Question

岩浆的演化

Answer 1

一、原生岩浆和派生岩浆

◎原生岩浆:是由已经存在的地壳或地幔物质经过熔融或部分熔融作用产生的、未经过任何演化的岩浆。有的学者将直接由原始地幔岩石(原始地幔岩石是指其形成以后，从未遭受过熔融与交代作用，成分未发生过演变)熔融或部分熔融产生的岩浆，称为原始岩浆。

著名岩石学家鲍文(N.L.Bowen)通过实验岩石学研究，于1928年提出原生岩浆一元论观点，即自然界中的原生岩浆只有玄武岩浆一种，其他岩浆是由玄武岩浆分离结晶演化而来。但由于自然界大规模花岗岩难以用此模式解释，列文生－列信格和戴里在20世纪30年代提出原生岩浆有玄武岩浆和花岗岩浆两种类型的二元论观点。随着研究的不断深入和认识水平的提高，地质学家逐渐认识到原生岩浆是多种多样的，如金伯利岩岩浆、碱性玄武岩浆、拉斑玄武岩浆、安山岩浆、花岗岩浆、碳酸岩浆，等等。

◎派生岩浆:或称次生岩浆是指原生岩浆经过多种演化作用派生出来的岩浆。那么，原生岩浆到底经过怎样的演化过程产生不同的派生岩浆，进而形成不同成分的岩石呢?这就是岩浆的演化机制，或称岩浆演化过程。岩浆演化过程可以概括为两类:封闭体系和开放体系，前者包括晶体－熔体的分离作用(包括重力分离结晶作用、流动分异、压滤作用、对流熔体分离作用)、熔体－熔体的分离作用(熔离作用)和熔体－流体的分离作用，后者包括岩浆混合作用和同化混染作用。

二、岩浆的演化

(一)晶体－熔体的分离作用———分离结晶作用

分离结晶作用又称结晶分异作用，发生在岩浆结晶作用阶段，是指早结晶的高熔点矿物与熔体分离聚集，或者被略晚生成的矿物将其与熔体隔开，使之不能与熔体充分反应，由此导致剩余岩浆成分发生连续变化。如此既可以形成不同成分的堆晶岩，又使剩余岩浆的成分不断向富SiO₂、K₂O、Na₂O和TFeO/MgO比值增高的方向演化。分异程度越大，残余岩浆的酸度就越高。

在分离结晶作用中一些造岩矿物之间存在着反应关系，鲍文(1928)根据自然界一些硅酸盐矿物间的反应关系和实验资料，提出了著名的鲍文反应系列(图8－4)。鲍文反应系列由连续反应系列和不连续反应系列组成。右侧为连续反应系列，温度由高到低矿物依次由钙质斜长石向钠质斜长石变化;左侧为不连续反应系列，从高温到低温依次形成橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石和黑云母。两个系列在下部汇合，下部为不存在反应关系的钾长石、白云母和石英三种矿物。鲍文反应系列实际上反映是低压下，钙碱性火成岩中矿物的结晶顺序与相互关系。

图8－4 鲍文反应系列(Bowen，1928)

鲍文反应系列可以解释以下岩石学现象:

(1)岩浆中矿物结晶顺序。位于反应系列上部的矿物结晶温度高、结晶早，下部的矿物结晶温度低、结晶晚。

(2)火成岩中矿物共生规律。两个系列结晶温度相当的矿物可以共生，如辉石和基性斜长石共生，黑云母与中－酸性斜长石共生。

(3)解释了暗色矿物之间的反应边结构和斜长石正环带结构。若早结晶矿物与熔体反应不彻底，在左侧不连续反应系列中形成反应边，如橄榄石具有斜方辉石反应边;在右侧连续反应系列中则形成斜长石正环带结构。

(4)玄武岩浆经分离结晶作用将逐渐形成酸性岩浆，这也正是鲍文原生岩浆一元论观点的由来。

分离结晶作用的主要方式有重力分异、流动分异和扩散对流分异作用等。

1.重力分异作用

很长一段时间，人们认为岩浆中结晶出的矿物晶体与熔浆之间存在密度差，密度大的矿物晶体下沉，堆积在岩浆房底部，形成似层状的堆晶岩，使剩余岩浆成分发生改变。但岩浆能否发生重力分异，不仅仅与晶体和熔体间的密度差有关，还与岩浆的黏度、屈服强度和晶体大小有关。只有当晶体足够大时，才能克服岩浆的屈服强度而下沉(马昌前，1989)。岩浆成分越酸性，屈服强度和黏度就越大，发生重力分异作用就越困难。有人认为花岗岩浆不大可能发生分离结晶作用(张旗等，2007);而屈服强度小、黏度小的基性和中性岩浆则容易发生重力分离结晶作用。

2.流动分异作用

含矿物晶体的岩浆在流动时，尤其是在管状通道中流动(如岩墙和岩脉)时，岩浆与通道壁围岩间的摩擦作用，使流速由通道中心向边缘降低产生流速梯度，早结晶的晶体向流速高的管道中心集中，导致岩浆分异作用的发生。流动分异作用的影响十分有限，可能只在宽度小于100m的岩体中有效(路风香等，2002)。

3.扩散对流分异作用

由于岩浆体内部与边部存在温度差，即温度梯度，内部温度高，边部因与围岩接触而温度低，因此，岩浆房边部高熔点矿物先结晶，高熔点组分(Mg、Fe、Ca)从内部不断向边部迁移扩散，形成暗色矿物含量高的冷凝边。岩浆房内部岩浆结晶晚，低熔点组分(Si、K、Na)不断向内部迁移扩散，中心的岩浆成分逐渐变酸性，导致分异作用(图8－5)。同时，由于岩浆房顶部温度低、晶体含量高，因密度大于下部岩浆而产生重力不稳定，顶部较冷密度大的岩浆体沿着边缘带下沉，下部密度小的岩浆上升，产生岩浆对流，对流的结果就是早结晶的晶体(高熔点矿物)黏附在较冷的接触带侧壁上，形成较基性的岩体边缘。

图8－5 扩散对流分异作用示意图(Winter，2001)

此外，人们还提出了“层状对流岩浆房中的分异作用”，即岩浆房中存在密度梯度和上低下高的温度梯度，密度梯度主要由组分的扩散作用产生。随温度下降，岩浆由上向下逐渐冷却结晶，结果顶部岩浆密度变大出现密度倒置，密度大的上部岩浆向下流动，下部岩浆向上流动，产生对流层。岩浆房中由上至下可以产生多个类似的对流层，结果岩浆房变成了具有多个对流单元的层状岩浆房(图8－6)。在即便没有矿物结晶时也可以造成岩浆成分的分异。在分离结晶过程中，矿物在每个对流层底部集中，最终形成了层状侵入体，并在其岩石中形成了层理和韵律层理构造。

(二)熔体－熔体的分离作用———熔离作用

原来成分均匀的岩浆熔体因物理或化学条件的改变而分离为两种不混溶或混溶程度很低的熔体的过程，称熔离作用，也称液态不混溶作用，或称液态分异作用。从热力学的角度讲，熔离作用就是高温条件下为均一的液相，温度降低时这种均匀的液相就会分离成两种成分不同、互不混溶的液相。Roedder(1979)在橄榄石－白榴石－SiO₂实验体系中，发现了在一定温度和成分范围内存在不混溶区，证实了两种不混溶液相的存在。也有人把玄武岩熔化后在玄武岩熔体加入CaF₂，结果熔体分为两层，上部为酸性熔体层，下部为超基性熔体层。一些含有铜、镍的基性岩浆，在高温时铜镍硫化物熔体完全混溶于基性岩浆中，当温度下降到一定程度后，两种熔体即发生分离，铜镍硫化物密度大而富集于底部形成矿床，硅酸盐熔体在上部固结成岩石，这就是岩浆熔离矿床的成因。还有人认为，某些珍珠岩中的球粒也是由硅酸盐熔离作用造成的。

图8－6 层状对流岩浆房示意图(路凤香等，2002)

(三)熔体－流体的分离作用———气体搬运作用

实验岩石学和对岩石的观察表明，在岩浆体系中，与熔体平衡的含水流体和碳酸盐流体含有高浓度的化学组分，如Si、Na、K、Fe和很多不相容元素。因此，流体从共存熔体中出溶是一种改变熔体成分的重要方式。在很多花岗岩浆侵入体固结的最晚期阶段，伟晶岩脉(体)的形成就是含水流体相从残余的水饱和花岗质熔体中分离出来的最为典型的实例，这就是Jahns＆Burnham(1969)提出的伟晶岩形成模型(图8－7)。

图8－7 伟晶岩的示意图(Best，2006)

(四)岩浆混合作用

岩浆混合作用是指两种或两种以上不同成分的岩浆以不同比例混合，形成一系列过渡类型岩浆的作用。这种不同成分的岩浆可以是同一源区形成，也可以是不同源区形成。岩浆能否发生混合，以及混合的程度如何，取决于岩浆的物理性质和化学性质。岩浆混合可出现在岩浆产生、侵位和喷发的各个环节(路凤香等，2002)。岩浆的混合主要有岩浆注入机制和层状岩浆房对流机制。

1.岩浆注入机制

高密度的岩浆(如玄武岩浆)从下部注入上部低密度岩浆(如花岗岩浆)中而发生混合，两者的混合程度与温度、黏度等有关。当高温的基性岩浆注入到温度较低的酸性岩浆时，在两种岩浆达到化学平衡前，基性岩浆就快速淬火固结，以机械混合为主。所以，在混合产物中可以见到基性岩石团块、岩墙，混合较充分时形成混成包体，如花岗岩中的部分微粒闪长岩包体。

2.层状岩浆房对流机制

岩浆房和岩浆通道中均一成分的岩浆，由于结晶作用或液态分离作用可以形成成分不同的层状岩浆，下部偏基性、上部偏酸性。有人认为这种情况所形成的上轻下重的层状岩浆房形成了稳定的重力分层，不同岩浆层之间不发生对流，所以其混合作用难以实现(路凤香等，2002)。但Vernon(1983)认为由于成分、温度的不均衡导致岩浆在各自层内产生对流，结果是上部长英质岩浆层的对流使下部镁铁质岩浆团被带上来并淬火冷凝，下部镁铁质岩浆层对流则拖拽长英质岩浆发生均一混合(图8－8)。

图8－8 岩浆混合作用的层状岩浆房对流机制(Vernon，1983)

岩浆混合作用发生的地质标志是出现复合岩流或熔岩条带、侵入酸性岩端元的基性岩墙及机械混合带和成分过渡带、网脉状杂岩，但最普遍的是出现岩石包体(徐夕生和邱检生，2010)，如花岗岩中的微粒闪长岩、基性岩包体和岩墙被普遍认为是岩浆混合作用形成。微观上可以出现矿物不平衡现象，如基性和酸性斜长石共存，结构上基性岩包体中出现淬火结构。还可以从岩石的主要元素、微量元素和同位素方面加以区分。

(五)同化混染作用

岩浆在岩浆房或上升过程中，熔化围岩和捕虏体，或与其发生反应，导致岩浆成分发生改变的作用，即是同化混染作用。①当岩浆熔化围岩和捕虏体，或与其发生反应完全彻底时，称为同化作用;②当岩浆熔化围岩和捕虏体，或与其发生反应不彻底，使部分围岩和捕虏体残留在岩浆中时，称为混染作用。同化混染作用的强度和规模与岩浆和围岩的温度、成分有关。

(1)岩浆能熔化熔点比自己温度低的围岩和捕虏体。如基性岩浆通常可以熔化酸性岩石，使岩浆成分变得酸性;而温度较低的酸性岩浆不能熔化基性岩石。岩浆在熔化围岩或捕虏体时损失热能，使岩浆温度降低，促进岩浆的结晶作用;而矿物的结晶又会释放出结晶热能使得岩浆损失的热量得以补偿，为同化作用补充热能。因此，同化混染作用与结晶分异作用是同时进行的，即是岩浆的同化混染－分离结晶作用，简称为AFC作用，这是岩浆开放体系中成分变化机理的重要作用。

(2)岩浆不能熔化熔点比自己温度高的围岩和捕虏体，只能通过反应作用改变围岩和捕虏体成分，使之与岩浆达到平衡，反应作用主要是以离子交换方式进行。例如，酸性岩浆同化基性玄武质岩石时，岩浆中的Si、Na、K、H₂O等物质交代围岩或捕虏体中的矿物，而围岩或捕虏体中的Fe、Mg、Ca等成分向岩浆中迁移。结果基性围岩中的矿物转变成酸性岩浆中正在结晶的矿物(如基性斜长石转变为酸性斜长石，辉石转变为角闪石等)，同时岩浆的成分发生某些改变。

由岩浆同化混染作用形成的火成岩具有如下特征:①在岩体与围岩之间形成渐变过渡带;②岩石出现斑杂构造，含有围岩的捕虏体和捕掳晶，中酸性岩石中暗色矿物不均匀分布;③岩石中出现不平衡矿物和不平衡结构，如花岗岩中出现基性斜长石、硅灰石、石榴子石、红柱石，玄武岩中出现石英，在石英周边出现辉石反应边结构;④岩石中矿物结晶顺序不明显，岩石结构不像典型的岩浆结晶结构。

三、火成岩多样性的原因

自然界中的火成岩类型多种多样，其主要原因是:

(1)原生岩浆类型多样。这主要取决于岩浆源区性质的不同和岩浆形成过程中部分熔融程度的不同，如有玄武岩浆、安山岩浆、花岗岩浆、金伯利岩浆等，不同原生岩浆结晶就形成了不同的岩石类型。

(2)与原生岩浆演化有关。同一成分的原生岩浆通过结晶分异作用、熔离作用、混合作用、同化混染作用等可以派生出多种成分不同的次生岩浆，结晶后就形成不同种类的火成岩。

(3)岩浆结晶冷凝环境不同。同一成分岩浆在不同环境条件下冷凝结晶将形成不同类型的火成岩。例如，花岗岩浆侵入地下较深部位结晶时形成花岗岩，在较浅部位结晶时形成花岗斑岩，以溢流方式喷出地表形成流纹岩，以爆发方式喷出地表则形成流纹质凝灰岩。

思考题

1.岩浆的形成需要哪些条件?

2.何谓部分熔融作用、原生岩浆和派生岩浆?

3.阐述岩浆混合作用和岩浆同化混染作用鉴别的标志。

4.简述鲍文反应系列及其岩石学意义。

5.阐述火成岩类型多样性的原因。