岩漿岩的侵位序列中,為什麼早期多為基性岩漿,後期多為中酸性岩漿呢?它的演化規律是什麼?
班門弄斧一下,如有不對,敬請指正。
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沒想到我不怎麼懂、簡單寫的這個答案入了知乎編輯的法眼,給推到編輯推薦了,也引起了大夥的討論,在此更新一下。下面的圖除特別說明的之外,均來自邱家驤的《岩漿岩岩石學》
好像有部分人理解錯了我之前寫的答案,說是應該用鮑文序列來解釋。我之前的答案里已經明確寫了,不同幕的岩漿性質不一樣,是更多與構造活動的位置有關,同一幕的岩漿活動,更多與岩漿演化有關(也就是類似於鮑文序列)。
岩漿的母質是原生岩漿,原生岩漿分為地幔源區、地殼源區。不同源區的原生岩漿性質是不同的。
也就是說,地幔原生岩漿為超鎂鐵質的基性岩漿,而源自地殼的原生岩漿則比源自地幔的原生岩漿的基性成分少的多。那花崗質的酸性岩漿是哪裡來的呢?地殼。先說大陸地殼。
然後,再說消減的洋殼。
總結一下就是,上地幔、大陸地殼、大洋地殼有各自不同成分的原生岩漿,且有各自不同的演化序列。但是,要注意岩漿的混染作用。既然明確了有不同的岩漿庫,接下來就是怎麼觸發岩漿庫爆炸了。
以上。順便說一句,邱家驤老師的《岩漿岩岩石學》、劉寶珺老師的《沉積岩岩石學》、賀同興老師的《變質岩岩石學》,還有南京大學地質學系的《地球化學》真的是非常經典。
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首先,我修改了題目,原問題為「火山活動中,為什麼早期多噴發基性岩漿,後期噴發中性甚至酸性岩漿呢?」我覺得「火山活動」不妥,特改為「一個岩漿活動旋迴」。因為我覺得,火山活動給人的印象更像是噴出岩漿,容易讓人理解為火山先噴發基性岩漿,然後噴發中酸性岩漿。其實不是這樣的。用「岩漿活動旋迴」好像更妥當。而且更要時刻記住的是,岩漿活動是不連續的,兩次岩漿活動之間可能相隔幾百萬年、幾千萬年。開宗明義:一個岩漿活動旋迴不同「幕」之間的岩漿性質的不同更多的與構造活動的位置有關。在同一「幕」,更多的與岩漿演化有關。就像人一樣,「胚胎——活著的人——死了的人」這是一個「旋迴」,其中「胚胎」、「活著的人」、「死了的人」是這一個「旋迴」中的一「幕」。(有沒有感覺地質學家很有才,想出了「幕」這個名詞,像演戲劇一樣……)
比如一次造山岩漿活動,第一幕:早期的時候,活動板塊能夠切穿地殼下層到達地幔,形成基性岩漿。第二幕:繼續碰撞,地殼開始隆升,形成花崗岩漿。第三幕:後造山作用階段,則以玄武岩為主。
在同一幕中,以我之前見過的某花崗岩區的岩漿演化為例,下圖為同一幕不同期次的岩漿活動從圖中可以清楚的看到,早期的花崗質岩石黑色的物質更多,這就是岩漿演化的結果。我來回答下這個問題,個人覺得現在高票答案都有點問題,或者邏輯有點亂。南京大學的火成岩岩石學確實很厲害,但是多數是以花崗岩為主。因為題主的描述不太清楚,沒有足夠的上下文,我不太明白他針對的是怎樣一個過程。所以我覺得可以從兩個角度來考慮,一個是岩漿演化的角度,另外是大地構造的角度。1.首先是岩漿演化的角度我選擇玄武質岩漿來解釋這個問題,因為玄武質岩漿的演化是比較明顯的,比較容易解釋清楚原理,也比較常見。為什麼不選擇花崗質岩漿呢?主要是目前多數人認為花崗質岩漿是不演化的,也有少數人認為是演化的,這個爭議導致用花崗質岩漿來解釋並不是很恰當。首先明確岩漿演化的概念,指的是岩漿形成到最終結晶成岩的整個過程,中間會有岩漿混合,同化混染,岩漿補充,分離結晶等等一系列作用。而基性還是酸性簡單來說就是看母岩漿Si含量。傳統的鮑文反應序列認為岩漿像富Si方向演化,有很多人已經提到了。所謂的鮑文反應序列,是一個簡單的一元論,而且是針對玄武質質岩漿的,也就是說其實並不能直接應用。與之相反的還有一個演化趨勢叫Fenner趨勢,因為國內課本不提,所以了解的人比較少。簡單來說鮑文反應序列認為玄武質岩漿會向著富Si的趨勢演化,而Fenner趨勢認為岩漿會向著富Fe的方向演化。鮑文認為會首先結晶大量的橄欖石和輝石,剩下的就是岩漿就變得富Si從而形成富Si的礦物,如石英等。鮑文是一個卓越的實驗岩石學家,更多的是從實驗岩石學的角度來討論這個問題,所以很多東西比較簡單,比如輝石可能比斜長石結晶晚,橄欖石和基性斜長石會大量共結等。但是經過模擬計算,會發現僅僅是橄欖石和輝石結晶會導致殘餘岩漿富Fe,這裡牽扯到質量平衡計算。此外因為鮑文反應序列里並沒有提到磁鐵礦和鈦鐵礦結晶,然而這兩者對於岩漿演化也挺重要的。而Fenner趨勢認為,大量結晶橄欖石,輝石和基性斜長石後,殘餘岩漿會富Fe,形成磁鐵礦等礦物,這也是大量岩漿型釩鈦磁鐵礦的成因,大量的磁鐵礦結晶,導致殘餘岩漿(量非常少)往富Si方向演化,也就是說岩漿主要演化過程是先往富Fe的趨勢演化的後來才往富Si趨勢演化。這兩派觀點吵了好久,近年來又提出了一種新的觀點,就是岩漿不混熔作用。即玄武質的岩漿演化到晚期階段時,會在一定的溫度壓力氧逸度的條件下,發生不混熔作用,岩漿分離為富Fe和富Si的兩種相互不混熔的岩漿,冷凝就分別形成酸性和基性岩石。近年來大量的實驗岩石學研究(主要是Charlier所在的組)和對層狀岩體研究發現(層狀岩體是研究玄武質岩漿演化的最適合的對象),不混熔作用確實存在。
最後補充一下,即使是噴出岩,之前也會發生過結晶分異過程,我們所看到的斑晶,基本上就是在深部岩漿房結晶之後被帶上來的。所以噴出岩和侵入岩都可以用類似的討論。
下面解釋一下為什麼時候會出現簡單的基性岩漿早於酸性岩漿呢(中酸性岩漿更準確)?我們都知道玄武質岩漿是從地幔來的,無論是噴出岩還是侵入岩。在其成岩之前,中間經歷了多個岩漿房。也就是說岩漿是從下面的岩漿房擠到上面的岩漿房裡的,而岩漿在岩漿房裡會不斷的發生結晶分異。在不考慮岩漿補充的情況下,由於結晶過程存在,岩漿房內會一直結晶各種富Mg-Fe的礦物(類似鮑文反應序列),岩漿會越來越偏酸性。早一點擠到地表形成的噴出岩(或到下一個岩漿房冷凝形成侵入岩)演化程度較低,會更基性,而晚一點擠到地表的演化程度會更高一些,相對偏中酸性。但是如果中間發生過岩漿補充,即更基性的岩漿加入岩漿房,則岩漿會變得更加基性,出現相反的情況。對於不混熔作用,由於不混熔作用發生在岩漿演化晚期階段,且其中的酸性組分容易分離且容易識別出來,就會出現酸性岩石晚於早期的堆晶岩,也會出現早期基性晚期中酸性的狀態。總之,從岩漿演化的角度來說,題主的問題在一些情況下是成立的,但是也會有相反的情況出現。這裡要注意的是,玄武質岩漿很難直接演化到酸性成分,除非是不混熔作用。所以幔源的花崗質岩漿這種分類被很多岩石學家反對。2.另外一個角度是大地構造演化這可能是題主想問的方向,即在一次構造事件中,早期多為基性岩漿活動,晚期多為中酸性岩漿活動。如果從這個角度講,這是一個非常複雜和龐大的問題,我提供一個比較容易理解的邏輯,從兩種岩漿的來源來理解。玄武質岩漿是幔源岩漿,而中酸性岩漿更多為地殼部分熔融。無論是地殼還是地幔部分熔融需要滿足減壓,流體加入和高溫三種條件中某一種才能發生。所以地幔岩漿活動可能是地殼岩漿活動的誘因。也就是說,中酸性岩漿活動是基性岩漿活動的一種響應。比如軟流圈上涌,會形成大量的玄武質岩漿活動,也會導致地殼減壓熔融或加熱導致下地殼部分熔融,形成大量的中酸性岩漿活動。造山事件,地幔柱,俯衝等等都會有相應一系列的岩漿活動過程,但是會很複雜,這裡不詳細展開。總而言之,地幔的岩漿活動會誘發地殼發生一系列的反應,所以出現基性早中酸性晚的演化序列。但是實際過程中很難判斷一系列岩漿活動到底是不是同一地質事件不同階段的產物。你大概明白這個邏輯就好。這個問答沒有附參考文獻,有興趣可以私信交流,我把你關心的東西參考文獻發給你。基本可以用鮑文反應序列解釋。不過鮑文反應原理目前來看還是有一定局限性,有些現象不能解釋清楚來!
題目本身不對。
身為本科生答這種專業問題還是有點不自信……
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岩漿活動最終產物可以看做兩種作用相互疊加的結果:一是岩漿分異結晶導致的後期二氧化硅含量增加,一是前期地殼混染導致的前期岩漿由幔源岩漿的基性變為中酸性。因此簡單的總結往往無法同複雜的岩漿作用過程相對應。正是由於同期岩漿活動產物隨分異程度不同會有顯著差異,在研究火成岩的構造環境時往往從岩漿分異的趨勢變化入手(如鈣鹼序列和拉斑序列之分),所用的指標也遠非只是二氧化硅這麼簡單。就以題主提到的造山運動為例,Dewey[1]將其分為五個階段,不同階段對應的岩漿作用也有不同,翻譯水平不高請見諒- 岩石圈增厚和縮短,形成推覆、走滑構造,地溫梯度減小因此不發生岩漿作用而是發生變質作用形成高壓低溫變質岩如藍片岩
- 熱量的重新平衡(thermal reequilibration)導致陸殼下部低粘度層(thermal boundary conduction layer,TBCL)減薄及地熱梯度的增加。TBCL減薄伴隨地幔緩慢上涌。如果這一過程足夠長可造成少量鹼性構造後花崗岩。
- TBCL由於地幔對流被侵蝕,地殼迅速抬升(對應構造造山期),地熱梯度迅速增加,迅速的等壓加熱過程使岩石發生迅速的遞進高溫變質作用,同時形成後構造花崗岩套。這一時期內岩石圈伸展減薄,壓力下降,高溫低壓變質相(Buchan變質相)形成。於此同時地幔由於降壓部分熔融,岩漿進入地殼為花崗岩套形成提供原材料,岩漿作用繼續。
- 地殼的伸展和縮短同時作用,形成彎曲造山帶。在張性區域由重力驅動的伸展同板塊分離運動平衡,導致弧後岩漿作用。此時多形成溢流玄武岩
- TBCL的復原增厚,地熱梯度降低,岩漿活動迅速減少,發生退變質作用
就題主提供的答案而言,造山帶中岩漿運動並不活躍,主要產物也還是花崗岩而非題主所說的基性岩漿。
至於題主提供的那張照片如果是同一幕岩漿活動,反映可能是@ 啊啊啊(抱歉知乎給的列表裡沒有……)所說的岩漿分異差異。但也有別的可能原因,如後期岩漿注入成分改變等等。
參考文獻:[1] Dewey, John F. "Extensional collapse of orogens." Tectonics 7.6 (1988): 1123-1139.題目不應該用噴出這兩個字,感覺冷凝比較好。其實這個很簡單啊。岩漿活動一開始能量都較高,到了演化後期逐漸降溫。所以不同階段岩漿的溫度不同,於是不同時期冷凝的礦物也不一樣。大體上來說橄欖石輝石角閃石等,冷凝溫度高,在所以在早期形成。石英冷凝溫度低,所以在晚期形成。具體礦物請搜索:鮑溫反應序列。
參考鮑溫反應系列。
岩漿岩又稱火成岩,是位於軟流圈的岩漿上涌,噴出或者侵入地殼冷凝形成的岩石,根據岩石內部酸鹼度即SiO2、K2O+Na2O含量的變化,將岩漿岩分為四大岩類:超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩。
1、超基性岩
顏色比較深,大部分都是黑灰色、墨綠色,比重也很大,一般都在3.0以上,因此很堅硬,常具緻密塊狀構造。它的化學成分特徵是酸度最低,SiO2含量小於 45%;鹼度也很低,一般情況下 K2O+Na2O不足1%;但鐵、鎂含量高,通常FeO+Fe2O3在 8-16%之間, MgO 含量範圍較寬,在12-46%之間。超基性岩基本上由暗色礦物組成,主要是橄欖石、輝石,二者含量可以超過70%。其次為角閃石和黑雲母;不含石英,長石也很少。
這類岩石最常見侵入岩是橄欖岩類,噴出岩是苦橄岩類。 2、基性岩 基性岩類岩石顏色比超基性岩淺,比重也稍小,一般在3左右。侵入岩很緻密,噴出岩常具有氣孔狀和杏仁狀構造。其化學成分的特徵是SiO2為45-52%,Al2O3可達15%,CaO可達10%;而鐵鎂含量約各佔6%左右。在礦物成分上,鐵鎂礦物約佔40%,而且以輝石為主,其次是橄欖石、角閃石和黑雲母。基性岩和超基性岩的另一個區別是出現了大量斜長石。 這類岩石的侵入岩是輝長岩,分布較少;而噴出岩-玄武岩,卻有大面積分布。3、中性岩中性岩類岩石顏色較淺,多呈淺灰色,比重比基性岩要小。化學成分特徵是SiO2為52-65%,鐵、鎂、鈣比基性岩低,Al2O3 16-17%,比基性岩略高,而Na2O+K2O可達5%,比基性岩明顯增多。
就象這個岩類的名稱一樣,它是在基性岩和酸性岩中間的過渡類型。侵入岩是閃長岩,相應的噴出岩是安山岩。4、酸性岩酸性岩類中以人們熟悉的花崗岩類出露最多,是在大陸殼中分布最廣的一類深成岩,常形成巨大的岩體。噴出岩是流紋岩和英安岩。這類岩石的SiO2含量最高,一般超過66%,K2O+Na2O平均在6-8%之間,鐵、鈣含量不高。
礦物成分的特點是淺色礦物大量出現,主要是石英、鹼性長石和酸性斜長石。暗色礦物含量很少,大約只佔10%。
根據鮑文反應序列,隨著岩漿溫度由高到低慢慢冷凝,鐵鎂硅酸鹽結晶序列是橄欖石→輝石→角閃石→黑雲母→石英→沸石;而鈣鈉硅酸鹽結晶序列是:鈣長石→培長石→拉長石→中長石→奧長石→鈉長石;各溫度階段產生的岩石序列則是:橄欖岩→輝長岩→玄武岩系→閃長岩→安山岩系→花崗閃長岩-流紋英岩系→花崗岩-流紋岩系。 鮑文反應鮑文反應的意義
(1)確定礦物的結晶順序。反應系列上部的礦物比下部的礦物早結晶。顯然橄欖石、基性斜長石是最早結晶的礦物,石英則是岩漿結晶的最後產物。
(2)解釋了岩漿岩中礦物共生組合的一般規律。由於兩種反應系列存在著共結關係,當岩漿冷卻到一定溫度時,必定同時結晶出一種淺色礦物和一種暗色礦物。
(3)解釋了岩漿岩多樣性的原因。同一種岩漿可以形成不同類型的岩漿岩。
(4)解釋了岩漿岩中某些結構上的特徵。如斜長石的正常環帶結構和暗色礦物的反應邊結構。
以上。從基性到酸性岩漿,鐵鎳含量逐漸減少,酸性物質逐漸增多。岩漿結晶分異主要取決於礦物的結晶溫度,而鐵鎳物質一般結晶溫度高,酸性物質結晶溫度低,其實就是不同礦物隨著溫度降低結晶出來而已。至於基性,酸性,都只是分類的說法而已。
沒明白到底是在問什麼
geology is not a real science!
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