第九章--岩石圈内部的物质转化

第九章岩石圈内部的物质转化教学重点：岩浆作用，侵入岩的产状类型。教学难点：岩浆的起源与演化。第一节岩浆作用一、概念岩浆：地壳下面存在着高温高压粘稠状富含挥发份的熔融硅酸盐物质称为岩浆，其主要成分是SiO2，还有其它元素、化合物以及挥发成份。岩浆具有相当的粘度。岩浆起源于下地壳和上地幔，其形成受压力、温度、水和挥发份含量的控制。岩浆岩：岩浆沿着地壳薄弱地带侵入地壳或喷出地表，温度降低，最后冷凝成的岩石称为岩浆岩。岩浆作用：岩浆的形成、运移、直至最终冷凝固结成岩浆岩的过程称为岩浆作用。按岩浆活动最终所到达的空间位置，可将岩浆作用分为侵入作用（包括浅成和深成侵入作用）和喷出作用（包括海底和陆地喷发作用）。二、侵入作用地下深处形成的岩浆，由于承受上覆岩层的压力，具有向压力降低的构造软弱带侵入的趋势。它通过以自身的静压力挤开围岩，沿途吞没掉入其中的岩块，用较高的热力融化围岩等形式，逐步扩大自己所占的空间。由于吸收了各种成分的岩石，岩浆本身的成分和物理性质将不断发生变化。地下深处生成的岩浆上侵到一定深处开始冷凝和结晶，形成侵入岩体，并占据一定空间的作用。这个过程称为侵入作用。1.侵入岩体的产状：指岩体的形态、大小、与围岩层理和构造的相互关系，以及形成时所处的地质构造环境。侵入岩体在地下形成，各种岩体都有一定的产状。按照形成的环境特点和侵入作用方式，将侵入岩体分为深成岩体和浅成岩体两大类。—深成岩体形成于相当深处，是通过对顶部岩石的熔化、排挤，甚至变质等作用，逐渐上侵并占据空间的。形成深成岩体的岩浆规模一般比较大，冷凝时间达上百万年以上，因而结晶充分，形成粗粒结构的岩石。—浅成岩体一般沿断层或层间裂隙贯入。由于岩浆规模小，冷却快，故常形成细粒或斑状结构的岩石。•⑴深成侵入岩的产状岩基：面积超过100km2（常达数千甚至上万km2）的巨大岩体，通常产于造山带核部。岩基一般成不规则长圆形，长轴与区域构造走向一致。岩株：较小的近等轴状岩体，平面上多呈圆形。面积不超过100km2，多数岩株直径不过数公里。岩株边部常有一些不规则的岩枝、岩镰、岩瘤等。•⑵浅成侵入岩的产状岩墙：厚度比较稳定近于直立的板状侵入体。是岩浆沿断裂贯入的产物。岩床：顺层侵入的板状侵入体。岩床规模不等，一般多为中小型，厚度自数十厘米至数米。岩盘：又称岩盖，是一种上凸下平的透镜状侵入岩。岩盘规模一般较小，直径十米至数百米。岩盆：岩浆侵入岩层之间，中部受岩浆静压力使底板下沉断裂，形成岩体和围岩自四周向中心倾斜的盆状侵入体。多产出于构造盆地之中。岩盆直径可达数十至上百公里，岩体厚度数百至上千米。岩鞍：新月形或马鞍状小岩体，产出于褶皱转折端虚脱部位。岩墙三、喷出作用1.喷出作用（火山作用）：它是地下的岩浆喷出地表形成喷出岩的作用，包括海底喷发和陆上喷发。火山的喷发过程极为复杂，在不同的地区不同的岩浆作用阶段，所喷出的物质和喷发形式各不相同。岩浆沿裂隙通道上升，有的缓慢流出地表，边流动边冷凝；有的猛烈的爆炸，可将大量气体、岩浆团块和固体碎屑喷射到火山口以外，在火山口上空形成巨大烟柱。•火山喷发是地球动力系统中的重要环节，在地球演化中扮演着极其重要的角色：海洋的基底主要由火山岩构成，造山带中火山活动广泛；板块的运动也和火山活动有着密切的联系。近百年来多次喷发过的火山叫活火山；人类历史上有喷发记载而当代无喷发活动的火山称为休眠火山；人类历史上无喷发记载的古火山称为死火山。•2.火山喷发的方式裂隙式喷发：岩浆沿着地壳上巨大的裂缝溢出地表。①冰岛型（洋中脊型）火山；②川滇黔区玄武岩（二叠纪玄武岩）属大陆地壳断裂带型火山。中心式喷发：岩浆由管状通道到达地面的火山喷发。①宁静式；②爆烈式（火山喷出物以气体和中酸性熔岩为主）；③中间式。现代火山多为中心式喷发。熔透式喷发：岩浆熔透地壳大面积地溢出地表。这是一种古老的火山活动方式，现代已不存任。一些学者认为，在太古代时，地壳较薄，地下岩浆热力较大，常造成熔透式岩浆喷出活动。中心式喷发•3.火山岩产状⑴.火山机构火山机构指火山通道、火山口、火山锥、放射状和环状岩墙群等与火山作用有关的岩石-构造体。火山通道是岩浆由地下上升的通道。根据通道的形状有裂隙式、中心式和面式等。中心式喷发的火山通道被冷凝的岩石充填时，称为火山颈。火山锥是在中心式喷发后，大量火山喷出物喷射到空中并堆积在火山口周围，形成圆锥状堆积地形。根据组成火山锥的火山喷发物的成分，可将火山锥分为碎屑锥、熔岩锥和混合锥三类。①熔岩锥：主要以熔岩组成。火山碎屑物常小于10%，以玄武岩常见。火山锥宽而矮，原始坡度为2o～10o,平面上多为三角形或多边形，呈盾状，又称盾火山，火山锥中的火山口以底平、壁陡为特征，有的被熔岩覆盖见不到火山口。②碎屑火山锥：碎屑锥主要以爆发产物的浮岩块或熔渣组成，火山碎屑物质常大于95%，火山锥的原始坡度30o左右，火山口呈碗状或漏斗状，其底部亦由火山碎屑组成。火山碎屑物如多次喷发，则呈层状。③复火山锥火山口在火山锥的顶部或旁侧通常有低洼的部位，呈圆形，边缘很陡，火山物质由此喷出去，称火山口。当火山喷发停止时，火山口的岩浆因冷却收缩下降，如果其中积水，可形成火山湖，如吉林省长白山天池。破火山口：破火山口指经过破坏的火山口及其周围的洼陷。其成因有三：侵蚀破火山口：火山口被流水向源侵蚀加大的结果；爆发破火山口：火山强烈爆发，崩毁了火山口周围的火山锥，形成比原来火山口大的凹坑；塌陷破火山口：岩浆物质大量喷发或侵入后，岩浆房空虚。随着火山口附近物质增多，在重力作用下火山顶部顺环状断裂崩塌沉陷，从而形成一种火山洼地或火山构造沉陷。⑵.喷出岩产状喷出岩常见的产状有：熔岩流、熔岩脊、熔岩被、熔岩瀑布、熔岩丘、熔岩锥等。熔岩被：喷发规模大、厚度和成分较稳定、产状平缓的喷出岩体。熔岩被的覆盖面积以数千平方公里至数十万平方公里，厚度数百至数千米。熔岩被主要由裂隙式喷发而成，多为基性玄武岩。熔岩流：带状和舌状展布的熔岩。一般由中心式喷发而成。•4.火山喷发物火山喷发物有火山气体、固体（火山碎屑物质）和液体（熔浆）。不同的火山或不同的喷发阶段，各类物质成分及其含量比例常会发生变化。其中火山碎屑物又可分为火山灰、火山尘、火山砂、火山砾、熔渣、火山弹等。其中火山灰指粒径0.01mm的火山碎屑；比这更小的叫火山尘；在0.01-2mm的叫火山砂，粒径在2-100毫米之间的叫火山砾；大于100毫米的叫火山集块或火山块。四、岩浆起源岩浆起源问题的研究内容有岩浆的形成、物质来源、原生岩浆的种类以及岩浆活动的控制因素等。—传统的认为地球内部处处都是岩浆。—现代高温、高压实验技术可以模拟地幔条件下的物理化学过程；利用一些同位素、重稀土元素作为示踪标志，可以相当准确的追踪和证实岩浆作用的某些细微过程；而板块构造理论为岩浆起源问题的研究提供了更有生命力的理论基础。因此，岩浆起源的研究已从过去的定性假说阶段进入了今天的定量研究阶段。也由一元论、二元论发展到多元论。•已知岩浆的温度约在800到1200℃之间。各种高温高压实验表明岩浆的形成存在一定的规律：在上地幔形成岩浆（玄武岩浆），需要局部压力的降低、温度升高和水的加入；而在大陆地壳内形成岩浆（花岗质和安山质），需要不太大的压力（15到30km深度）、很高的地热流的上升和水的加入。由于形成岩浆的上述条件，在地球内部只是存在于某些构造活动带和地热流异常地段，所以，岩浆活动主要集中的区段主要有深大断裂带、地幔物质上涌的张裂带、岛弧和大陆边缘的板块俯冲带（包括造山带）以及某些地幔深部上升的热点之上。•由高温高压实验表明，岩浆的形成存在如下经验规律：第一、在缺水和无水条件下的矿物和岩石，开始熔融的温度（熔点）随压力的增大而增高。但由深部地球物理资料推算的地热梯度则是愈向深部愈变小，因此，虽然地温随深度增高，但总是达不到相应深度的岩石熔点，因而在正常情况下无论地壳深部或上地幔，都不能发生部分熔融形成岩浆。第二、在有水或水过剩的情况下，随压力增大（向深部）矿物岩石熔点普遍降低，特别是长英质（长石石英为主，接近花岗岩成分）岩石，在压力增大的最初几个千巴区间，其熔点降低200到300度。因此，在有水和水过剩的情况下，花岗质岩石在地壳深部也可以达到部分熔融，形成花岗质岩石。第三、部分熔融程度直接影响原始岩浆的成分和性质。因为最初熔出的是那些低熔点的长英质组分，随温度进一步上升，才有镁铁质等难熔融组分熔融。如在上地幔上部发生部分熔融时，因为压力不大，部分熔融程度较大（30%以上）易于形成拉斑质岩浆。在上地幔深处形成岩浆时由于压力很大，许多组分的熔融受到限制，部分熔融程度低，形成碱性玄武岩浆。五、岩浆的演化凝结过程：岩浆的侵入过程，是岩浆向上运移并伴随其自身的物理化学变化的过程。当部分熔融的岩浆从母体析出并运移时，有的携带有尚未熔解的矿物及岩块，有的在运移过程中发生结晶作用，使岩浆呈糊粥状。而更多的是侵入以后缓慢结晶的。岩浆的上升冷却过程并非封闭系统，由于岩浆具有较高的温度，可以熔化围岩和掉入其中的岩块，使岩浆成分不断变化。另外，当岩浆结晶时，一般先结晶出高熔点矿物。因此，随着结晶作用不断进行，剩余岩浆成分不断发生变化。侵入浅处的较小岩体冷却快，来不及发生上述作用，因而岩浆成分变化较小。•岩浆冷凝过程可分为以下阶段：1.正岩浆阶段：为绝大多数造岩矿物的结晶阶段。由于各种矿物的结晶温度不同，因而不同矿物的结晶有先有后。一般在基性、超基性岩浆中，熔点较高的铬铁矿和橄榄石先结晶，辉石、斜长石等后结晶；而在中性、酸性岩浆中辉石、角闪石和斜长石先结晶，熔点较低的钾长石、钠长石和石英后结晶。但是，上述矿物大部分都是在正岩浆阶段结晶的。2.气成伟晶阶段：主要造岩矿物晶出后，使残余岩浆中挥发分含量相对增多，呈稀薄的易流动硅酸盐流体，可贯入岩体顶部裂隙中，由于在相对封闭的条件下结晶，而且富含挥发分，粘度较小，各矿物有充分的结晶条件，因而往往结晶成巨大的矿物个体，形成伟晶岩。挥发分含有许多成矿物质，如电气石、黄玉、绿柱石和白云母等，有时可能构成伟晶岩矿床。3.气水热液阶段：温度继续下降，大量挥发分从接近凝结的岩浆中析出形成气水热液，沿接触裂隙或岩体与围岩接触带渗透。热液中因富含矿化剂和Fe、Si、Mg、K、Na、S等物质，具较高化学活动性，与围岩交代反应，形成蚀变岩石。蚀变岩石的存在与否，是决定岩体是否与围岩为侵入接触关系的重要标志，也是寻找与热液作用有关矿床的找矿标志。•侵入岩浆的演化方式有分异作用（熔离作用、结晶分异作用）、岩浆混合作用和岩浆的同化混染作用。1.分异作用：原始均匀的岩浆在没有外来物质加入的情况下，由于本身物理化学条件的改变，分化成为成分不同的若干组分的作用，称为分异作用。包括熔离作用和结晶分异作用等形式。—熔离作用：是处于高温阶段的原始岩浆，由于温度、压力的变化而分成混溶程度有限的两种液体的过程。最典型的是金属硫化物和氯化物与硅酸盐之间的熔离。—结晶分异作用：高温岩浆在侵入过程中温度逐渐降低，岩浆中的部分组分按一定顺序先后结晶，形成矿物；按比重的不同，重者下降，轻者上浮，导致岩浆成分的分异。•2.岩浆侵入过程中，不断以机械力挤压围岩，以其热力和化学能力溶蚀围岩，开拓其容身的空间。有一些围岩的碎块会掉入岩浆，称为捕虏体。岩浆由于与围岩及捕虏体发生物理化学反应而使岩浆成分发生变异的作用，称为同化作用。不完全的同化作用称为混染作用。•3.一些地区不同成分的岩体先后多次侵入，造成复杂的穿插关系，其成分、时代相近，属同源岩浆不同演化阶段逐次侵入的结果。这种同源岩浆结晶晚期的小规模再度侵入过程叫附加侵入作用。高温的侵入岩浆上升到地壳一定部位，与较冷的围岩相接触，逐渐冷却并凝结成岩浆岩。岩浆冷却的速率与其所处的深度和岩浆体的大小有密切的关系。侵入浅处的较小岩体（如岩脉、岩墙等）冷却较快；深处侵入的较大岩体冷却较慢。一个较深的侵入花岗岩岩基结晶冷凝的时间大约需要100万年。•由于岩石不易导热，表面先冷凝，内部尚保持液态岩浆状态。这种特点对岩体内部构造