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”。