岩浆岩岩石学西北大学地质系

赖绍聪

2005 年 4 月

岩浆岩岩石学西北大学地质系

赖绍聪

2005 年 4 月

第十一章 岩浆矿物的结晶作用

自然界岩浆的结晶过程、岩浆岩中矿物共生规律、结构构造以及岩浆岩成因等一系列问题，除与地质条件密切相关外，也服从一定的物理化学原理。

喷出岩和大多数侵入岩是在地表或离地表不远的地表浅部形成的，所以在低压下硅酸盐系统相平衡的实验研究对理解岩浆矿物结晶作用具有重大意义。

第一节 一元系相图及其岩石学意义

一元系是指研究对象只有一种纯物质，即独立组分数 C ＝ 1 。在此只介绍石英的相图。

石英（ SiO2 ）的相图及其岩石学意义 :

1 、相图特点 L 为熔体； Cr 为方石英； Tr 为磷石英； α-Q 为 α 石英； β-Q 为 β 石英； TC 为柯石英。

2 、岩石学意义

● （ 1 ）磷石英（ Tr ）、方石英在低压高温下稳定，侵入岩中不出现，仅见于火山岩中，有时准稳态见于低温环境中，是低压的指示矿物。

● （ 2 ） α 石英和 β 石英：酸性火山岩和超浅成岩中常见 β 石英假象，因为这种岩浆温度高，在地下压力较大的情况下，石英首先结晶，形成高温 β 石英；而同种成分的侵入岩则温度较低，且石英是最晚期结晶的产物，因此为 α 石英。

● （ 3 ）柯石英是高压环境的指示矿物。

第二节 二元系相图及其岩石学意义

一、 Ab － An 系统 这是一个固态无限混溶相图。固态溶液又称固溶体，它的特点是，两个端元组分可以任意比例混合，组成固体的均一相。如斜长石系列，橄榄石系列。

1 、相图特点：固相区，液相区，固液共存区，固相线，液相线。

● （ 1 ）双变面：在液相区，自由度 F ＝ C － P ＋ 1 ＝ 2 － 1 ＋ 1 ＝ 2 ，即温度与组成可以任意改变。因此，也叫双变量区或双变面。

● （ 2 ）单变线：固、液两相处于平衡状态， F ＝ 2 － 2 ＋ 1 ＝ 1 ，即温度与组成只有一个可以独立改变，而另一个只能随之作相应的改变，才能维持固、液两相平衡。因此，也叫单变平衡曲线或单变线。

● （ 3 ）杠杆原理

2 、结晶过程

● （ 1 ）平衡结晶过程

● （ 2 ）分离结晶作用：分离结晶作用的影响表现为：

a. 延长结晶作用的过程；

b. 残余液相中更加富钠（ Ab ）；

c. 降低结晶作用的终结温度。

3 、熔融作用

在熔融过程的某一个温度上，熔浆的组分比较富钠（ Ab ），而难熔的固相残余物比较富 An ，温度越高，熔浆中越富 An 。因此，固相组分越富 An ，起始熔融的温度越高。

4 、

水

压

对

相

图

的

影

响

5 、岩石学意义

● （ 1 ）富钠组分的熔浆可以通过两种方式形成，一是比较富 An 矿物集合体的部分熔融；二是比较富 An 组分熔浆的分离结晶作用。

● （ 2 ）环带结构的形成

① 水压的影响：正环带（不平衡结晶）；反环带（水压增大）；韵律环带（水压波动）。

② 岩浆的冷却速度和过冷度也是形成环带的重要因素。

a. 非常缓慢冷却－无环带；

b. 较快速冷却－正环带；

c.快速冷却，由于大量固相的晶出放出较多的相变焓，致使岩浆温度回升－形成反环带；

d.极快速冷却－无环带。

二、 Or － Ab 系统 1 、相图特点

●(1)Af碱性长石区

●(2)Orss 固熔体＋ Abss 固熔体共存区，固熔体分离曲线（不混熔曲线）

●(3)Or 具有不一致熔融性质：即首先晶出另一种矿物，然后晶出矿物与熔浆反应再生成该矿物，如在靠近 Or 一端，随温度下降首先晶出白榴石（ Lc ），然后 Lc 与熔浆反应再生成 Or ●(4) 最低点 M ： M 点是固相线与液相线的交点，它将相图分为两个部分，这两个部分各自与 Ab-An 系统类似。在 M 点处是两相平衡（液相＋ Af碱性长石）。有的文献中把最低点 M 作为结晶作用终结时的温度和组成，或者被描述成起始熔浆的组成一定为最低点的组成，这是错误的。 M 点两旁的两个部分与 Ab-An 系统一样，结晶作用进行时，固相与液相的组成均向着M 点的方向变化，但液相组成不一定都终结于 M 点，通常情况下，在没有达到M 点时，结晶作用就终止了

2 、结晶过程

3 、水压的影响：随 PH2O 加大

●(1) Lc 结晶区大大缩小，当 PH2O>2.5Kb 时， Lc 结晶区消失， Or 变为一致熔融性质。因此，深成岩中不出现 Lc

●(2) 液相线和固相线温度大大降低， M 点向 Ab 一端移动

●(3)PH2O 对不混熔线影响小， PH2O升高，曲线略有上升

●(4)当 PH2O>3.6Kb 时，固相线与不混熔曲线相交切，系统由“具最低点的固熔体体系”转变为“具共结点的固熔体体系” ,“ 最低点 M”转变为“共结点 E” ，共结点 E 为三相共存（液相＋ Orss ＋ Abss ），为不变平衡

4 、熔融作用

●(1)PH2O<3.6Kb ，为具最低点的固熔体体系，熔融过程与 Ab － An 体系相同

●(2)PH2O>3.6Kb后，为具共结点的固熔体体系，其熔融过程不一样，以上图为例，凡是组成点位于 MN 之间的岩石，其起始熔融的温度是一定的，即达 TE 时起熔，起始熔浆的组成也是固定的，即相当于共结点 E 的组成

●(3) 而成分点位于 AbM’ 和 N’Or 之间的碱性长石集合体，其熔融过程与 Ab － An 体系类似

5 、岩石学意义

在喷出与浅成条件下形成的碱性长石温度高，常常只有一种碱性长石存在；而在深成条件下碱性长石形成的温度低，常常有富 Or 与富 Ab 两种碱性长石共生

三、 Di － An （透辉石－钙长石）系统 该系统相当于简化的基性岩浆（玄武质岩浆体系）。

1 、相图特点：

● （ 1 ）分区： L ； Di+L; An+L; Di+An

● （ 2 ）共结点：三相共存， F ＝ 2 － 3 ＋ 1 ＝ 0 ； 为不变点，温度与组成都不能变，直到结晶结束，熔浆耗尽。

● （ 3 ）共结比： 58 : 42 ＝ Di : An

2 、结晶过程：

● （ 1 ） X1 点→辉长结构

● （ 2 ） X2 点→煌斑结构

● （ 1 ） X3 点→辉绿结构－间粒结构－间粒间隐结构－间隐结构

3 、熔融过程：

4 、水压的影响：

水压升高，液相线温度降低，共结点向 An 方向移动。

5 、岩石学意义：

● （ 1 ）假设 PH2O ＝ 1～ 2kb ，相当于 6～ 7km 的中深成相，其共结比为 Di : An ≈ 50 : 50 ，玄武质岩浆的成分大体与此类似，如 X 点。因此，侵入条件下：辉长结构；喷出条件下：辉绿、间粒、间隐等。从而可以解释基性深成岩与喷出岩尽管成分相似，但结构不同。

● （ 2 ）中深成条件下， PH2O发生脉动式波动，则其共结比变化于 40～60 之间，对于 An=50% 的辉长岩来说，将造成一时 Py 大量晶出，一时 An 大量晶出，形成典型的韵律式层理。

● （ 3 ）在结晶过程中，如果 PH2O 增加，则液相线下降→已晶出 Py 、 Pl熔蚀；若 PH2O 下降，则液相线上升，导致结晶作用加速进行。

● （ 4 ）即使是含暗色矿物大于 90％的超镁铁质岩，开始熔融时，首先熔融出的应是低共熔成分熔浆→玄武岩浆。只有熔融程度很高时，才能形成超镁铁质熔浆。

四、 Di － Ab （透辉石－钠长石）系统 该系统相当于简化的花岗岩（酸性岩浆）－流纹质岩浆体系。

1 、相图特点：

● （ 1 ）分区： L ； Di+L; Ab+L; Di+Ab

● （ 2 ）共结点：三相共存， F ＝ 2 － 3 ＋ 1 ＝ 0 ； 为不变点，温度与组成都不能变，直到结晶结束，熔浆耗尽。

● （ 3 ）共结比： 4 : 96 ＝ Di : Ab

2 、结晶过程：

● （ 1 ） X1 点

● （ 2 ） X2 点

● （ 1 ） X3 点

3 、熔融过程：

4 、岩石学意义：

● （ 1 ） E 点的位置解释了为什么酸性岩中暗色矿物量虽少，但常结晶较早，自形较好。

● （ 2 ）酸性岩中暗色矿物少，并且暗色矿物与浅色矿物有一定比例，色率 <10％。

● （ 3 ）大陆地壳升温熔融，首先熔出的应是花岗岩浆，因为花岗岩浆基本符合共结比，所以花岗岩分布于大陆地壳上。

● （ 4 ）细碧岩的非岩浆成因说：细碧岩由钠长石＋绿泥石＋绿帘石等组成，常具间片结构， Ab 自形程度高，它的粒间充填有绿泥石、绿帘石、辉石等。说明 Ab 首先结晶，细碧岩中 Di 、 Ab各占一半，说明 Ab 不是直接从岩浆中结晶出来的。

五、 Lc － SiO2 （白榴石－石英）系统 该系统相当于简化的碱性岩浆体系，属典型的二元近结系。

1 、相图特点：

● （ 1 ）分区： Lc+L ； L; Cr+L; Tr+L; Lc+Or; Or+L; Or+Tr

● （ 2 ）共结点 E ：三相共存， F ＝ 2 － 3 ＋ 1 ＝ 0 ； 为不变点，温度与组成都不能变，直到结晶结束，熔浆耗尽。

● （ 3 ）近结点 R ：也叫转熔点或分解熔融点。它是指体系中两端元组分之间，能形成分解熔融化合物，也叫不稳定化合物。这种化合物没有真正的熔点，而是在分解熔融点（近结点）分解为液相和另一种化合物，而且分解出来的液相和固相组成不一致。

KAlSi2O6 (Lc) + SiO2 KAlSi3O8 (Or)

2 、结晶过程：

● （ 1 ） X1 点、 X2 点、 X3 点、 X4 点、 X5 点、 X6 点、 X7 点

● （ 2 ） X1 点的结晶作用→最终产物为 Lc+Or

● （ 3 ） X2 点的结晶作用→最终产物为 Or

● （ 4 ） X3 点的结晶作用→最终产物为 Or+Q

3 、熔融过程：

● （ 1 ） Lc～ Or 之间的成分点（包括 Or 点），应在 R 点起熔

● （ 2 ） Or～ SiO2 之间的成分点，应在 E 点起熔

4 、岩石学意义：

如果发生分离结晶作用，则可产生几个重要结果：

● （ 1 ） SiO2 不饱合的岩浆可以产生 SiO2轻度过饱合的岩浆。

● （ 2 ）分离结晶作用将使岩浆结晶作用终止的温度降低。

● （ 3 ）带 Or 反应边的 Lc斑晶可与 SiO2轻度过饱合的基质或含石英的基质共生。

● （ 4 ）在高于近结点温度时， SiO2轻度过饱合的岩浆，突然快速结晶，则无反应边的 Lc 可与 SiO2轻度过饱合的基质共生。

六、 Ne － SiO2 （霞石－石英）系统 该系统是带有一致熔融化合物（ Ab ）的二元共结系。它可以看作由两个二元系（ Ne － Ab, Ab － Q ）联合而成，它们之间存在反应关系：

NaAlSi2O4 + 2SiO2 NaAlSi3O8

(Ne) (L) (Ab)

1 、相图特点：

● （ 1 ）分区： Cag(三斜霞石 ) ； Cag+Ne; Ne; Cag+L; Ne+L; L; Ab+L ； Cr+L; Tr+L; Ab+Tr

● （ 2 ）共结点 E1 ， E2 ；近结点 R

● （ 3 ）热坝（热堤）， Mab 为热堤。

2 、结晶过程：

X 点的结晶作用：随温度下降，达 1 点时，开始晶出三斜霞石（ Cag ）， Cag 不断晶出，液相成分沿 12 变化。达 2 点时，开始晶出 Ne ，为三相共存的不变平衡， Cag将转变为 Ne ，直到 Cag全部消失。温度继续下降， Ne 不断晶出，液相成分沿 2E1 变化，固相成分 Ne沿 2”3 变化，达E1 点时， Ne 和 Ab 同时晶出，为三相不变平衡，直到液相耗尽，结晶结束。温度进一步下降， Ne沿 34 变化。

3 、熔融过程：

● （ 1 ） Ne～W 之间的成分点（包括W 点），应在 R 点起熔

● （ 2 ） W～ Ab 之间的成分点，应在 E1 点起熔

● （ 3 ） Ab～ Tr 之间的成分点，应在 E2 点起熔

4 、岩石学意义：

● （ 1 ） Ne 不能与 Q 共生，不能从 SiO2饱合的岩浆中首先晶出。也不能与 SiO2饱合的岩浆共生。出现 Ne 是岩浆 SiO2 不饱合的标志之一。

● （ 2 ） SiO2 不饱合的岩浆的结晶分离作用不能产生出 SiO2饱合的岩浆。

● （ 3 ）由于 E1靠近 Ab ，所以强碱性岩中 Ne 常呈斑晶或结晶早于Ab 。

● （ 4 ）对于含 Lc 的钾质强碱性岩系列来说，其成员中可以包括 SiO2轻度过饱合的岩石；而对于有 Ne 的钠质强碱性岩系列来说，是不能包括有 SiO2饱合的岩石的。

七、 Fo － Fa （镁橄榄石－铁橄榄石）系统 该系统是一个连续固溶体系列。与 Ab － An 系统相似。 Fa 是低温的端元组成，早期晶出的 Ol 是富 Fo 的，即富 Mg 的，正常的环带从中心到边缘逐渐富 Fa ，即富 Fe 。分离结晶作用将导致残余岩浆富 Fe 。

八、 Fo － Q （镁橄榄石－石英）系统

1 、相图特点：

● （ 1 ）这是二元近结系，与 Lc － SiO2 系统相似。

● （ 2 ） En 为不一致熔融产物，其反应式为： Fo + Q = 2En

● （ 3 ） R 为近结点， E 为共结点。结晶作用过程可以参照 Lc － SiO

2 系统进行分析。

2 、岩石学意义：

● （ 1 ） Fo 与 Q 不能平衡共生，当岩石中见到 Fo 与 Q 共存时， Fo周围必有 En 反应边。

● （ 2 ） Fo 可以在 SiO2轻微过饱和的岩浆中首先晶出；若快速结晶，Fo斑晶可以与 SiO2轻度过饱和的基质共生。

● （ 3 ）只根据 Fo斑晶的出现是不能判断岩浆 SiO2饱和程度的。

● （ 4 ）在分离结晶的条件下，从一个 SiO2 不饱合的岩浆可以演化出SiO2饱和或轻微过饱和的岩浆来。

九、 Fa － Q（铁橄榄石－石英）系统

这是一个二元共结系，它与 Fo － Q 系统完全不同，没有相当于 En的中间化合物， Fa 与 Q可以平衡共生。自然界流纹岩中发现过 Fa 与 Q的斑晶共生，富 Fe 的基性岩中也发现过 Fa 与 Q的共生。

八、典型三元相系的解析

（一） Di－ Ab － An 系统

●1 、相图特点

a.Di － Ab 、 Di － An 为二元低共熔系， Ab － An 为斜长石固溶体系。

b. 相图中包括透辉石（ Di ）与斜长石（ Pl ）两个初晶面，它们的交线为低共熔线 E1E2 。

c. 由于 Pl 为固溶体，在晶出过程中随温度之下降而不断改变其组成，因此，为区别于一般的低共熔线而称作同结线。

●2 、结晶过程

a. 原始熔浆成分点 P （位于透辉石初晶区）

当温度下降到 Di初晶面上时， Di 首先晶出。连接 Di 与 P 点，并延长之，与 e1e2 相交于 P1 点，随着温度的下降，不断晶出 Di ，而熔浆成分则沿PP1 线向 P1 点变化，当到达 P1 点时， Pl开始晶出，此时晶出的斜长石组成相当于 Ab － An 二元系展开图上的 P1 点。

温度继续下降，液相组成沿同结线 e2e1向 e1 方向变化， Di 与 Pl 同时晶出，当到达 P2 点时，液相中所含 Ab 与 An 的量比相当于 P2” 点，而晶出的斜长石固溶体的组成则相当于 P2’ 点。

温度继续下降，液相组成变化到 P3 （所含的 Ab 与 An 的量相当于 P3“ ），晶出的斜长石组成相当于 P3‘ 点 , 即与原始熔浆成分中所含 Ab 与 An 的量相一致。此时， P 点位于相三角形△ P3P3’Di 的 P3’Di边上，说明液相至此已全部耗尽，结晶结束。

b. 原始熔浆成分点 N （位于斜长石初晶区）

当温度下降到 Pl初晶面上时， Pl 首先晶出。

温度继续下降，斜长石不断晶出，当液相中所含 Ab 与 An 之组成为 N1” 点时，晶出的斜长石成分变化到 N1’ ，连接 N1‘’ 与 N 点并延长之，与 DiN1”连线相交于 N1 点， N1 点就是此时的液相组成点。

随着斜长石的不断晶出，液相中所含 Ab 与 An 之组成变化到 N2” 点时，晶出的斜长石成分变化到 N2’ 点，连接 N2‘’ 与 N 点并延长之，与 DiN2”连线相交于同结线上的 N2 点， N2 点就是此时的液相组成点。

从 N2 点开始，沿同结线 Di 与 Pl 同时晶出，当液相组成到达 N3 点时，则熔浆耗尽，结晶结束。

3 、岩石学意义：

● （ 1 ）该体系可看着简化的辉长岩类－闪长岩类岩石系列。

SiO2 = 50 的线大致相当于辉长岩类， 55 线相当于闪长岩类， 60线相当于石英闪长岩类， 65 线相当于花岗闪长岩类。

若 Di代表暗色矿物， Pl代表浅色矿物，按一般规律，上述岩石的色率分别为：基性岩 40 － 70％，中性岩 30 － 40％，酸性岩 10％。

因此，上述岩石的成分点大体集中在 e1e2 同结线附近，具近低共熔熔浆的特征。

从而解释了自然界中基性岩→中性岩→酸性岩的共生规律，及岩浆演化规律。

● （ 2 ）据图可推测：相当于橄榄岩的上地幔部分熔融，可产生玄武质岩浆；

相当于辉长岩的下地壳部分熔融，可产生出安山质岩浆；

相当于闪长岩的地壳部分熔融，可产生花岗岩质岩浆。

● （ 3 ）从酸性岩中是不能产生基性岩浆的。

一般来说，玄武岩浆不能导源于地壳；

上地幔岩石的部分熔融不能产生中酸性成分的岩浆。