岩浆的性质

2025-03-10 03:55:29

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回答（1）：

本节仅介绍岩浆的密度、粘度、温度及挥发分等重要的岩浆性质。

1.岩浆的密度

岩浆熔体的密度（density）可以通过实验的方法进行测定，也可以利用实验结果拟合的密度公式进行计算。熔体的密度不仅与其成分有关（基性岩浆密度高于酸性岩浆），也随温度、压力的变化而改变。原因是压力增大时熔体内分子间距减小，体积压缩密度变大；温度增高时，分子间距增大，体积膨胀密度变小。这种变化也反映了熔体具有压缩性和膨胀性。图2-4显示了压力与密度呈明显的正相关，拉斑玄武岩与碱性玄武岩熔体之间的密度差异随压力增加而增大，表明前者的压缩性比后者大，即在高压下拉斑玄武岩的密度要明显地大于碱性玄武岩岩浆。岩浆密度与分异作用和喷发能力有关。图2-4 表示，在高压条件下碱性玄武岩浆的密度低于拉斑玄武岩浆，因而喷发能力强，上升速度快可以携带密度大的深部地幔橄榄岩捕掳体，而密度较大的拉斑玄武岩则较少含深源捕掳体。

2.岩浆的粘度

与岩浆的密度一样，岩浆的粘度（η）（viscosity）也是其重要的物理性质之一。流体都具有粘性，粘度反映流体流动的难易程度。粘性是指当流体内微团之间发生相对滑移时，内部产生剪切应力（切向阻力）的性质，剪切应力会阻碍流体的运动。粘度的单位是Pa·s（帕斯卡·秒），它是剪切应力与剪切应变速率的比值，1 Pa·s相当于20℃时水粘度的1000倍。

图2-4 玄武岩熔体的密度与压力的关系图

表2-1 实验室测定的流体粘度值

岩浆的粘度与多种因素相关，如岩浆的成分、结构、温度、压力和所含的挥发分等都对粘度有影响。岩浆中SiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃含量高，其粘度就大，其中最具影响的是SiO₂。据测定，纯橄榄岩熔体粘度为0.03～0.1 Pa·s；辉长苏长岩熔体粘度为0.7～25 Pa·s，闪长岩熔体粘度为3.8～25 Pa·s［它们的w（SiO₂）分别为38%，47%，和60%左右］。超基性岩熔体粘度低于基性岩约3个数量级。表2-1也列出了不同类型岩浆或流体的粘度，同样也反映出SiO₂含量低的玄武岩浆比较高SiO₂含量的黑曜岩浆熔体粘度低8个数量级。

硅酸盐熔体内部的结构与硅酸盐矿物相似，Si与O结合形成硅氧四面体［SiO₄］^4-，这样熔体中硅氧四面体的聚合体越大，包含的四面体越多，岩浆粘度就愈大，反之粘度则变小。不同的阳离子在熔体结构中起着不同的作用，如Si和Al出现在熔浆的各种聚合物或单元的四面体配位中，起着形成网格，增强聚合程度的作用，被称为成网离子。而Ca、Mg、Fe、K、Na则处于硅氧四面体之间，呈6次配位起着减弱熔体聚合程度的作用，被称为变网离子。这样熔体中Si含量高则结构的聚合程度高同时粘度也大，而Ca、Mg、Fe等离子含量高，则粘度低。

岩浆粘度与温度关系密切，温度增高则粘度显著减小，流动性增加。相同成分相同密度的酸性岩浆，有些可以喷出地表形成流纹岩，有些则呈花岗岩侵入体，其原因之一是前者温度高，因而导致粘度降低，流动性增大。夏威夷玄武岩熔岩流在近火山口处粘度为3×10² Pa·s，而在远离火山口的地区因温度下降粘度可增大至3×10³ Pa·s。另一个间接效应是，当岩浆温度下降，矿物晶出的数量不断增多，因而粘度随之增大。与温度相比，压力对其影响要小，如压力从10²kPa增高至3×10⁶kPa，粘度仅增大1/10（转引自海因德曼，1989）。

不能笼统地说岩浆中挥发分含量愈高粘度就愈小，因为不同的挥发分起的作用不同。例如，CO₂含量高时，岩浆粘度不仅不会下降反而会增大，原因是CO₂在熔体结构中起了增强聚合程度的作用，加固了硅氧四面体的连结。H₂O含量高则会使岩浆粘度明显下降，H₂O溶于硅酸盐熔体时，羟基可代替硅氧四面体中的共用氧，使阳离子与共用氧断开，出现了更多的［SiO₄］^4-单体从而减弱了硅氧四面体之间的聚合程度，岩浆的粘度也随之下降。此外，挥发分氟也可以起到与H₂O相似的作用。岩浆的粘度会影响岩浆上升的速度和火成岩的结构、构造、产状以及一些岩浆作用发生的强度。

3.岩浆的温度

岩浆的温度很高，这一点从现代火山喷发的景象及其对周围环境的危害就可以了解到。1980年美国圣海伦斯火山喷发，炽热的火山灰喷发物覆盖了周围的山区，密布的原始森林全部燃烧成木炭，居民的汽车被熔化。直接测定的现代火山岩浆的温度见表2-2。从表中可以看出，基性玄武岩岩浆温度最高，其次为安山质岩浆，流纹质岩浆温度最低。岩浆在喷出或侵位以后开始降温固结，以玄武质熔岩为例，1m厚的玄武岩全部结晶约需12天，10m厚的约需3年，700m厚的需9000年。地下深处的岩浆侵位后冷却速度缓慢，固结的时间比熔岩长，据估计2000m厚的花岗岩岩席完全结晶需64000年，8km厚的花岗岩基需10Ma才能固结。

表2-2 各类熔岩喷出温度的估算值

4.岩浆中的挥发分

现代火山喷发时有大量气体逸出，已固结的火山岩有些含相当数量的气孔都说明岩浆中含有挥发组分。了解它们的类型及含量可以通过两种途径：一是直接从现代火山喷发的气体中取得；二是通过岩石中的流体包裹体获得。日本有珠火山昭和新山紫苏辉石英安岩喷气孔上收集的气体分析结果表明，气体种类多，有CO₂、CH₄、NH₃、H₂、HCl、HF、H₂S、SO₂、P₂O₅ 和H₂O等。其中H₂O是最丰富的组分，其体积分数占99%。在活动气体中，CO₂占优势，CH₄非常少。在高温条件下SO₂占优势，在较低温时H₂S显著增多，w（HF）/w（HCl）比值随温度而下降。我国台湾省台北市以北的大屯火山群发育有丰富的喷气孔，自然硫堆积在喷气孔附近，不仅景象壮观，而且整个山谷充满了浓烈的硫磺的气味。

岩浆中的挥发分不仅影响结晶温度，而且影响岩浆的喷出方式。在挥发分聚集时，由于在近地表处的强烈膨胀会引起岩浆爆裂成火山灰，火山爆发也随之强烈。但是，这种爆发性质在粘度不同的岩浆中作用的强弱是有差别的，低粘度的玄武质岩浆中膨胀气体的释放是宁静的，高粘度的安山岩和流纹岩浆则会因气体的释放将岩浆崩碎成岩浆团、火山弹和火山灰，并破坏火山锥体的边坡。

岩浆中挥发分还影响岩浆结晶的温度。挥发分含量高则结晶温度下降，所以当挥发分迅速从岩浆中逸出后，岩浆会快速结晶，其中的晶体数量也随之加多。

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