《巖石學(xué)》第五章 火成巖結(jié)構(gòu)成因分析

相體系及其對(duì)火成巖結(jié)構(gòu)成因的解釋熱力學(xué)概述相平衡和相律一元系－SiO2體系二元固溶體系二元共結(jié)系二元近結(jié)系第五章火成巖結(jié)構(gòu)成因分析1、熱力學(xué)概述（1）體系與環(huán)境：用熱力學(xué)方法研究某一課題時(shí)，首先要確定研究的對(duì)象和范圍，為此，人為地將所研究的某一部分物體同周圍物質(zhì)分割開來，作為研究的對(duì)象，即稱為“體系”或“系統(tǒng)”；而體系以外周圍鄰近的有限部分物質(zhì)稱為環(huán)境。也就是說體系是以研究為目的而從整體中孤立出來的任何一部分，如巖漿房。體系可進(jìn)一步分成封閉體系（體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)交換，可有能量傳遞）和開放體系（體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量傳遞）

。（2）平衡：就是以其最低能量狀態(tài)同外界條件相一致的體系，也就是說平衡是研究體系內(nèi)處于最小能量條件的狀態(tài)，它沒有自發(fā)地發(fā)生變化的趨勢(shì)。

體系內(nèi)是否穩(wěn)定，或者說體系內(nèi)是否平衡，均與體系內(nèi)的能量（變化）有關(guān)。一個(gè)自然體系總是趨于能量最低狀態(tài)。能量狀態(tài)（EnergyStates）不穩(wěn)定態(tài):

落下或滾落穩(wěn)定態(tài):

在最低能量狀態(tài)下靜止亞穩(wěn)定態(tài):

在低能量狀態(tài)下停止不穩(wěn)定的可能的能量亞穩(wěn)定的穩(wěn)定的障礙物2、相平衡和相律（1）相：是體系中物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和組成都均勻的部分，并可用機(jī)械方法將其同其它部分分開的任何部分。如一個(gè)巖漿體系中的固相、液相和氣相。（2）相圖：是相平衡圖解，是表達(dá)相律的幾何形式，即是以圖解的形式描述體系內(nèi)組分、相和自由度在不同條件下的共生關(guān)系和變化反應(yīng)的特點(diǎn)。通常采用P、T和濃度來描述體系的條件，有T-X圖、P-X圖、P-T圖，等等（3）相律：是表示物理化學(xué)系統(tǒng)中各相間平衡關(guān)系的基本規(guī)律，它表示了平衡體系中自由度（f）、相數(shù)（P）和獨(dú)立組分?jǐn)?shù)（C）之間的關(guān)系。

f=C+2-p相律（ThePhaseRule）f=C+2-pf=自由度是指體系中的可變因素，如溫度、壓力或濃度，這些因素在一定范圍內(nèi)任意改變，不引起相的改變。例如：H2Op

=相數(shù)（phasesaremechanicallyseparableconstituents）C=獨(dú)立組分?jǐn)?shù)是指能足以構(gòu)成平衡體系中各相所需要的最少組分的數(shù)目。按照獨(dú)立組分?jǐn)?shù)目的多少將體系劃分成“一元系”、“二元系”、“三元系”等。=指影響體系平衡的外界可變因素，如環(huán)境的溫度、壓力。（Usually=temperatureandpressureforgeologists）巖漿房中的情況－封閉體系相律：f=C+1–p（影響體系的外界因素只有溫度-1）巖漿中的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)（巖漿成分）：

SiO2,Al2O3－構(gòu)成硅氧四面體

FeO,MgO,MnO－類質(zhì)同象

Na2O,K2O－類質(zhì)同象

CaO結(jié)論：同一種巖漿結(jié)晶形成的火成巖中，除副礦物外，最終出現(xiàn)的平衡共生的礦物相數(shù)應(yīng)不多于5種。1.ThesystemSiO23、單組分體系柯石英斯石英方英石鱗石英aba－三相共生（p=3，c=1）f=c+2-p=0，此時(shí)，a點(diǎn)是無變度點(diǎn)。除非引起一個(gè)或兩個(gè)相的消失，否則其P-T都不可能發(fā)生變化.b－兩相共生（p=2，c=1）

f=c+2-p=1，此時(shí)，b點(diǎn)是有一個(gè)變度的點(diǎn)。液相4、二元固溶體體系（An－Ab）Plagioclase

(Ab-An,NaAlSi3O8-CaAl2Si2O8)

斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)－－成因解釋斜長石熔體（1）相圖組成特點(diǎn)常壓下（P=105Pa），An熔點(diǎn)＝1553℃，Ab熔點(diǎn)＝1118℃，二者以任意比例混合組成中間成分的斜長石。液相線是熔漿開始結(jié)晶或固相全熔的曲線，固相線是固相開始熔融或熔漿全部結(jié)晶的曲線。曲線上的f=1，為單變平衡線。二曲線之間是固相與液相平衡共存的區(qū)域。Bulkcompositiona=An60=60gAn+40gAb

XAn=60/(60+40)=0.60（2）成分a的結(jié)晶過程平衡結(jié)晶和分離結(jié)晶①平衡結(jié)晶過程d點(diǎn)：

在1450℃,熔體d

和斜長石

f平衡共存熔體和固體的比例按杠桿原理確定。b點(diǎn)：熔體開始結(jié)晶斜長石

An=0.87(pointc)f=1此時(shí)，相數(shù)p=2c=2溫度-1g點(diǎn)：在1340℃,熔體g

全部結(jié)晶，最后形成的固體為h，其成分與原始液相a一致杠桿原理(Theleverprinciple):液體數(shù)量

固體數(shù)量deef=

d=液體成分，f=固體成分

e=全巖成分Dfdedeefliquidussolidus注意以下幾點(diǎn)：熔體結(jié)晶的溫度范圍：135℃（1475-1340℃）熔體成分的變化從

b到g固體成分的變化從c到h最終形成的斜長石是i

XplAn=0.60斜長石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)②分離結(jié)晶（Fractionalcrystallization）:

斜長石正環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因：特點(diǎn)：結(jié)晶出的晶體與殘余的巖漿發(fā)生分離，任一溫度時(shí)，由于晶體的移出，使結(jié)晶礦物的成分等于熔體成分。理論上講，最后一滴熔體成分應(yīng)為1118℃點(diǎn)，即結(jié)晶出Ab。但實(shí)際上自然界當(dāng)中是不存在這樣情況的，最終結(jié)晶結(jié)束的點(diǎn)接近1118℃點(diǎn)。主要是因?yàn)樗Y(jié)晶出的斜長石不能理想化的立刻與熔漿分離，會(huì)存在一定的反應(yīng)關(guān)系后再分離。③水壓變化對(duì)相圖的影響③水壓變化對(duì)相圖的影響－－斜長石反環(huán)帶結(jié)構(gòu)和韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因水壓變化時(shí)斜長石環(huán)帶的形成③水壓變化對(duì)相圖的影響－－斜長石反環(huán)帶結(jié)構(gòu)和韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因

升溫最初的熔體成分是g(在

An20and1340oC)

繼續(xù)升溫：熔體和斜長石的成分連續(xù)變化最終熔融的斜長石的成分是

c(An87)at1475oC，而熔體成分是b（3）熔融過程

①平衡熔融過程：平衡部分熔融的情況是平衡結(jié)晶過程的反過程②分離熔融：可熔出不同成分的斜長石液相

Removefirstmelt

asforms MeltXbulk=0.60firstliquid=gAb-Or體系的T-X相圖P=0.2GPaH2Opressure.（AfterBowenandTuttle(1950)）

J.Geology.2).具有共結(jié)點(diǎn)的二元不完全固溶體系（Ab-Or）—條紋長石的成因解釋a點(diǎn)：結(jié)晶過程—最終產(chǎn)物-正條紋長石i點(diǎn)：結(jié)晶過程—最終產(chǎn)物-反條紋長石壓力對(duì)Ab-Or體系的效應(yīng)（EffectofPHOonAb-Or）25、二元共結(jié)系

[透輝石

(CaMgSi2O8)－鈣長石

(CaAl2Si2O8)

]等壓（P=105pa）T-X相圖（AfterBowen,1915）（1）相圖組成特點(diǎn)：P恒定－常壓下（P=105Pa），An熔點(diǎn)＝1553℃，Di熔點(diǎn)＝1392℃；AE、BE為液相線，分別是Di和An與液相的單變平衡線（f=1），即溫度降至該曲線上時(shí)，Di或An開始結(jié)晶。EBAAE線Di+LBE線An+LE－共結(jié)點(diǎn)，Di和An在此點(diǎn)共同結(jié)晶，共結(jié)溫度為1274℃，此時(shí)P=3，f=2+1-3=0

，為三相不變點(diǎn)。透輝石－鈣長石二元共結(jié)系相圖輝長結(jié)構(gòu)（2）共結(jié)點(diǎn)結(jié)晶－－輝長結(jié)構(gòu)的成因x透輝石－鈣長石二元共結(jié)系相圖輝綠結(jié)構(gòu)間粒結(jié)構(gòu)（3）斜長石先結(jié)晶－輝綠結(jié)構(gòu)、間粒結(jié)構(gòu)的成因（3）斜長石先結(jié)晶－輝綠結(jié)構(gòu)、間粒結(jié)構(gòu)的成因在1274℃時(shí)，P=3

,f=2-3+1=0

不變點(diǎn)此時(shí)，(P)T和所有相的成分是固定的必須保持在1274℃，直到一個(gè)相消失（3）斜長石先結(jié)晶－輝綠結(jié)構(gòu)、間粒結(jié)構(gòu)的成因

（4）輝石先結(jié)晶－共結(jié)點(diǎn)的左側(cè)x點(diǎn)的結(jié)晶過程與右邊a點(diǎn)的情況類似（Leftoftheeutecticgetasimilarsituation）x

注意:

在任何二元共結(jié)系統(tǒng)中，最終結(jié)晶的熔體都是共結(jié)成分。兩種結(jié)晶情況的巖石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)x（5）壓力對(duì)Di-An體系的影響：a點(diǎn)：在不同壓力下，首先結(jié)晶的礦物不同－－解釋輝長巖中斜長石和輝石誰先結(jié)晶的問題，在地殼淺部或地表形成輝綠結(jié)構(gòu)。acb

（6）熔融作用：巖石在升溫遭受熔融時(shí)，分為：①平衡熔融：熔融產(chǎn)生的熔體與剩余晶體發(fā)生連續(xù)的反應(yīng)，是平衡結(jié)晶的逆過程（詳述如圖）②分離熔融：熔融產(chǎn)生的熔體立即與剩余固相分離，而不發(fā)生反應(yīng)，完全分離熔融不是完全分離結(jié)晶的逆過程。熔融作用是分階段的（詳述如圖）

。fg注意:1、平衡熔融與平衡結(jié)晶過程恰好相反，最終獲得的熔體成分與原始固相成分一致；2、不論平衡熔融還是分離熔融，也不論Di和An以任何比例混合組成的固相，其最初形成的熔體必然是共結(jié)成分（d點(diǎn)）；3、分離熔融最初的熔體成分是共結(jié)點(diǎn)成分，但當(dāng)其中的一個(gè)固相消失后，最終熔融產(chǎn)生的熔體成分是相當(dāng)于Di或An的成分。6二元近結(jié)系（Fo-Q）

（鎂橄欖石—石英體系）三相：頑火輝石（En）=鎂橄欖石+SiO2等壓

T-X相圖P=0.1Mpa（1atm）

[AfterBowenandAnderson(1914)andGrieg(1927)]

礦物反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)的成因解釋f點(diǎn)：巖漿平衡結(jié)晶過程1.f點(diǎn)總體成分與結(jié)晶終了的產(chǎn)物？2.g點(diǎn)和i點(diǎn)礦物結(jié)晶和巖漿演化情況？Forsterite-鎂橄欖石Enatatite-頑火輝石Cristobalite-方英石Tridymite-鱗石英cdikmFoEn1557BulkXi=近結(jié)點(diǎn)1557oC：Fo-En-liq有共結(jié)線反應(yīng)：

Fo+liq=En此點(diǎn)處，耗盡熔體，可形成反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)f=c+1-p=0（c=2，p=3）問題：反應(yīng)何時(shí)結(jié)束？Whenisthereactionfinished?火山巖中橄欖石外側(cè)出現(xiàn)的斜方輝石反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)1543cdikmFoEn1557bulkXxyCr平衡結(jié)晶的最終產(chǎn)物：En+Q此點(diǎn)處，F(xiàn)o+Liq—En

Fo耗盡En+Liq共結(jié)點(diǎn)巖石學(xué)現(xiàn)象：非平衡結(jié)晶，出現(xiàn)Fo+En+Q組合共存不混熔熔體（ImmiscibleLiquids）CoolX=nAt1960oC，出現(xiàn)兩種液相

?2liquids

oandpp=2F=1