火成岩结构的成因

2025-02-13 11:37:12

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回答1：

火成岩是由岩浆结晶形成的，因此它的结构受控于熔体的结晶过程。岩浆在上升侵位过程中及至侵位之后，由于物理化学条件的变化，尤其是温度的降低或挥发组分的出溶，均会导致结晶作用，最终形成具有一定结构、构造的火成岩。在这一过程中，岩浆可视为一个物理化学体系，它所处的物理化学环境（如温度、压力等）和岩浆本身的物理化学性质（岩浆的化学组成、温度、挥发组分含量及类型等）都会对岩石的矿物组合与岩石结构产生影响。因此，同一种岩浆在不同的物理化学环境下可固结形成矿物组合和结构特征完全不同的火成岩。本节仅选择最基本的岩浆结晶的实验结果来讨论火成岩结构的成因。

1.相图对岩浆结晶和结构成因的解释

1）相平衡和相律

相律是表示物理化学系统中各相间平衡关系的基本规律，它表示了平衡体系中自由度（f）、相数（P）和独立组分数（C）之间的关系。用公式表达为：

岩石学

自由度是指体系中的可变因素如温度、压力或浓度的数目，这些因素在一定范围内任意改变，不引起相的改变；独立组分数是指能足以构成平衡体系中各相所需要的最少组分的数目；相是指任一聚集态内部的物理和化学性质均匀的部分，可以用机械方法将其分开。

式中的“2”指影响体系平衡的外界因素，这里只考虑了环境温度和压力。岩浆就位之后，环境压力固定，如果体系中没有组分的加入或带出（封闭体系），则影响体系平衡的外界因素只有温度，此时相律公式为：

岩石学

用此式可确定岩浆体系平衡结晶最终（f=0时）出现的平衡共生矿物种数（相数）。硅酸盐岩浆是一多组分体系，但因为其中SiO₂ 和Al₂O₃ 在熔体中共同构成硅氧四面体，MnO、MgO、FeO之间和K₂O与Na₂O之间在化学性质上相似，常呈类质同象方式占位，TiO₂、P₂O₅等含量低，对体系平衡的影响不大，因此，可作为独立组分的一般只有SiO₂+Al₂O₃、FeO+MgO+MnO、Na₂O+K₂O和CaO 4种。可形成的常见造岩矿物有石英、钾长石、斜长石、霞石、白榴石、橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、角闪石、黑云母、白云母等。据相律公式，同一种岩浆结晶形成的火成岩中，除副矿物外，最终出现的平衡共生的矿物相数应不多于5种。因此，岩浆中各种氧化物含量的差异，决定了最终可形成具不同矿物组合的火成岩石。

常用来分析岩浆结晶过程的实验主要是一些近似岩浆过程的二组分或三组分体系。实验中所用的温度单位是摄氏度（℃），压力单位在岩石学研究中，用kb 或GPa表示。它们与Pa（1Pa=1N/m²）的关系是：1GPa=10⁹N/m²，1bar=10⁵N/m²，1kb=10⁸ N/m²，1atm=1.01325×10⁵ N/m²，（N为牛顿）。

2）二元共结系

图3-5是一个Di-An（透辉石-钙长石）二元共结系相图，由于该相图是在恒压（1MPa）下作出的，因此

岩石学

图3-5 Di-An相图

该相图被两条液相线（AE、BE）、一条固相线（FG）和一个共结点（E）分为4个区。

对于具有X₁点成分的岩浆，当温度位于液相线之上时（温度与成分投点落在液相区），只有单一的液相存在，因P=1，所以f=2，此时温度和浓度均可在一定范围内独立变化而不引起相数的变化（不出现新相，也不消失旧相）。

当温度下降至液相线时，开始晶出固相，此时出现液相和晶出的固相（透辉石）两相共存。因 P=2，所以 f=1，即体系中要保持固相和液相的平衡，温度和浓度中只有一个变量可独立变化，另一变量只能作相应的变化。如图中随着温度下降至 T_t，晶出的透辉石含量增加，液相中的透辉石浓度相应降低，温度和浓度沿液相线轨迹向共结点方向变化，因此相图中的液相线又称为单变线，此时残余岩浆的成分变化至 s点，晶体/液体（量比）=。

温度继续下降至T_E时，液相组成到达共结点E点，此时因液相中钙长石浓度增加，开始结晶钙长石，体系中出现An+Di+液相3个相，P=3、f=0，要维持体系中该三相的平衡共存，温度和浓度均不能改变，此时体系向环境传导的热损失，得到岩浆结晶潜热（结晶放出的热）的补充，直至液相完全结晶，体系中只有Di+An两个固相时，温度才可继续下降，最终进入固相区。

自然界辉长岩的成分多数与上述相图中的共结比相当（X₂，即Di∶An约为58∶42），岩浆冷却时，结晶路线直达共结点（E），辉石与长石同时结晶，形成两种矿物自形程度相近的辉长结构；也被称为共结结构。由石英和钾长石组成的纹象结构也属共结结构，成因与辉长结构相似。若成分点为X₁时，An先结晶且自形程度好，冷却到共结点时辉石结晶，或包裹自形的长石，形成包含结构和辉绿结构；或在快速冷却时，辉石小颗粒充填于长石的隙间，形成间粒结构。

3）二元固溶体系

二元固溶体系可以较好地解释环带结构的成因。斜长石是 An与Ab的二元连续固溶体系（图3-6），在快速冷却的不平衡结晶条件下，当X组成的岩浆温度下降至a时，开始晶出组成b的斜长石（An高），温度下降至c′时，先晶出的b组成的斜长石来不及与熔体反应达到新的平衡，而直接在其残余晶体周围晶出组成为d 的斜长石（An低），这样可形成具正环带结构的斜长石。正环带结构在中长石中最发育，因为在中长石组成范围内，液相组成与固相组成差异最大，难以达到平衡。另外，环带结构的斜长石形成于浅成相或火山相的快速冷却结晶的条件，因此，它的存在具指相意义。在其他一些固溶体矿物中也有类似情况，如镁橄榄石-铁橄榄石系，环带中心富Mg，边缘富Fe。

图3-6 An-Ab二元固溶体系

4）Or-Ab 二元固溶体系

分解条纹的成因可用钾长石-钠长石系（Or-Ab系）的相图（图3-7）来解释。该相图可分上下两部分，上部为具最低熔点的二元连续固溶体系，下部为固溶体分离区。以成分为X（w_Ab29%、w_Or71%）的熔体的平衡结晶过程为例，当温度下降到达液相线时，开始析出富钾质的碱性长石，组成为X₁。随着温度下降，液相组成沿液相线移至Y，固相组成不断调整，由X₁沿固相线移至X₂（约为800℃），这时晶出的碱性长石成分与原始熔体的成分一致，至熔体相耗尽，结晶结束。温度进一步下降，进入一种长石的固相区。当温度下降到达固溶体分离曲线（ab）上的c点时，Or和Ab在低温下不完全混溶，开始分离为富钾和富钠的两种长石。温度下降得愈低，分离得愈彻底。到达500℃时，形成组成为b′的富Or的碱性长石和组成为a′的富Ab的碱性长石，两相交生形成条纹长石。最终形成的条纹长石是正条纹还是反条纹，要看以Or为主的碱性长石与以Ab为主的碱性长石的量比，X₂ 成分的长石，在500℃时二者的量比是c′a∶bc′，前者多于后者为正条纹长石。

图3-7 Or-Ab体系相图及分解条纹的成因

固溶体分离作用能否发生或分离是否彻底，与温度下降的速度有关。在岩体规模较大或侵入深度较大的中深成相，温度下降速度缓慢，有充分的时间使固溶体分离作用完成，形成条纹长石。相反，在浅成相侵入岩或一些小规模的岩脉、岩枝中，因温度降低较快，则不利于固溶体分离作用的进行，一般不出现条纹结构。

与条纹结构成因相似的是辉石中的出溶叶片结构，如在辉长岩的斜方辉石中可见到单斜辉石及铁质矿物的出溶叶片；单斜辉石中可见到斜方辉石的出溶叶片。

5）二元近结系

图3-8为Fo-Q二元近结系相图，可较好地解释反应边结构的成因。图中相当于X、Y组分的岩浆，在温度下降至液相线时，晶出Fo，温度下降至T_R。随着Fo的晶出，液相组成沿液相线变到近结点R，在该点残余液相富SiO₂，将与先晶出的SiO₂ 不饱和矿物Fo反应生成反应矿物En。如果原始岩浆组成为X，最终将使液相耗尽，形成残存的Fo与En共生，在Fo周围就可能形成En的反应边。如果原始岩浆组成为Y，则Fo将最终耗尽，体系中只有En+液相，温度继续下降，随着En的晶出，液相成分渐变至共结点E，石英（Q）与En共结，最终形成En+Q的矿物组合。如果温度下降太快，在R点Ol与残余液相反应不彻底，亦可能在En中保存有Ol的反应残余，形成反应边结构。该相图的另一意义是说明在火成岩中石英与Fo不可能平衡共生，而会反应生成中间矿物En。因此，如果岩石中出现Ol与石英共存，Ol边缘一般都有辉石的反应边，是快速冷却条件下不平衡结晶的结果，这种现象一般仅见于基性火山岩中。

图3-8 Fo-Q二元近结系相图

6）过冷度与结晶程度及矿物颗粒大小的关系

岩浆中矿物开始晶出的温度，往往不是在液相线温度，而是在低于液相线温度的过冷状态下进行的，这有两方面的原因：

（1）矿物结晶时，离子之间需要进行调整、迁移、组合。但是，由于岩浆粘度较大，离子之间扩散与组合受到阻力，未能在正常结晶温度下顺利析晶，而产生过冷状态。

（2）结晶开始后，放出结晶潜热，使刚晶出的晶体重新熔化。因此，晶体的析出需要下降到更低的温度。

岩浆的液相线温度（T_A）与岩浆中晶体析出的实际温度（T_B）的差值称为过冷度。过冷度的大小，用ΔT表示，ΔT=T_A-T_B，它直接影响着岩浆的结晶能力，即晶体的成核密度和生长速度。成核密度是指单位体积内的晶核数，以“晶核数/cm³”表示。晶体生长速度是指单位时间内晶体粒径生长的大小，以“cm/s”或“μm/s”表示。如上所述，岩浆中的晶核只有在低于液相线温度的过冷状态时才能稳定，并生长成晶体。图3-9为理想的晶体成核密度及生长速度曲线，当过冷度为ΔT₁时，成核密度低，生长速度高形成数量少个体大的晶体，可以形成伟晶岩或巨晶。若过冷度为ΔT₂时，成核密度和生长速度都较大，往往形成数量和个体中等的半自形粒状结构、中—细粒结构等。若过冷度为ΔT₃时，则岩石具有成核密度高，但生长速度低的细粒-隐晶质的结构。Swanson（1986）研究了含w（H₂O）3.5%花岗岩的矿物结晶作用，进行了Pl、Af、Q的成核密度、生长速度与过冷度关系的实验（图3-10）。结果表明，若ΔT=120℃，Af 成核密度低但生长速度高，从而形成大的晶体；Pl和Q属中等，颗粒大小为中粒；少量小的石英晶体也同时形成。岩石整体呈现以碱性长石为斑晶，基质以斜长石、石英为主的似斑状结构。

图3-9 理想的成核密度及生长速度曲线

总之，不同的冷却速率、成核密度、生长速度和冷却历史可以造成结晶程度和颗粒大小的差别。通常在一块矿物颗粒大小不完全一致的样品中，大的晶体可以形成于长的、缓慢的结晶条件下，也可以形成于在过冷度小、成核密度很小但快速生长的条件。似斑状结构虽然矿物有大小不同的两群，但它们为同一阶段结晶形成，而斑状结构的斑晶和基质为两个阶段结晶的产物。

图3-10 含w（H₂O）3.5%花岗岩的成核密度及生长速度曲线（Swanson，1977）

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