17आग्नेय चट्टानें

आयरलैंड के उत्तरी तट पर, अगल-बगल सटे पत्थर के स्तंभ सीढ़ियों की तरह समुद्र में उतरते हैं: जायंट्स कॉज़वे, एक बेसाल्ट जो किसी लावा से ठंडा होकर बना। कैलिफ़ोर्निया के योसेमिटी में एल कैपिटन की ग्रेनाइट दीवार घाटी की तली से लगभग $900\,\mathrm{m}$ ऊपर उठती है, मोटे कणों वाली चट्टान का एक अकेला पिंड। दोनों मैग्मा से क्रिस्टलित हुए। बेसाल्ट सतह पर ठंडा हुआ, उसके क्रिस्टल देखने के लिए बहुत छोटे हैं; ग्रेनाइट भूमि के बहुत नीचे ठंडा हुआ, उसके क्रिस्टल देखने लायक बड़े हैं, और वह आज केवल इसलिए दिखता है कि उसके ऊपर की चट्टानें घिसकर हट गई हैं। यह अध्याय किसी चट्टान के कणों में पढ़ता है कि वह कितनी तेज़ी से, और कितनी गहराई पर, ठंडी हुई।

पहले से ज्ञात

मैग्मा सतह के नीचे पिघली चट्टान है; वह लावा के रूप में फूटता है, शांत ढंग से या विस्फोट के साथ (पुस्तक 1, कक्षा 7)। आग्नेय चट्टान वह है जो पिघली चट्टान के ठंडा होकर ठोस बनने पर बनती है (पुस्तक 1, कक्षा 6)। बेसाल्ट गहरे रंग की ज्वालामुखीय चट्टान है, ग्रेनाइट फ़ेल्डस्पार, क्वार्ट्ज़ और अभ्रक से बनी हल्के रंग की चट्टान (पुस्तक 1, कक्षा 6)। प्रावार का पेरिडोटाइट किसी कटक के नीचे ऊपर उठते हुए आंशिक रूप से पिघलता है, और महासागरीय भूपर्पटी का बेसाल्ट और गैब्रो देता है (अध्याय 14)। शैलकारी सिलिकेट ओलिवीन, पाइरॉक्सीन, ऐम्फ़िबोल, अभ्रक, फ़ेल्डस्पार और क्वार्ट्ज़ हैं; फ़ेल्डस्पार हैं पोटैशियम फ़ेल्डस्पार और प्लेजियोक्लेज़, जो कैल्सियम-समृद्ध से सोडियम-समृद्ध तक की एक श्रेणी है (अध्याय 16)। ऊष्मा चालन द्वारा लगभग $\sqrt{\kappa t}$ की दूरी तक फैलती है, समय $t$ में, जहाँ $\kappa$ ऊष्मीय विसरणशीलता है (अध्याय 15)।

17.1 ज्वालामुखीय और पातालीय चट्टानें

परिभाषा 17.1 (ज्वालामुखीय चट्टान; पातालीय चट्टान)

मैग्मा के क्रिस्टलन से बनी आग्नेय चट्टान ज्वालामुखीय (या बहिर्वेधी) होती है जब मैग्मा पृथ्वी की सतह पर, लावा के रूप में, ठोस हुआ, और पातालीय (या अंतर्वेधी) जब वह गहराई पर, दूसरी चट्टानों के भीतर, क्रिस्टलित हुआ।

अंतर क्रिस्टलों के आकार में दिखता है। क्रिस्टल अपने चारों ओर के द्रव से लिए गए परमाणु जोड़कर बढ़ता है, और इसमें समय लगता है। सतह पर लावा अपनी ऊष्मा हवा या पानी को तेज़ी से खोता है: हवा या पानी में फूटा पदार्थ सेकंडों में ठंडा होता है, लावा-प्रवाह दिनों से हफ़्तों में। गहराई में आसपास की चट्टानें गरम होती हैं और मैग्मा अपनी ऊष्मा धीरे-धीरे खोता है: कोई उथला अंतर्वेधन महीनों से वर्षों में ठंडा होता है, कोई बड़ा गहरा अंतर्वेधन कई मिलियन वर्ष ले सकता है। तेज़ शीतलन बहुत-से छोटे क्रिस्टल देता है, या कोई भी नहीं; धीमा शीतलन कम, कहीं बड़े क्रिस्टल देता है।

परिभाषा 17.2 (गठन)

किसी चट्टान का गठन उसके कणों का आकार, आकृति और व्यवस्था है। आग्नेय चट्टान काचीय होती है जब उसमें कोई क्रिस्टल नहीं होते, सूक्ष्मकणी जब उसके क्रिस्टल नंगी आँख से अलग पहचाने जाने के लिए बहुत छोटे हों, और स्थूलकणी जब वे सब देखे जा सकें।

कोई क्रिस्टल बढ़ पाने से पहले ही बुझा दिया गया लावा काँच बन जाता है: ऑब्सीडियन, काला और काँच जैसा, बोतल के शंखाभ विभंग के साथ टूटता है। बेसाल्ट सूक्ष्मकणी है: हाथ में उसके खनिज पहचाने नहीं जा सकते, और पतली काट में भी क्रिस्टल छोटे होते हैं (अध्याय 16 का बेसाल्ट)। ग्रेनाइट, गैब्रो और डायोराइट स्थूलकणी हैं: हर कण दिखता है।

परिभाषा 17.3 (दीर्घक्रिस्टल; पोर्फ़िरी)

दीर्घक्रिस्टल कहीं छोटे क्रिस्टलों या काँच के एक पुंज, आधार-द्रव्य, में जड़ा एक बड़ा क्रिस्टल है। दीर्घक्रिस्टलों वाली चट्टान पोर्फ़िरी होती है।

पोर्फ़िरी गठन शीतलन की दो अवस्थाएँ दर्ज करता है: पहले धीमी, गहराई पर, जब दीर्घक्रिस्टल ऐसे मैग्मा में बढ़े जो अब भी ज़्यादातर द्रव था; फिर तेज़, जब मैग्मा ऊपर उठकर फूटा, या ठंडी चट्टान में अंतःक्षिप्त हुआ, और शेष द्रव जमकर आधार-द्रव्य बन गया।

17.2 आग्नेय चट्टानों का नामकरण

आग्नेय चट्टान की दूसरी कुंजी उसका रसायन है, और सबसे बढ़कर उसमें सिलिका, $\ce{SiO2}$, की मात्रा, जो सामान्य मैग्माओं में द्रव्यमान के लगभग $45\,\%$ से लगभग $75\,\%$ तक होती है।

परिभाषा 17.4 (मैफ़िक; मध्यवर्ती; फ़ेल्सिक)

कोई मैग्मा, या उससे बनी चट्टान, मैफ़िक होती है जब उसमें लगभग $45\,\%$ से $55\,\%$ $\ce{SiO2}$ हो और वह लोहे, मैग्नीशियम और कैल्सियम से समृद्ध हो; मध्यवर्ती जब $55\,\%$ और $65\,\%$ के बीच; फ़ेल्सिक जब उसमें लगभग $65\,\%$ से $75\,\%$ $\ce{SiO2}$ हो और वह लोहे, मैग्नीशियम और कैल्सियम में निर्धन पर सोडियम और पोटैशियम से समृद्ध हो।

हर प्रकार का मैग्मा दो चट्टानें देता है, एक ज्वालामुखीय और सूक्ष्मकणी, एक पातालीय और स्थूलकणी, एक ही रसायन वाली। बेसाल्ट और गैब्रो मैफ़िक जोड़ी हैं, जो महासागरीय भूपर्पटी के साथ मिलीं; ग्रेनाइट फ़ेल्सिक पातालीय चट्टान है। तीन नाम समुच्चय पूरा करते हैं।

परिभाषा 17.5 (एंडेसाइट; डायोराइट; रायोलाइट)

एंडेसाइट और डायोराइट मध्यवर्ती संघटन की ज्वालामुखीय और पातालीय चट्टानें हैं, जो ज़्यादातर प्लेजियोक्लेज़ और ऐम्फ़िबोल या पाइरॉक्सीन से बनी हैं। रायोलाइट फ़ेल्सिक संघटन की ज्वालामुखीय चट्टान है, ग्रेनाइट का सूक्ष्मकणी समतुल्य।

विधि 17.6 (आग्नेय चट्टान का नामकरण)

1. गठन देखिए: काचीय, सूक्ष्मकणी या स्थूलकणी; पोर्फ़िरी है या नहीं। सूक्ष्मकणी या काचीय का अर्थ है ज्वालामुखीय (या कोई छोटा, जल्दी ठंडा हुआ अंतर्वेधन); स्थूलकणी का अर्थ है पातालीय।
2. जो खनिज दिख सकते हैं, उन्हें पहचानिए (विधि 16.4): क्वार्ट्ज़ और पोटैशियम फ़ेल्डस्पार फ़ेल्सिक की ओर संकेत करते हैं, प्लेजियोक्लेज़ के साथ ऐम्फ़िबोल मध्यवर्ती की ओर, ओलिवीन और पाइरॉक्सीन मैफ़िक की ओर। सूक्ष्मकणी चट्टान में दीर्घक्रिस्टलों का, आधार-द्रव्य के रंग का — मैफ़िक के लिए गहरा, फ़ेल्सिक के लिए हल्का — संकेत के रूप में, या किसी रासायनिक विश्लेषण का उपयोग कीजिए।
3. आरेख की पंक्ति और स्तंभ के मिलन-बिंदु पर नाम पढ़िए।

उदाहरण 17.7 (दो बेसाल्ट)

किसी लावा-प्रवाह की एक गहरे रंग की चट्टान पूरी तरह सूक्ष्मकणी है; उसी ज्वालामुखी की एक दूसरी चट्टान गहरे आधार-द्रव्य में कुछ मिलीमीटर चौड़े ओलिवीन के हरे कण दिखाती है। दोनों मैफ़िक और सूक्ष्मकणी हैं: दोनों बेसाल्ट हैं। दूसरी पोर्फ़िरी बेसाल्ट है: उसका ओलिवीन पहले, धीरे-धीरे, ज्वालामुखी के नीचे के मैग्मा में बढ़ा, इससे पहले कि लावा फूटा और उसके चारों ओर जम गया।

17.3 क्रिस्टलन का क्रम

मैग्मा पानी की तरह किसी एक तापमान पर नहीं जमता। उसके खनिज ठंडा होते हुए एक के बाद एक प्रकट होते हैं, हर एक अपने तापमान-परास में, जिससे ठंडा होता मैग्मा क्रिस्टल रख सकता है और फिर भी ज़्यादातर द्रव रह सकता है।

इतिहास — बोवेन के प्रयोग

नॉर्मन एल॰ बोवेन (1887–1956) 1912 में वॉशिंगटन स्थित कार्नेगी संस्थान की भूभौतिकीय प्रयोगशाला से जुड़े। ज़्यादातर बेसाल्टी मैग्माओं के साथ काम करते हुए, वे किसी चट्टान को भट्ठी में पिघलाते, उसे किसी चुने हुए तापमान तक धीरे-धीरे ठंडा होने देते ताकि कुछ खनिज बन जाएँ, फिर उसे बुझा देते, इतनी तेज़ी से ठंडा करते कि शेष द्रव काँच बन जाता। सूक्ष्मदर्शी के नीचे क्रिस्टल दिखाते थे कि उस तापमान से ऊपर कौन-से खनिज बने थे। अधिकाधिक निचले तापमानों पर दोहराने से प्रयोग ने वह क्रम दिया जिसमें खनिज प्रकट होते हैं। बोवेन ने यह क्रम 1922 में एक अभिक्रिया श्रेणी के रूप में प्रकाशित किया, और अपनी पुस्तक आग्नेय चट्टानों का विकास 1928 में।

अभिक्रिया शब्द महत्त्वपूर्ण है। ओलिवीन केवल उच्च तापमान पर स्थायी है: जैसे-जैसे मैग्मा ठंडा होता है, ओलिवीन के क्रिस्टल द्रव के सिलिका से अभिक्रिया करते हैं और पाइरॉक्सीन में बदल जाते हैं,

और इसी तरह शाखा में नीचे की ओर, जब तक द्रव में सिलिका बची रहती है। दूसरी शाखा के अनुदिश, प्लेजियोक्लेज़ के क्रिस्टल बढ़ते रहते हैं, पर हर नई परत पिछली से अधिक सोडियम-समृद्ध होती है: प्लेजियोक्लेज़ का क्रिस्टल मंडलित हो सकता है, कैल्सियम-समृद्ध क्रोड से सोडियम-समृद्ध किनारे तक, ऊपर के एंडेसाइट के प्लेजियोक्लेज़ दीर्घक्रिस्टलों की तरह।

श्रेणी आरेख को समझाती है। मैफ़िक मैग्मा में सिलिका जल्दी समाप्त हो जाती है: वह ओलिवीन, पाइरॉक्सीन और कैल्सियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़ क्रिस्टलित करता है, और भूमिगत धीरे-धीरे ठंडा होने पर गैब्रो देता है, सतह पर तेज़ी से ठंडा होने पर बेसाल्ट। केवल सिलिका-समृद्ध मैग्मा श्रेणी के अंत तक जाता है और पोटैशियम फ़ेल्डस्पार और क्वार्ट्ज़ बनाता है: ग्रेनाइट और रायोलाइट के खनिज। रास्ते में, जब उसके आरंभिक क्रिस्टल द्रव से अलग हो जाते हैं, मैग्मा अपना संघटन कैसे बदलता है, यह विश्वविद्यालय के दूसरे वर्ष का विषय है।

17.4 अंतर्वेधन

मैग्मा इसलिए ऊपर उठता है कि वह अपने चारों ओर की चट्टानों से कम घना है; वह दरारों में ज़ोर से घुसता है और उन्हें चौड़ा करता है। उसका बहुत-सा भाग सतह तक कभी नहीं पहुँचता: वह भूपर्पटी में अंतर्वेधनों के रूप में क्रिस्टलित होता है, जो तभी दिखते हैं जब अपरदन ऊपर की चट्टानें हटा चुका हो।

परिभाषा 17.8 (डाइक; सिल; प्लूटॉन)

अंतर्वेधन आग्नेय चट्टान का वह पिंड है जो दूसरी चट्टानों के भीतर क्रिस्टलित हुआ। डाइक आग्नेय चट्टान की वह चादर है जो उन चट्टानों की परतों या संरचनाओं को काटती है जिनमें वह घुसती है; सिल वह चादर है जो परतों के समांतर, उनके बीच, पड़ी होती है। प्लूटॉन किसी भी आकृति का, गहराई पर बना, बड़ा अंतर्वेधन है; बहुत-से प्लूटॉन मिलकर एक बैथोलिथ बनाते हैं (अध्याय 22)।

डाइक सामान्यतः $20\,\mathrm{m}$ से कम चौड़े होते हैं और सिल $50\,\mathrm{m}$ से कम मोटे; सिल को प्रायः कोई डाइक पोषित करता है। उथले डाइक और सिल तेज़ी से ठंडे होते हैं: वे सूक्ष्मकणी होते हैं, कभी-कभी पोर्फ़िरी। जिस ठंडी चट्टान में वे घुसते हैं, उससे सटे उनके किनारे सबसे तेज़ी से ठंडे होते हैं और उनके केंद्र से भी अधिक बारीक कणों वाले होते हैं: एक शीतित सीमांत, उस पिंड का चिह्न जो अपनी जगह पर आते समय गरम था। कैलिफ़ोर्निया का सिएरा नेवादा, जहाँ योसेमिटी है, एक बैथोलिथ है: जिन ग्रेनाइटी चट्टानों का घनत्व अध्याय 16 में मापा गया था, वे इसके लगभग दो सौ प्लूटॉनों से आती हैं।

किसी अंतर्वेधन को क्रिस्टलित होने में कितना समय लगता है? मैग्मा की एक चादर — कोई डाइक या सिल — लीजिए, जिसकी मोटाई $b$ है, जो दोनों ओर की चट्टान में चालन द्वारा अपनी ऊष्मा खोती है। गति तय करने वाली राशियाँ केवल मोटाई $b$, मीटर में, और ऊष्मीय विसरणशीलता $\kappa$, $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ में, हैं; इनसे बनाया जा सकने वाला एकमात्र समय $b^2/\kappa$ है।

प्रतिज्ञप्ति 17.9 (मैग्मा की चादर का शीतलन-काल)

चालन द्वारा ठंडी होती मोटाई $b$ की मैग्मा-चादर इतने समय में ठोस होती है:

$$t = C\,\frac{b^2}{\kappa},$$

जहाँ $\kappa$ चट्टानों की ऊष्मीय विसरणशीलता है और $C$ एक संख्या है जो मैग्मा और आसपास की चट्टान के तापमानों से और मैग्मा के क्रिस्टलित होते समय मुक्त ऊष्मा से तय होती है। मोटाई दुगुनी करने से समय चौगुना हो जाता है। (स्वीकृत; $C$ का मान एक परिकलित मॉडल से आता है।)

$50{}^{\circ}\mathrm{C}$ की चट्टान में $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर अंतर्वेधित बेसाल्टी मैग्मा के लिए, जो $950{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर पूरी तरह क्रिस्टलित हो जाता है और क्रिस्टलित होने वाले हर घन मीटर के लिए $900\,\mathrm{MJ}$ ऊष्मा मुक्त करता है, $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ के साथ, मॉडल $C \approx 0.21$ देता है। तब $2\,\mathrm{m}$ मोटी चादर लगभग दस दिनों में ठोस होती है, $20\,\mathrm{m}$ मोटा सिल लगभग ढाई वर्षों में, और $100\,\mathrm{m}$ मोटा लगभग पैंसठ वर्षों में। क्रिस्टलन की ऊष्मा के बिना समय तीन गुना कम होते: क्रिस्टलित होता मैग्मा स्वयं को गरम रखता है।

मॉडल शीतित सीमांत का बनना भी दिखाता है। संपर्क पर की चट्टान तुरंत लगभग $690{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर पहुँच जाती है, ठोसांक से बहुत नीचे: सिल के पहले कुछ सेंटीमीटर एक दिन के भीतर जम जाते हैं, जबकि उसका केंद्र वर्षों तक द्रव रहता है। वास्तविक अंतर्वेधन अधिक जटिल होते हैं — चट्टानों के गुण तापमान के साथ बदलते हैं, पानी परिसंचरित होता है, कोई गहरा प्लूटॉन ऐसी चट्टान में बैठा होता है जो पहले से गरम है और उसे बार-बार पोषित किया जा सकता है — यही कारण है कि बड़े गहरे अंतर्वेधनों को ठंडा होने में उससे कहीं अधिक समय लगता है जितना ठंडी आसपास की चट्टान वाला नियम सुझाएगा।

17.5 अभ्यास

अभ्यास 17.1 ★

ज्वालामुखीय चट्टान और पातालीय चट्टान की परिभाषा दीजिए। समान संघटन वाली ज्वालामुखीय और पातालीय चट्टानों की तीनों जोड़ियाँ, मैफ़िक से फ़ेल्सिक तक, बताइए।

हल

हल — अभ्यास 17.1.

ज्वालामुखीय चट्टान ऐसे मैग्मा से बनती है जो सतह पर, लावा के रूप में, ठोस हुआ; पातालीय चट्टान गहराई पर, दूसरी चट्टानों के भीतर, क्रिस्टलित हुई। जोड़ियाँ: बेसाल्ट और गैब्रो (मैफ़िक), एंडेसाइट और डायोराइट (मध्यवर्ती), रायोलाइट और ग्रेनाइट (फ़ेल्सिक)।

अभ्यास 17.2 ★

हर चट्टान को उसके गठन से मिलाइए — काचीय, सूक्ष्मकणी, स्थूलकणी, पोर्फ़िरी: (1) ऑब्सीडियन; (2) ग्रेनाइट; (3) गहरे आधार-द्रव्य में कुछ मिलीमीटर चौड़े हरे ओलिवीन क्रिस्टलों वाला एक बेसाल्ट; (4) एक बेसाल्ट जिसमें कोई खनिज नहीं दिखता।

हल

हल — अभ्यास 17.2.

(1) काचीय। (2) स्थूलकणी। (3) पोर्फ़िरी (बारीक आधार-द्रव्य में ओलिवीन के दीर्घक्रिस्टल)। (4) सूक्ष्मकणी।

अभ्यास 17.3 ★

तीन मैग्माओं में $48\,\%$, $60\,\%$ और $72\,\%$ $\ce{SiO2}$ है। हर एक को वर्गीकृत कीजिए, और वह चट्टान बताइए जो हर एक गहराई पर धीरे-धीरे ठंडा होने पर देता है।

हल

हल — अभ्यास 17.3.

$48\,\%$: मैफ़िक, गैब्रो। $60\,\%$: मध्यवर्ती, डायोराइट। $72\,\%$: फ़ेल्सिक, ग्रेनाइट।

अभ्यास 17.4 ★

डाइक, सिल और प्लूटॉन की परिभाषा दीजिए। इस अध्याय के अंतर्वेधनों वाले चित्र में किस पिंड ने ज्वालामुखी को पोषित किया?

हल

हल — अभ्यास 17.4.

डाइक आग्नेय चट्टान की वह चादर है जो उन चट्टानों की परतों को काटती है जिनमें वह घुसती है; सिल परतों के समांतर, उनके बीच की चादर है; प्लूटॉन गहराई पर बना किसी भी आकृति का बड़ा अंतर्वेधन है। प्लूटॉन से ऊपर उठने वाले ऊर्ध्वाधर डाइक ने ज्वालामुखी को पोषित किया।

अभ्यास 17.5 ★

बोवेन की अभिक्रिया श्रेणी में कौन-सा खनिज सबसे पहले बनता है, और कौन-से खनिज सबसे अंत में? मैग्मा के ठंडा होने के साथ प्लेजियोक्लेज़ कैसे बदलता है?

हल

हल — अभ्यास 17.5.

ओलिवीन सबसे पहले बनता है; पोटैशियम फ़ेल्डस्पार, क्वार्ट्ज़ और कभी-कभी मस्कोवाइट सबसे अंत में। प्लेजियोक्लेज़ कैल्सियम से समृद्ध शुरू होता है और मैग्मा के ठंडा होने के साथ सोडियम से अधिकाधिक समृद्ध होता जाता है।

अभ्यास 17.6 ★★

दो चट्टानों का विश्लेषण किया जाता है (द्रव्यमान प्रतिशत)। चट्टान A: $\ce{SiO2}$ 74, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 3, $\ce{CaO}$ 3, $\ce{MgO}$ 0.5, $\ce{Na2O}$ 5, $\ce{K2O}$ 4। चट्टान B: $\ce{SiO2}$ 47, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 8, $\ce{CaO}$ 10, $\ce{MgO}$ 8, $\ce{Na2O}$ 1, $\ce{K2O}$ 2। (1) हर एक को वर्गीकृत कीजिए। (2) दूसरे ऑक्साइडों से अपना उत्तर जाँचिए। (3) चट्टान A सूक्ष्मकणी है: उसका नाम बताइए। चट्टान B स्थूलकणी है: उसका नाम बताइए।

हल

हल — अभ्यास 17.6.

(1) A: $74\,\%$ $\ce{SiO2}$, फ़ेल्सिक; B: $47\,\%$, मैफ़िक। (2) A $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ और $\ce{CaO}$ में निर्धन है और $\ce{Na2O}$ और $\ce{K2O}$ से समृद्ध, जैसा फ़ेल्सिक मैग्मा होता है; B $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$ और $\ce{CaO}$ से समृद्ध है, $\ce{Na2O}$ में निर्धन, जैसा मैफ़िक मैग्मा होता है। (3) A रायोलाइट है; B गैब्रो।

अभ्यास 17.7 ★★

$2\,\mathrm{m}$ मोटा एक डाइक लगभग दस दिनों में ठोस होता है। शीतलन-काल वाले प्रस्ताव का उपयोग करके बताइए कि उसी मैग्मा का डाइक, यदि वह $1\,\mathrm{m}$ मोटा हो, कितना समय लेता है? $20\,\mathrm{m}$ मोटा सिल? $200\,\mathrm{m}$ मोटा?

हल

हल — अभ्यास 17.7.

समय मोटाई के वर्ग के रूप में बढ़ता है। $1\,\mathrm{m}$: $10/4 = 2.5$ दिन। $20\,\mathrm{m}$: $10 \times 10^2 = 1000$ दिन, लगभग 2.7 वर्ष। $200\,\mathrm{m}$: $10 \times 100^2 = 100\,000$ दिन, लगभग 270 वर्ष।

अभ्यास 17.8 ★★

(1) दिखाइए कि $b^2/\kappa$ एक समय है। (2) $b = 20\,\mathrm{m}$ और $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ के लिए इसे सेकंडों और वर्षों में परिकलित कीजिए ($1\text{ वर्ष} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$)। (3) $C = 0.21$ के साथ सिल को ठोस होने में कितना समय लगता है?

हल

हल — अभ्यास 17.8.

(1) $\mathrm{m}^{2}$ को $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ से भाग देने पर सेकंड मिलते हैं। (2) $400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$, यानी $4 \times 10^8 / 3.16 \times 10^7 \approx 12.7$ वर्ष। (3) $0.21 \times 12.7 \approx 2.7$ वर्ष।

अभ्यास 17.9 ★★

एक चट्टान ऐसे आधार-द्रव्य में लगभग एक सेंटीमीटर लंबे प्लेजियोक्लेज़ के खंड जैसे क्रिस्टल दिखाती है जिसके कण दिखाई नहीं देते। उसके गठन का वर्णन कीजिए, और दो अवस्थाओं में उसके शीतलन की कहानी बताइए।

हल

हल — अभ्यास 17.9.

यह पोर्फ़िरी है: सूक्ष्मकणी आधार-द्रव्य में प्लेजियोक्लेज़ के दीर्घक्रिस्टल। पहले मैग्मा गहराई पर धीरे-धीरे ठंडा हुआ, और प्लेजियोक्लेज़ के क्रिस्टल बड़े हो गए जबकि अधिकांश मैग्मा द्रव रहा; फिर वह ऊपर उठा और तेज़ी से ठंडा हुआ, और शेष द्रव बारीक आधार-द्रव्य के रूप में क्रिस्टलित हुआ।

अभ्यास 17.10 ★★

ओलिवीन द्रव के सिलिका से अभिक्रिया करता है: $\ce{Mg2SiO4 + SiO2 -> 2 MgSiO3}$। (1) जाँचिए कि समीकरण संतुलित है। (2) मोलर द्रव्यमानों $140.7\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{Mg2SiO4}$) और $60.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{SiO2}$) के साथ बताइए कि $1\,\mathrm{kg}$ ओलिवीन द्रव से कितना द्रव्यमान सिलिका लेता है? (3) सिलिका में निर्धन मैग्मा अपना ओलिवीन क्यों रखे रहता है?

हल

हल — अभ्यास 17.10.

(1) बाएँ: 2 Mg, 2 Si, 6 O; दाएँ: 2 Mg, 2 Si, 6 O। (2) $1\,\mathrm{kg}$ ओलिवीन $1000/140.7 \approx 7.11$ mol है, जो उतने ही मोल सिलिका लेता है: $7.11 \times 60.1 \approx 427\,\mathrm{g}$। (3) द्रव में कोई सिलिका न बचने पर अभिक्रिया आगे नहीं चल सकती: ओलिवीन बना रहता है।

अभ्यास 17.11 ★★

$20\,\mathrm{m}$ मोटा और $1\,\mathrm{m}^{2}$ क्षेत्रफल का एक सिल $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ से $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ तक ठंडा होता है। (1) उसकी ऊष्मा-धारिता प्रति घन मीटर और प्रति डिग्री $2.5\,\mathrm{MJ}$ है: ठंडा होकर वह कितनी ऊष्मा खोता है? (2) क्रिस्टलित होते हुए वह प्रति घन मीटर $900\,\mathrm{MJ}$ भी मुक्त करता है: वह कितनी ऊष्मा है? (3) दोनों की तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 17.11.

(1) $2.5 \times 20 \times 1100 = 55\,000\,\mathrm{MJ}$, $5.5 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$। (2) $900 \times 20 = 18\,000\,\mathrm{MJ}$, $1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$। (3) क्रिस्टलन की ऊष्मा शीतलन से खोई ऊष्मा की लगभग एक-तिहाई है, कुल की एक-चौथाई: जमने को बहुत धीमा करने के लिए पर्याप्त, क्योंकि वह पूरी की पूरी ठोसांक से ऊपर मुक्त होती है।

अभ्यास 17.12 ★★★

$20\,\mathrm{m}$ मोटे सिल के परिकलित मॉडल में, संपर्क से $12.5\,\mathrm{cm}$ पर की चट्टान लगभग $0.6$ दिन बाद ठोसांक से नीचे गिरती है, संपर्क से $5\,\mathrm{m}$ पर की चट्टान लगभग 545 दिन बाद, और केंद्र लगभग 950 दिन बाद। (1) सिल में आप सबसे छोटे क्रिस्टलों की अपेक्षा कहाँ करते हैं, और सबसे बड़ों की कहाँ? (2) क्या ठोस परत के बढ़ने की दर स्थिर है? (3) ग्रेनाइट की तुलना में सिल अपने केंद्र पर भी सूक्ष्मकणी क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 17.12.

(1) सबसे छोटे क्रिस्टल संपर्क पर, जो एक दिन के भीतर जम गया; सबसे बड़े केंद्र पर, जो लगभग 950 दिन तक द्रव रहा। (2) नहीं: पहले $5\,\mathrm{m}$ ने लगभग 545 दिन लिए, अंतिम $5\,\mathrm{m}$ ने लगभग 400 दिन; अग्रभाग पहले धीमा होता है, फिर केंद्र के पास तेज़ होता है, जहाँ दोनों ओर से निकलती ऊष्मा मिलती है। (3) अपने केंद्र पर भी सिल तीन वर्ष से कम में जम गया; बड़े क्रिस्टलों वाले ग्रेनाइट को कहीं अधिक लंबा समय चाहिए।

अभ्यास 17.13 ★★★

एक प्लूटॉन $2\,\mathrm{km}$ मोटा है। (1) प्रस्ताव और $20\,\mathrm{m}$ के सिल (लगभग 2.6 वर्ष) का उपयोग करके उसके शीतलन-काल का अनुमान लगाइए। (2) बड़े गहरे अंतर्वेधनों को ठंडा होने में कई मिलियन वर्ष तक लगने के लिए जाना जाता है। दो कारण बताइए कि सरल नियम समय को कम क्यों आँकता है।

हल

हल — अभ्यास 17.13.

(1) प्लूटॉन 100 गुना अधिक मोटा है: $2.6 \times 100^2 = 26\,000$ वर्ष। (2) उदाहरण के लिए: गहरा प्लूटॉन ऐसी चट्टान में बैठा है जो पहले से गरम है, इसलिए वह $50{}^{\circ}\mathrm{C}$ की चट्टान की अपेक्षा धीरे ऊष्मा खोता है; उसे बार-बार नया मैग्मा पोषित कर सकता है; प्लूटॉन कोई अनंत चादर नहीं है; चट्टान के गुण तापमान के साथ बदलते हैं।

अभ्यास 17.14 ★★★

फ़ेल्सिक मैग्मा लगभग $650\text{ से }800{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर फूटते हैं, मैफ़िक मैग्मा लगभग $1000\text{ से }1200{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर। बोवेन की अभिक्रिया श्रेणी का उपयोग करके समझाइए कि ग्रेनाइट में पोटैशियम फ़ेल्डस्पार, क्वार्ट्ज़ और सोडियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़ क्यों होते हैं, और कोई ओलिवीन नहीं, जबकि गैब्रो में ओलिवीन, पाइरॉक्सीन और कैल्सियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़ होते हैं, और कोई क्वार्ट्ज़ नहीं।

हल

हल — अभ्यास 17.14.

मैफ़िक मैग्मा गरम और सिलिका में निर्धन होता है: वह श्रेणी के पहले खनिज — ओलिवीन, पाइरॉक्सीन, कैल्सियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़ — क्रिस्टलित करता है और क्वार्ट्ज़ बन पाने से पहले ही उसकी सिलिका समाप्त हो जाती है। फ़ेल्सिक मैग्मा अधिक ठंडा और सिलिका से समृद्ध होता है: उसमें ओलिवीन स्थायी नहीं है, और वह श्रेणी के अंत तक जाता है, सोडियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़, पोटैशियम फ़ेल्डस्पार और क्वार्ट्ज़ बनाते हुए।

अभ्यास 17.15 ★★★

हवा में फूटा पदार्थ सेकंडों में ठंडा होता है, लावा-प्रवाह दिनों से हफ़्तों में, उथले अंतर्वेधन महीनों से वर्षों में। (1) प्रस्ताव का उपयोग करके बताइए कि कितनी मोटी चादर लगभग एक दिन में ठोस होती है? (2) $5\,\mathrm{m}$ मोटा एक लावा-प्रवाह लगभग एक महीने में ठोस होता है: क्या यह दोनों ओर से ठंडी होती चादर के नियम से संगत है? (3) हर स्थिति में आप किस गठन की अपेक्षा करते हैं?

हल

हल — अभ्यास 17.15.

(1) $b = \sqrt{t\kappa/C} = \sqrt{86400 \times 10^{-6}/0.21} \approx 0.64\,\mathrm{m}$। (2) नियम $0.21 \times 25/10^{-6} \approx 5.3 \times 10^{6}\,\mathrm{s}$ देता है, लगभग दो महीने: एक महीने की ही कोटि (लावा-प्रवाह अपने शीर्ष पर हवा को भी ऊष्मा खोता है)। (3) हवा या पानी में फूटे पदार्थ के लिए काचीय; लावा-प्रवाहों और पतली चादरों के लिए सूक्ष्मकणी; मोटे उथले अंतर्वेधनों के लिए अधिक मोटा, पर फिर भी छोटा।

17.6 समस्या: एक सिल और उसके क्रिस्टल

समस्या 17.1

सप्ताहांत समस्या — सिल को जमने में कितना समय लगता है

एक घाटी की दीवार में, आग्नेय चट्टान की $20\,\mathrm{m}$ मोटी एक गहरे रंग की चादर बलुआ पत्थर की दो परतों के बीच, उनके समांतर, पड़ी है। उसके किनारे से उसके केंद्र तक नमूने लिए जाते हैं। संपर्क पर चट्टान बहुत सूक्ष्मकणी है, लगभग काचीय; $1\,\mathrm{m}$ भीतर उसके क्रिस्टल लगभग $0.1\,\mathrm{mm}$ के हैं; केंद्र पर लगभग $1\,\mathrm{mm}$ के, और हाथ-लेंस से प्लेजियोक्लेज़ और पाइरॉक्सीन मुश्किल से अलग पहचाने जा सकते हैं।

भाग I — गठन।

1. यह चादर डाइक है या सिल? क्यों?
2. संपर्क पर और केंद्र पर गठन का वर्णन कीजिए।
3. संपर्क पर चट्टान सबसे बारीक कणों वाली क्यों है?
4. इस सूक्ष्मकणी किनारे को क्या कहते हैं, और यह अपनी जगह पर आते समय चादर के तापमान के बारे में क्या सिद्ध करता है?
5. चादर को नीचे से उसी चट्टान की एक ऊर्ध्वाधर चादर पोषित करती है, $2\,\mathrm{m}$ मोटी, जो बलुआ पत्थर को काटती है। वह क्या है?

भाग II — चट्टान का नामकरण।

6. एक विश्लेषण $49\,\%$ $\ce{SiO2}$, $10\,\%$ $\ce{FeO}$, $7\,\%$ $\ce{MgO}$ और $10\,\%$ $\ce{CaO}$ देता है। मैग्मा मैफ़िक है, मध्यवर्ती या फ़ेल्सिक?
7. बोवेन की श्रेणी के अनुसार आप किन खनिजों की अपेक्षा करते हैं?
8. संपर्क की चट्टान पर कौन-सा नाम ठीक बैठता है? किस पातालीय चट्टान का संघटन वही है?
9. मैग्मा का एक ही पिंड अलग-अलग गठन वाली चट्टानें कैसे दे सकता है?
10. ओलिवीन, पाइरॉक्सीन और प्लेजियोक्लेज़ ने किस क्रम में क्रिस्टलित होना शुरू किया?

भाग III — शीतलन-काल।

11. सिल के लिए $b^2/\kappa$ सेकंडों में परिकलित कीजिए, $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ के साथ।
12. मॉडल $C = 0.206$ देता है। सिल को ठोस होने में लगा समय परिकलित कीजिए, सेकंडों में, फिर वर्षों में ($1\text{ वर्ष} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$)।
13. $2\,\mathrm{m}$ मोटी पोषक चादर ने कितना समय लिया?
14. क्रिस्टलन की ऊष्मा के बिना $C$ लगभग $0.07$ होता। सिल कितना समय लेता? क्रिस्टलन शीतलन को धीमा क्यों करता है?
15. मॉडल संपर्क से $12.5\,\mathrm{cm}$ पर की चट्टान के लिए लगभग $0.6$ दिन देता है। वह केंद्र से कितने गुना तेज़ी से जमी?

भाग IV — क्रिस्टल क्या बताते हैं।

16. लावा-प्रवाह दिनों से हफ़्तों में ठंडे होते हैं, उथले अंतर्वेधन महीनों से वर्षों में। सिल कहाँ आता है?
17. एक सेंटीमीटर या उससे बड़े क्रिस्टलों वाला ग्रेनाइट कहीं अधिक धीरे ठंडा हुआ। नियम से उस चादर की मोटाई का अनुमान लगाइए जो सिल से हज़ार गुना अधिक समय लेती।
18. ऐसा पिंड भूपर्पटी में गहराई पर ही क्यों बना होगा?
19. सिल आज सतह पर दिखता है। उसके ऊपर पड़ी चट्टानों के साथ क्या हुआ होगा?
20. निष्कर्ष निकालिए: सिल को ठोस होने में कितना समय लगा?

हल

हल — समस्या 17.1.

1. सिल: यह परतों के समांतर, उनके बीच, पड़ी है।

2. संपर्क पर बहुत सूक्ष्मकणी, लगभग काचीय; केंद्र पर सूक्ष्म से मध्यम कणों वाली, खनिज लेंस से मुश्किल से दिखते हैं।

3. संपर्क ने ठंडे बलुआ पत्थर में अपनी ऊष्मा सबसे तेज़ी से खोई: क्रिस्टलों को बढ़ने का समय नहीं मिला।

4. शीतित सीमांत। यह सिद्ध करता है कि अपनी जगह पर आते समय मैग्मा गरम था, और बलुआ पत्थर ठंडा।

5. एक डाइक, सिल का पोषक।

6. मैफ़िक: $49\,\%$ $\ce{SiO2}$, लोहे, मैग्नीशियम और कैल्सियम से समृद्ध।

7. ओलिवीन, पाइरॉक्सीन और कैल्सियम-समृद्ध प्लेजियोक्लेज़।

8. बेसाल्ट; उसी संघटन की पातालीय चट्टान गैब्रो है।

9. गठन शीतलन की दर पर निर्भर करता है, जो संपर्क से केंद्र तक बदलती है, संघटन पर नहीं।

10. ओलिवीन पहले; प्लेजियोक्लेज़ लगभग उसी बिंदु से शुरू होता है जहाँ पाइरॉक्सीन।

11. $b^2/\kappa = 400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$।

12. $0.206 \times 4 \times 10^8 \approx 8.2 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, यानी $8.2 \times 10^7 / 3.16 \times 10^7 \approx 2.6$ वर्ष।

13. $0.206 \times 4/10^{-6} \approx 8.2 \times 10^{5}\,\mathrm{s}$, लगभग 9.5 दिन।

14. $0.07 \times 4 \times 10^8 = 2.8 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, लगभग 0.9 वर्ष। क्रिस्टलित होता मैग्मा ऊष्मा मुक्त करता है, और मैग्मा के ठोस होने से पहले यह ऊष्मा भी बाहर ले जाई जानी चाहिए।

15. लगभग 950 दिन बनाम 0.6 दिन: लगभग 1600 गुना तेज़।

16. लगभग 950 दिन, यानी कोई 2.6 वर्ष: लावा-प्रवाह से कहीं अधिक, उथले अंतर्वेधनों के महीनों-से-वर्षों के परास के भीतर।

17. हज़ार गुना अधिक समय के लिए $\sqrt{1000} \approx 32$ गुना बड़ी मोटाई चाहिए: लगभग $630\,\mathrm{m}$।

18. सतह के पास मैग्मा का पिंड फूट जाता, या बहुत तेज़ी से ठंडा होता; बहुत लंबे समय तक ठंडा होने वाला बड़ा पिंड गहरा होना चाहिए, ऐसी चट्टान में जो पहले से गरम है।

19. उन्हें अपरदन ने घिसकर हटा दिया है।

20. सिल को ठोस होने में लगभग 2.6 वर्ष लगे।