第十三章岩浆岩的成因

第十三章岩浆岩的成因由前面的介绍可以看到，岩浆岩种类繁多，性状各异。现简要介绍形成岩浆岩的岩浆种类及其来源；形成岩浆岩的地质作用和物理化学作用。这些都是岩浆岩成因方面的重大问题，也是地质科学中的一些重大问题，目前仍在不断地探索和研究中。一、原始岩浆的种类和起源根据目前研究，岩浆起源于上地幔和地壳底层，并把直接来自地幔或地壳底层的岩浆叫原始岩浆。岩浆岩种类虽然繁多，但原始岩浆的种类却极其有限，一般认为仅三、四种而已，即只有超基性(橄榄)岩浆、基性(玄武岩浆)、中性(安山)岩浆和酸性(花岗或流纹)岩浆。当然，对这个问题的认识也经过一个长期历史发展过程。在十九世纪中叶布恩森(Bonson,1851)曾提出有玄武岩浆和花岗岩浆两种原始岩浆的主张，但关于花岗岩浆的论点一直未受重视，一些学者却坚持认为只有一种玄武岩浆，而所有的岩浆岩都是由玄武岩浆派生出来的。这就是本世纪初至20年代期间风行一时的岩浆成因一元论。最早提出一元论者是戴里(Daly)和鲍文。但一元论不能解释这样一个众所周知的地质事实，即花岗岩在大陆地壳中的分布要比玄武岩广得多，例如据计算，花岗岩的分布面积比玄武岩大五倍，比其他深成岩大二十倍，并且花岗岩几乎不与玄武岩共生。进入本世纪三十年代，列文生—列森格和肯尼迪(Kenndy,1933)根据花岗岩和玄武岩同为地壳中分布最广的岩浆岩这一事实，又重新昌导花岗岩浆和玄武岩浆两种原始岩浆的论点，即所谓岩浆成因二元论。本世纪中期前后，有人针对环太平洋“安山岩线”和阿尔卑斯型超基性侵入岩这种地质事实，又提出了安山岩浆和橄榄岩浆的论点。于是进入了所谓岩浆成因的多元论阶段。目前认为种类繁多的岩浆岩就是从橄榄岩浆、玄武岩浆、安山岩浆、花岗岩浆通过复杂的演化作用形成的。这几种原始岩浆是上地幔和地壳底层的固态物质在一定条件下通过局部熔融(重熔)产生的。局部熔融是现代岩浆成因方面的一个基本概念，大致解释如下：和单种矿物比较起来，岩石在熔化时有下列两个特点：第一，是岩石的熔化温度低于其构成矿物各自单独熔化时的熔点；第二，是岩石从开始熔化到完全熔化有一个温度区间，而矿物在一定的压力下仅有一个熔化温度。岩石熔化时之所以出现上述特点，是因为岩石是由多种矿物组成的，不同的矿物其熔点也不相同，在岩石熔化时，不同矿物的熔化顺序自然不同。一般的情况是：矿物或岩石中SiO2和K2O含量愈高，即组分愈趋向于“酸性”,愈易熔化，称为易熔组分；反之，矿物或岩石中FeO、MgO、CaO含量愈高，即组分愈趋于“基性”,愈难熔化，称为难熔组分。所以，岩石开始熔化时产生的熔体中SiO2、K2O、Na2O较多，熔体偏于酸性，随着熔化温度的提高，熔体中铁、镁组分增加而渐趋于基性。表中列出了岩屑砂岩在水压为2000巴时所做的熔化实验数据。由该表可知，熔体成分变化十分明显，在690℃至730℃之间局部熔融现象很清楚。熔体成分中SiO2含量随着温度的升高而降低，CaO、FeO、MgO组分增加。在780度时岩石大部分熔化，熔体逐渐接近于花岗闪长岩的成分，残留少量难熔基性组分。根据上述试验和地质观察，人们得出了局部熔融的概念，即在岩石开始熔化至全部熔化的温度区间内，岩石中的易熔组分(酸性组分)先熔化，产生酸性熔体，残留体为较基性的难熔固体物质。随着温度增高，熔体数量增加，其基性成分也逐渐增加；当温度达到或超过岩石全部熔化的温度时，岩石全部熔化，熔体成分和被熔化的原岩成分一致。岩石的局部熔融作用又叫重熔作用或深熔作用。岩石局部溶融基本是按石英—长石—橄榄石的顺序进行。由于地壳深部和上地幔的温度很高，固态地壳物质和上地幔物质同样也会发生局部熔融或重熔作用，一般认为上地幔物质的局部熔融产生橄榄岩浆、玄武岩浆、安山岩浆；而地壳深部(底层)岩石的局部熔融作用产生花岗岩浆。1.玄武岩浆是上地幔物质(地幔岩)局部熔融的产物。目前推断，在上地幔的不同深度上通过局部熔融产生三种岩浆，即：拉斑玄武岩浆：约小于15公里；高铝玄武岩浆：约15～35公里；碱性玄武岩浆：约35～75公里;但也有人主张只有一种玄武岩浆。从玄武岩浆中可以直接冷凝结晶成玄武岩和辉长岩。玄武岩浆通过分异作用也可生成少量的中性岩和酸性岩，但自然界少见，仅是一种实验和理论上的可能性。可是通过玄武岩浆的分异作用产生超基性岩，则有充分的实验、理论和地质根据，例如前面提到的超基性—基性层状侵入杂岩体就是最好的例证。2.花岗岩浆是大陆地壳深部物质重熔的产物。根据理论计算，在不同深度上可能形成性质稍有差异的花岗岩浆。例如在约10公里的深度上形成活动性很弱的岩浆，许多巨型花岗岩岩基即由此种岩浆形成；大约在20公里深度上可生成活动性很强的岩浆，能够上侵至地壳浅部形成浅成侵入体，以至喷出地表形成流纹岩。花岗岩浆通过同化作用可形成中性岩和碱性岩。但是，并非所有花岗岩均来自花岗岩浆。一些花岗岩是由混合岩化作用形成的。3.安山岩浆提出该岩浆存在的主要论点是环太平洋地区广泛地分布着安山岩。板块学说认为此种岩浆的生成模式是：当玄武岩洋壳到达海沟并向下俯冲时，玄武岩及其上覆的洋底沉积物发生局部熔融即可形成安山岩浆，其俯冲下插的深度达95公里时即可发生这一作用。对于大陆内部的安山岩，有人则认为是地幔或地壳深部局部熔融产生的安山岩浆活动的产物，其深度约为60公里。4.橄榄岩浆是上地幔物质大约在80至160公里的深度上局部熔融的产物。此种岩浆形成的侵入岩多沿深大断裂或平行于褶皱带的走向分布，许多独立的超基性岩体呈串珠状分布，构成绵延数百公里的岩带。如我国祁连山、欧洲阿尔卑斯山的超基性岩即属此类。再次指出，关于原始岩浆及其起源问题极其复杂，许多问题并未得到圆满解决，尚待进一步研究，在这一方面深部地球物理探测是一个很重要的手段。二、岩浆的演化(分异和同化)岩浆从开始产生直到固结为岩石，始终处在不断的变化过程中；对于岩浆岩成因具有直接意义的是岩浆侵入地壳、特别是侵入地壳浅部以后到凝固为岩石这一期间内岩浆在物质成分上发生的演化。该期间内岩浆演化的基本过程是通过分异作用和同化作用，由少数几种岩浆形成多种多样的岩浆岩，并在适宜条件下形成一定的矿床。岩浆的分异和同化，是岩浆岩成因方面的基本问题，在理论上和实际上均具有很大意义。(一)岩浆分异作用岩浆可以通过两种方式发生分异，即熔离作用和结晶分异作用，这是岩浆内部发生的一种演化。1.熔离作用原来均一的岩浆，随着温度和压力的降低或者由于外来组分的加入，使其分为互不混溶的两种岩浆，即称为岩浆的熔离作用。日常生活中的油—水关系可以做为这方面的例子。在炼铁炉中熔炼铁矿石时，在CaCO3和CaF2等外加熔剂作用下，铁水和熔渣(硅酸盐熔体)就分为互不混溶的两个液层，铁水比重大而下沉，熔渣轻而上浮，这是同天然熔离作用很相似的又一例子。此外，也有人把玄武岩熔化后做试验，在玄武岩熔体加入CaF2，结果熔体也分为两个液层，上部为相当于流纹岩岩浆的酸性熔体层，下部为相当于橄榄岩的超基性熔体层。目前认为，在天然的岩浆中硫化物、氧化物和硅酸盐熔体可以发生熔离作用；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，当温度下降到某一限度后，此二种熔体即发生分离，铜镍硫化物比重大而富集于底部成矿床，硅酸盐熔体在上部固结成岩石。我国西南某地的含铂硫化物矿床就是这样形成。至于岩浆中不同的硅酸盐熔体之间能否发生熔离作用，尚有争议。不过一些人仍认为辉长岩中的条带状构造和某些珍珠岩中的球粒是硅酸盐熔离作用造成的。甚至近来有人提出在上地幔的岩浆源区就能够发生深部熔离作用从而产生安山岩浆和玄武岩浆的论点，尚待研究。2.结晶分异作用矿物的结晶温度有高有低，因此，矿物从岩浆中结晶析出的次序也有先有后。在岩浆冷凝过程中矿物按其结晶温度的高低先后同岩浆发生分离的现象叫结晶分异作用。结晶分异作用在玄武岩浆中研究得最为完备，由鲍文和贝莱(Baliey)于本世纪20年代即完成了实验和地质方面的经典研究，成为岩浆岩的理论支柱之一。玄武岩浆的结晶分异作用模式一般称为鲍文反应原理，即随着岩浆温度的降低，橄榄石首先结晶，并由于它比重大而沉落于岩浆体底部形成橄榄岩；继而辉石—基性斜长石同时结晶并沉落于橄榄岩“层”之上形成辉长岩；角闪石—中性斜长石同时析出构成闪长岩；而岩浆中越来越富SiO2、K2O、Na2O及挥发性组分，并慢慢地被已晶出的矿物“层”挤到岩浆体的顶部最后结晶出石英—钾长石—酸性斜长石组合，即花岗岩。因为在这一分异过程中在矿物晶出后因其比重不同受重力作用而分别沉落、堆积，故又称“重力结晶分异作用”。用这种理论能够较圆满地解释层状超基性—基性侵入岩杂岩体，并建立堆积岩理论。在有关层状侵入体的矿床研究中，这种理论也得到了验证，并起到了指导找矿的作用。所以，这种结晶分异观点，经过半个多世纪的实验研究、理论探索和地质观察，对于层状超基性—基性岩的成因解释基本上得到了承认。但用玄武岩浆的分异作用解释多数或全部岩浆岩的成因，尚有值得进一步研究的地方。(二)同化混染作用由于岩浆温度很高，并且有很强的化学活动能力，因此它可以熔化或溶解与之相接触的围岩或所捕虏的围岩块，从而改变原来岩浆的成分。若岩浆把围岩彻底熔化或溶解，使之同岩浆完全均一，则称同化作用；若熔化或溶解不彻底，不同程度的保留有围岩的痕迹(如斑杂构造等)，则称混染作用。因同化和混染往往并存，故又统称同化混染作用。此外，也有人把岩浆熔化或溶解围岩并使之逐渐消失于岩浆中的过程叫同化作用；把因围岩的熔化或溶解使岩浆成分受到外来物质(围岩)的污染(混染)而改变其原来成分的作用叫混染作用。显然，同化与混染为同一过程，是岩浆与围岩的相互作用，岩浆同化围岩，围岩则污染岩浆，因此，也一并称为同化混染作用。一般同化混染作用中岩浆成分变化的规律是基性岩浆同化酸性(或富含SiO2)的围岩时，岩浆向酸性变化(酸度增加)；反之，酸性岩浆同化基性(富含Ca、Fe、Mg)围岩时，岩浆向基性方向变化(酸度降低)。按照鲍文反应原理，基性岩浆可以同化酸性围岩，但酸性岩浆难于同化基性围岩。不过由于酸性岩浆往往富含挥发组份(CO2、H2O、F、Cl等)，因而有很强的溶解能力，虽然其温度低些，但它也能发生强烈的同化作用。其中酸性岩浆同化碳酸盐岩石(石灰岩、白云岩)的作用具有重大意义，因为它不仅能形成许多小的中性岩侵入体，而且也往往伴有矽卡岩化形成所谓矽卡岩矿床，如铜、铁、钨矿等。在该同化作用中，大量Ca和Mg加入岩浆，使岩浆酸度降低，形成闪长岩或石英闪长岩，而在接触带上形成含石榴石和辉石的矽卡岩(变质岩)。如长江中下游的许多中—酸性侵入岩体广泛发育此种同化作用。在岩浆演化过程中，分异作用和同化混染作用可能同时进行；也可能以某种作用为主导。在实际工作中要根据具体对象进行分析，从而得出比较合乎实际的结论，以正确阐述岩浆岩的形成和分布规律，指导矿产预测与寻找工作。按照分异作用和同化作用的理想模式，各种岩浆岩的成因关系如下：I、玄武岩浆的分异作用玄武岩安山岩流纹岩玄武岩浆辉长岩闪长岩花岗岩(少量)碱性岩辉绿岩橄榄岩辉石岩II、花岗岩浆的同化混染作用(Ca、Fe、Mg加入)英安岩—安山岩花岗岩浆花岗闪长岩—闪长岩正长岩—碱性岩三、岩浆岩的共生组合概念各种岩浆岩在空间分布上、形成时间上、物质成分上以及其成因上往往相互联系，彼此共生，按一定的规律以一种组合的形式出现，而且这种组合规律明显地受构造运动控制。为了阐述岩浆岩的共生组合规律，目前提出了一些组合概念，主要有岩浆杂岩体、岩浆岩建造、岩套和岩浆旋回等。现作简要说明。(一)岩浆岩杂岩体岩浆岩杂岩体是具体的岩体组合，各岩体之间具有确定的地质界线，但它们共同占据一个局部空间，彼此邻接，大致同时形成，有同源关系，隶属于同一地质构造单元。自然界中主要的杂岩体类型有：超基性—基性侵入岩杂岩体；中性—酸性侵入岩杂岩体；碱性侵入岩杂岩体，火山岩杂岩体。例如北京南口中—酸性侵入岩杂岩体是一个颇为典型的杂岩体。该杂岩体约由30多个中—小型岩体构成，分布于400多平方公里的范围内。侵入活动主要发生在晚侏罗世，最晚可能延续到早白垩世，属燕山运动的产物。(二