11玄武质岩浆的形成和演化

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1、玄武质岩浆形成和演化的研究玄武质岩浆形成和演化的研究编者：赵雷（1）王宣军（2）摘要：本文从全球构造的角度讨论了岩浆形成和演化的一些基本概念和原理。在火成岩成因研究方面，这些概念/原理是科学的解释地球化学数据（如微量元素、放射性同位素等）所必需的基础。这些原理也有助于更好地使用野外观察资料，而且有助于更好地理解和基性岩浆作用有关的矿床的成因。这些原理主要是基于玄武岩浆系统的，但是它们也有条件地适合于其它岩浆系统。本文作者对一些规模小、但是分布广泛的火成岩的成因提出了个人的观点，这些观点是基于观察和逻辑推理而提出的，尚有待验证。1

2、.简介岩浆的形成是地球热演化的结果，它可能是导致地球历史上地球物质发生化学分异——从成分大致均一的原始地球（球粒陨石质）到现代具有层圈结构的地球（即金属内核、硅酸盐岩地幔和地壳——各层圈之间存在着不同尺度的成分不均一）——的最有效的过程。另外，岩浆在冷却过程、以至在浅层和围岩的同化作用过程中的演化可能是导致不同化学、矿物成分和不同结构的火成岩、不同的岩石序列和岩石类型的直接过程；当然，原始/母岩浆化学成分上的差异在岩石的多样性方面可能也是一个主导因素。重要的是，和火成岩成因有关的矿化作用是岩浆演化/同化作用的伴生过程。因此，理解

3、岩浆形成和演化的基本概念是十分重要的。不幸的是，当前对火成岩成因的研究中忽略了对岩石成因最基本的物理概念的重视，而主要或有时全部把注意力放在对微量元素和同位素数据的解释上。诚然，地球化学数据至关重要，但是如果不是在对岩浆形成的基本原理清楚理解的前提下而对这些数据作出的解释是很值得怀疑的。本文旨在讨论理解地球化学数据和火成岩形成构造环境所必备的有关岩浆形成的基本概念。我集中讨论玄武质岩浆系统，但是所讨论的一些基本原理也适用于其它火成岩岩浆系统。2.岩浆形成的概念2.1.部分熔融-全熔玄武质岩浆是地幔橄榄岩在上地幔部分熔融的产物。现

4、今地幔的热梯度不会造成全熔。从物理的角度讲，熔浆会被不断从熔融场所抽取和转移开来，另外从地球总的热量的角度考虑，全熔在地幔和地壳均是不可能的。因此，无论源区岩石的性质怎么样，也不管是什么类型的岩浆（例如，金伯利岩、橄榄岩、玄武岩和花岗质岩浆），都是部分熔融、而非全熔的结果。部分熔融有两个产物：熔浆和残留物，熔浆代表源岩中易熔的组分，而残留物代表源岩中较难熔的组分。熔浆的总成分只会较其源岩更富长英质（例如，高SiO2）或称贫铁镁质（低FeO和MgO，低MgO/FeO）。换句话讲，玄武质熔浆是由地幔橄榄岩部分熔融产生的，而玄武质岩石

5、的部分熔融产生不出玄武岩，只会形成更富硅的熔浆（例如，奥长花岗岩、英云闪长岩和其它花岗质岩浆）。相反，熔融残留物则变得贫长英质和富铁镁质（高MgO/FeO），而且比源岩更加难熔。总之，部分熔融作用是一个将单一的、可能是均一的源岩转变为化学成分上不同的两种岩石的过程：(1)熔浆（或岩浆），随着冷凝/同化作用，演化为具有不同矿物组合、结构和总体成分的各种火成岩；(2)难熔残留物或残留岩。值得指出的是最微量（minor）和痕量（trace）的元素对于部分熔融作用非常敏感。例如，在地幔橄榄岩的部分熔融过程中，不相容元素倾向于进入玄武质熔

6、浆，而相容元素倾向于留在固体残留物中。在由冷却作用导致的岩浆结晶/分异过程中，元素的分异趋势是一样的，只是程度稍小而已——不相容元素趋向于不断地向残留熔浆中集中，而那些相容元素主要进入了结晶的晶体中去。部分熔融和岩浆演化，对于主量、微量和痕量元素的分馏而言，作用是一样的，只是效率不同而已。鉴于岩浆形成是地球热演化的结果的事实，而且现在和整个地球历史上在全球范围内广泛发生，因此很明显为什么岩浆形成是导致地球物质化学分异的最有效的过程。2.2.地幔熔融的原因9玄武质岩浆形成和演化的研究地幔熔融或玄武质岩浆形成的原因，如图1的上部P-

7、T图所示，是很容易理解的。固相线和液相线的概念是非常直观的。一块位于固相线之下（下固相线条件）A处的岩石，不论它确切的是处于什么部位，它总是保持固态的；如果这块岩石位于液相线之上（上液相线条件）的C处，这块岩石将被完全熔融或称经历全熔作用；如果这块岩石置于固相线和液相线之间，例如B处，只有部分会被熔融，此即所谓的部分熔融概念。理论上讲，产生的熔浆的量或熔融的程度（熔浆和未发生熔融以前的源岩的比值）取决于B点的位置，从接近于固相线的~0%到接近于液相线的~100%。因为完全熔融是不可能的（见上文），从岩浆形成的角度讲，液相线是没有

8、什么实际意义的。让我们仔细地分析一下固相线的重要性。图1.岩浆产生的三端元机制示意图——压力（P）-温度（T）演化图。详见正文地球的软流圈地幔——玄武质岩浆的橄榄岩源岩——主要呈固态，处于下固相线条件，如图1的A点。为了从固态岩石中产生熔浆，需要将岩石移至固相线