第三章巖漿及巖漿作用

一、巖漿的概念二、巖漿的形成與運(yùn)移三、巖漿的性質(zhì)四、巖漿分異、混合、同化作用的基本概念五、巖漿活動的位置及現(xiàn)代火山活動第三章巖漿及巖漿作用一、巖漿的概念有關(guān)巖漿的概念有：巖漿、原生巖漿、母巖漿和派生巖漿四個(gè)1.巖漿（magma

）

巖漿是上地?；虻貧げ糠秩廴谛纬傻母邷?、粘稠、含揮發(fā)分的硅酸鹽熔融體2．原生巖漿（Primarymagma）

由地?；虻貧r石經(jīng)熔融或部分熔融作用形成的成分未遭受變異的巖漿。它不強(qiáng)調(diào)源區(qū)的巖石是否已經(jīng)遭受過熔融作用或成分的變異，但強(qiáng)調(diào)形成的巖漿一定未遭受過成分的變化。

原生巖漿類型較多，但主要有玄武巖漿、花崗質(zhì)巖漿和安山巖漿。原生巖漿直接冷卻結(jié)晶成不同的火成巖，或者通過各種作用形成了派生巖漿后再冷卻結(jié)晶最終形成了地球表面多種多樣的火成巖3．母巖漿（Parentmagma）

通過各種作用（分異作用、同化作用、混合作用等）產(chǎn)生出不同成分的巖漿稱為母巖漿。4.派生巖漿（Derivativemagma）由母巖漿通過各種作用產(chǎn)生的不同成分的巖漿稱為派生巖漿（或進(jìn)化巖漿）。

例如玄武質(zhì)巖漿可作為母巖漿,通過分異作用產(chǎn)生安山巖和英安巖等派生巖漿。原生巖漿可以成為母巖漿，但母巖漿不一定是原生巖漿。虧損地幔（barren,depleted或infertilemantle）是指相對于原始地幔虧損Si、Al、Ca、Na、K等易熔組分和Rb\Sr\Ba\La\Ce等不相容原素的地幔,這些元素在熔融作用中容易進(jìn)入巖漿，相應(yīng)的地幔則虧損了上述組分富集地幔（fertilemantle）如果原始地幔中加入了上述元素(如地幔交代)，則會富集上述組分，形成富集地幔（fertilemantle）。這種作用通常是通過地幔交代作用或地殼物質(zhì)重新返回地幔的再循環(huán)作用實(shí)現(xiàn)的。二．巖漿的形成與運(yùn)移現(xiàn)代地震波速測定表明，不少地區(qū)在上地幔100km左右的深度及中下地殼的深度存在有地震波速下降的低速帶（lowvelocityzone，簡稱LVZ），被解釋為在固態(tài)的巖石中存在有液態(tài)的物質(zhì)，表明了有熔融作用的發(fā)生。地球物理資料可為我們提供了巖漿形成的概略深度及部位。在現(xiàn)代火山活動地區(qū)，如著名的夏威夷火山群，在噴發(fā)的間隙階段，在上地幔的深度（約60km處）發(fā)生了深源地震，表明這一位置相當(dāng)于巖漿的源區(qū)，當(dāng)巖漿上升運(yùn)移時(shí)可能在該區(qū)有地震的發(fā)生。

1.巖漿形成的條件

(1)源區(qū)的巖石

即巖漿發(fā)生之前已經(jīng)存在于地?；虻貧さ膸r石作為熔融巖漿的母巖；上地幔及地殼中的所有巖石在適當(dāng)?shù)臈l件下，都可以成為巖漿的源巖.

確定巖漿源區(qū)巖石的性質(zhì)，其途徑有三種：①尋找?guī)r漿中的深源捕虜體

例如：在堿性玄武巖類、金伯利巖中的橄欖巖捕虜體是地幔巖石熔融的殘余。②通過火成巖的化學(xué)特征來反演源區(qū)狀態(tài)

例如由地幔橄欖巖熔融導(dǎo)源的原生玄武巖巖漿Mg′{=Mg/(Mg+Fe2+)}值變化于0.67-0.73。同時(shí)還富Ni、Cr等耐熔元素③通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)用不同類型的巖石作為源巖，在不同的壓力（代表不同深度）、不同溫度乖條件下進(jìn)行熔融實(shí)驗(yàn)，從而獲得在不同熔融比例下的巖漿類型。(2)熱能的累積(溫度升高)

地?；虻貧ぴ磪^(qū)的巖石只有當(dāng)該區(qū)的熱能累積到一定的程度，溫度達(dá)到巖石熔融的溫度（固相線溫度）并持續(xù)熱能的累積巖漿才會發(fā)生。目前所公認(rèn)的熱能來源主要有兩個(gè):

一種是有熱流（熱的物質(zhì)流或熱流體流）進(jìn)入某地區(qū)產(chǎn)生熱對流（Thermal—Convection），導(dǎo)致了熱能的積累及溫度上升，一種是源區(qū)含有不移動的放射性生熱元素（如K、U、Th），通過長期衰變產(chǎn)生熱能導(dǎo)致該區(qū)溫度升高。(3)壓力的改變上地幔及下地殼源區(qū)的巖石的固相線溫度是隨壓力增大而增高的,在恒定的溫度條件下,如果因構(gòu)造原因而隆升,導(dǎo)致壓力降低,可產(chǎn)生巖漿.(4)揮發(fā)組分的加入

(尤其是H2O)揮發(fā)組分的加入可以顯著地降低源區(qū)巖石的固相線溫度(5)時(shí)間累積

如果升溫至原始溫度的10%發(fā)生熔融，對橄欖巖而言，純加熱時(shí)間約需1000Ma（百萬年）。若考慮源區(qū)富集放射性元素（前一節(jié)所述的第二種情況）10倍于正常地幔，則加熱的時(shí)間會降低為100Ma（1億年）。對花崗巖來說，同樣溫度增長10%所需的時(shí)間為53Ma。(6)其他因素

地?；虻貧?nèi)部由于粘性剪切力的作用也可以導(dǎo)致局部增溫誘發(fā)巖漿熔融。地幔粘度大（1021泊）在剪切應(yīng)力與應(yīng)變速率高的地段,如在上地幔靠近俯沖帶的區(qū)域或地殼內(nèi)沿大斷裂帶的地區(qū)都有可能產(chǎn)生異常熱能并發(fā)生不同規(guī)模的熔融作用。2.巖漿的上升和侵位

巖漿怎樣克服上覆圍巖阻力上升、以何種方式在地殼中占據(jù)空間的問題，就是侵位機(jī)制要研究的問題，巖漿上升侵位的機(jī)制有以下幾類：

(1)底辟作用（Diapirism）

(2)頂蝕作用（Stoping）

(3)巖墻擴(kuò)展作用(DikePropagation)(4)火山口沉陷作用（Cauldronsubsidence）(1)底辟作用（Diapirism）

底辟作用是巖漿通過加熱頂部圍巖使其粘度降低，自身則因浮力上升，迫使圍巖向下流動，并占據(jù)其騰出的空間上升侵位過程。

主要驅(qū)動力是巖漿的浮力和熱動力，底辟侵位一般可分早期穹隆階段、中期底辟上升階段和晚期側(cè)向擠斷三個(gè)階段（圖2-2）。

底辟作用的關(guān)鍵是要求有較大的浮力和熱能來克服圍巖的阻力，以底辟方式侵位的巖體一般較大。底辟侵位時(shí)巖漿和圍巖均處于同一應(yīng)力場，形成的巖體產(chǎn)狀及內(nèi)部組構(gòu)常與圍巖的片理產(chǎn)狀一致，多是無根的整合侵入體。

巖漿發(fā)生底辟上升后，常常以氣球膨脹的方式連續(xù)侵位

上升的巖漿因降溫結(jié)晶而粘度增大，升速減緩直至停止，轉(zhuǎn)向旁側(cè)擴(kuò)展，直徑增大，發(fā)生膨脹。圍巖因巖漿擴(kuò)展而遭受壓扁作用，巖體內(nèi)部組構(gòu)也由于壓扁作用由核部向邊緣增強(qiáng)上升階段穹隆階段側(cè)向擠壓階段(2)頂蝕作用（Stoping）

熱的巖漿上升，引起頂部巖漿被挖蝕、炸裂，在頂部圍巖炸裂塊體下沉的同時(shí)，巖漿侵入到裂隙中，如此反復(fù)，巖漿體可實(shí)現(xiàn)向上遷移、侵位（圖2-3）?？宽斘g作用侵位的巖體與圍巖層理面的產(chǎn)狀相切，形成不整合侵入體。巖體邊緣帶可見不規(guī)則狀、棱角狀的圍巖捕擄體。另外，如果巖漿的溫度及圍巖的成分適當(dāng)，還會發(fā)生巖漿同化捕擄體、混染圍巖的作用，在侵入體中形成外來礦物的條帶、或斑點(diǎn)。由于需要大量的巖漿來填充下沉巖塊間的空隙，這種侵位機(jī)制不可能使巖漿產(chǎn)生較大的上升距離（Marsh,1984）(3)巖墻擴(kuò)展作用(DikePropagation)

巖漿在壓力的驅(qū)駛下注入圍巖裂隙，并通過擠壓圍巖使其擴(kuò)展成狹窄的巖漿通道（巖墻），并沿該通道上升。這種機(jī)制主要發(fā)生在張性斷裂帶，如洋殼中的輝綠巖巖墻群和玄武巖，就是在洋中脊伸展構(gòu)造環(huán)境下沿張性斷裂上升、侵位的。這一侵位機(jī)制主要受到巖漿通道中熱損失的制約，由于巖墻中巖漿與圍巖的接觸面積比球形巖漿體（如底辟體）與圍巖的接觸面積大得多，通過圍巖擴(kuò)散的熱損失速度也快得多，因此，等體積、同樣溫度的巖漿要上升到地表，通過巖墻通道上升的速度比球形巖漿體上升的速度快104倍。(4)火山口沉陷作用（Cauldronsubsidence）

火口沉陷作用是代表環(huán)形雜巖體特征的一種侵位機(jī)制。在近地表地區(qū)，如果已就位的巖漿房因巖漿噴發(fā)作用而變得空虛，上部的巖層就會斷裂成塊體發(fā)生沉陷，圍巖中形成環(huán)狀裂隙，巖漿將趁虛而入形成環(huán)狀雜巖體。

侵位機(jī)制又可據(jù)侵位時(shí)的動力學(xué)特點(diǎn)分為主動侵位和被動侵位兩大類:主動侵位:底辟和氣球膨脹屬主動侵位，多形成具等軸形態(tài)的整合侵入體，區(qū)域性構(gòu)造走向與接觸面相適應(yīng)，巖體內(nèi)部定向組構(gòu)與圍巖的變形相適應(yīng)，主動侵位的巖體往往是同構(gòu)造運(yùn)動期的巖體。被動侵位:頂蝕、火口沉陷、巖墻擴(kuò)展屬被動侵位，巖體一般為不整合侵入體，是構(gòu)造巖漿活動中較晚的巖體，在侵位期間圍巖沒有遭受變形，巖體形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部定向組構(gòu)不發(fā)育。三、巖漿的性質(zhì)

1.巖漿的密度（density）

指單位體積巖漿的質(zhì)量，一般表達(dá)為：Kg/m3或g/cm3

獲取密度的方法：可以通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行測定；也可以利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的密度公式進(jìn)行計(jì)算。

影響密度的因素：巖漿的成分、溫度、壓力

巖漿密度在巖漿過程中的意義：可直接影響巖漿分凝、上升、演化整過過程中的行為2.巖漿的粘度（η）（vescosity）

巖漿的粘度η是指剪切應(yīng)力σ與應(yīng)變速率de/dt的比值（σ/de/dt）。它反映流體流動的難易程度。粘度的單位是Pa·s（帕斯卡·秒），1Pa·s相當(dāng)于20℃時(shí)水粘度的1000倍。

巖漿的粘度會影響巖漿上升的速度以及火成巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、產(chǎn)狀及一些巖漿作用發(fā)生的強(qiáng)度。

巖漿的粘度與多種因素相關(guān)，如巖漿的成分、結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及所含的揮發(fā)分等都對粘度的大小有影響。

流體粘度(Pa·s)溫度(℃)流體粘度(Pa·s)溫度(℃)水1×10-320安山玄武巖3×1031200甘油1×10020鈉長石4×1031400瀝青1×10720黑曜巖1×1011800橄欖玄武巖3×1021200SiO2玻璃1×10111300（1）巖漿成分對粘度的影響

巖漿粘度隨SiO2、Al2O3、Cr2O3含量高而增大，這是因?yàn)樵趲r漿中Si總與O結(jié)合形成硅氧四面體[SiO4]4-，熔體中[SiO4]4-增多時(shí)，其聚合程度增大，粘度就愈大。

Ca、Mg、Fe、K、Na、OH-則處于硅氧四面體之間，呈6次配位起著減弱熔體聚合程度的作用，被稱為變網(wǎng)離子。含量高，粘度低。

（2）溫度、壓力對粘度的影響

溫度增高則粘度顯著減小，流動性增加。相同成分相同密度的酸性巖漿，有些可以噴出地表形成流紋巖，有些則呈花崗巖侵入體，其原因之一是前者溫度高，因而導(dǎo)致粘度降低，流動性增大。

壓力對粘度的影響較小，如壓力從1巴增高至30仟巴，粘度僅增大1/10。（3）揮發(fā)組分對巖漿粘度有不同的影響

如CO2含量高時(shí)，巖漿粘度會增大，原因是CO2在熔體結(jié)構(gòu)中起了增強(qiáng)聚合程度的作用，加固了硅氧四面體的連結(jié)。

H2O含量高則會使巖漿粘度明顯下降，H2O溶于硅酸鹽熔體時(shí)，羥基可代替硅氧四面體中的共用氧，使陽離子與共用氧斷開，出現(xiàn)了更多的[SiO4]4-單體從而減弱了硅氧四面體之間的聚合程度，巖漿的粘度也隨之下降。此外揮發(fā)分氟也可以起到與H2O相似的作用。3.巖漿的溫度直接測定的現(xiàn)代火山巖漿的溫度表明:

基性玄武巖巖漿:1100-1250

安山質(zhì)巖漿:900-1100

流紋質(zhì)巖漿:700-900(1)從基性巖巖漿到酸性巖漿,溫度降低(2)不同的巖漿源區(qū)，要求的部分熔融溫度有很大的差異(3)巖漿的溫度對巖漿的活動性有很大的影響，如同為酸性巖漿，起源較淺的低溫者往往形成中深成花崗巖體，而來源較深的高溫（過熱）者則可噴出地表形成熔巖表2-2各類熔巖噴出溫度的估算值（引自Carmichael，1974）夏威夷基拉韋厄拉斑玄武巖1150-1225℃墨西哥帕里庫廷玄武安山巖1020-1110℃剛果尼臘貢戈霞石巖980℃剛果白榴玄武巖1095℃新西蘭陶波輝石流紋巖860-890

角閃流紋巖

熔巖，熔接凝灰?guī)r735-780加里福尼亞流紋質(zhì)熔巖790-780冰島流紋英安質(zhì)黑翟巖900-925新不列顛（南西太平洋）安山質(zhì)浮巖940-990

英安質(zhì)熔巖，浮巖925

流紋英安質(zhì)浮巖8804.巖漿中的揮發(fā)分了解它們的類型及含量可以通過兩種途徑：從現(xiàn)代火山噴發(fā)的氣體中取得通過巖石中的流體包裹體獲得

CO2,CH4,NH3,H2,HCl,HF,H2S,SO2,P2O5和H2O等。H2O是最豐富的組分占99%

(1)揮發(fā)組分影響巖漿的噴出方式:

在揮發(fā)分聚集時(shí)由于在近地表處的強(qiáng)烈膨脹會引起巖漿爆裂成火山灰，火山爆發(fā)也隨之強(qiáng)烈

(2)揮發(fā)分影響巖漿結(jié)晶的溫度

含量高則結(jié)晶溫度下降，所以當(dāng)揮發(fā)分迅速從巖漿中逸出后，巖漿則會快速結(jié)晶，其中的晶體數(shù)量也隨之加多。四、巖漿分異、混合、同化作用的基本概念

大多數(shù)情況下，原生巖漿可在其活動的不同階段發(fā)生成分的變化，形成進(jìn)化巖漿，最終形成成分上既有差異，又互為關(guān)聯(lián)的一套火成巖。

巖漿演化方式：自身成分的分異----分異作用圍巖物質(zhì)的同化混染-----同化混染作用兩種以上不同成分巖漿的混合-----巖漿混合作用。1．

分異作用

分異作用是指原來成分均勻的巖漿，在沒有外來物質(zhì)加入的情況下，依靠本身的演化，最終產(chǎn)生不同組分的火成巖的作用。巖漿分異作用有些只是在巖漿本身進(jìn)行的，并未發(fā)生相的分離，而有些則發(fā)生了結(jié)晶相和流體相的分離。屬于前者的有擴(kuò)散作用和熔離作用，屬于后者的有分離結(jié)晶作用和氣體搬運(yùn)作用。（1）擴(kuò)散分異

主要出現(xiàn)在巖漿體內(nèi)溫度不同的時(shí)候，高熔點(diǎn)組分會由高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散，最后形成低溫區(qū)高熔點(diǎn)組分集中的現(xiàn)象。如某些巖體邊部，可因擴(kuò)散作用導(dǎo)致高熔點(diǎn)物質(zhì)（暗色礦物）集中，巖石成分較巖體中心基性。（2）分離結(jié)晶發(fā)生于巖漿結(jié)晶作用階段，早結(jié)晶的高熔點(diǎn)礦物可因下述的兩種原因之一與熔體分離，并使殘余巖漿的成分發(fā)生連續(xù)的變化。

重力分離作用：即早結(jié)晶的礦物，可因其與巖漿的密度差下沉到巖漿房的底部，或上浮到巖漿房頂部。

流動分異作用：這有點(diǎn)類似于河道中放木的情況，懸浮于巖漿中的礦物質(zhì)點(diǎn)，會向高流速帶，如向巖漿通道的中央聚集而導(dǎo)致先晶出的礦物與熔體分離。（3）熔離作用

是指原來混溶的熔體因物理或化學(xué)的原因分離為不混熔或混溶程度低的兩種熔體的過程。物理因素可以是溫度、壓力的變化，化學(xué)因素則與第三種成分的加入有關(guān)。如在煉鋼爐中加入CaCO3和CaF2可使鐵水和爐渣分為互不混熔的液層。由熔離作用導(dǎo)致的分異，在巖漿過程中并不多見。目前認(rèn)為，某些基性和超基性巖體中的銅鎳氧化物、鉻鐵礦及釩鈦磁鐵礦床，可能是從巖漿中熔離出來的，也有人用熔離作用來解釋與堿性巖共生的碳酸鹽巖漿的成因。另外火成巖中的一些特殊結(jié)構(gòu)，如球珠、球顆結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是熔離的乳滴狀物質(zhì)冷凝形成的。（4）氣體搬運(yùn)

巖漿中含有一定數(shù)量的揮發(fā)組分，其中以H2O為主，不同組成及不同溫壓條件下，巖漿對這些揮發(fā)分的熔解度是不一樣的，巖漿在上升過程中的壓力降低或結(jié)晶度的增加，都會使揮發(fā)組分過飽和出溶，形成包括氣相和熱水溶液相的流體。流體可攜帶部分易溶物質(zhì)和比重小的組分向上遷移，在巖漿體頂部富集，完成氣體搬運(yùn)的過程，并在此最終沉淀出所攜帶的組分而導(dǎo)致巖漿的成分分異。這一過程與巖漿的成礦作用有關(guān)，有人認(rèn)為，稀有元素礦床的形成即與此過程有關(guān)。2。同化混染作用（Assimilation）同化混染作用：巖漿在上升或停留于巖漿房期間，除與圍巖具有熱交換外，還可能與圍巖發(fā)生物質(zhì)交換，其結(jié)果是熔化圍巖及捕虜體，或與其發(fā)生反應(yīng)，而使巖漿的成分發(fā)生變化，這一過程可稱為同化混染作用。

同化混染作用的方式和規(guī)模取決于巖漿及圍巖