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实验岩石学革命巨匠Bowen的故事 精选

已有 8969 次阅读 2016-2-6 07:15 |系统分类:科普集锦

初学地质学的学生都会接触到鲍温反应序列(Bowen's Reaction Series),对橄榄石到黑云母的不连续反应序列和钙长石到钠长石的连续反应序列烂熟于胸。不连续反应序列意味着如果岩浆熔融体中存在足量的SiO2,随着温度的降低,早期矿物将为晚期矿物代替。连续反应序列意味着斜长石[(Ca,Na)(Al,Si)3O8]从高温到低温从钙长石到钠长石的连续变化,即从100%Ca-0%Na→50%Ca-50%Na→0%Ca-Na100%的连续变化。鲍温反应序列是20世纪20-30年代 Bowen通过实验分析而得到的,它清晰明了地阐释了火成岩中矿物共生组合、形成温度、结构构造的成因,为后人推崇,时至今日不褪色。Bowen是实验岩石学研究的骨灰级人物,是20世纪最伟大的岩石学家,也是地学领域最有影响的人物之一,他被后人称为“实验岩石学之父”。探索科学家成就背后的思维嬗变对理解学科的精髓本质、未来发展以及思想技术的创新至关重要,抛开这点,任何的创新要不昙花一现,要不经不起时间的检验,能够在基础知识领域做出贡献的科学家应该得到更多的赞誉,Bowen无疑值得这样的称赞。怀着深深的尊敬之情,有幸把笔墨触及这位伟人,还原当年峥嵘岁月,追忆一段旧时情怀,如食饕餮大餐,如饮桂酒椒浆。

图1 Norman Levi Bowen(1887-1956)(来自网络)

Norman Levi Bowen,1887年6月21日,出生于加拿大安大略省金士顿市,在上学之余,帮助父亲打理面包店,夏天时在潺潺的小溪中徜徉,冬天时在厚厚的冰面上旋舞,在当地教堂由年轻人组成的唱诗班的嘹亮的歌声中也能听到他浑厚的男高音。1903年,他考入当地的皇后大学,进了艺术学院,目的是毕业后当一名衣食无忧、清闲自在的人民教师,但作为青春无处安放的少年,抵挡不住山间风光与金钱物质的诱惑,1907年他跟随安大略省矿务局区调队在后来成为加拿大地质调查局一把手的R.W.Brock领导下对Larder湖区附近进行地质填图。在这里他充分展示了与生俱来的野外生存技巧,非同一般的野外工作能力,即使面对荆棘密布的丛林,黑云压城般的苍蝇蚊子,也无所畏惧,第一次使他对地质有了心灵感应。一回到学校,他迫不及待就到采矿学院进行了注册,开始学习矿物学和地质学课程。在随后的两年里他又先后跟随M.B.Baker和A.G.Burrows分别在Abitibi湖和Gowganda湖地区进行地质调查。根据野外对辉绿岩的观察,他1909年发表了“diabase and aplite of the cobalt-silver area"一文,这篇文章使他获得了加拿大矿业协会(Canadian Mining Institute)为最佳学生论文颁发的President's gold medal,并得到了25美元的奖金。1909年他顺利毕业,获得了London Exhibition of 1851 scholarship,这使他有机会上研究生继续深造,由此打开了以硅酸盐熔融体实验相平衡为基础的岩浆结晶分异研究。

图2 Bowen(右二)跟随地质队在安大略野外(1907-1909)(来自文献2)

本科毕业前几年,Bowen曾有幸接触到挪威地质学家J.H.L.Vogt和W.C.Brogger写的有关将物理化学原理应用于火成岩分异问题的文献,这正好与他的兴趣不吻而合,于是向这两位业界大牛递交了申请,没有想到,Vogt列举了包括语言障碍在内的种种理由,Brogger则忙于挪威议会中的立法有关事宜均拒绝了他的要求。正在Bowen沮丧之际,MIT(Massachusetts Institute of Technology)才华横溢、灵感涌动的Reginald A. Daly向他投掷过来了香喷喷的面包,并给他灌输了玄武质岩浆是初始岩浆,其他岩浆都是由其派生的观点,同时Charles H.Warren则给他打下了应用物理化学原理进行岩石学、矿物学研究的哲学基础,经济地质学领域的开创者Lindgren也传授了他许多地质知识。

1910年,在MIT教授T.A.Jaggar的建议下,Bowen申请到华盛顿卡内基研究院地球物理实验室(the Geophysical Laboratory of Carnegie Institution of Washington,下文简称实验室)开展硅酸盐系统相平衡研究,并将研究结果作为他的博士毕业论文。在详细询问了Bowen的一些个人情况后,实验室主任Dr.Arthur L.Day最终同意了他的请求,这使得Bowen成为这所刚建立不久的实验室的第一位predoctoral fellow(获得了本科学位,但是还没有获得博士学位)。

在那时,大多数我们今天使用的高温实验设备都处于婴幼儿期,设备庞大,操作复杂,效率低下,Bowen使用了Shepherd等1909年刚设计的淬火方法(quenching method)解决了霞石-钙长石(NaAlSiO4-CaAl2Si2O8)二元体系在高温环境下的液相线-固相线之间的关系以及固溶体现象。在这种方法里,将端元组分的粉末状混合物保持恒温,然后通过垂直的电炉加热后落入下面装有适量水银的盘子中,这种高温下突然的冷却会固定岩相的类型和成分。利用这种方法,经过多次重复试验就会算出每一种岩石组合不同温度下的相稳定区间,Bowen共利用17种混合物做了55次实验。利用这些实验结果Bowen很快写就了他的博士论文,并受到主要论文评阅人Dr.Day的高度赞扬。在论文答辩会上,一位颇有名望的岩石学家问到:“Bowen先生,你可以向我们描述一下火成岩的起源吗?”Bowen回答到:“先生们,你们是想让我回答你们想要的我所知道的答案,还是希望我回答我认为是正确的答案?”1912年6月4日,Bowen获得了MIT的博士文凭。同年发表了“the order of crystallization in igneous rocks”文献,这标志着岩石学从此由描述分类阶段进入了实验分析阶段。在这期间,有一件事情不得不提,1911年10月3日,刚从野外回来后,他就同Mary Lamont迈入了婚姻的殿堂,这在当时对于一个还未完全走出校门的年轻人来说,是罕见的,即使放到今天,也是不多见的。

图3 Bowen(左一)与他新婚不久的妻子(右一)(来自网络)

今日大多数即将毕业的学生多以找到合适工作为首要任务,但在Bowen毕业那时,机会多多,满意多多。Daly建议他跟随Jaggar到夏威夷从事火山岩研究,而Lindgren则希望他到图森(Tuscon)谋得一份经济地质职位,同时加拿大地质调查局也给他提供了就业机会。但无疑实验室更能满足他同时从事地质学和化学的心愿,在这里有许多跨学科解决地质问题的方法、同事之间的高度团结合作、追逐自我兴趣的学术自由氛围以及充足的科研经费。1912年9月1日,Bowen正式加入实验室,从此开始了他光辉灿烂的人生。

Bowen进入实验室后的第一枪瞄准了地壳中最丰富的矿物—斜长石,这一方面基于Day1905年就做过这方面的研究,有工作基础,另一方面基于高温下设备仪器性能的提高和淬火方法的逐日完善。通过实验,1913年,Bowen第一次向人们展示了斜长石的固溶体连续序列,明确了液相线和固相线的位置,计算了熔融斜长石所需的热量以及讨论了斜长石晶体的分带现象,这为他后来坚持的岩浆分异和结晶分异观点打下了基础,虽然观点并不新颖(前者1825年由Scrope,后者1897年由Becker提出),但是均缺乏实验证据。

随后两年,Bowen先后研究了MgO-SiO2(1914)、透辉石-镁橄榄石-二氧化硅(CaMgSi2O6-Mg2SiO4-SiO2)(1914)、透辉石-钠长石-钾长石(CaMgSi2O6-NaAlSi3O8 -KAlSi3O8)(1915),这些体系既包括了最重要的固溶体系列,又包括了形成基性火成岩的主要矿物,最终形成了“the later stage of the evolution of the igneous  rocks"研究报告。报告并无多少新颖的思想,但是为玄武质岩浆是所有岩浆的母岩浆,重力结晶分异是主要演化机制这一观点提供了丰富的实验和野外证据。首次总结了岩浆岩演化序列:玄武岩→闪长岩→花岗闪长岩→黑云母花岗岩→正长岩→霞石正长岩,这已经非常接近1922年完整的鲍温反应序列了。这篇研究报告当时在业界引起了很大反响,也由此使得Bowen在岩石学领域占有一席之地,那一年他只有28岁。

1917年 第一次世界大战爆发了,实验室应国家战时需要开始生产光学玻璃,Bowen有机会在实验室和玻璃厂之间穿梭,不经意间,对生产玻璃产生了浓厚的兴趣,并撰写了好几篇有分量的论文,同时对硅酸盐中的扩散和不混溶现象也开始有了兴趣。1919年,不知什么原因,他离开实验室去他的母校皇后大学当了一名矿物学教授,但学校实验室设备简陋,不能满足Bowen的要求,于是1920年,他又返回了实验室,又一段硕果丰富的岁月开始了。

1921年,他提出了一个研究硅酸盐中扩散问题的实验方法。实验中,他将密度较大的透辉石熔融体放入密度较小的斜长石熔融体中,通过测量熔融体接触部位形成的玻璃的折射率来判断扩散程度,最终得出结论:“当考虑岩浆相对迅速的冷却速度时,通过扩散运移大量岩浆物质令人难以置信,但是对于岩浆中尺寸较大的包体的反应边的形成至关重要。”1922年,根据他多年对硅酸盐中相平衡理论的研究,针对岩浆冷却过程中的反应,写就了名垂岩册的“the reaction principle of petrogenesis",主要结论用一个简单的流程图进行了表达,如今广见于各种火成岩教科书,它就是著名的鲍温反应序列。

图4 鲍温反应序列(来自网络)

1924年,他原来在皇后大学的学生J.W.Greig来到了他的身边,他们一起决定对Al2O3-SiO2再探究一番,研究发现刚玉(Al2O3)常常形成于岩浆与页岩、粘土的接触部位,当SiO2充足时,会形成矽线石(Al2O3﹒SiO2)。但现实中,在地表环境下发现的矿物不是矽线石,而是多铝红柱石(3Al2O3﹒2SiO2),当温度达到1810℃时,会发生不连续熔融,形成刚玉和SiO2流体,这无疑是制造高温陶瓷的理想材料,后来很快应用到陶瓷、玻璃和钢铁工业。1925年与Morey合作研究Na2SiO3-CaSiO3-SiO2体系。发现Na2Si2O5-SiO2-Na2O﹒3CaO﹒6SiO2的共熔温度为725℃,是苏打-石灰(soda-lime)玻璃的主要组成成分,共熔温度接近于Na2O﹒3CaO﹒6SiO2的稳定区域。这种化合物天生具有难以结晶的品性,稳定区间显示低温、高粘稠的特性,是生产玻璃的合适材料。

Bowen一直对单矿物岩石很感兴趣,很早在野外就调查过钙长岩,后来又对橄榄岩产生了兴趣。1923年和1926年,Bowen两次去了苏格兰西部Skye岛,在伟大导师A.Harker指导下考察了岛上的火成岩,特别注意到了穿过辉长岩的橄榄岩墙。回到华盛顿后,Bowen对它们依然念念不忘,得出结论:“没有与超基性岩相应的岩浆熔融体存在,它们必然来自未曾遭遇强烈重熔的局部聚集的结晶体。”

1927年春天,Bowen应邀到普林斯顿大学讲课,后来在此基础上经不断补充完善,在1928年出版了《The Evolution of Igneous Rocks》一书,当时普林斯顿大学出版社担心它的销量,所以只印刷了500册,没有想到一时之间,洛阳纸贵,很快售罄一空。这本书是对Bowen前期研究成果的综合性概括,主要阐述了对结晶分异机制的偏好,坚信应用物理化学原理解释火成岩成因理论的正确性,它对岩石学思想产生了深远的影响,在随后50年内成为火成岩石学的基础性教科书,是岩石学家带在身边的必读手册,许多年轻一代的地质学家就是在Bowen的思想里茁壮成长的。1956年,该书再版。1979年,H.S.Yoder,Jr.对该书的每一章节都做了精彩评论。1998年,密歇根卡尔文大学的Davis A.Young撰写了《N.L.Bowen and  crystallization-differentiation: the evolution of a theory》,对Bowen的工作进行了全面评价,此外撰写的《Mind over Magma:The Story of Igneous Petrology》,也多次提及Bowen的开创性工作。

1929年,Bowen又开始了新的征程,这次他与J.F.Schairer合作开始研究含有铁氧化物的硅酸盐体系。首先研究了白榴石-透辉石体系(KAlSi2O6-CaMgSi2O6)和锥辉石(NaFeSi2O6)的熔融性,两个系统都与碱性岩有关。同年,Bowen参加了在南非举行的国际地质大会,会后去了全球最大的基性-超基性杂岩体—Bushveld。返程途中,考察了东非大裂谷的碱性火山岩。在随后的几年里,他们又一起合作研究了FeO-SiO2(1932)、Ca2SiO4-Fe2SiO4(1933)、CaO-FeO-SiO2(1934)、MgO-FeO-SiO2(1935)、KNa3[AlSiO4]4-SiO2-Fe2SiO4(1938)。这些研究代表了实验岩石学的新方向,具有开创意义。这段研究时期可能是Bowen一生中最绞尽脑汁,困难重重的时期,但是冲破樊笼,获得快感的喜悦也是最大的。

图5 在实验室安心工作的Bowen(来自网络)

1937年,Bowen又离开了实验室,去芝加哥大学当了一名岩石学教授,原因是要把实验岩石学有关知识带入大学校园。Bowen的课堂显得不那么活泼,有些儿死气沉沉,尽管课前做足了功课,他在黑板上的板书显得很吃力,他的讲课声音特别低沉,好像他是初来乍到的初学者,许多学生只有课下借助他的讲义才能搞明白他讲的内容。在这期间,他写出了第一篇有关变质岩的文章“progressive metamorphism of siliceous  limestone and dolomite"。由于实在不喜欢学校里繁重的管理工作以及科研资金缺乏等原因,在容忍了9年后,他忍无可忍,于是在1947年,又回到了他曾经熟悉的实验室。

同流体不混溶和同化混染机制一样,挥发分也一直受到许多岩石学家的注意,只是证据尚显不足。挥发分在Bowen的头脑中也早已生根,只是苦于一时无良策应对。恰在此时,实验室的O.F.Tuttle设计了一套简单的热液淬火设备来探究挥发分扮演角色以及处理当时最棘手的问题:花岗岩-水系统的平衡问题。他们从简单到复杂先后研究了MgO-SiO2-H2O(1949),碱性长石(指钾长石和钠长石)-水系统,通过后者研究发现:“高温时,钾长石和钠长石会形成完整连续的固溶体;低温时,两种长石各走一边。”后者取得的结论又延伸到碱性长石- SiO2-H2O体系,实验结果使Bowen对一贯主张的花岗岩的岩浆起源观点更加坚信。一石激起千层浪,这种观点使花岗岩起源的阵营迅速集结为岩浆派与扩散派,一时之间,唇枪舌剑,刀光剑影,就差当年水成派与火成派的大打出手了。

1952年,Bowen退休,赋闲在家一年后,忍不住寂寞,又出山了,但多年劳累,身体已经吃不消,1956年9月11日,忍受了两年病魔折磨后,撇下他深爱的夫人和女儿,撒手人寰。他的骨灰埋在了他生前最喜欢的实验室的一棵桉树下,他生前种植的玫瑰依然傲然开放,只是无人来嗅。

图6 1952年Bowen退休时与他的妻子在实验室院内(来自文献2)

Bowen生性腼腆,个头矮小(约167cm),不苟言笑,不善交际,喜欢独自一人猫在实验室里,因此虽然名满天下,但内心相交之人甚少。有室内活动时,也多与年轻人坐在教室后面,很少和那帮老学究坐在前面。他很少直接回答别人提出的问题,总是几天后才把思路清晰,表达顺畅的答案拿到提问者面前。

Bowen是一个固执己见,不屈不挠的人,他一生坚守火成岩的结晶分异成因,这份自信最早来自于野外对花岗斑岩-辉绿岩关系的观察以及室内对斜长石结晶实验的分析。他不知疲倦地收集各方证据支持他的观点,尽量淡化流体不混溶、同化混染、挥发分、铁富集等的色彩。他深思熟虑,大胆推理,把花岗岩、碱性岩的母岩浆都归结为玄武质岩浆,而对不符合结晶分异的超基性岩也思虑颇多。Bowen是一名真正的岩石学革命巨匠,他迫使当时大部分只是进行火成岩分类描述的岩石学家接受了他以实验为基础的更加定量化的推理分析,为了取得关键野外证据,他的足迹广布北美、欧洲和非洲,从这层意义来说,他是第一个野外、实验、理论“三者”相结合的现代岩石学家。他所使用的实验方法今天依然有效,只是一些大胆的推理不再为人们所接受,主要是由于新的地球物理和同位素证据资料的出现。虽然今天结晶分异理论在某些构造环境下还是一种重要的机制,但是已经很少有岩石学家把它看作花岗岩源自玄武岩的观点。根据现代认识,玄武岩起源于地幔,大规模花岗岩起源于地壳物质的部分熔融,而中性成分的安山岩则形成于消减洋壳的部分熔融和随后的结晶分异。

以今日眼光来看待100年前的事情,即使穷尽其思,也还是一知半解,但我们依然能透过只言片语,感觉出那个时代光辉灿烂的思想,感觉出那个时代固执己见,坚守如一的科学家的品质,即使未来流淌的岁月中,他们的看法看起来不是那么完美,但今日又有哪一种盛行之观点理论不是根植、脱胎于那些儿旧时不完美、不成熟的看法呢?时光流逝,昨日激情澎湃岁月今日已趋平庸,有些儿成为规则,有些儿随烟而去。

注:终于赶在新年来临之前用了一周时间写完了这篇博文,深有感触:越是现代的人物越好写,越是离我们远去的,越难写。有时不是资料多少的问题,而是对本专业以外的知识和那时地学背景缺乏深入了解。地学博大精深,浩渺无边,吾辈尚需努力。再一次感谢中国地质大学俎波博士提供的资料,也祝各位从事地学、热爱地学,一直关注和阅读本人博客的人士Happy Monkey  New Year!

参考文献

1.H.S.Roder,Jr.Rock Star-NormanL.Bowen:The Experimental Approach to  Petrology,GSA Today, May  1998,P10-11

2.H.S.Roder,Jr.Norman L.Bowen(1887-1956),MIT Class of 1912,FirstPredoctoral Fellow  of The  GeophysicalLaboratory, Earth Science History,V.11,No.1,1992,P45-55

3.J.F.Schairer,Memorial of Norman L.Bowen

4.Hans P.Eugster, Norman Levi Bowen(1887-1956)—A Biographical Memoir,National Academy  Sciences WashingtonD.C.1980,P35-79

5.C.E.Tilley, Norman Levi Bowen(1887-1956),Biogr.MemsFell.R.Soc. 1957,P6-22




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