岩浆混合作用

岩浆混合作用

摘要：本文总结出从岩石组合、结构构造、矿物学、岩石化学、地球化学五方面来说明岩浆混合作用的特征与识别标志，其中，中酸性岩中的镁铁质包是岩浆混合的重要指示体。岩浆混合作用从温度、端元岩浆化学成分的异同，端元岩浆的物理状态这三个不同标准划分出三类分类方案。岩浆混合作用的基本控制要素是温度与粘度，并且两岩浆的相对温度和绝对温度决定着岩浆混合作用的产物。本文也阐述了三种岩浆混合的模式。作为成岩体系中一个重要方式，岩浆混合作用有着十分重要的地质意义。

关键词：岩浆混合，特征，包体，分类，混合模式，地质意义

岩浆混合作用是由两种不同成分的岩浆以不同的比例混合，产生一系列过渡类型岩浆的作用。当今, 岩浆混合作用已成为岩石学研究领域内一个古老而全新的热点命题。作为成岩体系中一个重要方式, 岩浆混合作用对于认识成岩过程、岩浆演化等有着重要意义。但目前，岩浆混合作用研究仍显不足，有待深入与完善。

岩浆混合包括岩浆混合（magma mixing）与混和（magma mingling）, 对应岩浆的化学混合与机械混和, 是大量火山岩和深成岩在岩浆作用历史中一个重要的岩石学过程。岩浆混合作用形成的岩石称为岩浆混合岩, 岩浆混合岩再加上两个端员岩浆岩共同组成的杂岩体, 称为岩浆混合杂岩体。岩浆混合作用发生在岩浆房补给或火山喷发过程。

1.岩浆混合作用的特征与识别标志：

1.1.在岩石组合上，它往往形成复合岩流、复合岩墙和复合杂岩体，其内各端元成分间往往具模糊的过渡带或具涌动的接触关系, 有时还发育反向脉;

1.2.在结构构造上, 岩石常表现为矿物之间的不平衡共生, 如橄榄石与石英、辉石与石英等, 常见有环带结构、文象结构、蠕虫结构和交代结构等, 发育角砾状、团块状、条带状、阴影状、树枝状、网脉状和斑杂状等构造;

1.3.在矿物学上, 岩浆混合岩中见有熔解的斜长石、钾长石和石英捕虏晶, 核心被熔解、牌号呈双峰式的斜长石, 钾长石具更长环斑, 辉石转变为角闪石集合体等;

1.4.在岩石化学上, 哈克图、R1-R2图或同分母异分子比值图中岩浆混合岩的成分投点位于两端元岩石之间, 且呈直线分布;

1.5.在地球化学上, 岩浆混合岩的稀土分配曲线位于两端元岩石之间且呈扇形分布, 对于壳源和幔源岩浆岩, 岩浆混合岩的O, Sr , Nd 和Pb 等同位素特征值均位于壳幔标准值( 区) 之间。

岩浆混合作用的特征十分明显和丰富。中酸性岩中的镁铁质包体已被认为是岩浆混合的指示体。这些岩石包体具有下列特征:（1）包体常呈等轴状，表明包体岩浆曾以液态球滴状存在于寄主岩浆中；（2）由于基性岩浆温度恒高于酸性岩浆（温度超出约300℃），这类包体常具有淬冷边；（3）包体有时含有反向脉；（4）包体中能见到自寄主岩浆捕获的长石捕虏晶。暗色微粒包体的形成，可用来自深部岩浆房的玄武质岩浆向浅部酸性岩浆房的注入混合作用来解释。

2.岩浆混合作用的类型

岩浆混合作用涵盖内容十分丰富，因此根据不同的标准，岩浆混合作用有不同的分类

2.1.两种不同成分、不同温度的岩浆混合在一起, 达到热力学平衡时的岩浆流变学性质明显改变。于是, 岩浆混合能力取决于在达到热力学平衡时的物理性质。因此, 以岩浆的绝对温度和和相对温度为基础, 将岩浆混合作用划分为混合作用、混杂作用和注入作用 3 种

类型, 其基本特征界定如下。( 1) 混合作用: 参与混合端元的岩浆完全地混合在一起, 形成均一的新地质体( 岩浆或岩石) 。后者表观上与单一岩浆形成的地质体几乎没有差别, 但在造岩矿物、地球化学等方面仍然可以识别。表现为端元岩浆混合时的温度和黏度相差很小, 并且保持液相状态, 以化学混合方式为主, 是高温环境下的一种混合作用。( 2) 混杂作用: 参与混合的端元岩浆未完全混合均一, 表观特征明显, 含有丰富的不平衡标志, 可以识别出成层条带、岩浆团及大量包体的大致轮廓、形态与成分。其余特征与混合作用相同, 表现为端元岩浆混合时的温度和黏度相差较大, 以机械混合方式为主, 是中温条件下的一种混合作用。( 3) 注入作用: 参与混合的端元岩浆相互穿插, 但基本上没有化学组分的迁移, 两者的接触处没有冷凝边, 能观察到条带状的物质成分交换,只有机械插入，形成你中有我、我中有你的复杂景观, 为低温条件下的一种混合作用。

2.2.以端元岩浆化学成分的异同划分为同成分岩浆混合和异成分岩浆混合。异成分岩浆来自不同的源区, 它们的混合以镁铁质岩浆与长英质岩浆最常见, 它的特征是表现直观, 形成的产物十分明显, 利用它有助于解释火成岩的多样性, 因而研究较多；同成岩浆往往具有同源性, 这种混合以玄武质岩浆自身的混合为代表, 它常见于大洋中脊下的岩浆房内。该岩浆混合的岩相标志不明显, 但在微量元素和同位素尺度上还是有所表现的。

2.3.以端元岩浆的物理状态划分为两液相岩浆的混合、固—液两相岩浆的混合和两固相岩浆的混合。单一液相岩浆的是一种理想的情况, 因而两纯液相的岩浆混合是极少见的, 它只可能发生在近源区。绝大多数情况下, 因端元岩浆含有结晶物质而实为固—液两相混合。该混合相中结晶物质的量比直接影响端元岩浆的物理性质, 如粘度、温度、密度等, 从而最终制约这种岩浆混合作用; 固态岩浆混合是指呈塑性且具有不同成分的火山碎屑物质的混合。

3岩浆混合作用的基本控制要素

基性岩浆侵入酸性岩浆房时, 两种岩浆并不发生机械混合, 而是形成一个双扩散对流层。当上下对流层岩浆的温度、密度相差很大时, 上下对流层之间基本不混合或混合作用很弱; 若对流层的温度、密度相差较小时, 二者之间可以产生一个混合带。在上下对流层的岩浆对流翻转时, 混合带被打破, 产生岩浆混杂作用及暗色微粒包体或包体团。随着热量的扩散, 下部较基性岩浆温度降低, 伴随着橄榄石的结晶分离, 使残余岩浆的密度逐渐降低, 密度变小, 从而使上下层岩浆的温度、密度近乎相等, 则两种岩浆将发生强烈的混合, 原有岩浆层的界线消失, 变为均一的混合岩浆。由此可见, 温度对岩浆混合程度的高低起着决定性的作用。

岩浆混合后能否进行岩浆混合后能否进行有效成分交换的必要条件是两者岩浆的黏度差。二者黏度差在 2 个数量级之内才能进行充分的混合。低温的高黏度长英质岩浆与高温的低黏度镁铁质岩浆混合后, 首先达到热力学平衡, 结果使长英质岩浆温度升高、黏度降低; 镁铁质岩浆恰好相反,温度降低、黏度升高。两岩浆达到热力学平衡后,温度与黏度近于相等时, 达到最佳混合状态, 发生混合作用。温度与黏度相差较大, 且满足混合的条件时, 即在安山岩浆与玄武岩浆相交的范围内发生混杂作用。随着温度的降低, 安山岩浆和玄武岩浆的黏度均降低,但玄武岩浆降低的幅度较大, 两岩浆的温度与黏度相差更大, 只发生注入作用, 基本上不能进行有效的混合。

综上所述, 岩浆混合作用的基本控制要素为两岩浆的相对温度和绝对温度, 它决定着岩浆混合作用的产物。

混合岩浆黏度( ) 与温度( T) 的关系图

4 三种岩浆混合的模式

4.1.研究表明, 进入上地壳的基性岩浆与酸性岩浆存在再平衡过程, 并分三个阶段进行: 1.热平衡阶段。包体岩浆遭受快速冷却而结晶出大量的针状矿物如磷灰石、角闪石等, 形成淬火结构,并伴有体积缩小现象; 2.活性组分扩散阶段。主岩岩浆中的一些活性组分K、Na、Si、H2O 等在化学梯度力驱使下向包体中扩散。随着扩散的不断进行, 偏基性矿物不断为偏酸性的矿物所交代, 形成完整反应系列; 3.化学组分全面平衡阶段。因固相线差异, 处于高度岩浆残余阶段的酸性熔融岩浆不断向接近固相线的包体扩散,直至酸性岩浆固结。

4.2.Huppert 提出了大陆壳构造背景下的岩浆混合模式, 并引入陆壳的循序性加热概念, 指出陆壳的物理性质决定了对底侵上升岩浆的利用效率。较高温度和高延展性的陆壳会束缚底侵岩浆的上升, 其间俘获热可对英安质岩浆的熔融起到促进作用, 有利于混合作用的发生。反之, 较低温度和低延展性的陆壳则使底侵岩浆的上升变得很容易, 以致在有利构造位置喷出地表, 而不易发生混合作用。

4.3.碰撞-俯冲带作为典型的构造活动区是研究的热点。板块俯冲环境下, 俯冲洋壳发生脱水, 产生流体, 导致上覆地幔楔的部分熔融, 形成玄武质岩浆，上涌的玄武质岩为下地壳带来高热能和流体,使其部分熔融, 形成长英质岩浆。当底侵岩浆进一步集中时, 镁铁质岩浆会沿薄弱带继续上升侵入上部的长英质岩浆房, 并与之发生混合, 形成一系列介于两端员之间的过渡型岩石。

岩浆混合作用的岩石成因模型

5.岩浆混合作用的地质意义

混合岩浆的端元岩浆多为镁铁质和长英质成分, 其中镁铁质岩浆多来自地幔, 而长英质岩浆的源区则是地壳。有时长英质岩浆还是热的镁铁质岩浆作用于地壳部分熔融而形成的。显然, 二者从产生到混合的全过程已于先期发生壳和幔能量的交换, 尔后又发生壳和幔物质成分的交换。因此, 这种岩浆混合作用应是研究壳—幔相互作用的窗口。

大陆经过纵向和横向增生使其体积不断增大。大陆纵向增生主要通过底侵作用来实现,而大陆横向增生则是通过俯冲—碰撞作用完成的。底侵作用使壳—幔边界聚集了玄武质岩浆, 它不仅加大了岩石圈的厚度, 而且还使下地壳熔融并形成新的长英质岩浆, 所以底侵作用提供了岩浆混合作用发生的物质基础;显然,在由底侵作用而形成的岩浆混合杂岩体中常含有由底侵玄武质岩浆转变的辉长岩—麻粒岩质岩体、岩块和包体。因此, 可以通过岩浆混合的端元岩浆岩并结合这些辉长岩—麻粒岩质的样品来探索大陆的纵向增生。俯冲—碰撞作用能在板块边界形成岛弧、造山带, 因其内部能量的聚集、释放和物质的汇聚、迁移而伴随广泛的岩浆混合作用。它包括岛弧、造山带形成初期钙碱性岩浆与火山通道和地表的岩浆混合, 岛弧、造山带形成主期岩浆混合杂岩体内的岩浆混合, 岛弧、造山带崩塌造成的火山碎屑岩或碱性岩浆的岩浆混合。对这些岩浆混合作用的研究有助于探索大陆的横向增生机理。

岩浆混合作用可发生在多种构造背景中, 它包括洋中脊、岛弧、弧后盆地、活动大陆边缘、大陆裂谷、造山带和地幔柱。在地壳构造的伸展引张区和高温低压变质岩地区也有发生。更重要的是, 各构造背景下的岩浆混合的表现和标志有所不同, 从而可以为研究大地构造背景提供证据。

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