起来像排队，其实那一次替换没有发生。

连续支是固溶体在变成分#

连续支只有斜长石。钙长石是富钙端元，钠长石是富钠端元，中间是同一固溶体。温度高时，与熔体共存的晶体通常更富钙；温度下降，平衡的晶体更富钠。变的是钙、钠以及配对的铝、硅在晶体里的比例，不是换成另一族矿物。1922 年的论文把这种持续的反应当作连续系列的典型。1928 年的书把整支标成斜长石，与橄榄石到辉石、角闪石那一支并列。

平衡若保持，改的是还接触着熔体的晶体，液体也一起变。极富钙的早期成分不会作为另一种矿物留下来，它已经通过反应改掉了，架子仍是斜长石。冷却若快到离子来不及在晶体内扩散，一颗斜长石可以核部更富钙、边部更富钠。环带是连续支没做完的痕迹。方向也不永远如此：后来灌入更富钙的熔体，边部可以反过来更富钙。看见环带，只能说生长过程中成分变过，不能断定课堂图已经走完。

第三种情况是整颗富钙晶体离开熔体。它保持离开时的成分，后长的新晶体才更富钠。看起来仍是从钙长石走向钠长石，走的是一串先后离开的晶体，不是同一颗在原地改完。只有晶体不断离开，残液才会持续失去钙，向更富钠、通常也更富硅的方向移动。晶体留在原地重新平衡，最后这堆斜长石受最初那团熔体约束，不会凭空多出一大团花岗质液体。

三大类岩石那一句只给了骨架：岩浆冷却时橄榄石、辉石等先结晶，残余熔体越来越富硅，连续支上斜长石从钙长石走向钠长石。先结晶不等于铁镁矿物各出一次。走向钠长石不等于种类在跳。越来越富硅，要求早期晶体与熔体分开；否则富硅只是局部残液，反应做完就会被吃回去。

晶体离开熔体，残余熔体才继续走#

分离结晶的定义在离开。晶体沉到岩浆房底部，或被压滤、被抽走，就从反应里退出，液体里剩下的组分因此改变。铁和镁进入早期橄榄石与辉石之后，残余熔体相对更富硅、更富碱。两支在降温中逐渐靠拢，晚阶段接到钾长石。若钾、铝、硅和水都够，残液可以结晶出碱长石、白云母和石英。白云母同样要水。干的残液即使富硅，也不自动出现白云母。石英出现，是因为长石结晶之后仍有多余的硅。许多路径在这之前中断。

从一大团玄武质熔体里分出可观的花岗质残液，得先搬走大量早期晶体，残液的体积越来越小。熔体越富硅，通常越黏，晶体越不容易沉下去，分离变慢，而不是在图的下端自动加速。喷发把液体送到地表，冷得快，反应和分离都来不及，岩石冻在前段或中段。洋脊和许多地幔上涌处反复喷出玄武岩，并不因此欠一座花岗岩。深处缓慢冷却的岩体更有机会把分离走远，那也只是机会。

晶体留在原地并与熔体重新平衡，路径不同。早期橄榄石被反应消耗，斜长石成分跟着改，最终岩石接近最初那团熔体的总成分：主要是玄武质或辉长质岩石，加上有限的晚期间隙，而不是单独聚集成的花岗岩体。反应原理在这里最直接，矿物按出现的顺序消失。分离结晶则把早期矿物保存在别处，让液体独自演化。两件事都真实。只承认一件，就会要么看不见堆晶，要么看不见反应边和环带。

反应做完时，替换发生在接触面上，前一种被后一种吃掉。分离结晶时，替换发生在残液下一步结晶的种类上，离开的晶体并不改头换面。图把两种图像叠在一起，所以既好用又容易用过了头。玄武质岩浆的许多顺序确实沿这个骨架排列；骨架不是每一种岩浆、每一次喷发都必须走完的法律。大陆地壳里已经富硅的岩石还可以受热部分熔融，直接产生花岗质熔体，没有义务先当过玄武岩。

水、压力、氧逸度与围岩会改顺序#

水不只决定角闪石和黑云母能不能出现，还会改谁先占优。同一套成分，干的时候停在橄榄石、辉石、斜长石，湿的时候可以进入角闪石甚至黑云母。把含水矿物画成每一条玄武岩的必经之地，是把湿的情形换成了所有岩浆。

压力也改写。课堂分叉图主要对应较浅、压力较低的顺序，也就是那一代熔炉实验最有把握的范围。压力升高后，铝可以更多地进入辉石，或进入石榴石这类更致密的矿物，斜长石不再占着图上的位置。角闪石只在一定的压力窗口里稳定，太深就会分解。深处的熔体可以升到较浅处之后，才开始按低压顺序结晶。把地幔深处直接画成那张图，是把浅部归纳错放到深部。

氧逸度是体系的氧化能力，不是岩浆里有多少氧气泡。铁可以是二价，进橄榄石和辉石；也可以是三价，更容易进氧化物。氧化程度高，氧化物提早拿走铁，又几乎不带走硅，残液的硅就相对升得更快。氧化程度低，铁更多留在硅酸盐里，硅的富集变慢。同一团玄武质成分，可以因此偏离图上那条唯一的箭头。

同化改的是整团配方。富硅沉积岩熔进去，熔体比原来的玄武质液体更富硅，起点已经变了。碳酸盐围岩把钙加进来，路径可以离开长石和石英那一端。同化也不无限。熔化围岩要热，热常常来自岩浆自己的结晶，于是边吞边结晶。顺序既不是纯冷却的分叉图，也不是围岩成分的简单平均。

这四件事都在改顺序。分叉图因此不是野外的颜色检索表，而是一条有条件的归纳：低压、分离足够、水与氧化程度允许时，玄武质熔体的矿物替换可以沿两支进行。条件一变，归纳就要重做。

跨域连接#

• 三大类岩石：那一句只说橄榄石、辉石先结晶，残余熔体更富硅，斜长石从钙长石走向钠长石。它成立与否，要看早期晶体是被反应吃掉，还是离开后让残液改变化学成分。由此推不出玄武岩注定变成花岗岩。
• 矿物：不连续支改变硅氧四面体的连接，从彼此分开到单链、双链，再到云母那样的片。连续支不换斜长石的架子，只让钙和钠在固溶体里此消彼长。系列用的是这个差别，不是按手标本的深浅检索。
• 火山作用：喷发把熔体送到地表并迅速冻结，反应常常停在橄榄石、辉石和斜长石。洋脊反复喷出玄武岩，并不因此欠一座花岗岩。会不会爆炸，要看硅和气体，那是喷发行为，不是晶体与熔体的替换顺序。
• 岩石循环：系列只覆盖熔体冷却结晶的一段。风化、搬运、沉积和固态变质都不在分叉图上。花岗岩也可以是已有大陆地壳再次熔融，而不是玄武质岩浆走完后的奖品。
• 板块构造：大洋中脊和许多地幔上涌处产生玄武质熔体，喷出后往往停在系列前段。大陆地壳加厚受热，可以部分熔融出花岗质熔体，起点就不是玄武岩。板块提供产地和热源，不强迫每一团熔体走完全程。
• 化学平衡：晶体与熔体的反应可逆。降温把平衡推向消耗早期矿物；晶体若留着，系统可以重新平衡。分离结晶把晶体拿走，等于拆掉平衡的一边，残液回不到封闭体系的终点。岩浆房常常是开放的。
• 相变与临界现象：结晶是液固共存的一级相变，有潜热，稳定的固体还会随降温更换。这不是临界点上没有潜热平台、由涨落主导的连续相变。分叉图是相图上的降温路径，会被水、压力和成分改写。
• 热力学三大定律：结晶放出潜热，熔化围岩则吸热。同化不能无限进行，因为熔掉围岩的热往往靠岩浆自己结晶来付。熵增并不规定橄榄石一定变成石英。顺序取决于哪一组晶体能与熔体共存，以及晶体来不来得及离开。

参考文献#

• Bowen, N. L. “The Reaction Principle in Petrogenesis.” The Journal of Geology 30, no. 3 (1922): 177–198. DOI: 10.1086/622871.
• Bowen, N. L. The Evolution of the Igneous Rocks. Princeton University Press, 1928.

延伸阅读#

• Winter, J. D. Principles of Igneous and Metamorphic Petrology. 2nd ed. Pearson, 2010.
• Philpotts, A. R., and Ague, J. J. Principles of Igneous and Metamorphic Petrology. 2nd ed. Cambridge University Press, 2009.
• Yoder, H. S., Jr., ed. The Evolution of the Igneous Rocks: Fiftieth Anniversary Perspectives. Princeton University Press, 1979.