地质学第三章火成岩

第 1 页 共 1 页 第三章 火成岩

岩石是在各种地质作用下，按一定方式结合而成的矿物集合体，是构成地壳及地幔的主要物质。有些岩石主要由一种矿物组成，称单矿岩。如天安门前金水桥的大理石，古代称汉白玉，由单一的方解石组成的。多矿物构成的岩石称多矿岩，自然界绝大多数岩石是由两种以上矿物组成的。

岩石是地质作用的产物，其化学成分、矿物成分、结构、构造及产状都与地质作用有密切的因果关系。同时岩石又是地质作用的对象，地球的内、外营力共同对岩石外表形态等进行塑造。概况地说，岩石是地球发展的产物，其记录了地球发展的历史和规律。

按成因，岩石可以分火成岩 (岩浆岩)、沉积岩和变质岩三大类。

(1) 火成岩(岩浆岩)(Magmatic rocks, Igneous rocks)：它主要是由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆，在侵入地下或喷出地表冷凝而成的岩石。简单地说：由岩浆冷凝固结而成的岩石称为岩浆岩。

(2) 沉积岩(Sedimentary rocks)：它是由地壳风化产物、生物有关物质、火山碎屑物等，在外营力作用下搬运、沉积、固结而成。如砂岩、灰岩。

(3) 变质岩(Metamorphic rocks)：由岩浆岩、沉积岩经变质作用转化而成的岩石。如大理岩、片麻岩等。

就面积而言，沉积岩占75%，火成岩和变质岩共占25％。就重量而言，火成岩占89%，沉积岩和变质岩分别为5%和6％。岩浆岩和变质岩又可统称为结晶岩。三大岩类可以相互转化。

一、基本概念

1.火成岩

简单地说，火成岩就是由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆冷却后而形成的一种岩石。现在已经发现700多种岩浆岩，大部分是在地壳里面的岩石。

火成岩包括两类岩石：一类是由岩浆冷凝结晶作用形成的岩浆岩；另一类是由非岩浆作用形成的(如花岗岩化作用)。其中，以岩浆岩为主，占地壳总体积的65%。

2.岩浆的概念

岩浆是在地壳深处或上地幔天然形成的、富含挥发组分的高温粘稠的硅酸盐熔浆流体，是形成各种岩浆岩和岩浆矿床的母体。岩浆概念的涵义包括:

(1) 岩浆的来源地是在地壳深处或上地幔，即地下深处1000km以内。

(2) 成分以硅酸盐熔浆为主体，次为包括水蒸汽和其它气态物质的挥发组分和一些成矿金属元素。挥发份含量在岩浆中一般不超过6%，主要为水蒸气，其次为CO2、CO、N2、SO2、SO3、H2S、HCl、H2F等。少数情况下存在有碳酸盐岩浆、金属硫化物及金属氧化物岩浆(也称为矿浆)。

(3)岩浆的化学成分

若以氧化物形式，主要包括SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、H2O等。其中，以SiO2含量最高，可高达40~75%。不同成分的岩浆，其氧化物的含量也不同，但这些氧化物之间通常存在一定的相互制约关系。一般来说，随着SiO2含量的增高，K2O、Na2O随之升高，而MgO、FeO(Fe2O3)则随之降低。因此，SiO2的含量就成为划分岩浆岩化学成分的主导因素。它支配着其它氧化物含量上的变化。根据SiO2相对含量，可分为酸性岩浆(SiO2>65%)、中性岩浆(65%~52%) 、基性岩浆(52%~45%) 、超基性岩浆(SiO2<45%)。

(4) 岩浆的温度

现代火山熔岩流的观测：温度范围一般在700～1200℃范围内。但岩浆的温度随岩浆的成分而变化，基性熔岩温度高，1000~1200℃；中性岩浆的温度约 900~1000℃；酸性熔岩温度低，酸性岩浆的温度约700~900℃，如流纹岩仅有735～890℃。此外，可以用其它间接方法来推测岩浆的温度：

a、地质温度计，推测岩浆温度，即通过某些造岩矿物的形成温度和相变温度，可间接推测岩浆结晶时的温度，例如：方石英变为鳞石英1470℃，正长石分解为白榴石和二氧化硅1170℃，普通角闪石暗化1050℃，大气压力下黑云母分解、暗化1050～840℃，鳞石英变为β石英870℃，棕色角闪石变为绿色角闪石750℃，β—石英变为α—石英750℃。

b 、 熔化岩浆岩的方法，即通过岩浆岩的重熔和再结晶实验，得知其大致温度。如基拉韦厄火山的玄武岩，在一个大气压下熔融后，开始结晶的温度为1235～1160℃，完全结晶是1060℃，花岗岩的熔点为950℃±５０℃。

c 、 玻璃包体均一法测温：如均一法测得霞石岩中橄榄石均一温度为1220～1290℃，辉石为1120～1280℃， 第 2 页 共 2 页 流纹岩中石英为790～1220℃，透长石为1100～1200℃。

d、地质温度计及地质压力计：根据热力学、岩石物理化学及实验岩石学资料，利用能斯特分配定律，通过计算平衡共生矿物的共有成分分配函数，可以较准确地测定出矿物的大致结晶温度，如二长石温度计、二辉石温度计、钛铁氧化物温度计等。

(5)岩浆的粘度

粘度是液体或半流体流动的难易程度，越难流动的物质粘度越大。岩浆的粘度主要与岩浆的氧化物(成分)、挥发分、温度和压力有关。

氧化物：SiO2、Al2O3、Cr2O3的存在，将使粘度显著增加，尤以SiO2的含量影响最大，SiO2升高，粘度升高，所以基性岩粘度小，以溢流为主；酸性岩粘度大，多以爆发形式为主。

挥发份：挥发份的存在将显著降低岩浆的粘度，挥发份升高、粘度降低。

温度：温度也是影响岩浆粘度的重要因素之一，温度升高，粘度下降。

压力：压力对粘度的影响要复杂得多，对于不含水的干岩浆，则压力升高，粘度增加；但对于富水岩浆，由于压力升高可明显增加水在岩浆中的熔解度，因此，反而使粘度在一定压力区间内降低，当压力升高到一定程度，水在熔浆中的溶解已达饱和，水含量不再随压力升高而增加，这时压力进一步升高，岩浆的粘度则呈增高的趋势。

岩浆粘度与SiO2含量与温度的关系：

3.岩浆作用

地下深处的岩浆，在其挥发组分及地质应力的作用下，沿构造脆弱带上升到地壳上部或地表，岩浆上升、运移过程中，由于物理化学条件的改变，又不断地改变自己的成分，最后凝固成岩浆岩，这一复杂过程，称为岩浆作用。按其侵入在地壳之中或喷出地表，可分为侵入作用和喷出作用；侵入作用所形成的岩石，称为侵入岩；喷出作用所形成的岩石称为喷出岩。

三种概念的区别：侵入作用、喷出作用、岩浆岩

侵入作用：岩浆上升到一定位置，由于上覆岩层的外压力大于岩浆的内压力，使之停滞在地壳中冷凝、结晶称岩浆的侵入作用。由此作用形成的岩石称侵入岩。地壳深处（一般认为在地表以下3—5km处）和浅处（0-3 km或近地表）形成的岩石分别称深成岩和浅成岩。

喷出作用：岩浆冲破上覆岩层喷出地表，即火山活动(挥发成分大部逸失)，冷凝后形成喷出岩，又称火山岩。

岩浆岩：岩浆岩是地下深处的岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝而形成的岩石。

二、喷出作用

1.火山活动

火山活动的分类——火山活动是地壳运动的一种形式，根据历史时期(有文字记载，中国5000年以来)的活动情况进行的相对划分。

(1)活火山——目前尚在活动或周期性不断活动的火山，例如我国黑龙江五大连池火山、哥斯达黎加Arenal火山等。

(2)休眠火山——有史以来曾经活动，但长期以来处于静止状态的火山。如我国长白山天池等。

(3)死火山——史前曾经喷发，但有史以来未曾活动的火山。如我国山西大同火山群、非洲东部的乞力马扎罗山等。

2.火山构造

(一) 火山通道——岩浆由地下上升的通道。火山通道往往是地壳厚度较薄或多裂隙的地方。若岩浆沿着裂隙为通道，称为裂隙式喷发；若干条断裂交会成管状通道，称火山管；若岩浆沿着火山管向上喷发，称为中心式喷发。中心式喷发是现代火山喷发的主要类型。填充于火山管的岩石，称岩颈 。 第 3 页 共 3 页 (二) 火山锥

火山锥是火山喷发物在火山口周围堆积下来而形成的圆锥形景观。其特点是：上半部坡度较陡，可达30~40º，下部则逐渐平缓；往往火山碎屑物与熔岩交互成层；碎屑物的粒度随火山口的远近而分选，即近粗远细；在火山口周围常形成环状或放射状岩墙。

层状火山锥(Strato volcanoes )——火山碎屑物与熔岩交互成层的火山锥，属复合火山锥。层状火山锥可用来推断火山活动的次数和其喷发年代。

盾状火山(Shield Volcanoes)——由坡度很缓(6~12°)的熔岩构成，如同盾状的火山锥。夏威夷岛(Hawaiian

Islands)就是典型的盾状火山。

寄生火山锥(spatter cone)——由于多次火山活动，在原来的火山口上形成较小的火山锥或在火山锥的山坡上出现许多小火山锥。如意大利西西里岛上的爱特纳火山(3700m)共有300个寄生火山锥。寄生火山锥也可用来推断火山活动的次数和其喷发年代。

(三) 火山口(Crater)

火山口是指位于火山锥顶部及其旁侧的漏斗形喷口。巨大的火山口，称为破火口，其形成原因是火山多次喷发使得火山口不断扩大，或地下岩浆冷却收缩使得火山口不断坍陷。破火口上常形成火山原、火山湖(玛珥湖) 。

3.火山喷发物

火山喷发过程：岩浆沿着裂隙或地壳比较薄弱的地方冲出来，形成火山口，首先喷出来的是黑色气体烟柱；接着大量岩石碎屑及熔岩物质被喷出天空，然后降落于火山周围地区；之后，灼热的熔浆流出火山口，沿山坡向下流动；火山喷发停止后还常常沿着喷出孔喷发气体或形成温泉。

(一) 气体喷发物

以水汽最多(占总体积的60%~90%)，其它包括H2S、SO2、CO2、HF、HCl、NaCl、NH4Cl等。火山喷发物可以升发出硫磺、钾盐、钠盐等矿产。

火山预测的依据之一：早期高温阶段，HCl等气体较多，晚期富含SO2、CO2等成分。例如，某一段时期内，某地大气中的HCl、SO2、CO2出现自然状态下的异常增高，且刺鼻气味浓、地表被腐蚀严重等现象。

(二) 固体喷发物

随气体喷发物喷射到空中的大小岩石碎屑和由熔浆凝固而成的碎块。根据其大小和形状可分为：

a 火山灰—主要是直径<0.01mm(粉砂和粘土)的细小岩屑和细小浆屑；更细的火山尘；稍粗的但<2mm的火山砂。轻，容易被扩散到平流层和更广范围。火山灰是目前火山测年的主要物质材料。

b 火山砾—粒径为2~100mm的火山碎屑;>100mm为火山块。

c 火山渣—火山喷发时由被抛到空中去的熔浆凝固而成的，多具气孔和尖锐棱角。

d 火山弹—由熔浆以高速喷向空中发生旋转、扭曲而形成的具有一定形状的块体，大小可从数cm到数m，形状多为纺锤形、梨形、扭曲形、扁平状等。通常堆积在离火山口较近的地方。

各类火山碎屑物经胶结、压固等作用可形成各种火山碎屑岩。

(三) 液体喷发物（熔浆）

喷出地表的岩浆，其中的挥发组分大量逸出，称熔浆。熔浆冷凝后称为熔岩。

影响熔浆速度的因素——粘度、温度、地面坡度，一般2~8m/s。一般基性熔浆粘度小、温度高，流速大；酸性熔浆粘度大、温度低，流速小。

熔浆的冷凝因熔浆的成分不同，可形成不同类型的熔岩：酸性熔浆——块状熔岩；基性熔浆——波状熔岩和绳状熔岩、枕状熔岩。

熔浆冷凝形成的地貌类型：熔岩锥、熔岩流、熔岩被、熔岩台地、温泉。

枕状熔岩——专指海底喷发的炙热基性岩浆，与海水接触，使周围形成蒸汽团，熔浆在蒸汽团包围中向前滚动，形成椭球状或枕状熔块。因表层迅速冷却，多为玻璃质，气孔较多，而内部冷却慢，结晶程度较好。

块状熔岩——表层先冷凝，下层熔浆还在流动，分裂成大大小小的岩块。

波状熔岩——表层先冷凝成一层塑性薄壳，下层熔浆还在流动，使表皮成波浪起伏状。

绳状熔岩——上部半冷凝、具塑性的波状熔壳因地形陡缓差异而继续向前翻卷，将皱纹拧成绳索状

4.火山喷发类型

（一）裂隙式（冰岛式）喷发

（二）中心式喷发