第三章 火成岩结构成因分析 一、岩石的粒度与过冷却程度 过冷却温度：△T =TA - TB

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1 第三章 火成岩结构成因分析 一、岩石的粒度与过冷却程度 过冷却温度：△T =TA - TB
第三章 火成岩结构成因分析 一、岩石的粒度与过冷却程度 岩浆在冷却到所含矿物的结晶温度时并不结晶，而是在过冷却的条件下，即是在低于其结晶温度的条件下结晶的。 过冷却温度：△T =TA - TB TA －液相转变为固相的理论温度 TB－晶体析出时岩浆所处的实际温度 岩石粒度的粗细，主要与岩浆的过冷却程度、晶体生长速率、成核速率及岩浆的成分、粘度有关。如果冷却缓慢，过冷度小，有充分的时间结晶，则结晶好；反之，则结晶不好，或形成玻璃。

2 一、岩石的粒度与过冷却程度 分析： 晶体的形成主要与其成核速率和生长速率有关，成核速率和生长速率曲线并不吻合（图示）。
1、轻度冷却时（ △T ＝10～40℃）:成核速率低、生长速率高，围绕少数结晶中心生长出较大的晶体。代表地下深部岩浆冷却缓慢的结晶的环境，形成中－粗粒结构的岩石。

3 一、岩石的粒度与过冷却程度 分析： 2、过冷却程度较大时(△T ＝40～90℃)：成核速率大，出现大量结晶中心，但生长速率降低，生成较细粒－隐晶质的晶体。代表地壳浅部、近地表或地壳深部在岩浆房边缘与围岩接触，冷却较快的环境下结晶的岩石。

4 一、岩石的粒度与过冷却程度 分析： 3、过冷却程度较强（ △T >90℃）时：成核速率很低，生长速率也很低，生成过冷却的液体－－玻璃质或半晶质、隐晶质，代表地表环境或很近地表环境下快速冷却结晶的岩石。

5 第三章 火成岩结构成因分析 二、相体系及其对火成岩结构成因的解释 热动力学概述 相平衡和相律 一元系－SiO2体系 二元固溶体系 二元共结系

6 1、热动力学概述 （1）体系与环境：用热力学方法研究某一课题时，首先要确定研究的对象和范围，为此，人为地将所研究的某一部分物体同周围物质分割开来，作为研究的对象，即称为“体系”或“系统”；而体系以外周围邻近的有限部分物质称为环境。也就是说体系是以研究为目的而从整体中孤立出来的任何一部分，如岩浆房。体系可进一步分成封闭体系（体系与环境之间没有物质交换，可有能量传递）和开放体系（体系与环境之间既有物质交换，又有能量传递） 。 （2）平衡：就是以其最低能量状态同外界条件相一致的体系，也就是说平衡是研究体系内处于最小能量条件的状态，它没有自发地发生变化的趋势。 体系内是否稳定，或者说体系内是否平衡，均与体系内的能量（变化）有关。一个自然体系总是趋于能量最低状态。

7 能量状态 （ Energy States ） 不稳定态: 落下或 滚落 稳定态: 在最低能量状态 下静止 亚稳定态: 在低能量状态 下停止
不稳定的 稳定态: 在最低能量状态 下静止 亚稳定的 亚稳定态: 在低能量状态 下停止 可能的能量 障碍物 稳定的

8 2、相平衡和相律 （1）相：是体系中物理性质、化学性质和组成都均匀的部分，并可用机械方法将其同其它部分分开的任何部分。如一个岩浆体系中的固相、液相和气相。 （2）相图：是相平衡图解，是表达相律的几何形式，即是以图解的形式描述体系内组分、相和自由度在不同条件下的共生关系和变化反应的特点。通常采用P、T和浓度来描述体系的条件，有T-X图、P-X图、P-T图，等等 （3）相律：是表示物理化学系统中各相间平衡关系的基本规律，它表示了平衡体系中自由度（f）、相数（P）和独立组分数（C）之间的关系。 f = C p

9 相律（The Phase Rule） f = C + 2 -p
f =自由度是指体系中的可变因素，如温度、压力或浓度的数目，这些因素在一定范围内任意改变，不引起相的改变。例如：H2O p = 相数（phases are mechanically separable constituents） C =独立组分数是指能足以构成平衡体系中各相所需要的最少组分的数目。按照独立组分数目的多少将体系划分成“一元系”、 “二元系”、 “三元系”等。 = 指影响体系平衡的外界可变因素，如环境的温度、压力。 （Usually = temperature and pressure for us geologists）

10 岩浆房中的情况－封闭体系 相律：f = C + 1 – p（影响体系的外界因素只有温度-1） 岩浆中的独立组分数（岩浆成分） ：
SiO2, Al2O3－构成硅氧四面体 FeO, MgO, MnO－类质同象 Na2O, K2O －类质同象 CaO 结论：同一种岩浆结晶形成的火成岩中，除副矿物外，最终出现的平衡共生的矿物相数应不多于5种。

11 3、单组分体系 1. The system SiO2 斯石英 a －三相共生 （p=3，c=1） 柯石英
方英石 鳞石英 3、单组分体系 1. The system SiO2 a －三相共生 （p=3，c=1） f=c+2-p=0，此时，a点是无变度点。除非引起一个或两个相的消失，否则其P-T都不可能发生变化. b －两相共生 （p=2，c=1） f=c+2-p=1，此时，b点是有一个变度的点。 a 液相 b

12 4、二元固溶体体系（An－Ab） Plagioclase (Ab-An, NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8) （1）相图组成特点
斜长石环带结构－－成因解释 （1）相图组成特点 常压下（P=105Pa），An熔点＝1553℃，Ab熔点＝1118℃，二者以任意比例混合组成中间成分的斜长石。液相线是熔浆开始结晶或固相全熔的曲线，固相线是固相开始熔融或熔浆全部结晶的曲线。曲线上的f=1，为单变平衡线。二曲线之间是固相与液相平衡共存的区域。 熔体 斜长石

13 （2）成分a的结晶过程 平衡结晶和分离结晶 ①平衡结晶过程 Bulk composition a = An60
= 60 g An + 40 g Ab XAn = 60/(60+40) = 0.60 b点：熔体开始结晶斜长石 An = 0.87 (point c) f= 1 此时，相数p=2 c=2 温度-1 d点： 在 1450℃, 熔体 d 和斜长石 f 平衡共存熔体和固体的比例按杠杆原理确定。 g点：在 1340℃, 熔体 g 全部结晶，最后形成的固体为h，其成分与原始液相a一致

14 杠杆原理(The lever principle):
液体数量 ef = 固体数量 de d = 液体成分， f = 固体成分 e = 全岩成分 D f d e de ef liquidus solidus

15 注意以下几点： 熔体结晶的温度范围：135℃（ ℃ ） 熔体成分的变化从 b 到 g 固体成分的变化从c 到 h 最终形成的斜长石是i XplAn = 0.60

16 斜长石的环带结构

17 ②分离结晶（Fractional crystallization）:
特点：结晶出的晶体与残余的岩浆发生分离，任一温度时，由于晶体的移出，使结晶矿物的成分等于熔体成分。理论上讲，最后一滴熔体成分应为1118℃点，即结晶出Ab。但实际上自然界当中是不存在这样情况的，最终结晶结束的点接近1118℃点。主要是因为所结晶出的斜长石不能理想化的立刻与熔浆分离，会存在一定的反应关系后再分离。

18 4、水压对相图的影响 ③水压变化对 相图的影响

19 －－斜长石反环带结构和韵律环带结构的成因
4、水压对相图的影响 ③水压变化对相图的影响 －－斜长石反环带结构和韵律环带结构的成因 水压变化时斜长石环带的形成

20 ③水压变化对 相图的影响 －－斜长石反环带结构和韵律环带结构的成因

21 （3）熔融过程 ①平衡熔融过程：平衡部分熔融的情况是平衡结晶过程的反过程 升温最初的熔体成分是g (在 An20 and 1340oC)
继续升温：熔体和斜长石的成分连续变化 最终熔融的斜长石的成分是 c (An87) at 1475oC， 而熔体成分是b

22 ②分离熔融：可熔出不同成分的斜长石液相 Remove first melt as forms Melt Xbulk = first liquid = g

23 5、二元共结系[透辉石 (CaMgSi2O8)－钙长石 (CaAl2Si2O8) ]
二、相体系及其对火成岩结构成因的解释 5、二元共结系[透辉石 (CaMgSi2O8)－钙长石 (CaAl2Si2O8) ] （1）相图组成特点：P恒定－常压下（P=105Pa），An熔点＝1553℃，Di熔点＝1391℃；AE、BE为液相线，分别是Di和An与液相的单变平衡线（f=1），即温度降至该曲线上时， Di或An开始结晶。 E B A AE线 Di+L BE线 An+L E－共结点，Di和An在此点共同结晶，共结温度为1270℃，此时P=3，f=0，为三项不变点。 透辉石－钙长石二元共结系相图 等压（P=105pa ）T-X 相图 （After Bowen , 1915）

24 （2）共结点结晶－－辉长结构的成因 辉 长 结 构
x 辉 长 结 构 透辉石－钙长石二元共结系相图

25 （3）斜长石先结晶－辉绿结构、间粒结构的成因
辉 绿 结 构 间 粒 结 构

26 （3）斜长石先结晶－辉绿结构、间粒结构的成因

27 （3）斜长石先结晶－辉绿结构、间粒结构的成因
在 1274℃时， P= 3 , f = = 0 不变点 此时，(P) T 和所有相的成分是固定的 必须保持在 1274 ℃ ，直到一个相消失

28 （4）辉石先结晶－共结点的左侧x点的结晶过程与右边a点的情况类似
（Left of the eutectic get a similar situation） x 注意: 在任何二元共结系统中，最终结晶的熔体都是共结成分。

29 x 两种结晶情况的岩石结构特点

30 （5）压力对Di-An体系的影响： a c b a点：在不同压力下，首先结晶的矿物不同－－解释辉长岩中斜长石和辉石谁先结晶的问题，在地壳浅部或地表形成辉绿结构。

31 （6）熔融作用：岩石在升温遭受熔融时，分为：
①平衡熔融：熔融产生的熔体与剩余晶体发生连续的反应，是平衡结晶的逆过程（详述如图） ②分离熔融：熔融产生的熔体立即与剩余固相分离，而不发生反应，完全分离熔融不是完全分离结晶的逆过程。熔融作用是分阶段的（详述如图） 。 f g

32 注意: 1、平衡熔融与平衡结晶过程恰好相反，最终获得的熔体成分与原始固相成分一致； 2、不论平衡熔融还是分离熔融，也不论Di 和 An以任何比例混合组成的固相，其最初形成的熔体必然是共结成分（d点）； 3、分离熔融最初的熔体成分是共结点成分，但当其中的一个固相消失后，最终熔融产生的熔体成分是相当于Di或An的成分。

33 三、斑晶熔蚀结构和暗化边结构的成因 1、斑晶熔蚀结构的形成
斑状结构岩石中的斑晶常受到熔蚀，如石英斑岩和流纹岩中的透长石和石英斑晶。原因是：这些矿物的熔点随静压力降低而降低，地下深处岩浆携带高温的石英、透长石上升至浅部或喷出地表时，它们就不稳定，被熔化成液相或部分被熔化形成港湾状和浑圆状。

34 熔 蚀 结 构

35 （A）干体系：上升途中已晶出的晶体全部熔融；上升快时出现残余的熔蚀晶体－－熔蚀结构
（B）水不饱和体系：上升时一度全熔，不见晶体，但在上升至地表时，又结晶出新的晶体； （C）水过饱和体系：上升途中，晶体不断晶出，未到地表之前已全部结晶，固结成岩。 不同体系岩浆结晶过程（D W Hyndman，1985） X：含50％晶体的深处岩浆；S：固相线； L：液相线 断线及箭头：表示岩浆由深处响低压的地表上侵方向

36 在PH2O＝0.5Gpa时，位于石英结晶区 石英先结晶成斑晶；
原始岩浆成分点x： 在PH2O＝0.5Gpa时，位于石英结晶区 石英先结晶成斑晶； 在PH2O＝0.3Gpa时，位于长石结晶区 早晶出的石英斑晶不稳定发生熔融，形成熔蚀结构。 解释流纹质岩浆由深部上升至地表，因压力变化，石英斑晶熔蚀现象。 Ab- Or- An- H2O体系图解（Luth等，1964）

37 饱和水的花岗岩固相线与黑云母稳定线图解（邱家骧，1991）
2、黑云母、角闪石暗化结构的成因 （1）黑云母+O2＝透长石+磁铁矿+H2O （2）黑云母＝透长石+磁铁矿+H2 （1）角闪石+O2＝透辉石+磁铁矿+石英+H2O （2）黑云母＝透辉石+磁铁矿+石英+H2 饱和水的花岗岩固相线与黑云母稳定线图解（邱家骧，1991）

38 暗化边结构