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  第五章 岩浆的起源与演化 岩浆的产生 岩浆的演化机制 岩浆的运移与侵位 一、 岩浆的产生 2、部分熔融作用及岩浆分凝聚集 (1)部分熔融作用:地壳和上地幔物质,当岩石的温度增高至固相线温度时,相对低熔点的物质,在共结点或同结线的位置首先熔融,产生近共结或低熔点的岩浆。开始时,美食甜点最初出现的液体分布于两种或三种矿物的交界部位,在这些部位实际上形成了一个局部的二元系或三元系,造成一个低温熔融的温度环境,随热量不断输入,熔融程度增高,熔体数量增多。 一、 岩浆的产生 2、部分熔融作用及岩浆分凝聚集 概念:是指熔融的岩浆液滴从源区岩石的粒间分离集 中的作用 控制因素: 熔体分数(即部分熔融程度) 源区的渗透性 熔体的密度与残留固体的密度差产生的浮力 残留固体与熔体的粘度 部分熔融作 用 示 意 图 4、岩浆形成的基本条件 压力和温度随深度的变化 地幔岩石是如何熔融的 (How does the mantle melt?) C. 压力降低(Lower the pressure) 地幔底辟上升 减压熔融:可达 30% D. 挥发组分的加入 (Add volatiles ,especially H2O) 二、岩浆的演化机制 主要包括: 熔离作用 扩散-对流作用 分离结晶作用 (1)熔离作用( Liquid Immiscibility ) 是指原来混溶的熔体因物理(如温度、压力的变化)或化学(如第三种组分的加入)的原因分离为不混溶或混溶程度低的两种熔体的过程。 (2)扩散-对流作用 含义:原来均一的岩浆,由于液态的岩浆体内部及其与相接触的围岩间存在温度梯度,导致产生成分梯度的作用。此时,热量和物质通过液-液界面进行扩散对流,使高熔点的组分向着低温的熔体边部迁移,冷凝较早,形成较基性富含高熔点组分的的边缘带;而低熔点的组分则向高温的熔体内部迁移,冷凝较晚,生成了较酸性富含低熔点组分的内部带。 1、分异作用 (3)分离结晶作用(结晶分异作用) 概念:是指由于岩浆中结晶的固相物质的分离,使残余岩浆成分发生变化的作用。 类型: A. 流动分异作用 B. 重力分离结晶作用 1、分异作用 A. 流动分异作用 特点:主要发生在流速变化较大的岩浆通道内,如岩墙和岩脉中 原因:岩浆与上侵通道侧壁围岩间的粘滞摩擦作用使流速从通道中心向边缘降低,导致矿物晶体向流速高的中心带集中,使结晶的矿物与熔体分离。 规模:影响有限,大岩体仅限于岩体与围岩的接触带 B. 重力分离结晶作用 早结晶的矿物因其与岩浆之间的密度差下沉到岩浆房的底部,或上浮到岩浆房顶部。 影响晶体能否从岩浆中沉降分离的因素: 晶体与岩浆的密度差 晶体直径(B)的大小 岩浆的粘度 2、岩浆混合作用( Magma Mixing ) 3、同化混染作用(assimilation) (1)概念:岩浆熔化或溶解围岩或捕虏的围岩碎块,将改变岩浆的成分,当熔化或溶解较彻底时,称同化作用;不彻底时可有未熔物质的残留,美食甜点称为混染作用。 (2)同化混染的可能方式: 1)岩浆熔化比自己熔点低的围岩物质,使熔体的总成分发生改变。 2)岩浆不能熔化比自己熔点更高的围岩,只能通过离子交换反应,改变围岩及捕虏体成分,使之达到平衡。 3)与岩浆相适应的围岩物质可在岩浆中保持稳定,如玄武岩中的地幔橄榄岩包体。 (3)同化混染作用的鉴别标志: 1)主要出现在大型侵入体的边缘带,与围岩之间常形成渐变过渡带; 2)在同化混染带,常含有围岩的捕虏体或捕虏晶,出现不平衡矿物和不平衡结构,如花岗岩中出现硅辉石; 3)岩石的结构、构造不均一,出现斑杂构造。 三、岩浆的上升和侵位 岩浆上升的动力—密度差和由于张开裂隙而发生的减压作用 平衡浮力高度:当岩浆上升至与其密度相当的围岩时,岩浆体停止移动形成侵入岩。这一位置可称为平衡浮力高度 三、岩浆侵位机制 A.底辟上升和侵位是连续的过程 B.底辟侵位的主要驱动力—岩浆的浮力和热动力 C. 演化阶段:早期穹隆阶段、中期底辟上升阶段、晚期侧向挤断(气球膨胀)阶段 D. 特征:岩体的内部组构及产状与围岩的片理产状一致,岩体没根,整合岩体 演化阶段: 早期穹隆阶段 中期底辟上升阶段 晚期侧向挤断(气球膨胀)阶段 4、火口沉陷作用(cauldron subsidence) 4、岩浆形成的基本条件 (1)概念:由两种或两种以上的不同成分的岩浆以不同的比例混合,形成一系列过渡类型岩浆的作用。 (2)识别标志: 1)混合不彻底时,基性端元和酸性端元及二者间的过渡岩石同时出现;在岩体中可见到一些基性端元的岩石团块、微粒包体等 2) 矿物间出现明显的不平衡现象:两种成分差别较大的斜长石的共存等 3)混合彻底:对于一套岩石来说,端元组分与混合组分在 Harker-type 变异图上应该呈一条直线 花岗质岩浆房底部出现玄武岩枕状堆积体 玄武岩和流纹岩呈互层状 本节提示: (1)自然界中火成岩类型复杂多样的原因之一,就是与岩浆演化有关。 (2) 岩浆演化过程中,所涉及到的作用往往是多种作用的结合。比如,岩浆的同化混染作用和岩浆的分离结晶作用可能是同时发生的;分离结晶作用和更原始岩浆的再注入可能是同时发生的。 AFC:assimilation + Fractional crystallization Fractional crystallization + recharge of more primitive magma 1、底辟作用 底辟作用的3个演化阶段 * 1、岩浆产生的部位 一、 岩浆的产生 地球内部结构的细分 地幔(Mantle): 橄榄岩 (Peridotite (ultramafic)) 上地幔(Upper )to 410 km (橄榄石 ? 尖晶石) 低速带(Low Velocity Layer) 60-220 km 过渡带(Transition Zone ):410-660km 波速迅速增加 (spinel ? perovskite) 下地幔(Lower Mantle):660-2898km 地震波的波速逐渐增加 x x (2)岩浆的分凝聚集 一、 岩浆的产生 3、原生岩浆和派生岩浆 (1)原生岩浆(primary magma): 岩浆形成后成分未发生变化的岩浆-玄武岩浆、 花岗质岩浆、安山岩浆等 (2)派生岩浆(derivative magma): 由原生岩浆演化形成的岩浆 一、 岩浆的产生 A. 源区岩石 B. 温度的升高 C. 压力的降低 D. 挥发组分的加入 一、 岩浆的产生 地球中的热源(Heat Sources in the Earth) 1. 外界行星的撞击 2. 放射性元素衰变产生的热 3. 热流(热的物质流或热流体)的加入 热传递方式(Heat Transfer) 1.传导(Conduction) 2.辐射(放射性)(Radiation) 3. 对流(Convection) P = rgh; r-密度,美食甜点g-重力加速度,h-埋深. 从地表到地幔几乎呈线 Gpa 地核(Core): r快速增大 压力梯度(The Pressure Gradient ): B. 温度升高(Increase the temperature) 绝热线、分异作用:原来成分均匀的岩浆,在没有外来物质加入的情况下,依靠岩浆自身的演化,最终形成不同组成的火成岩。 岩浆从源区分离之后,温度、压力等条件发生了改变,随即开始了岩浆演化历程,从原生岩浆演化出派生岩浆,生成了多种岩石。在岩浆转变为岩石的过程中都发生了什么作用呢? 主要有:分异作用、岩浆混合作用、同化混染作用 1、分异作用 二、岩浆的演化机制 某些实例:Some Examples 在富铁的拉斑玄武岩中可见到晚期的富硅 的花岗质不混溶体 硫化物—硅酸盐不混溶体 (massive sulfide deposits) 月球玄武岩中的富铁球粒存在于富硅富钾的玻璃基质中 1、分异作用 岩浆中物质扩散的驱动力: 温度梯度、浓度梯度或化学位梯度 实例: 岩体的边部暗色组分的富集--对流岩浆房中的侧壁结晶分异作用 二、岩浆的演化机制 (3)分离结晶作用 流动分异作用的特点: Flow segregation 相对位移 颗粒分散压力 围岩 (3)分离结晶作用 晶体的沉降速度遵循:Stoke’s Law V = 矿物沉降速度 (cm/sec) g = 重力加速度 (980 cm/sec) r = 球形颗粒的半径 (cm) rs = 固态球形颗粒的密度 (g/cm3) rl = 熔体的密度 (g/cm3) h = 熔体的粘度 (1 c/cm.sec = 1 poise) V 2gr ( ) 9 2 = - r r h s l 举例: 玄武岩中的橄榄石:Olivine in basalt 橄榄石 (rs = 3.3 g/cm3, r = 0.1 cm) 玄武质熔体 (rl = 2.65 g/cm3, h = 1000 poise) V = 2×980×0.12 (3.3-2.65)/9×1000 = 0.0013 cm/sec 举例: 流纹质熔体:Rhyolitic melt h = 107 poise and rl = 2.3 g/cm3 角闪石晶体 (rs = 3.2 g/cm3, r = 0.1 cm) V = 2× 10-7 cm/sec, or 6 cm/year 长石 (rl = 2.7 g/cm3) V = 2 cm/year 则在104年时形成 200 m 厚的岩石 (冷却形成岩株) 假如晶体半径为 0.5 cm,将会每年沉淀 0.65 m, 或6.5 km/ 104 年。 矿物分离结晶的顺序--鲍文(Bowen,1928)反应系列 橄榄石 基性斜长石 斜方辉石 单斜辉石 角闪石 黑云母 (尖晶石) 温度升高方向 钾长石 白云母 石 英 酸性斜长石 不连续系列 连续系列 基中性斜长石 中性斜长石 鲍文反应系列的岩石学意义 橄榄石 基性斜长石 斜方辉石 单斜辉石 角闪石 黑云母 (尖晶石) 温度升高方向 钾长石 白云母 石 英 酸性斜长石 不连续系列 连续系列 基中性斜长石 中性斜长石 1)解释岩浆中矿物结晶顺序 2)解释岩浆中矿物共生规律,两个系列结晶温度相当的 矿物可以共生 3)解释暗色矿物间的反应变结构和斜长石正环带结构 4)玄武质岩浆经分离结晶作用可逐步形成酸性岩浆 玄武岩浆分离结晶作用形成的层状侵入体 分 离 结 晶 形 成 的 堆 积 结 构 橄榄石堆积造成的岩浆成分变化:1959 Kilauea eruption in Hawaii. 萃取的橄榄石 橄榄石聚集 橄榄石抽出 母岩浆 刻度突变 *

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