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图1 简化的成岩石格子
图2

  在实验室控制的物理化学条件下研究矿物岩石体系相平衡和动力机理的学科。欧美习惯把矿物岩石的高温高压实验研究统称实验岩石学,即广义的实验岩石学。前苏联等国则把着重矿物合成及相变方面的实验研究称作实验矿物学。中国常把这方面的研究叫作成岩成矿实验。实验岩石学是最通用的术语。

简史

  用实验方法研究矿物和岩石的尝试已有一百多年的历史。英国物理学家J.霍尔首次做了玄武岩熔化结晶的高温高压实验,他被称为实验岩石学之父。华盛顿卡内基地球物理实验室于1907年建立,一般把它作为现代实验岩石学发展的起点。20世纪开始了严格受控条件下硅酸盐体系的实验研究,早期以干体系的实验为主。美国实验岩石学家N.L.鲍温在硅酸盐干体系实验基础上提出了“矿物反应系列”。第二次世界大战后高温高压技术的进步使实验岩石学有了较大的发展。1948年美国实验岩石学家O.F.塔特尔设计出了冷封高压容器,改进型可用于700~900℃和4×108帕的实验。1952年美国实验岩石家H.S.约得研制的内加热高压容器能获得1500℃的高温和 109帕的高压。这两种流体介质的高压设备成功地用于研究岩浆作用变质作用,导致了花岗岩深熔理论和玄武岩成因理论的建立。50年代后,实验岩石学进入到以超高压为特征的发展时期。以1955年首次人工合成出金刚石为契机,各种超高压设备迅速发展起来,出现以固体为压力介质的各种压机能产生高达3×1010帕的超高压。1976年美国毛河光等研制出的钻石高压腔达到了1.2×1011帕的压力,经改进已获得 2.8×1011帕的超高压,相当于地核内部的压力。超高压实验有力推动了地幔物态和结构的研究。

研究和应用范围

  实验岩石学不仅研究火山作用、岩浆作用和变质作用等成岩过程,而且还研究地球深部的物态和物相转变,研究矿物岩石在高温高压下的形变、波传播、磁性、电导等物性。实验资料不仅可以核查和补充地质观察,而且可作为推论人们无法观察的深部地质过程的旁证。实验岩石学也应用于研究月岩学和陨石学。此外,实验岩石学中的高温高压技术和方法还用于研制工业和技术的新原料,如人工合成金刚石、半导体和激光晶体、压电和光电晶体,以及耐火、陶瓷等合成材料。

  ①火成岩的实验研究。研究火成岩的成因,比较有成效的是花岗岩成因研究。代表花岗岩的钠长石正长石-SiO2-水体系的实验查明,该体系的液相面随水蒸气压的升高而降低。当压力为5×107帕时熔化温度为770℃,5×108帕时共熔温度降至 640℃。把钠长石+正长石+SiO2组分大于80%的天然花岗岩的成分点投影到钠长石+正长石-SiO2相图上,则绝大多数花岗岩的成分点都集中在共结点附近。这说明花岗岩主要是由熔融体共结形成的,大量天然花岗岩以及沉积岩变质岩的熔化实验结果也表明,在有水存在及水蒸气压约4×108帕条件下,这些岩石的熔化温度也多在640~700℃之间。所有这些实验结果都说明,地壳上部的硅铝质岩石因构造运动下降到20~25公里深度时,会发生部分或全部含水熔化,其生成熔体的成分就相当于花岗岩或花岗闪长岩。因此,大陆中大量的花岗岩是由地壳岩石经深熔和再结晶作用形成的。这个结论已被大多数岩石学家接受。基性岩的成因与花岗岩不同。橄榄石-透辉石-SiO2体系高压实验表明,橄榄岩或辉橄岩在2×109帕下发生无水部分熔化,产生的熔体成分相当于SiO2略不饱和的玄武岩浆。据此认为,玄武岩浆是超镁铁质上地幔岩石在高压下无水部分熔化形成的。玄武岩浆的性质取决于原始地幔岩石的成分和部分熔化深度。在地壳的浅部(15公里以上,压力小于5×108帕)形成含石英玄武岩浆,而在地壳的较深部(15~35公里,压力为5×108~13×108帕)产生的为高原玄武质和拉斑玄武质岩浆,而碱性玄武岩则发源于更深部。

  ②变质岩的实验研究。当岩石受到变质作用时,它们的矿物组分和结构构造会发生重结晶和改造,其新生成的矿物组分取决于变质的温度、压力等物理化学条件。岩石学家把相近温度压力条件下形成的、代表一定变质岩石的矿物组合划分成组,叫变质相,而实验岩石学家则致力于实验室条件下对矿物相变和相关系的实验研究,以标定变质相形成的温度和压力(深度)。根据变质反应实验建立起来的固相反应曲线及有挥发分参与的实验得出的含水矿物脱水曲线以及碳酸盐矿物的去碳酸盐曲线,就能为变质岩提供一种所谓成岩格子,亦即估算变质岩形成温度和深度的网格图。如果变质岩中的矿物组合相当于成岩格子中的某一网格,就可据此确定该岩石形成的温压条件。图1就是一种简化的成岩格子,显示正长石、石英、白云母夕线石等矿物组合的温压关系。混合岩化和花岗岩化等作用的发生条件和机理也能借助于实验阐明。当存在粒间溶液时,岩石的液相面位置与有效水的含量有密切关系。当有过剩水时角闪岩、云英闪长岩和花岗岩的初熔曲线彼此分开不远,表明混合岩形成于同大多数地壳岩石相当的深度中。这个混合岩形成的温压条件已是区域变质作用的极限条件。因此,区域变质作用的通常产物是粒间花岗岩熔体,而达不到闪长岩的水平。

  ③地幔物相的实验研究。人们可根据地表出露的深成岩研究地壳物质的化学和矿物成分,但要了解几十、几百公里以下地球深部的物质就困难了。利用地震测量和高温高压实验等方法可对地幔物质进行探索。地震波在地球里传播速度的研究表明,地幔是固态物质组成的,且随深度增加物质密度不连续地增大。地幔物质究竟以什么物相的形式存在以及它们如何随深度而变化,这长期以来一直是个谜。超高压下的实验研究发现,镁橄榄石在1000℃和13×109)帕下相变为变尖晶石,在33×109帕以上又转变为尖晶石和方镁石。斜方辉石在超高压下亦变成密度更大的尖晶石和超石英。在更高的冲击波压力下,硅酸盐矿物趋于转变为密度更大的氧化物。如橄榄石在 1500℃和26×109帕下变为钙钛矿、尖晶石和方镁石,MgAl2O4成分的尖晶石在70×109帕下转变为方镁石和刚玉。现已查明地幔是由超镁铁质的固相物质组成的,其物相随深度而变化。上地幔物相有辉石、橄榄石、石榴子石等,它们组成的岩石被称作地幔岩。地幔各圈层的物相及其与深度关系可由图2看出。   实验岩石学有一定的局限性。实验室的条件较之自然过程总是大大简化了,实验时间与漫长地质过程亦无法比拟。不过这些局限性会随着实验技术的完善而逐步缩小。现在,实验岩石学正朝着更复杂因而更接近自然条件的多元体系和含多种挥发组分的复合体系的实验研究方向发展,朝着探索地球更深部秘密的超高温超高压实验发展。热力学、动力学与实验研究的结合可以互相补充和订正许多数据资料,从而把实验岩石学推向更精确的定量阶段。地质地球化学过程的动力学可能成为这个领域未来探索的主要课题。

  参考书目

  曹荣龙等编:《成岩与成矿实验》,地质出版社,北京,1980。

  A. Edgar,Experimental Petrology,Clarendon Press,Oxford,1973.

  B. A. E. Ringwood, Compostition and Petrology of Earth's Mantle, McGraw-Hill, New York,1975.

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