地球系统科学中的岩浆岩岩石学研究进展
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发布时间：2022-05-07 17:44
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时间：2022-06-30 22:15
莫宣学
岩浆是在地下形成的含挥发分的高温黏稠的硅酸盐（少数为碳酸盐）熔融体，由岩浆凝固而成的岩石称为岩浆岩或火成岩。岩浆岩岩石学是地球物质科学中以岩浆和岩浆岩为研究对象的分支，对于阐明地球动力学问题，满足人类对利用资源、保护环境、减轻灾害的需求，有着重要的意义。
1 两个基本趋势
1.1 地球系统科学的思想是现代地球科学的核心
地球科学的学科体系，正在朝着地球系统科学的方向进行着深刻的改造。也就是说，要把地球的各圈层当作相互关联的不可分割的整体，把地球当作一个统一的大系统，地球科学不仅要研究不同圈层各自的性质与特征，更要研究各圈层之间的相互关系和相互作用。“地球整体性”的观点及“各层圈间相互作用”的观点，是地球系统科学两个最基本的观点。它正逐渐成为贯穿岩石学学科的红线。岩石学研究更加贴近地球动力学（特别是*动力学）及全球变化两大主题。近10年来，岩浆岩石学的许多前沿方向，都是在这一总趋势中产生的。也只有符合这个总趋势，岩浆岩岩石学才能得到更加迅速的发展。
1.2 岩石学已经成为新兴的地球物质科学的组成部分
现代地球科学已经发展到了这样的高度和深度：提出了阐明地球内部性质及动力学（其中包括控制地壳和地表物质迁移和分布的基本过程）的重大任务。地球物质研究在这个使命中的重要性，正在日益凸现。人们越来越深刻地认识到地球物质的物理、化学性质控制了上述过程，地球物质的研究对于解决许多重大地球科学问题，进一步了解地球及其动力学至关重要。人们还认识到，在地球科学面临越来越繁重的任务的今天，任何一门分支学科都不可能单独地承担起认识地球、开发资源、改善环境、减轻灾害的巨大任务。只有实现各学科的交叉渗透和科技协作，才能解决重大地学问题。在这种形势下，于上世纪末到本世纪初产生了以阐明地球内部性质及动力学为目标的新型交叉学科——地球物质科学。现在，研究地球物质的各分支学科，矿物学、岩石学、矿床学、地球化学，正在地球物质科学的学科系统中进行着交叉、渗透、改造和创新，以提高自己参与解决地学重大问题的能力。当前，深部地球物质运动及其与浅表物质运动的互馈作用、不同层圈之间物质与能量的交换与调整、极端条件下岩石矿物的特点与成因以及成矿规律等的研究，受到了格外重视。许多我国特有的地学优势地域，成为地球物质科学的主要研究基地。尽管在不同的时期，会产生不同的具体前沿课题，但决不会离开上述两个基本趋势，这是必须牢牢把握的。
2 岩浆岩（火成岩）是探（窥）测地球深部的“探针”和“窗口”
岩浆主要来源于地壳或上地幔的部分熔融，但还有些岩浆类型与下地幔、甚至核-幔边界产生的地幔柱（Plume）有关。岩浆作用实质上是地球各层圈之间，特别是壳-幔之间、岩石圈-软流圈之间相互作用的结果。岩浆是地球各层圈之间物质和能量交换的重要载体。如果能够通过对火成岩及其所携带的深源岩石包体的正、反演研究，弄清岩浆源区的特点和岩浆起源演化过程中的各种物理化学条件，并把它们放到区域构造演化的时空格架中加以分析，那就可以获得许多重要的地球动力学参量，如地幔或地壳源区的物质组成、热状态、氧化还原状态、流体活动、流变学特点以及软流圈顶面的埋深（即岩石圈厚度）、温度和熔体数量等，从而为建立地壳-上地幔的岩石柱状剖面，划分地幔、地壳的地球化学省，恢复岩石圈演化历史提供重要的依据。因此，岩浆岩及其所携带的深源岩石包体被当之无愧地称作探测地球深部的“探针”（lithoprobe）和“窗口”（window）。它们提供的探测深度，比现今世界上任何深钻都要深得多。不仅如此，它们的时间坐标，为人们研究地球深部的演化过程提供了可能。“岩石探针”方法与地质、地球物理、高温高压实验的有机地结合，将会把我国深部地质与深部地球物理的研究推上新的高度。
3 岩浆岩（火成岩）不仅是探测地球深部的“探针”和“窗口”，而且是板块运动过程与大地构造事件的记录
通过火成岩的研究，可以恢复古板块构造格局，追溯大地构造演化历史。为了研究岩浆作用与板块运动和大地构造的关系，人们提出了岩石构造组合、构造岩浆类型等概念。按Dickinson（1971）的定义，岩石构造组合（petrotectonic assemblage）是指表示板块边界或特定的板块内部环境特征的岩石组合。岩石构造组合分析是恢复古板块构造格局和历史的基本手段。
不同学者提出了划分火成岩岩石构造组合的不同方案。Carmichael等（1974）将火成岩划分为大洋盆地玄武岩组合、*拉斑玄武岩省及*深源镁铁质岩浆组合。该分类虽然也联系了构造环境，但更强调火成岩的自然组合。Condie（1997）以构造环境为主线划分出五种岩石构造组合：大洋组合、消减带相关组合、克拉通裂谷组合、克拉通组合和碰撞相关组合。类似地，Hyndman（1985）提出了五种岩石构造组合：大洋扩张脊组合、*裂谷组合、洋-陆会聚边缘组合、陆-陆碰撞带组合和板内组合。最近，由于*动力学研究的深入和需求，对后碰撞（post-collisional）岩石构造组合的研究受到了特别的重视，并取得了前所未有的重要进展。在国内文献中出现的“构造-岩浆类型”，与火成岩岩石构造组合基本上是同义的，被定义为在一定构造环境下所产生的具有共同的岩石化学、地球化学特征的一种或几种火山岩组合或（和）侵入岩组合的总称。
火成岩-构造组合或构造-岩浆类型体现了构造环境与岩浆作用之间的内在联系。不同的构造环境具有不同的动力学条件、不同的岩浆源区特征和不同的热状态，影响着岩浆的起源和演化机制，因而对火成岩组合和化学特征具有制约作用，形成不同的火成岩-构造组合或构造-岩浆类型，进而又影响和制约着内生成矿作用，构成一个统一的构造-岩浆成矿动力学体系。因此，正确鉴别火成岩-构造组合或构造-岩浆类型是火成岩研究中的一个基本任务，对大地构造和区域成矿的研究有重要的意义。
然而值得注意的是，由于构造作用和岩浆作用的复杂性，火成岩的特点和构造环境之间的对应关系也会出现复杂的情况。在同一构造环境中产生多种火成岩组合的情况是常见的，而在不同构造环境中出现具类似特点的火成岩组合的情况也不乏其例。因此，必须把火成岩-构造组合（或构造-岩浆类型）与其他（沉积的、变质的）岩石构造组合结合起来，进行综合的、全面的岩石构造组合分析，才能得到比较正确的认识。
4 岩浆岩的成因
对岩浆岩成因，即岩浆起源及演化机制的研究，是揭示岩浆作用与构造运动、深部过程之间内在联系的关键环节。使人们不但知其然，而且知其所以然。因此，它始终是岩浆岩石学研究的主要前沿方向之一。自然界为什么会形成如此多样的岩浆岩？主要取决于两种基本作用过程：岩浆的起源、岩浆的演化。
4.1 岩浆的起源
岩浆的起源是指在一定的温、压条件下地壳或上地幔发生部分熔融，产生原生岩浆的作用过程。导致固体地幔或地壳发生部分熔融的原因有：由于软流圈上隆、地幔柱上升、或板块俯冲消减引起地温异常，超过源岩的固相线温度（即起始熔融温度）；由于挥发分的加入使源岩的固相线温度降低；由于地幔对流、岩石圈拆沉、去根作用等诱发的减压熔融。在某些特定条件下，增加压力也可引起部分熔融。影响原生岩浆类型和成分的主要因素有：源岩及源区的性质和组成、起源温度与熔融程度、起源压力与深度、挥发分的类型及含量等。可以通过热力学计算、相平衡实验及相分析、同位素示踪来获取这些与地球动力学有关的重要参数。在这些因素中，源岩及源区的性质是决定原生岩浆类型的第一重要因素，又与构造环境有密切的关系。有三大岩浆源区：地幔、陆壳及俯冲洋壳。从同位素地球化学的角度看，地幔中包含着DM、PREM、EM1、EM2、HIMU等地球化学端元（或称地球化学储源，reservoir）。幔源岩浆多数起源于岩石圈与软流圈的界限附近，可以通过计算岩浆起源深度，结合地球物理资料，来限定岩石圈的厚度，勾画岩石圈/软流圈界面的起伏。壳源岩浆可以发生在陆壳（包括正常厚度地壳、加厚地壳、减薄地壳）的各个层位。俯冲带岩浆可以起源于俯冲洋壳的部分熔融，也可源于地幔楔的部分熔融。不同的源区会产生不同的原生岩浆类型。除源区之外，起源温度与熔融程度、起源深度与压力、挥发分等因素，对原生岩浆的成分和数量也有重要影响，均应逐一加以研究。
4.2 岩浆的演化
岩浆的演化是指原生岩浆通过各种作用衍生为多种多样的进化岩浆及岩浆岩的过程。岩浆演化机制主要有岩浆分异作用、同化混染作用、岩浆混合作用。岩浆分异作用又可分为结晶分异作用（又称分离结晶作用）、扩散作用、液态不混溶作用、气运作用、压滤扩容作用等。在一个地区，由共同的母岩浆演化而成的子岩浆（派生岩浆）称为同源岩浆。同源岩浆可以在一个区域内形成具有亲缘关系的一套岩浆岩等级体系。然而，由于岩浆体系通常是开放体系，因此同化混染作用、岩浆混合作用也是常见的，它们是壳-幔之间或地壳内部不同层之间物质和能量交换的一种重要形式，不可忽视。可以应用岩浆岩及其中矿物的主元素、稀土元素、微量元素、同位素分析资料，通过热力学模型、质量平衡计算及相平衡分析，来恢复岩浆演化路线，获得不同矿物相晶出时的温度、压力、氧逸度及数量，计算混合岩浆或混染岩浆中不同端元的比例。
4.3 岩浆过程的物理作用
此问题过去是岩浆岩石学研究的薄弱环节，近年来取得了许多重要进展。其主要内容，是研究岩浆从源区到地表的运动规律，包括熔体与源区分离并聚集成岩浆团的机制、岩浆的上升与传输、岩浆房内作用、岩浆侵位、岩浆喷发等。对岩浆过程的物理作用的研究，直接涉及岩浆的运动学与动力学，进而涉及一些地球动力学问题，因而有重要意义。流体力学是研究岩浆运动的理论基础。
5 岩浆作用与岩浆岩对人类生活的影响
生产力发展和社会进步的需求是推动学科发展的基本动力。研究地球的过去、现在和将来的地球科学，归根到底，是为了服务于人类社会对于利用资源、改善环境、减轻灾害的需求。岩浆岩岩石学毫无疑问也是如此。
5.1 金属与非金属矿产与岩浆岩关系密切
许多矿产直接产在特定的岩浆岩母岩中，如铬铁矿床、铜-镍矿床、铂族元素矿床、金刚石及其他一些宝玉石矿床等。很多岩浆岩或其蚀变产物本身就是重要的非金属材料。绝大多数热液矿床都直接或间接地与岩浆活动有关。因为岩浆活动推动壳-幔间物质和能量的交换，参与成矿流体的形成，驱动流体的循环，促进各圈层物质与能量的再分配，从而有利于有用元素的活化、萃取、迁移与富集。一个大的岩浆旋回的晚期，往往是极有利于成矿的时期。这已为大量事实所证明。
5.2 岩浆岩研究对石油、天然气的寻找也有重要作用
岩浆岩的研究有助于阐明油气盆地的地球动力学背景，估算盆地的扩张系数。岩浆活动对油气田成熟度有重要影响。岩浆岩尤其火山岩，本身也是一种重要的储层类型。白垩纪发生的与超级地幔柱有关的全球巨量火山喷发（“大火成省事件”），造成全球性黑色页岩缺氧事件，成为重要的油气形成时期。
5.3 岩浆岩与水资源、土壤资源也有密切关系（略）
5.4 岩浆活动带来的环境与灾害问题
火山喷发向大气和海洋放出大量有害气体、烟尘、各种不同粒级的碎屑物及热量，对大气圈、水圈造成污染，影响海平面升降及海水温度，影响气候和生态。特别是巨大规模的、喷发柱达到平流层的火山爆发，对气候和生态的影响更是难以估量。巨大规模的火山喷发事件，被认为是生物群集绝灭的一个重要原因。在活火山集中的国家和地区，火山灾害对人类安全造成巨大威胁。对活火山及休眠火山进行监测，研究火山活动的规律，包括研究古火山对古环境的影响及古火山灾害发生的规律，对人类改善环境、减轻灾害非常重要。
6 岩石学（含岩浆岩石学）的学科特点与发展现状
岩石学是一门研究地球物质组成的学科，它是以观察和实验为基础的。这里讲的“观察”，包括仔细的野外地质观察和室内通过显微镜及各种分析测试手段对岩石及其组成矿物的物理和化学性质的细致研究。任何时候，都不要忽视获得尽可能准确、全面的野外与室内第一手资料。它是一切理论的基础。另一方面，理论的概括与飞跃，在岩石学研究中也非常重要。感性认识只能感知事物的外部联系（现象），理性认识才能揭示事物的内部联系（本质）。这是形成正确认识的两个相互联系、不可分割又不能相互代替的阶段。具有百年以上历史的岩石学，作为一门学科来说，早已越过了过去的单纯描述阶段，正在通过理论与实践的结合，逐步实现向理性认识阶段的飞跃。在此过程中，除了现代技术（现代分析测试技术、实验技术、空间技术）的推动外，不断发展中的化学、物理、数学、力学等基础学科理论向岩石学的渗透及由此产生的许多边缘学科与横断学科，起着极其重要的作用。
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