וולקנולוגיה
היסטוריה של המחקר הוולקנולוגי > הולדת הפטרולוגיה

אחת מן התרומות החשובות של המחקר הוולקנולוגי היא התפתחות הפטרולוגיה – חקר הסלעים. בין מפתחיה הראשונים היה לאופולד פון בוך, כאשר בשנת 1799 חקר סלעים געשיים באזור רומא. פון בוך הסיק כי גבישי לוסיט נוצרו בלבה בעודה נוזלית, וביטל כל היפותזה לפיה נוצרו בתמיסה מימית ורק מאוחר יותר השתלבו בתוך המאגמה. מאחר שהגבישים בסלעים געשיים כגון בזלת נוצרים בפרק זמן קצר, לרוב קשה לראותם בעין או אף באמצעות זכוכית מגדלת. מחקר הגבישים בסלעים אלה נאלץ להמתין לשנת 1815, עת נערכה בחינה ראשונה שלהם באמצעות מיקרוסקופ על ידי הגאולוג הצרפתי לואי קורדייה (Pierre Louis Cordier‏, 1777–1861). קורדייה כתש סלעים געשיים לאבקה דקה, הפריד ביניהם באמצעות ציפה (Flotation process) ובחן אותם מבעד למיקרוסקופ ובאמצעים כימיים. הוא הסיק כי בזלות עתיקות דומות מאוד לבזלות צעירות במרקמן, בהרכבן המינרלוגי ובתכונות נוספות, והיה בכך צעד חשוב לגישור על פני המחלוקת בין הנפטוניסטים לפלוטוניסטים בכל הנוגע למוצאן של הבזלות.
המלאכה העדינה של הכנת שקפים – פרוסות סלע דקיקות – שימשה בעיקר לבדיקת בעלי חיים או עצים מאובנים אך יושמה בהמשך גם על סלעים. ב-1829 הומצא המיקרוסקופ המקטב על ידי הגאולוג הסקוטי ויליאם ניקול (William Nicol‏, 1770–1851), ואז ניתן היה להתבונן בשקפי הסלעים באמצעות מיקרוסקופ מקטב ולבחון את מרקמם ואת הרכבם הגבישי. הגאולוג האנגלי הנרי סורבי (Henry Clifton Sorby‏, 1826–1908) היה הראשון להכין שקפים מסלעי יסוד פלוטוניים וגעשיים כאחד.
צעד חשוב נוסף בבחינת סלעים געשיים היה פיתוח הכימיה האנליטית, שבאמצעותה ניתן היה לראשונה לבחון את הרכבם הכימי של הסלעים. בשנת 1792 פרסם המדען האיטלקי לאזארו ספלנצאני (Lazzaro Spallanzani;‏ 1729–1799) את עבודתו הגדולה "Viaggi alle due Sicilie ed in alcune parti dell'Appennino" (שני סיורים לסיציליה ולכמה חלקים באפנינים), ובה תוצאות ניתוחם הכימי של סלעים געשיים שאסף ברחבי איטליה 4 שנים קודם לכן. בשישה כרכים נרחבים הציע ספלנצאני תרומה נרחבת להתפתחות הגעשיות, ובה גם פירוש לתהליך ההיווצרות של פומיס. שנתיים לאחר מכן דיווח על הרכב תחמוצות: סיליקה, אלומינה, סיד, מגנסיה ותחמוצת ברזל, במונחים של אחוזים מתוך המשקל הכולל של הסלעים.
כאשר החלו ראשוני הגאולוגים לצבור ידע על סלעים געשיים, הם גילו כי הרכבם הכימי – אף של אלה שנוצרו באותו הר געש – היה מגוון ביותר. בניסיון להסביר שונוּת זו הציע ג'ורג' סקרופ בשנת 1825 כי כל סוגי סלעי היסוד נוצרו ממאגמת-אם אחת, שיצרה מגוון סלעים בהרכבים שונים. היה זה צ'ארלס דרווין שגילה את שקיעת הגבישים במהלך מסעו לאיי גלאפגוס והניח את היסוד להבנת הגיבוש המפריט במאגמה הנוזלית – תהליך בו המינרלים שהתגבשו ראשונים שוקעים לקרקעית המאגר, נפרדים מיתרת המאגמה המותכת ומשנים את הרכבה – תהליך שמציגה שורת בואן אותה פיתח הגאולוג הקנדי נורמן לוי בואן בתחילת המאה ה-20. דרווין הבחין כי גבישי פצלת השדה היו נפוצים יותר בבסיס זרם הלבה מאשר בראשו, והסיק כי "הגבישים שוקעים בשל משקלם". קדם לו לאופולד פון בוך כאשר הבחין בשנת 1818 בריכוז דומה של גבישים בתחתית זרם של לבה אובסידיאנית באי טנריפה, אותו פירש כשקיעה של הגבישים בתוך הלבה בשלבי זרימה שונים. דרווין התייחס לתצפיות אלה כ"משליכות אור על היפרדות סדרות של לבה טרכיטית ובזלתית", והבין כי כאשר נוצרים הגבישים הראשונים ושוקעים, ההרכב הכימי של שארית המאגמה יהיה שונה מזה של המאגמה המקורית.
תרומה חשובה להבנת המגוון הכימי של סלעים געשיים הושגה על ידי רוברט בונזן בעקבות ביקור באיסלנד לאחר התפרצות הר הקלה (Hekla) בשנת 1845, שם חקר את תוצריה של הפעילות הגעשית המקומית: גזי פליטה וגייזרים. בונזן גילה במקום שני סוגי מאגמה בעלי הבדל ניכר בהרכבם הכימי והבחין בתפוצתם של שני סוגי סלעים געשיים: הראשון – ריוליט צהוב או מגוון עתיר סיליקה, והשני – בזלת כהה. סלעים נוספים שמצא היו בהרכב בינוני, ולכן העלה ב-1851 השערה כי הם נוצרו כתוצאה מערבוב של מאגמה סיליקטית ומאגמה בזלתית. השערתו זו של בונזן היוותה תרומה חשובה להסבר המגוון הכימי של סלעים געשיים.
בונזן ביקש להסב את תשומת הלב להנחה המוטעית שרווחה זמן רב, כי מקור פלוטוני לסלעי יסוד כגרניט נשלל מעצם העובדה כי קוורץ שאינו ניתך היה המינרל האחרון להתגבש. הוא טען כי היה אובד עצות בניסיון להבין כיצד מסקנה מוטעית שרדה זמן רב כל-כך. על אף מאמצים קודמים להסביר את מרקם הגרניט, היה בונזן הראשון לציין במפורש כי מאגמה גרניטית הייתה התמיסה המקורית ממנה נוצר הסלע. ב"על היווצרות גרניט" (Uber die Bildung der Granites) – מאמר בן 3 עמודים שפרסם בונזן ב-1861 – הדגיש כי מאגמה היא לא יותר מתמיסה בטמפרטורה גבוהה של סיליקטים שונים:
אף כימאי לא יחשוב להניח כי תמיסה חדלה להיות תמיסה כאשר היא מחוממת ל-200, 300 או 400 מעלות, או כאשר היא מגיעה לטמפרטורה בה היא מתחילה לזהור או להפוך לנוזל מותך.
מאמר זה היווה פריצת-דרך משמעותית במחקר התגבשות סלעים מתוך מאגמה. בונזן הכיר גם בהתגבשות מינרלים מתוך מאגמה בטמפרטורות נמוכות בהרבה מנקודת ההתכה שלהם. מסקנה נוספת שלו הייתה כי אם המאגמות בהרכבים כימיים שונים הן תמיסות אמיתיות, הרי שהן יכולות להתערבב זו בזו – מסקנה ישירה לתצפיותיו באיסלנד.
לתרומה נוספת אחראי שותפו של בונזן למסע – וולפגנג סרטוריוס פון ואלטרסהאוזן (Wolfgang Sartorius von Waltershausen‏, 1809–1876) – שהיה הראשון לדון בקיומם ובתפוצתם של יסודות קורט בסלעים געשיים – מהם מנה 23, כמו גם בהימצאות תחמוצות באותם סלעים.