B2 · 出版卷 7

结晶、分异和同化

Fractional crystallisation、Assimilation、Mixing

学习目标

完成本课后，读者应能区分平衡结晶与分离结晶，识别晶体堆积、补给、混合和同化，进行二端元质量平衡，并设计能够检验开放岩浆体系历史的观察。

从一个野外问题开始

一套斑状侵入岩含环带斜长石、熔蚀石英、基性包体、细粒边部以及局部富集的早期晶体。全岩样品形成宽缓化学趋势，但若干点偏离主趋势。岩体记录的是单一母岩浆冷却、反复补给、岩浆混合、围岩同化、晶体分选，还是岩浆期后蚀变？

这些过程都能形成趋势。任务不是挑选最熟悉的标签，而是列出预测。分离结晶应把被移除的矿物与残余熔体变化连接起来；混合应与端元组成相容，并可能保存不平衡结构；同化必须同时满足组成和热量约束；晶体堆积则应使全岩沿可由矿物组成预测的方向偏离液相演化线。

核心过程模型

在平衡结晶中，晶体与熔体保持化学联系，并在温度下降时继续再平衡。在分离结晶中，部分晶体因沉降、上浮、过滤压榨、边界层生长或被晶体框架隔离，而不再继续参与反应。残余熔体随后按被移除的矿物及其分配行为演化。

天然岩浆体常为开放体系。补给会加入新岩浆、热量、挥发分和晶体；混合指组分弥散并趋于平衡而形成混合熔体；混杂则保留物理上可区分的区域。同化把围岩或顶蚀块体纳入岩浆，但熔化这些物质会消耗热量。上述过程可与结晶同时发生。

晶体载荷来源多样。斑晶可能在当前载体熔体中生长；同源早晶可能来自同一系统的较早脉冲；捕虏晶则可能来自围岩或另一岩浆。矿物环带、包裹体、熔蚀边和扩散剖面只有与岩相位置和分析不确定性相联系时，才能区分这些历史。

传统反应系列可定性提醒读者：不同矿物出现和反应的条件不同，但它不是固定时间表。压力、水、氧化还原状态、总体成分和动力学延迟都会改变顺序，早期晶体也可能远离平衡而继续保存。

证据与测量

先记录结构构造：晶体丰度、粒径分布、形态、聚集、聚斑、反应边、筛状结构、熔蚀、包体边界和流动定向。应绘制从边部到中心及跨内部接触的变化。脱离空间和岩相背景的总体化学趋势，不能区分液相演化与晶体含量变化。

用矿物化学检验平衡与顺序。核—边剖面、耦合置换和微量元素可能记录生长带，但后期扩散会模糊它们。应比较多颗晶体和不同结构群体。只有检查分析总量、蚀变、烧失量以及样品属于熔体、堆积体、包体还是混合物后，才使用全岩化学。

审查演化趋势时，应把样品位置、结构群体和分析批次同时显示在图上。若离群点集中于某一侵入相、富晶体带或分析批次，它可能提示地质边界或质量问题，而不只是“统计异常”。矿物—全岩质量平衡还应检查所提议移除晶体的比例是否与实测模式和密度一致。若需要移除超过露头中可见数量的某矿物才能拟合趋势，则应重新考虑端元、开放体系过程或样品代表性。

理想分离结晶中，若总体分配系数 D 保持不变，微量元素可用一种极限关系近似：


C_l=C_0F^{D-1},

其中 F 为剩余熔体比例。该关系假设晶体立即移除、D 不变、晶体—熔体界面达到平衡，且不存在补给、同化和混合。它用于检验极限端元，而不是认证过程。

计算示例

设液体端元 A 含 50% 二氧化硅，端元 B 含 70%。若混合物含 62%，且没有质量损失：


62=f(50)+(1-f)(70),

得到 f=0.40。简单混合物由质量分数 40% 的 A 和 60% 的 B 组成。

再检验另一个守恒组分。若 A 的总铁按 FeO 计为 8%，B 为 2%，实际混合物为 5.5%，那么由二氧化硅得到的比例预测


0.40(8)+0.60(2)=4.4\%.

差值不可忽略。端元可能选错，可能有晶体堆积，铁的氧化态和报告规范可能不同，体系也可能不止两个端元。匹配一个氧化物不能证明混合。

同化—分离结晶模型还必须同时保留能量检查。冷围岩不可能在岩浆不结晶或没有其他热输入的情况下被无限同化。AFC 方程描述的是假说，其参数必须保持物理可行。

常见误解与不确定性

线性阵列并非混合独有；有限范围的分离结晶、蚀变和封闭效应也能形成直线。弯曲趋势可能来自矿物组合变化或多端元。非平衡结构可以由减压或过冷造成，不一定表示补给。基性包体可以是淬冷岩浆团、堆积岩碎块或改造围岩。

粗粒侵入体的全岩分析容易产生采样误差，一千克样品可能不能代表厘米级大晶体或包体。薄片切面若没有通过晶体中心，会截断环带；扩散时间则依赖温度、颗粒几何、组成和不确定的边界历史。

实践任务

建立一个合成侵入体的采样图。为每个样品记录结构、模式估计、斜长石环带类型、包体丰度和全岩化学。将两个主量元素和两个不相容微量元素对一个分异指数作图，并按岩相区域着色，而不是对所有点强行拟合一条趋势。

提出三种模型：封闭分离结晶、补给加混合、同化加结晶。对每个模型分别列出一种预期结构、一条矿物剖面、一个全岩关系和一项可证伪观察。

掌握度检查

哪一种物理过程使结晶成为“分离”结晶？
为什么堆积岩的全岩组成不等于液相组成？
岩浆混合与混杂在观察上有何区别？
为什么同化模型必须包含能量约束？
哪些附加证据会使线性化学阵列更有力地支持混合？

来源与延伸阅读

围岩同化与分离结晶共同作用的微量元素和同位素效应90153-9)：DePaolo，1981。
BGS 岩石分类体系：描述术语和火成岩层级。
IUGS 火成岩任务组：国际分类和参考文献。