一分钟学会岩石学2.0：好好的石头怎么就化了？岩浆与火成岩

一分钟学会岩石学2.0：好好的石头怎么就化了？岩浆与火成岩

在地球深处，岩石是如何被熔化成岩浆的？岩浆又是如何冷却形成各种火成岩的？本文将带你走进神奇的岩石世界，用生动有趣的语言和精美手绘图，为你揭示这些地质奥秘。

0.0 目录
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1. 岩浆的起源、运移、演变；
2. 火成岩的相和产状、鲍温反应系列和矿物组合、IUGS推荐火成岩分类方案；
3. 总结

1.0 熔化的岩石
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岩浆是岩石熔化的产物，就像一锅粥，有粘稠的液体、有矿物晶体、有岩石碎块还有气体，岩浆是“汽水粥”。
岩浆是熔融的石头。好好的石头怎么就化了呢？首先一个字“热”！为什么热？不外乎3点：①有热源靠近；②靠近热源；③自身发热。（图1）

图1.日出冰化是热源靠近；烤火取暖是靠近热源；发烧是自身发热
由于巨大的压力、放射性元素衰变等因素越往地球深处越热，这叫地温梯度。每一梯队都有相对应的矿物岩石，高温梯队由适应高温环境的矿物岩石构成，低温梯队由适应低温环境的矿物岩石构成，基本上保持稳定，形成洋葱似的圈层构造。(图2)

图2.不同深度的地幔矿物组成

1.1 火烧屁股
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地球在不断地运动，内部的高温物质会上涌，导致上层的低温矿物岩石熔化形成岩浆。岩浆会继续上升，直至冷却固结或者喷出地表。这种有热源靠近，火烧屁股式的岩浆形成方式一般发生在大洋台地（夏威夷岛）、大陆裂谷（东非大裂谷），称之为“地幔柱”。（图3）
图3.地幔柱、岩浆底辟。大陆裂谷区域板块变薄压力下降，岩石熔化。

1.2 飞蛾扑火
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地表板块也在不停地运动，相互碰撞。大洋板块（310km）比大陆板块（3575km）更薄，密度更大，一旦相撞，大洋板块会俯冲到大陆板块之下，进入高温环境，发生熔融形成岩浆。(图4）厚实的大陆板块也会相撞，但由于势均力敌，往往向上向下凸起。在地表形成高山，在地下形成山根，山根进入高温环境就会熔化形成岩浆。(图5)
图4.大洋板块俯冲到大陆板块下的高温区域

图5.大陆板块碰撞导致构造增厚，深部地壳进入高温区域

1.3 大力出奇迹
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分布地球全身的放射性元素，无时无刻不在发生着衰变，产生热量。然而，地球这点“小发烧”还不足以熔化岩石。要想身子暖，还得多锻炼。板块碰撞运动的力量十分巨大，摩擦产生的热量足以熔化岩石，是当之无愧的行星之力。
压力降低和水（挥发分）的加入也会影响岩石的熔化。
80°的一锅热水，在平原无法沸腾，在大气压小的青藏高原就会沸腾。同样的道理，温度不变，如果地下石头上的压力变小了就会熔化形成岩浆。这种情况发生在大陆裂谷、洋中脊、洋岛等构造伸展区域。（图3）
大洋中脊是一个高效率的含水矿物制造工厂，岩浆和海水反应生成大量含水矿物。含水矿物就像海水“集装箱”，大洋板块就像是传送带，源源不断地把“海水集装箱”送入地下。在板块碰撞出又把水挤压出来，从而促进了岩石的熔化。(图6)
图6.含水矿物脱水促进岩石熔化

1.4 金蝉脱壳
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液态的岩浆会在浮力的作用下沿裂隙向上运移。岩石熔融过程有两种。岩石逐渐融化，直至全部化为岩浆，然后整体向上移动称之为平衡（批式）熔融；岩石融化一点，就分离一点，这种熔化方式称为分离熔融。（图7）

图7.岩浆的产生与运移

1.5 大地调酒师
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从岩浆产生到重新冷凝，其间成分会不断发生变化，这一过程称为岩浆演变。岩浆演变又分为封闭体系中的分异作用和开放系统中的同化混染作用。
分异作用differentiation是岩浆在没有外来物质加入的情况下，自身不断演化成各种不同成分火成岩的作用。这一过程就像煮一杯热巧克力，时间久了，可可脂和可可就会分离，糖也会析出结晶。
图8.a、平衡结晶作用equilibrium crystallization；b、分离结晶作用fractional crystallization；c、液态不混溶作用liquid immiscibility
平衡结晶作用equilibrium crystallization下形成的岩石与岩浆的成分完全相同，即不发生分异作用。好比巧克力液重新凝固成巧克力。分离结晶作用fractional crystallization指岩浆由于温度、压力不断降低，高熔点矿物首先结晶析出，固态晶体与液态岩浆分离的现象。因此可以形成多种不同成分的岩石。类似巧克力液中析出糖粒结晶，最终形成巧克力块儿和白色糖粒。液态不混溶作用liquid immiscibility指成分均一的岩浆变成两种或两种以上成分不同、互不相容的岩浆。就像降温后，巧克力液中可可脂和可可分层不再混溶一样。
图9.a、同染作用；b、混合作用；b1、岩浆混杂magma mingling形成枕状构造；b2、岩浆混合magma mixing形成新的岩浆
岩浆熔化围岩导致成分发生改变，这一过程称为同染作用。在岩浆运移的过程中，如果两股不同的岩浆相遇，会发生混合。像水和油一样机械的混合在一起称为岩浆混杂；两股不同成分的岩浆混合，生成一种新岩浆称为岩浆混合。

2.0 再塑金身
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火成岩是凝固的岩浆。岩浆及岩浆作用的多样性塑造了火成岩的多样性。例如基性岩浆的深层相侵入岩成为辉长岩，浅成相侵入岩为辉绿岩，溢流相火山岩为玄武岩。

图10.火成岩的相、产状

2.1 地球爆痘了怎么办？
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图11.火山就像地球的青春痘
工作压力大脸上会爆各种痘，地球压力大了也会爆痘。火山就是地球的“痘痘”，有熔透式、裂隙式、中心式三种。熔透式喷发是岩浆大面积熔化地壳，现已经绝迹（推测海底某些薄弱地带可能还存在），主要发生在躁动的早期地球。裂隙式喷发如同大地裂开一个刀疤口，岩浆从中涌出，现在只发生在大洋中脊和冰岛。中心式喷发最为常见，按强度分为5种类型。（图12）
图12.火山喷发主要类型。a.熔透式喷发；b.裂隙式喷发；c.中心式喷发；c1.夏威夷型；c2.斯通博利型；c3.乌尔加诺型；c4.普林尼型；c5.卡特曼型

2.2 脱胎换骨
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火成岩中的主要矿物并不是任意组合的。鲍温通过试验观察总结出其中的规律，为了纪念他，人们将其命名为“鲍温反应序列”(Bowen’s reaction series)。
图13.鲍温反应系列及矿物组合关系与代表性岩石
图14.常见火成岩的主要矿物组成
橄榄、辉石、角闪石、黑云母被称为暗色（铁镁）矿物；斜长石、碱长石、石英、似长石称浅色（硅铝、长英）矿物。随温度降低，暗色矿物和浅色矿物对应析出，组合成相应的岩石。暗色矿物在火成岩中的体积百分含量称为色率。
图15.色率示意图The Field Description of Igneous Rocks
SiO2是火成岩中最重要的化学成分。根据所含SiO2的质量百分比将火成岩分为酸性岩（＞63%）、中性岩（52%～63%）、基性岩（45%～52%）、超基性岩（超镁铁质岩＜45%）。SiO2含量越高，酸性程度越大，基性程度越低，岩石中长英质矿物越多，铁镁质矿物越少，色率越低，反之亦然。

2.3 IUGS推荐火成岩分类方案
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国际地科联（IUGS）在1989年推荐了一份火成岩分类方案。该方案首先将火成岩分为深成岩类、火山岩类、火山碎屑岩类、紫苏花岗岩类、黄长岩类、煌斑岩类、碳酸岩类七类。
深成岩类按M（暗色矿物、不透明矿物、副矿物、绿帘石、褐帘石、石榴子石、黄长石、原生碳酸盐矿物）含量继续分类。M＞90%，使用Ol-Px-Hbl图解（Px=辉石，Hbl=角闪石）和Ol-Opx-Cpx图解（Opx=斜方辉石，Cpx=单斜辉石）对超镁铁质岩进行分类。M＜90%，使用Q-A-P-F图解分类（Q=石英，A=碱性长石，P=斜长石，F=似长石）。
图16.M＞90%，Ol-Px-Hbl图解
辉石晶体较角闪石更为矮胖（瘦闪胖辉），辉石的两解理近乎垂直（87°），角闪石较小呈60°夹角。除非晶体特征十分明显，野外肉眼很难分辨。
图17.辉石和角闪石的横截面形态及解理夹角。唐洪明《矿物岩石学》
斜方辉石呈浅棕色、绿色，风化后呈红棕色；单斜辉石呈深棕色、绿色、黑色，特殊的铬透辉石成亮绿色。
图18.M＜90%，Q-A-P-F图解
碱性花岗岩具有深蓝色针状角闪石，钙碱性花岗岩具有黑色柱状角闪石和黑云母。
紫苏花岗岩的分类按照Q-A-P-F图解的2-10区划分。
图19.紫苏花岗岩的常用术语
火山岩往往无法识别出矿物，通常采用化学分类法，使用TAS图解。如果可以识别矿物，可以使用Q-A-P-F图解。
图20.TAS图解
图21.火山岩Q-A-P-F图解
火山碎屑岩类中，火山碎屑和火山碎屑岩按粒径大小进行分类；凝灰岩按浮石玻屑、晶屑、岩屑三元图分类。（图22）
图22.火山碎屑岩类图解
黄长岩类中的火山岩和深成岩均按Mel-Ol-Cpx图解分类（Mel=黄长石，Ol=橄榄石，Cpx=单斜辉石）。（图23）
图23.黄长岩分类图解
煌斑岩的划分仍在讨论。（图24）
图24.煌斑岩划分
碳酸岩按CaO-MgO-FeO+Fe2O3+MnO图解进行化学分类。（图25）
图25.碳酸岩化学分类

3.0 总结
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参考资料：
[1]桑隆康 马昌前.岩石学[M].3版.北京：地质出版社，2012.
[2]赖绍聪.岩浆岩岩石学[M].2版.北京：高等教育出版社，2016.
[3]常丽华 等.火成岩鉴定手册[M].北京：地质出版社，2009.
[4]Le Maitre R W.火成岩分类及术语辞典[M].王碧香 沈昆 毕立君 译.北京：地质出版社，1991.