巖石的起源密碼：解析火成巖的成分奧秘

火成巖，作為地球巖石圈的主體，其形成直接記錄了地球深部的物質組成與演化過程。這些由熾熱巖漿或熔巖冷卻凝固而成的巖石，其化學成分如同獨特的“地質指紋”，揭示了它們的起源深度、形成環境以及地球內部復雜的物理化學過程。

一、 基石之基：主量元素的主導作用

火成巖的成分分析通常始于其主量元素（Major Elements），即巖石中含量大于1%（重量百分比）的元素。它們構成了巖石的絕大部分體積，主要體現為氧化物形式：

• 二氧化硅 (SiO?)：分類的靈魂：這是火成巖中最重要的氧化物，其含量是火成巖分類的核心依據。依據SiO?含量，火成巖被劃分為：
  • 超基性巖 (Ultramafic)： SiO? < 45%。代表巖石：橄欖巖、科馬提巖（罕見）。富含鐵鎂礦物，顏色深。
  • 基性巖 (Mafic)： SiO? 45-52%。代表巖石：玄武巖（噴出）、輝長巖（侵入）。主要礦物為輝石、斜長石（富鈣），常含橄欖石。顏色較深。
  • 中性巖 (Intermediate)： SiO? 52-63%。代表巖石：安山巖（噴出）、閃長巖（侵入）。主要礦物為角閃石、斜長石（中鈣鈉），可含輝石、黑云母。顏色中等（灰、綠）。
  • 酸性巖/長英質巖 (Felsic)： SiO? > 63%。代表巖石：流紋巖（噴出）、花崗巖（侵入）。主要礦物為石英、鉀長石、鈉質斜長石、云母。顏色淺（粉紅、灰白、淺灰）。
• 氧化鋁 (Al?O?)： 在長英質巖石中含量高，是長石類礦物的主要組分，對熔體粘度和礦物結晶順序有重要影響。
• 氧化鐵 (FeO, Fe?O?)： 總量在基性和超基性巖中較高。影響巖石顏色（深色）和密度。FeO/Fe?O?比值可指示巖漿氧化還原狀態。
• 氧化鎂 (MgO) 和 氧化鈣 (CaO)： 在基性和超基性巖中含量高，是橄欖石、輝石等鐵鎂礦物的主要成分。MgO含量常與巖漿來源深度相關（高MgO可能指示地幔來源）。
• 氧化鈉 (Na?O) 和 氧化鉀 (K?O)： 在酸性巖中含量高，是長石（特別是堿性長石）和似長石的主要成分。K?O/Na?O比值是區分巖石系列（如鈣堿性、堿性）的重要指標。特別高的K?O和Na?O（相對于Al?O?和SiO?）是過堿性巖的特征。
• 其他氧化物： 如二氧化鈦 (TiO?)、氧化錳 (MnO)、五氧化二磷 (P?O?) 等，含量雖低，但也能提供重要信息（如TiO?在洋中脊玄武巖與島弧玄武巖中的差異）。

主量元素的比例決定了巖漿的基本性質（如粘度、密度、熔點）以及最終結晶形成的礦物組合。

二、 隱秘的線索：微量元素的示蹤能力

微量元素（Trace Elements）在火成巖中含量通常低于0.1%（1000 ppm），但其分布模式（Pattern）蘊含了豐富的信息，是強大的地球化學示蹤劑：

• 相容元素 (Compatible Elements)： 傾向于進入早期結晶的礦物相（如橄欖石、輝石、尖晶石），因而在部分熔融形成的巖漿中相對貧乏（如Cr, Ni, Co）。它們在殘留固相中富集。
• 不相容元素 (Incompatible Elements)： 不易進入主要造巖礦物結構，傾向于富集在熔體中（如Rb, Ba, Th, U, La, Ce, Nb, Ta, Zr, Hf）。根據離子電荷和半徑，又分為：
  • 大離子親石元素 (LILE)： 如K, Rb, Cs, Sr, Ba。活動性強，易受流體交代作用影響，常用于指示俯沖帶流體的加入。
  • 高場強元素 (HFSE)： 如Nb, Ta, Zr, Hf, Ti。活動性弱，在流體中不易遷移，能較好地保存源區信息，是區分地幔源區類型（如洋中脊、洋島、島弧）的關鍵。
• 稀土元素 (REE)： 包含從La到Lu的15個元素（有時包括Y）。它們具有相似但漸變的化學性質，在巖漿過程中表現出系統性的分餾行為。REE配分模式（球粒隕石標準化圖）是識別巖漿形成過程（部分熔融程度、結晶分異作用）、源區特征（富集或虧損地幔）以及地殼混染的有力工具。常見的特征有輕稀土富集型、平坦型、輕稀土虧損型、Eu異常（負異常指示斜長石分離結晶或源區殘留）。

通過對比不同巖石或不同構造背景下巖石的微量元素配分模式，地質學家可以推斷巖漿源區性質、部分熔融條件、結晶分異歷史以及可能的混染作用。

三、 時間的印記：同位素體系的年代與源區指示

同位素（Isotopes）為研究火成巖提供了時間維度和長期源區演化的信息：

• 放射性成因同位素體系：
  • Rb-Sr 體系： Rb???衰變為Sr??。??Sr/??Sr比值反映源區自地球形成以來的Rb/Sr比值演化史，常用于區分地幔源（比值較低）和地殼源（比值較高）。
  • Sm-Nd 體系： Sm¹??衰變為Nd¹?³。¹?³Nd/¹??Nd比值通常表示為εNd值（相對于球粒隕石均一儲庫CHUR的偏差）。正值指示虧損地幔源（如洋中脊玄武巖），負值指示富集地幔或大陸地殼源。Sm/Nd比值變化小，模式年齡（T_DM或T_CHUR）可估算地殼巖石從地幔分異出來的時間。
  • U-Th-Pb 體系： U²³?、U²³?、Th²³²分別衰變產生Pb同位素（²??Pb, ²??Pb, ²??Pb）。該體系非常復雜，常用于定年（鋯石U-Pb定年是火成巖最精確的定年方法之一）和示蹤源區。Pb同位素（²??Pb/²??Pb, ²??Pb/²??Pb, ²??Pb/²??Pb）能有效區分不同地幔域（如DMM, EM1, EM2, HIMU）和地殼源區。
  • Lu-Hf 體系： Lu¹??衰變為Hf¹??。Hf同位素（¹??Hf/¹??Hf, 表示為εHf值）行為類似Nd同位素，常與Nd同位素聯用以提供更精確的源區信息，尤其在鋯石定年時能同時獲得。
• 穩定同位素體系： 如氧同位素（δ¹?O）。火成巖的δ¹?O值主要反映其源區物質的氧同位素組成。顯著高于正常地幔值（+5.5‰ ± 0.5‰）通常指示有低溫蝕變的地殼物質（如沉積巖）加入巖漿源區或巖漿受到地殼混染。

同位素研究提供了火成巖源區在長時間尺度（百萬年甚至數十億年）上的演化歷史，是理解大陸生長、地幔不均一性和殼幔相互作用的金鑰匙。

四、 成分的結晶：礦物組合的直觀體現

火成巖的化學成分最終通過其礦物組合（Mineral Assemblage）直觀地表現出來。不同的主量元素組合在特定的溫壓條件下結晶形成特定的礦物：

• 硅鋁礦物 (長英質礦物)： 石英、堿性長石（正長石、微斜長石）、斜長石（從鈣長石到鈉長石）、似長石（霞石、白榴石等，出現于SiO?不飽和巖石）。主導酸性巖和中性巖。
• 鐵鎂礦物 (暗色礦物)： 橄欖石、輝石（單斜輝石如普通輝石、斜方輝石如頑火輝石）、角閃石（普通角閃石）、黑云母。在基性和超基性巖中占主導，在中性巖中也很重要。
• 副礦物 (Accessory Minerals)： 含量少但常見，如磁鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石、鋯石、榍石等。它們是微量元素（如Ti, P, Zr, REE）的重要載體。

巖石的實際礦物組成不僅受控于總化學成分，還受到巖漿冷卻速率（影響結晶程度和礦物粒度）、揮發分含量（影響礦物穩定性）以及結晶分異作用（改變殘余熔體成分）等因素的影響。因此，詳細的巖相學觀察（顯微鏡下）與化學分析相結合，才能最全面地解讀火成巖的成因信息。

結語：解開地球深部的密碼

火成巖的成分——從主導的主量元素，到精妙的微量元素配分，再到蘊含時間密碼的同位素組成，最終凝結為特定的礦物組合——構成了一個龐大而精密的“地質信息系統”。地質學家通過解讀這些信息，如同破譯來自地球深部的密碼，得以追溯巖漿的起源之地、描繪其演化路徑、重建地質歷史上的構造事件，并最終深化我們對地球這個動態行星內部運作機制的理解。每一次對火成巖成分的分析，都是對地球漫長而復雜歷史的一次深入探索。