地球岩石及其形成作用（1）
胡经国
前言
地球岩石是指由一种或多种矿物在地球各种地质作用下按一定方式结合在一起而形成的矿物集合体。岩石是构成地球岩石圈（地壳和上地幔顶层）的主要物质，岩石圈因此而得名。岩石的三大形成作用是岩浆作用、变质作用和沉积作用。相应地，岩石可分为岩浆岩（火成岩）、变质岩和沉积岩三大成因类型。
在地壳表面，沉积岩约占地壳表面面积的75%，而岩浆岩和变质岩二者仅占地壳表面面积的25%。但是，按体积分数计算，沉积岩仅占地壳总体积的5%，而岩浆岩和变质岩二者却占到了地壳总体积的95%。
地球岩石及其伴生的各种资源是地球人类生存和发展的不可缺少的重要物质基础，也是世界经济发展和社会进步的不可缺少的重要物质基础。
本文拟在前人研究成果的基础上，比较全面、系统、深入地讲述地球岩石及其形成作用，供读者阅读和研究，为普及地球科学贡献微薄力量。
第一章岩浆岩与岩浆作用
第一节岩浆、岩浆作用与岩浆岩基本概念
一、岩浆
㈠、岩浆概述
岩浆（Magma）通常是指天然形成于地壳深部和上地幔高温高压下富含挥发组分主要成分为硅酸盐的炽热粘稠熔融体（或熔融物质、或熔浆流体）。它是形成各种岩浆岩和岩浆矿床的母体。岩浆侵入到地壳内或喷溢出地表经冷凝而形成的岩石称为岩浆岩，又叫做火成岩。
不过，有一种观点认为，岩浆是指地下熔融或部分熔融的岩石。喷溢出地表的岩浆称为熔岩（Lava）。还有一种观点认为，火成岩以岩浆岩为主，还包括非岩浆冷凝而成的岩石，如由花岗岩化作用形成的花岗岩。
喷溢出地表的岩浆（熔浆）冷凝而成的岩浆岩称为喷出岩（ExtrusiveRocks），又叫做火山岩（VolcanicRock）；侵入地壳内一定深度的岩浆冷凝而成的岩浆岩称为侵入岩（IntrusiveRocks）。
当火山爆发时，不但有水蒸汽、石块、晶屑和熔融团块从火山口喷发到地表和空中，而且还有炽热粘稠的熔浆从火山口喷出或溢流出来。前者称为挥发性成分（VolatileComponent）和火山碎屑物（VolcaniclasticMaterial），而后者则称为熔岩流（LavaFlow）。
㈡、岩浆成因与来源
按成因与来源，岩浆分为原生岩浆和再生岩浆两类。
1、原生岩浆
⑴、原生岩浆概述
关于原生岩浆的定义有不同的观点。
一种观点认为，原生岩浆是指在地球形成过程中由原始地核俘获的熔融物质和其他一些物质而形成的巨厚的熔融层。原生岩浆的物质成分是不均一的。原生岩浆经冷却凝固而形成最原始的地球外壳。
另一种观点认为，岩浆起源于地壳深部和上地幔，并且把直接来自上地幔和地壳深部的岩浆称为原生岩浆。岩浆岩种类虽然繁多，但是原生岩浆的种类却极为有限。一般认为，原生岩浆仅有三、四种而已。公认的原生岩浆有以下四种类型：超基性（橄榄岩）岩浆，基性（玄武岩）岩浆，中性（安山岩）岩浆和酸性（花岗岩）岩浆。
⑵、原生岩浆成因机制
按照上述原生岩浆定义的第二种观点，不同原生岩浆有不同的成因机制：
①、橄榄岩岩浆
橄榄岩岩浆是上地幔物质大约在80～160公里的深度上局部熔融的产物。
②、玄武岩浆
玄武岩浆是上地幔物质（地幔岩）局部熔融的产物。在上地幔内的不同深度上，通过局部熔融产生以下三种主要岩浆：
拉斑玄武岩浆：大约＜15公里；
高铝玄武岩浆：15～35公里；
碱性玄武岩浆：35～75公里。
从玄武岩浆中可以直接经冷凝结晶形成玄武岩和辉长岩；通过分异作用可以形成少量中性岩和酸性岩；通过重力结晶分异可以形成少量超基性岩。
③、安山岩浆
当玄武质洋壳到达海沟并且向下俯冲深度达95公里时，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。
安山岩在环太平洋地区分布广泛。大陆内部的安山岩是地壳深部物质局部熔融产生的，其形成深度约为60公里。
④、花岗岩岩浆
花岗岩岩浆是大陆地壳深部物质重熔的产物。在大陆地壳深部不同深度上可以形成性质稍有差异的花岗岩岩浆。在大约10公里深度上，可形成活动性很弱的岩浆，许多巨型花岗岩岩基就是由这种岩浆形成的；而在大约20公里深度上，则可形成活动性很强的岩浆，能够向上侵入到大陆地壳浅部甚至喷出地表。
花岗岩岩浆通过同化作用可以形成中性岩和碱性岩；也有一些花岗岩是经混合岩化作用而形成的。
其实，关于原生岩浆及其起源的问题极其复杂。以上所述只是支持者较多的一些看法。其真正的形成机制尚待进一步研究。
2、再生岩浆
再生岩浆是指由原生岩浆经变异而形成的岩浆以及由地壳深部和上地幔物质经重新熔融或局部熔融而形成的岩浆。
现今地球深部的液态层是由原生岩浆经变异形成的再生岩浆组成的。原生岩浆变异是指其温度、成分和物态的变化过程。
现今所见到的形成各类侵入岩（如超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩和碱性岩等）的岩浆，以及火山爆发时喷溢出来的岩浆，都属于再生岩浆。只是它们的来源深度、通道、物质成分及分异程度不同而已。
㈢、岩浆组成物质
岩浆一般是由以下几部分组成：物质熔化形成的液体、从液体中结晶生成的矿物、捕虏体和包裹体、岩浆中溶解的气体。
根据现代火山喷溢出来的熔岩组成物质得知，硅酸盐是岩浆的主要成分。其中，SiO?含量在10～30%之间；Al?O?、Fe?O?、FeO、MgO、CaO、Na?O等金属氧化物占20～60%；其它如重金属、有色金属、稀有金属及放射性元素等的总量不超过5%；此外，岩浆中还含有一些挥发性组分，其中主要是H?O、CO?、H?S、F?、Cl?等。
㈣、岩浆基本类型
按SiO?含量，岩浆分为以下四种基本类型：
1、超基性岩浆
SiO?含量＜45%，温度＞1200℃，对应岩类为超基性岩。
2、基性岩浆
SiO?含量45～52%，温度1000～1200℃，对应岩类为基性岩。
3、中性岩浆
SiO?含量52～65%，温度900～1000℃，对应岩类为中性岩。
4、酸性岩浆
SiO?含量＞65%，温度700～900℃，对应岩类为酸性岩。
岩浆 Si2O% 温度℃ 粘性 挥发组分 压力 流动性 岩石 超基性 ＜45 ＞1200 小 少 小 大 超基性岩 基性 45～52 1000～1200 ↑ ↑ ↑ ↑ 基性岩 中性 52～65 900～1000 中性岩 酸性 ＞65 700～900 大 多 大 小 酸性岩 从超基性到酸性，岩浆温度由高到低，压力由小到大，粘性由小到大，流动性由大到小，挥发组分由少到多；反之则反。
㈤、碱性岩浆
1、碱性岩浆概述
⑴、碱性岩浆生成条件
由碱性岩浆形成的碱性岩多分布在地盾和地台的边缘、隆起区或裂谷带以及已固结的褶皱带中；通常出现在构造－岩浆旋回的晚期和末期。其分布常常受规模较大的断裂所控制。在少数情况下，也有同造山运动的碱性岩体。比较稳定的地质环境是生成碱性岩浆的重要条件。
⑵、碱性岩浆本身动力的作用
在碱性岩分布地区，地热梯度较缓，岩浆来源较深，构造运动较少，岩浆分异容易趋完善；岩浆处于相对封闭系统，挥发组分不易逸失而得以集聚；混入组分较少。另一方面，岩浆的上升又不得不借助于大的断裂及构造运动。但是，碱性岩浆在活动过程中并不是完全处于被动地位，其本身的动力也起着积极作用。碱性岩常构成环形及锥形岩体（特别是在地台区），而与之相关的断裂便是碱性岩浆本身动力的产物。
⑶、碱性岩浆活动的地质时代
碱性岩浆活动在各个地质时代都有，并且具有规律性。例如：自斯堪的纳维亚半岛、俄罗斯的科拉半岛经西伯利亚至俄罗斯东部环太平洋地区，碱性岩浆活动在时代上依次由老至新；斯堪的纳维亚半岛的碱性岩浆活动多在元古代及古生代；乌拉尔、哈萨克斯坦、西伯利亚的碱性岩多为古生代（加里东期、海西期）的产物；在俄罗斯东部环太平洋地区新生代（喜马拉雅期）的碱性岩流很发育。这些地区碱性岩浆活动在时代上依次由老到新。总之，古生代以前的碱性岩以侵入体占优势，而中、新生代的碱性岩则以喷出岩居多。
⑷、碱性岩浆形成途径
碱性岩浆形成的途径很多，难以用任何一种理论概括全貌。例如美国岩石学家N.L.鲍温认为，基性岩浆由于辉石的结晶分离作用，可产生硅酸不饱和的碱性熔体。正长石的非一致熔融和白榴石的聚集，可由硅酸饱和的岩浆产生含似长石的岩石。角闪石的结晶分离或下沉作用以及角闪石和黑云母的熔蚀，可生成硅酸不饱和的碱性岩浆。
2、碱性岩分类
由碱性岩浆形成的碱性岩通常所用的碱性指标是里特曼指数σ，它的计算公式是：
σ=(K2O+Na2O)2/(SiO2-43)
其中：Na2O+K2O在岩浆中的含量称为全碱含量。
σ值愈大，碱性程度愈强。根据σ值的大小可划分出4种岩石系列，即：钙性、钙碱性、碱钙性和碱性系列。
碱性岩在化学成分上，（Na2O+K2O）与Al2O3、SiO2分子数的比值大于1:1:6。其中Al2O3或SiO2不足，或两者均不足。据此，可把碱性岩分为3个亚类：
⑴、SiO2充足或过量而Al2O3不足
该亚类岩石主要由碱性长石、钠质辉石和（或）钠质角闪石组成，可以有石英存在；如碱性花岗岩、碱流岩、英碱正长岩。
⑵、Al2O3充足或有余而SiO2不足
该亚类岩石由长石、似长石、云母、角闪石、普通辉石、刚玉等组成；如云母流霞正长岩等。
⑶、SiO2和Al2O3均不足
该亚类岩石由似长石、钠质辉石和（或）钠质角闪石、异性石、碱性长石等组成；如霞石正长岩。
㈥、岩浆若干物理特性
1、温度
据测定，岩浆的温度一般在900～1200℃之间，最高可达1400℃。喷溢出地表的岩浆，就像刚刚出炉的钢水，火红而炽热。
在晴朗天气和良好透视情况下，熔岩流的颜色与相应温度的关系为：
白色≥1150℃
金黄色≥1090℃
橙色≥900℃
亮的鲜红（樱桃红）≥700℃
暗红色≥550～625℃
隐约可见的红色≥475℃
2、固结成岩时间
侵入地壳的岩浆固结成岩需要的时间很长。据地质学家估算，形成一个2000米厚的花岗岩体的岩浆完全结晶大约需要64000年。岩浆喷出或者溢流到地表，由于岩浆温度急聚降低，固结成岩时间相对较短。形成1米厚的玄武岩的岩浆全部结晶，需要12天；10米厚需要3年；700米厚需要9000年。可见，侵入岩浆固结成岩所需要的时间比喷溢岩浆要长得多。
3、粘度
2020年2月13日编写于重庆
2022年2月5日修改于重庆
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