岩浆结晶分离作用的制约因素

对Skaergaard和Bushiveld等大型层状侵入体的研究表明，岩浆结晶分离作用是岩浆演化的一种重要形式（Wager and Brown，1968）。在火成岩石学的研究中，一般是根据岩石的化学变异来推断是否发生过结晶分异作用，而且认为结晶分异的主要机理是晶体在牛顿流体中的重力分离。然而，在大多数情况下，岩浆是一种非牛顿流体。晶体能否发生重力分离，不仅与晶体和流体相间的密度差及晶体大小有关，还与岩浆黏度和屈服强度有关。而岩浆的流变学性质又受岩浆成分、晶体含量和物理化学条件等的限制。因此，温度、压力、构造环境和和岩浆上升速度等对结晶分离作用都有影响。结晶分离是这样的过程：随着温度的降低，晶体从岩浆中晶出，由于晶体密度大于岩浆而下沉，堆积在岩浆房底部，形成似层状的由不同矿物和不同矿物组合堆积组成的堆晶岩序列（cumulate），（残余）岩浆成分也随之发生变化。在岩浆结晶分离过程中，矿物和岩浆的密度是一个重要的物理参数（表13.1）。重力场中的密度差（△p）将产生重力分异作用，直接影响到熔体在介质中的运移上升和矿物晶体在岩浆房中的移动。火成岩及其熔体的密度主要取决于矿物组成，同时在一定程度上也与结晶程度、温度、压力等因素有关（卡迈克尔等，1982）。

岩浆结晶分离作用的研究表明，重力分离作用不仅与晶体的密度、岩浆的黏性有关，还与晶体的大小有关。因为，只有当晶体生长到足够大时，才能克服岩浆的屈服强度而下沉（马昌前，1989）。计算表明，夏威夷玄武岩的斑晶大小在2～3 mm之间，仍然不足以发生重力下沉（引自马昌前，1989）。而且，岩浆成分愈酸性，屈服强度越大。因此，花岗岩中微小的副矿物是很难结晶分离的。任何堆晶岩，如果主要由斜长石、辉石和橄榄石组成，其Zr、P、Ti、Fe含量通常非常低，暗示锆石、磷灰石、钛铁矿和磁铁矿很少与上述堆晶的造岩矿物一道晶出。当然，可能还有一种原因，即上述元素未达到饱和，故而未能结晶。而通常的情况是，在残余岩浆中上述元素的含量很高。薄片中观察副矿物自形程度很好，说明其是较早晶出的，而且其密度不仅远远大于岩浆（玄武质和花岗质岩浆），而且大于橄榄石、辉石和斜长石（表13.1）。堆晶岩薄片观察表明，上述副矿物多出现在堆晶矿物间隙的残余岩浆中，而很少被包裹在堆积晶体内部。因此，岩浆发生（重力）结晶分离作用，通常指的是造岩矿物而非副矿物。副矿物由于晶体太小通常呈“浮尘状”飘浮在岩浆中。

玄武质岩浆可以发生充分的结晶分离作用，如果岩浆状态能够保持足够长的时间，允许晶体从容结晶的话。许多有关结晶分离作用的认识即是从对玄武质岩浆的研究得出来的。由于花岗质岩浆很难发生结晶分离作用，因此，许多适合玄武质岩浆结晶分离作用的规律不能应用于花岗岩。有人认为，高分异的花岗岩形成的温度很高，不能排除结晶分离的可能性。本书对此持保留态度，因为，许多高分异岩浆是高硅的花岗质岩浆，其黏性更大，发生结晶分离的可能性是很小的。我们认为，中酸性岩浆发生矿物分离的现象是普遍存在的，但是，发生（重力）结晶分离作用是非常困难的。例如，随着温度的降低，角闪石、黑云母和白云母可以依次从岩浆中结晶出来，虽然它们的密度都比花岗质岩浆大（表13.1），但是，由于岩浆的黏性很高，阻止了它们的下沉。因此，在自然界我们很难见到由角闪石组成的（与花岗岩伴生的）堆晶岩，也很难见到由黑云母和白云母以及由斜长石组成的（与花岗岩伴生的）堆晶岩。但是，如果岩浆处于侵位过程中，岩浆作为“晶粥”发生流动时，由于流变学的特点，不同矿物晶体会由于其流动受阻的情况不同而发生不同程度的位移，使一部分矿物集中或分散，从而造成花岗岩不同部位结构的变化和化学成分的变化，这种情况谓之“流动分异作用”。流动分异作用发生在岩浆流动过程中，流动分异的程度取决于岩浆流动的速度、黏度以及岩浆通道的宽度和形状（卡迈克尔等，1982）。流动分异（分离）对岩浆成分的影响是肯定的，因为野外可以见到许多流线、流面构造。花岗质岩浆流动分异主要表现为组成矿物的再分配，从而导致岩浆成分的变化。但是，这种变化的范围可能很有限，不大可能使岩浆从安山质变为花岗质成分。此外，许多花岗质岩浆在结晶时，会由于结晶作用而产生成分对流，也可能产生与流体分异同样的效果，这一机制特别是对较大的花岗岩体来说可能是不应忽视的。