岩浆岩岩石学—— 绪论

第一章绪论

一、岩石的概念

什么是岩石? 科学地说岩石就是天然产出的，由一种或多种矿物或火山玻璃、生物遗骸、胶体组成的固态集合体。

岩石构成了地球的岩石圈，也就是整个地壳和地幔的固态部分。

岩石的类型是多种多样的，归纳起来可以将它们分为三大类：

(1).岩浆岩(Magmatic rocks, Igneous rocks)：它是由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆，在侵入地下或喷出地表冷凝而成的岩石。也可称之为火成岩。或者简单地说：由岩浆冷凝固结而成的岩石称为岩浆岩。

(2).沉积岩(Sedimentary rocks)：它是由地壳风化产物、生物有关物质、火山碎屑物等，在外营力作用下搬运、沉积、固结而成。如砂岩、灰岩。

(3).变质岩(Metamorphic rocks)：由岩浆岩、沉积岩经变质作用转化而成的岩石。如大理岩、片麻岩等。

岩浆岩和变质岩又可统称为结晶岩。

三大岩类可以相互转化

岩浆岩沉积岩变质岩

岩浆岩、变质岩经风化、搬运、沉积、成岩作用，可形成沉积岩；岩浆岩、沉积岩经变质作用(重结晶、交代、碎裂等)，可转变为变质岩；而沉积岩、变质岩经重熔作用可形成岩浆，冷凝为岩浆岩。

二、岩石学的概念

岩石学(Petrology)是专门研究地壳、地幔及其它星体产出的岩石的分布、产状、成分、结构、构造、分类、命名、成因、演化等方面的科学。根据研究内容的不同，岩石学又可分为岩类学和岩理学。

岩类学：或称描述岩石学或岩相学，它主要是研究岩石的产状、分布、组成、分类、命名等方面的问题。

岩理学：又称理论岩石学或成因岩石学，它主要是研究岩石的形成条件及成因机理等方面的问题。

岩浆岩岩石学：是研究岩浆的起源、运移、演化、结晶及岩浆岩的组成、结构、构造、产状、分布、分类、命名、共生组合、成因机理及与构造、矿产关系等的一门独立科学。

岩浆岩不同于沉积岩和变质岩，其主要判别标志有六点：

1、岩浆岩大部分为块状的结晶岩石，部分为玻璃质岩石。具有玻璃质的岩石，一般是岩浆岩，只有在极少数情况下，在强烈断裂带内才有玻化岩。

2、岩浆岩中有一些特有的矿物和结构构造。如霞石、白榴石等矿物，气孔构造和杏仁构造等只有岩浆岩中才有。

3、岩浆岩体与围岩间一般都有明显的界线，呈各种各样的形态存在于地层中，有的平行，有的切穿围岩的层理或片理。

4、岩体中常含有围岩碎块(捕虏体)，这些被捕虏的围岩碎块和围岩常遭受热变质作用。

5、各地质时期形成的主要岩浆岩类，大部分都可以找到与其化学成分近似的现代火山岩。

6、岩浆岩中没有任何生物遗迹。

三、岩浆的概念

现代火山喷发使我们能够直接观察到岩浆。

岩浆：岩浆是上地幔和地壳深处形成的，以硅酸盐为主要成分的炽热、粘稠、含有挥发份的熔融体(熔体)。

少数情况下存在有碳酸盐岩浆、金属硫化物及金属氧化物岩浆，后者也称为矿浆。

岩浆的基本特征可以归纳为以下几点

1、岩浆的成分：

岩浆的主要成分是硅酸盐。硅酸盐岩浆的化学成分常以氧化物形式表示：主要氧化物为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、H2O等，其中最主要的是SiO2，其含量可高达40～75%。不同成分的岩浆，其氧化物的含量也不同，但这些氧化物之间通常存在一定的相互制约关系，一般来说，随着SiO2含量的增高，K2O、Na2O随之升高，而MgO、

FeO(Fe2O3)则随之降低。因此，SiO2的含量就成为划分岩浆岩化学成分的主导因素。它支配着其它氧化物含量上的变化。

岩浆中还含有大量挥发份及成矿金属元素，挥发份含量在岩浆中一般不超过6%，主要为水蒸气，其次为CO2、CO、N2、SO2、SO3、H2S、HCl、H2F等。

2、岩浆的温度：

地下深处的岩浆，我们无法直接测得其温度，一般由以下几种方法近似地确定：

(1)、观察现代熔岩流的温度：观察表明，现代熔岩流的温度范围一般有700～1200℃范围内，其中基性火山熔岩温度高，在1025～1225℃之间，酸性熔岩温度低，如流纹岩仅有735～890℃，一般来说，熔岩流的温度总是比地下深处同成分的、正在结晶的岩浆高，这是因为地下深处的岩浆富含挥发份，挥发份可以使起熔温度和液相线温度明显下降。

(2)、研究地质温度计，推测岩浆温度：某些造岩矿物的形成温度和相变温度，可间接推测岩浆结晶时的温度，例如：

方石英变为鳞石英1470℃

正长石分解为白榴石和二氧化硅1170℃

普通角闪石暗化1050℃

大气压力下黑云母分解、暗化1050～840℃

鳞石英变为β石英870℃

棕色角闪石变为绿色角闪石750℃

β—石英变为α—石英75℃

(3)、熔化岩浆岩的方法：通过岩浆岩的重熔和再结晶实验，也可得知其大致温度。如基拉韦厄火山的玄武岩，在一个大气压下熔融后，开始结晶的温度为1235～1160℃，完全结晶是1060℃，花岗岩的熔点为950℃±５０℃。

(4)、玻璃包体均一法测温：如均一法测得霞石岩中橄榄石均一温度为1220～1290℃，辉石为1120～1280℃，流纹岩中石英为790～1220℃，透长石为1100～1200℃。

(5)、地质温度计及地质压力计：根据热力学、岩石物理化学及实验岩石学资料。利用能斯特分配定律，通过计算平衡共生矿物的共有成分分配函数，可以较准确地测定出矿物的大致结晶温度，如二长石温度计、二辉石温度计、钛铁氧化物温度计等。

3、岩浆的粘度：

粘度是岩浆的重要性质之一。粘度是液体或半流体流动的难易程度，越难流动的物质粘度越大。粘度的单位是Pa.S—帕斯卡.秒，它相当于20度时水的粘度的1000倍。

岩浆的粘度主要与岩浆的氧化物(成分)、挥发分、温度和压力有关。

氧化物：SiO2、Al2O3、Cr2O3的存在，将使粘度显著增加，尤以SiO2的含量影响最大，SiO2升高，粘度升高，所以基性岩粘度小，以溢流为主；酸性岩粘度大，多以爆发形式为主。

挥发份：挥发份的存在将显著降低岩浆的粘度，挥发份升高、粘度降低。

温度：温度也是影响岩浆粘度的重要因素之一，温度升高，粘度下降。

压力：压力对粘度的影响要复杂得多，对于不含水的干岩浆，则压力升高，粘度增加；但对于富水岩浆，由于压力升高可明显增加水在岩浆中的熔解度，因此，反而使粘度在一定压力区间内降低，当压力升高到一定程度，水在熔浆中的溶解已达饱和，水含量不再随压力升高而增加，这时压力进一步升高，岩浆的粘度则呈增高的趋势。

四、岩浆作用

地下深处的岩浆，在其挥发分及地质应力的作用下，沿构造脆弱带上升到地壳上部或地表，岩浆上升、运移过程中，由于物理化学条件的改变，又不断地改变自己的成分，最后凝固成岩浆岩，这一复杂过程，称为岩浆作用。按其侵入在地壳之中或喷出地表，可分为侵入作用和喷出作用；侵入作用所形成的岩石，称为侵入岩；喷出作用所形成的岩石称为喷出岩。

五、岩浆岩研究历史与现状

1、历史回顾

火成岩的概念最早是由李希霍芬(F.Ven.Richthofen，1698)提出的，它是指由炽热的熔融体经冷凝形成的岩石，这种炽热的熔融体也就是岩浆。但关于岩浆岩的成因一直存在不同的看法。

(1)、水火之争。十八世纪后期至十九世纪初期，以魏尔纳(A.G.Werner)为代表的水成派，在他们所研究的层状岩石的基础上提出：一切结晶岩石都是由一种普遍全球的浑浊的液体中沉淀而成，并进而认为所有的花岗岩也是由水溶液中沉淀形成。然而，以赫屯(J.Hutton)为代表的火成派，通过对苏格兰高原广阔的火成岩露头和复杂的变质岩地层的研究，在丰富的野外观察资料的基础上得出结论，认为花岗岩是火成的，他把花岗岩不整合侵入层状岩石的特点、粗粒结晶组构和斜交岩层的花岗岩脉，都看作是花岗岩由“地下熔浆”侵入地壳上部进而冷却结晶形成的证据。当时，水成论曾盛极一时，但哈顿的研究成果也使许多地质学家

信服。于是，两派的争论达到白热化。他们都是在自己工作地区观察到的地质现象的基础上提出自己的看法，坚持各自的观点。直到19世纪中期，人们甚至还纠缠于花岗岩由水溶液中沉淀形成的观念上。

(2)、到了19世纪后期，显微镜在地质学研究中得到广泛应用，花岗岩水成论观点已被遗弃，但争论并没有结束。随着“花岗岩变质成因”(即花岗岩化)的观点登上历史舞台，争论的焦点逐渐集中到“花岗岩岩浆成因”和“花岗岩变质成因”上。

以鲍文(L.S.Bowen)、罗森布什、尼格里、戴里等岩石学家为代表的岩浆成因派，他们是从一个已存在的岩浆系统的高温下冷却结晶的过程来研究花岗岩的形成。认为绝大部分花岗岩是由岩浆，特别是玄武岩浆分异和凝固而成。然而对于花岗岩浆的来源问题却存在一定分歧：

1)、鲍文认为是由玄武岩浆分异而来。

2)、列文生—列信格认为花岗岩浆是由硅铝层周期性熔化而来。

3)、爱斯柯拉认为花岗岩浆是由大陆基底中任何含花岗岩成分的岩石选择熔融而成。

4)、克鲁泡特金认为花岗岩浆是由硅镁层选择熔融而来。

尽管岩浆派对岩浆来源意见不统一，但都支持花岗岩是由岩浆侵入冷凝结晶而成。

以塞霍姆(J.J.Sederholin)为代表的花岗岩化论者，他们发现大量的地质现象不能用岩浆成因观点得到园满的解释。比如“花岗岩与围岩呈渐变过渡”，“岩体内部的构造与围岩构造具有延续性”以及“花岗岩所占有的巨大空间不可能由岩浆作用造成”等等。他们由深成变质和交代作用出发，认为硅铝层中的原岩受气液的影响进行交代而成花岗岩。在这个阶段，花岗岩化最简明的定义就是：使固态的岩石不需要经过岩浆阶段就可以变成花岗岩类的一种作用。

(3)到了本世纪四十年代以后，特别是近十年来，实验岩石学和高温高压成岩成矿实验的广泛应用，岩浆成因论和变质成因论都有了飞速的发展。人们已经认识到，在地壳深部，当物理化学条件达到这样的程度，以致于岩石中最易熔的长英质组分已开始熔融(这种熔融一般只达到全岩的10%)，这种已熔组分构成岩石中可运动的粒间液，在有压降出现的情况下，这种粒间液即可发生运动，聚集而形成花岗岩浆。正统的花岗岩岩浆成因学说受到了严重冲击，几乎无人再相信花岗岩是由玄武岩浆分异形成。花岗岩化的观点也逐渐深入人心，并由过去的狭义论发展为广义花岗岩化的观点，认为花岗岩化不仅可以是固态岩石经交代汁作用而转化为花岗岩，而且花岗岩化过程中岩石可以不保持完全的固态，可以出现部分流化和部分塑性活动。

(4)在20世纪90年代的今天，不论是岩浆成因派还是交代成因派，他们都承认地壳中既有岩浆花岗岩也有交代花岗岩。那么地壳中是否还有第三种成因的花岗岩呢? 70年代初期，我国部分岩石学工作者通过对华南燕山期花岗岩的研究发现，有些岩体的盖层是很薄的，以岩体穿过的地层开始，累加其上覆地层的厚度，往往不超过一千米，有的甚至仅有一百多米，何谈深成之言，完全可以纳入火山作用的范畴! 而且发现许多花岗岩具有层状特征，并且在武安固镇凤凰山花岗岩体中发现了“绳状构造”。于是，部分地质工作者提出了花岗岩的“火山喷出成因说”(王曰伦，1976年；孙仲和，1980年)，认为花岗岩有喷出成因的。尽管喷出花岗岩的物质来源仍然是岩浆，但其形成过程却与传统的岩浆深成侵入形成花岗岩存在着根本区别。

事实上，在长达数亿年的漫长地质时代中，地质作用过程是复杂多样的，地质体的成因往往是多样的、复合的，花岗岩多成因的观点已经得到越来越广泛的重视。

2、岩浆岩研究现状与发展趋势

近20年来，岩浆岩岩石学研究已有了飞速发展，这主要表现在以下几个方面：

(1)、分析测试和计算机技术的迅速发展，使得过去仅仅依靠岩石薄片和化学成分分析的研究方法大大改观，电子探针、电镜、X光、质谱、中子活化等技术的广泛引入和应用，使得岩石中微区和微量组分的分析发展很快，大大推进了岩浆岩岩理学发展，计算机技术成为岩石学研究中必不可少的重要手段。

(2)、高温高压实验岩石学的迅速发展，已使我们能够在高温高压装置中获得高达10000℃和大于百万个105Pa的压力，已达到下地幔、地核的温压条件，从而能够有效地模拟和研究岩浆的起源，源区物质组成与温压条件，以及岩浆的演化机理等重大理论问题。

(3)、相关学科的相互渗透，使得岩浆岩与板块构造、物理化学、实验岩石学、岩石化学、地球化学、岩浆物理、地球物理、矿物化学、数理统计等学科有机地结合起来，大大推动了岩浆岩研究的深入。

(4)、研究领域不断扩大，由大陆到海洋，由地壳上部到地幔，由地球到宇宙，由宏观定性到微观定量，研究领域不断扩大，研究的问题也不断深入。

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