Nøglesten

Knoglestein klassificeres efter forekomst, tekstur, mineralogi, kemisk sammensætning og geometrien af den magtfulde krop.

Klassificeringen af de mange typer af magtfulde klipper kan give vigtig information om de betingelser, under hvilke de dannedes. To vigtige variabler, der anvendes til klassificering af vulkanske klipper, er partikelstørrelse, som i høj grad afhænger af afkølingshistorikken og bergets mineralsammensætning. Feldspars, kvarts eller feldspathoids, oliviner, pyroxener, amfiboler og micas er alle vigtige mineraler i dannelsen af næsten alle vulkanske klipper, og de er grundlæggende for klassificeringen af disse klipper. Alle andre tilstedeværende mineraler betragtes som uvæsentlige i næsten alle vulkanske klipper og kaldes tilbehørsmineraler. Typer af vulkanske klipper med andre essentielle mineraler er meget sjældne, men inkluderer carbonatitter, der indeholder essentielle karbonater.

I en forenklet klassificering adskilles vulkanske klippetyper på baggrund af den nuværende tilstedeværende feltspat, eller fravær af kvarts og i klipper uden feldspat eller kvarts, typen af jern- eller magnesiummineraler til stede. Klipper indeholdende kvarts (silica i sammensætning) er silica-overmættet. Klipper med feltspatoider er silica-umættede, fordi feltspatoider ikke kan eksistere sammen i en stabil sammenhæng med kvarts.

Større sten, der har krystaller, der er store nok til at blive set med det blotte øje, kaldes faneritisk; dem med krystaller, der er for små til at blive set, kaldes aphanitic. Generelt indebærer phaneritic en påtrængende oprindelse; aphanitic en ekstrusiv.

En magtfuld klippe med større, tydeligt synlige krystaller indlejret i en finere kornet matrix kaldes porfyr. Porphyritic tekstur udvikler sig, når nogle af krystallerne vokser til betydelig størrelse, før magmas hovedmasse krystalliserer som finkornet, ensartet materiale.

Større klipper klassificeres på baggrund af tekstur og sammensætning. Tekstur henviser til størrelsen, formen og arrangementet af de mineralkorn eller krystaller, som klippen består af.

Tekstur

Tekstur er et vigtigt kriterium for navngivning af vulkanske klipper. Teksturen af vulkanske klipper, herunder størrelse, form, orientering og fordeling af mineralkorn og forhold mellem mellemkornene, vil bestemme, om klippen betegnes som et tuff, en pyroklastisk lava eller en simpel lava. Teksturen er imidlertid kun en underordnet del af klassificeringen af vulkanske klipper, da der ofte skal være kemisk information hentet fra klipper med ekstremt finkornet grundmasse eller fra luftfaldsbukser, som kan være dannet af vulkansk aske.

Teksturkriterier er mindre kritiske til klassificering af påtrængende klipper, hvor størstedelen af mineraler vil være synlige med det blotte øje eller i det mindste ved hjælp af en håndlinse, forstørrelsesglas eller mikroskop. Plutoniske klipper har også en tendens til at være mindre teksturelt varierede og mindre tilbøjelige til at vise særprægede strukturelle stoffer. Teksturudtryk kan bruges til at differentiere forskellige påtrængende faser af store plutoner, for eksempel porfyriske margener til store påtrængende kroppe, porfyrbestande og subvulkanske diger. Mineralogisk klassificering bruges oftest til at klassificere plutoniske klipper. Kemiske klassifikationer foretrækkes til klassificering af vulkanske klipper med phenokrystarter, der anvendes som præfiks, f.eks. “olivinbærende picrit” eller “orthoclase-phyric rhyolit”.

Mineralogisk klassificering

IUGS anbefaler klassificering af vulkanske klipper efter deres mineralsammensætning, når det er muligt. Dette er ligetil for grovkornet påtrængende vulkansk sten, men kan kræve undersøgelse af tynde sektioner under et mikroskop for finkornet vulkansk sten og kan være umulig for glasagtig vulkansk sten. Klippen skal derefter klassificeres kemisk.

Mineralogisk klassificering af en påtrængende klippe begynder med at bestemme, om klippen er ultramafisk, en carbonatit eller en lamprofyre.En ultramafisk sten indeholder mere end 90% af jern- og magnesiumrige mineraler såsom hornblende, pyroxen eller olivin, og sådanne sten har deres egen klassificeringsskema. Ligeledes klassificeres klipper, der indeholder mere end 50% carbonatmineraler, som carbonatitter, mens lamprofyrer er sjældne ultrapotiske sten. Begge klassificeres yderligere baseret på detaljeret mineralogi.

I langt de fleste tilfælde har klippen en mere typisk mineralsammensætning med signifikant kvarts, feltspat eller feltspatoid. Klassificering er baseret på procentdelene af kvarts, alkalifeldspat, plagioclase og feldspathoid ud af den samlede brøkdel af klippen, der består af disse mineraler, idet man ignorerer alle andre tilstedeværende mineraler. Disse procenter placerer klippen et eller andet sted på QAPF-diagrammet, som ofte straks bestemmer klippetypen. I nogle få tilfælde, såsom diorit-gabbro-anorthitfeltet, skal der anvendes yderligere mineralogiske kriterier for at bestemme den endelige klassificering.

Hvor mineralogien i en vulkansk sten kan bestemmes, klassificeres den ved hjælp af samme procedure, men med et modificeret QAPF-diagram, hvis felter svarer til vulkanske bjergtyper.

Kemisk klassificering og petrologi

Når det er upraktisk at klassificere en vulkansk klippe efter mineralogi, skal klippen klassificeres kemisk.

Der er relativt få mineraler, der er vigtige i dannelsen af almindelige vulkanske klipper, fordi magmaet, hvorfra mineralerne krystalliserer, kun er rig på visse grundstoffer: silico n, ilt, aluminium, natrium, kalium, calcium, jern og magnesium. Dette er de elementer, der kombineres for at danne silikatmineraler, som tegner sig for over halvfems procent af alle vulkanske klipper. Stivesteins kemi udtrykkes forskelligt for større og mindre grundstoffer og for sporstoffer. Indholdet af større og mindre grundstoffer udtrykkes traditionelt som vægtprocent oxider (fx 51% Si02 og 1,50% Ti02). Overflod af sporelementer udtrykkes traditionelt som vægtdele pr. Million (fx 420 ppm Ni og 5,1 ppm Sm). Udtrykket “sporelement” anvendes typisk om elementer, der er til stede i de fleste klipper med overflader mindre end 100 ppm eller deromkring, men nogle sporstoffer kan være til stede i nogle klipper i overflader, der overstiger 1.000 ppm. Mangfoldigheden af klippesammensætninger er defineret af en enorm masse af analytiske data – over 230.000 stenanalyser kan tilgås på nettet via et sted sponsoreret af US National Science Foundation (se det eksterne link til EarthChem).

Den vigtigste komponent er silica, SiO2, uanset om den forekommer som kvarts eller kombineret med andre oxider som feldspars eller andre mineraler. Både påtrængende og vulkanske klipper er kemisk grupperet efter det samlede silicaindhold i brede kategorier.

• Felsiske klipper har det højeste indhold af silica og er overvejende sammensat af de felsiske mineraler kvarts og feltspat. Disse klipper (granit, rhyolit) er normalt lyse og har en relativt lav densitet.
• Mellemliggende klipper har et moderat indhold af silica og er overvejende sammensat af feltspat. Disse klipper (diorit og andesit) er typisk mørkere i farve end felsiske klipper og noget mere tætte.
• Mafiske klipper har et relativt lavt siliciumindhold og består hovedsagelig af pyroxener, oliviner og calcisk plagioklase. Disse klipper (basalt, gabbro) er normalt mørkefarvede og har en højere tæthed end felsiske klipper.
• Ultramafisk klippe har meget lavt siliciumdioxid med mere end 90% af mafiske mineraler (komatiite, dunite).

Denne klassifikation er opsummeret i følgende tabel:

Procentdelen af alkalimetaloxider (Na2O plus K2O) er kun andet end silica i sin betydning for kemisk klassificering vulkansk sten.Procentdelene af silica og alkalimetaloxid bruges til at placere vulkansk sten på TAS-diagrammet, hvilket er tilstrækkeligt til straks at klassificere de fleste vulkanske klipper. Klipper i nogle felter, såsom trachyandesitfeltet, klassificeres yderligere efter forholdet mellem kalium og natrium (således at potassiske trachyandesitter er latitter og sodiske trachyandesitter er benmoreitter). Nogle af de mere mafiske felter er yderligere opdelt eller defineret af normativ mineralogi, hvor en idealiseret mineralsammensætning beregnes for klippen baseret på dens kemiske sammensætning. For eksempel skelnes basanit fra tephrit ved at have et højt normativt olivinindhold.

Andre raffinementer til den grundlæggende TAS-klassificering inkluderer:

I ældre terminologi blev silicamættemættede klipper kaldet kiselsyre eller surt, hvor SiO2 var større end 66%, og familietermet kvartsolit blev anvendt på det mest kiselsyre. En normativ feldspathoid klassificerer en sten som silica-umættet; et eksempel er nefelinit.

Magmas er yderligere opdelt i tre serier:

• Den tholeiitiske serie – basaltiske andesitter og andesitter.
• De calc-alkaliske serier – andesitter.
• De alkaliske serier – undergrupper af alkaliske basalter og de sjældne, meget høje kaliumholdige (dvs. shoshonitiske) lavaer.

Den alkaliske serie kan skelnes fra de to andre på TAS-diagrammet, idet den er højere i samlede alkalioxider i et givet silicaindhold, men den tholeiitiske og calc-alkaliske serie optager omtrent den samme del af TAS-diagrammet. De skelnes ved at sammenligne det samlede alkali med jern- og magnesiumindholdet.

Disse tre magmaserier forekommer i en række pladetektoniske indstillinger. Tholeiitiske magmaserier findes for eksempel ved midterste havkanter, bagbue-bassiner, oceaniske øer dannet af hotspots, øbuer og kontinentale store vulkanske provinser.

Alle tre serier findes i relativt tætte nærhed til hinanden i subduktionszoner, hvor deres fordeling er relateret til dybde og alderen på subduktionszonen. Den tholeitiske magmaserie er godt repræsenteret over unge subduktionszoner dannet af magma fra relativt lav dybde. Calc-alkaliske og alkaliske serier ses i modne subduktionszoner og er relateret til magma med større dybder. Andesit og basaltisk andesit er den mest rigelige vulkanske klippe i øbuen, hvilket er vejledende for de calc-alkaliske magmas. Nogle øbuer har distribueret vulkanske serier, som man kan se i det japanske øbuesystem, hvor de vulkanske klipper skifter fra tholeit-calc-alkalisk-alkalisk med stigende afstand fra grøften.

Klassifikationshistorie

Nogle magtfulde stennavne dateres til før geologiens moderne æra. For eksempel dateres basalt som en beskrivelse af en bestemt sammensætning af lavaafledt sten til Georgius Agricola i 1546 i sit arbejde De Natura Fossilium. Ordet granit går mindst tilbage til 1640erne og stammer enten fra fransk granit eller italiensk granito, hvilket betyder “granulatsten”. Udtrykket rhyolit blev introduceret i 1860 af den tyske rejsende og geolog Ferdinand von Richthofen Navngivningen af nye klippetyper fremskyndede i det 19. århundrede og toppede i det tidlige 20. århundrede.

Meget af den tidlige klassificering af vulkanske klipper var baseret på den geologiske alder og forekomsten af klipperne. Imidlertid foreslog de amerikanske petrologer Charles Whitman Cross, Joseph P. Iddings, Louis V. Pirsson og Henry Stephens Washington i 1902, at alle eksisterende klassifikationer af vulkanske klipper skulle kasseres og erstattes af en “kvantitativ” klassifikation baseret på kemisk analyse. De viste, hvor vag og ofte uvidenskabelig meget af den eksisterende terminologi var, og argumenterede for, at da den kemiske sammensætning af en magtfuld klippe var dens mest grundlæggende kendetegn, skulle den hæves til primær position.

Geologisk forekomst, struktur, mineralogisk forfatning – de hidtil accepterede kriterier for diskrimination af stenarter – blev henvist til baggrunden. Den afsluttede stenanalyse skal først fortolkes i form af de bjergdannende mineraler, som man kan forvente at blive dannet, når magma krystalliserer, f.eks. Kvartsfeltspat, olivin, akermannit, Feldspatoid, magnetit, korund og så videre, og klipper er opdelt i grupper strengt efter den relative andel af disse mineraler til hinanden. Denne nye klassifikationsordning skabte en sensation, men blev kritiseret for sin manglende anvendelighed i feltarbejde, og klassificeringsordningen blev opgivet i 1960erne.Imidlertid har konceptet med normativ mineralogi udholdt, og Cross og hans møntundersøgere arbejdede med en masse nye klassificeringsordninger.

Blandt disse var klassificeringsskemaet for MA Peacock, som delte magtfulde klipper i fire serier : den alkaliske, den alkali-calciske, den calc-alkali, og den calcic række. Hans definition af alkaliserien og udtrykket calc-alkali fortsætter i brug som en del af den meget anvendte Irvine-Barager-klassifikation sammen med W.Q. Kennedys tholeiitic-serie.

I 1958 var der omkring 12 separate klassifikationsordninger og mindst 1637 navne på bjergtyper i brug. I det år skrev Albert Streckeisen en gennemgangsartikel om magtfuld stenklassificering, der i sidste ende førte til dannelsen af IUGG-underkommission af systematiske kæmpe sten. I 1989 var der aftalt et enkelt klassificeringssystem, som blev revideret yderligere i 2005. Antallet af anbefalede stennavne blev reduceret til 316. Disse omfattede et antal nye navne, der er offentliggjort af underkommissionen.