一、岩浆动力学是火成岩石学发展的必然产物

现代火成岩石学在化学问题的研究方面已经获得了巨大的成功。应用（广义的）地球化学方法，已能有效地确定岩浆储源特征；定量评价部分熔融、分离结晶、同化混染和混合作用在岩浆起源和演化中的地位；预测和解释不同温度压力下天然岩浆体系的相平衡状态；探索全球构造和地球演化与岩浆活动的关系……。但是，岩浆活动不仅是一个复杂的物理化学过程，而且是一个复杂的动力学过程，我们同样需要知道源区的固态岩石为什么会熔融形成岩浆？部分熔融体怎样产生、集聚与残晶分离？岩浆为什么会上升，上升速度有多大？为什么有的岩浆会穿过地表导致火山喷发，有的却定位于深部？岩浆中晶体是如何成核和生长的？晶体在岩浆房中如何分布？等等。对这些问题的有效认识和解决，应用火成岩石学现成的方法，无能为力。因而，把流体动力学、传热学、化学动力学原理和传输理论引入岩浆过程研究，探索岩浆活动中热和质量的转移问题，为大势所趋，已经成为现代火成岩石学研究的前沿课题。近年来，随着国际岩石学界对这一领域的日益重视，研究成果的不断积累，正在逐步形成“岩浆动力学”这样一门新兴的边缘学科。

二、岩浆动力学及其研究内容

岩浆动力学（Magma-dynamics）主要研究岩浆过程中岩浆及其中的原子、离子、晶体、捕虏体等物质的运动以及引起运动的力及其相互关系。岩浆动力学研究的主要目的，是尽可能对岩浆过程的各个方面，分析其控制因素，确定其速度分布，探索其运动规律。岩浆动力学，植根于流体动力学、传热学、化学热力学和化学动力学的基本原理之中。岩浆动力学研究，需要以扎实的地质观测，以及矿物学、岩石学、构造地质学、构造岩石学、地球化学和地球物理学研究为基础；后者解决成因联系和时空联系问题，前者着重“机理”的分析。可见，岩浆动力学是多学科高度综合的产物、

岩浆动力学研究内容广泛。大致可归纳为六个方面：1. 岩浆的基本性质研究，是动力学研究的基础。主要包括熔体结构、粘度、密度、压缩度、扩散、热传导、表面张力等。现阶段，主要通过实验和野外测定，总结岩浆成分、温度、压力与其它物理性质的关系；2. 原生岩浆的产生和集聚机制及其约束条件研究；3. 岩浆上升、运移、定位、以及火山喷发的机制、速度和方式等的研究；4. 岩浆分异、混合、同化（混染）的动力学方式、约束条件以及与岩浆演化、岩石成因、共生组合和岩浆成矿作用关系的研究；5. 硅酸盐熔体扩散作用的意义：现阶段讨论最多的是，晶体生长和成核理论，元素和同位素扩散速率和活化能的测定，扩散对系统的元素和同位素分配和平衡状况的影响（例如，对氧同位素地质温度计应用的限制），6. 地质构造环境对岩浆动力学行为的；控制。

三、岩浆动力学的研究方法

基本方法有四：一是实地观测和熔融实验法。主要是对活火山和熔岩流的实地考察，结合熔融实验，测定岩浆的物理性质、熔岩流速、冷凝速率以及熔岩湖中晶体的结晶和分异过程。对火成岩体，应采用构造岩石学方法，系统观测与岩浆动力学过程有关的各种定向组构和原生构造，首先进行运动学分析。二是理论分析法。主要是应用质量守恒（连续方程）、动量守恒（牛顿第二定律）和能量守恒（热力学第一定律）的基本原理，结合岩浆的流变定律（本构方程）以及各组分守恒和化学反应律，建立相应的微分方程，从理论上描述和分析岩浆系统在各种力的作用下的运动过程，从中获得对它们运动的控制因素和速度分布的理解。由于岩浆活动可看成是处于岩浆与围岩之间相互依存、相互作用而又远离平衡的开放系统中的，要维持系统相对稳定的宏观有序结构，就需要不断地与外界交换物质和能量（物质和能量的耗散）。因而，岩浆动力学研究应注意引进耗散结构理论。第三种方法是数值计算法。主要是计算出与动量传递、热量传递和物质传递有关的无量纲数，来了解岩浆的流动特性，推断其运动状态。第四是相似模型实验法。就是选用与天然岩浆和地球物质在有关变数（粘度、密度、温度、压力、应力和几何形态等）上相似的模型物质进行实验，通过观察模型物质的运动规律和量纲分析，反过来理解实际物质的运动规律。

四、岩浆动力学研究意义

1. 使火成岩石学研究向定量化方向迈进了一步

例如，金伯利岩和某些煌斑岩中含有金刚石，玄武岩中常见红（锆石、石榴石）、绿（橄榄石）、蓝（刚玉）宝石。如果岩浆上升速度快，这类宝石矿物就易于被岩浆携带上来，保存在岩石中；否则，岩浆上升慢，在上升过程中，这些矿物会重力下沉而发生分异，有的甚至被反应掉，不利于在岩石中富集。应用岩浆动力学方法，就可以定量计算岩浆上升速度和晶体下沉速度。通过计算和对比，就能提出有利于宝石矿物保存的条件和临界速度，指导找矿。

2. 使火成岩石学研究中某些疑难问题的解决成为可能

以斜长石环带和矿物熔融现象的成因为例。经典的岩石学理论认为，在岩浆平衡结晶条件下，温度下降缓慢，从熔浆中晶出的矿物易与熔体反应交换，形成成分均一的矿物，不会形成环带。只有在较浅部位，温度下降迅速，早晶出的矿物来不夜与熔体反应，使一个矿物晶体内外晶出不同的成分，形成环带。但很多事实表明，深成岩中也有矿物的环带，在这样温度下降缓慢的条件下矿物也会发生熔蚀。因而应用现成的岩石学理论难以解释。实际上，按照岩浆动力学的“双扩散对流”说，在深处的岩浆房边部和顶部，由于热传导快（周围岩石较冷），会产生温度梯度；由于边部和中心的结晶速度不同，又会局部产生密度差，同时由热和成分梯度引起不稳定性。热的、轻的趋于上浮，冷的、重的趋于下沉。在这样强烈对流的岩浆房中，正在生长的晶体，在体系固结或它们沉下来之前，可以被对流岩浆挟带绕岩浆房运动若干次。在环流过程中，晶体就会受系统波动着的温度的影响，从而改变晶一液的平衡条件，形成环带状晶体。如果一个晶体随岩浆从顶部对流到底部，又从底部运动到顶部，即重复地从相当冷的部位运移到相当热的部位，这样的晶体不仅会表现出复杂的环带，而且会使顶部生长的晶体在较热部位发生熔融。

双扩散对流发生的判别准则是有效瑞利数（Raeff），即当

Raeff =-RaT+(Pr/Pr+1)Ras≥2500

时，对流就发生。其中：

RaT=L3 · a · g · ?T/v · k（热瑞利数）

Ras=L3 · β · g · ?s/v · k（成分瑞利数）

Pr=v/k（普朗特数）

这里，L=冷热边界层距离；a=等压热膨胀系数；g=重力加速度；?T=温差；v=运动粘度；k=热扩散率；β=成分膨胀系数；?s=浓度差。

3. 岩浆动力学参数是火成岩岩理学研究的重要约束条件

例如，关于玄武岩浆形成深度下限问题和斜长岩的成因。

武岩是地表出露最多的火山岩，中国东部新生代玄武岩更是广泛分布，因而研究也最深入。对玄武岩浆形成深度，过去主要是从岩石内矿物组合关系加以研究（矿物地质压力计），得出的结果的可靠性无法确定。

考察熔体和固相压缩度的差异（即密度随深度的变化），对于认识岩浆分凝上升的条件很有助益。固态矿物的压缩度小，而液相的熔体压缩度大。因而，随压力增大，基性玄武质熔体与地幔矿物间的密度差减小。密度差愈小，液相愈不易分凝上升。Stolper等（1981）研究后发现，在100 ~ 200公里深处，基性熔体就具有与平均地幔岩石相当的密度。在这样的深度上，重力分异就不重要，在更大的深度上，熔体上升不太可能。可见，地表所见的玄武岩，其岩浆起源深度一般不会大于100公里。地幔软流圈（固液共存部分）的存在，正是熔体不能分凝所致。近年来，在西藏地区发现了地壳内也有一层低速层，通过类似分析，也可能揭开地壳内低速层存在之谜。

固相矿物和熔体的压缩度的差异，也影响到熔体中晶体的动力学行为，可以导致不同的岩石类型产生。久城（1980）就指出，压力低于6千巴时，基性斜长石（An90）密度比橄榄拉斑玄武岩浆大，会与铁镁矿物一起下沉形成辉长岩；而压力大于6千巴时，同种斜长石密度小于熔体密度，斜长石不下沉，铁镁矿物下沉，结果，在岩浆房顶部可形成斜长岩（主要由斜长石组成的岩石），而底部形成超镁铁质堆积岩，可见，斜长岩形成的有利部位是中一下地壳。

岩浆动力学作为一门新兴的边缘学科，有许多处女地有待我们去开拓和耕耘。但她一问世，就给火成岩石学增添了新的活力，显示了广阔的前景。正如美国著名岩石学家McBirney教授在1933年展望火成岩石学发展时所说的：十年之后，“火成岩地质学家将像他们今天热衷于稀土作图一样，热衷于热和质量的转移了”。