實驗岩石學

實驗岩石學是在實驗室控制的物理化學條件下研究礦物岩石體系相平衡和動力機理的學科。歐美習慣把礦物和岩石的高溫高壓實驗研究統稱實驗岩石學，即廣義的實驗岩石學。前蘇聯等國則把著重礦物合成及相變方面的實驗研究稱作實驗礦物學。中國常把這方面的研究叫作成岩成礦實驗。實驗岩石學是通用的術語。

基本介紹

• 中文名：實驗岩石學
• 外文名：experimental petrology 
• 套用：人工合成金剛石等
• 研究內容：究礦物岩石體系相平衡和動力機理
• 條件：模擬自然條件
• 學科：礦物學

發展簡史

用實驗方法研究礦物和岩石的嘗試已有一百多年的歷史。英國物理學家霍爾首次做了玄武岩熔化結晶的高溫高壓實驗，因而被稱為實驗岩石學之父。華盛頓卡內基地球物理實驗室於1907年建立，一般把它作為現代實驗岩石學發展的起點。20世紀開始了嚴格受控條件下矽酸鹽體系的實驗研究，早期以乾體系的實驗為主。

二十世紀50年代後，實驗岩石學進入到以超高壓為特徵的發展時期。以1955年首次人工合成出金剛石為契機，各種超高壓設備迅速發展起來，出現以固體為壓力介質的各種壓機，能產生高達三百億帕的超高壓。1976年美國毛河光等研製出的鑽石高壓腔達到了一千二百億帕的壓力，經改進後又獲得了二千八百億帕的超高壓，相當於地核內部的壓力。超高壓實驗有力推動了地幔物態和結構的研究。

研究和套用範圍

實驗岩石學不僅研究火山作用、岩漿作用和變質作用等成岩過程，而且還研究地球深部的物態和物相轉變，研究礦物岩石在高溫高壓下的形變、波傳播、磁性、電導等物性。實驗資料不僅可以核查和補充地質觀察，而且可作為推論人們無法觀察的深部地質過程的旁證。實驗岩石學也套用於研究月岩學和隕石學。此外，實驗岩石學中的高溫高壓技術和方法還用於研製工業和技術的新原料，如人工合成金剛石、半導體和雷射晶體、壓電和光電晶體，以及耐火、陶瓷等合成材料。

岩石力學實驗室

火成岩的實驗研究

火成岩的實驗研究。研究火成岩的成因，比較有成效的是花崗岩成因研究。代表花崗岩的鈉長石－正長石-SiO^2-水體系的實驗查明，該體系的液相面隨水蒸氣壓的升高而降低。當壓力為5×10⁷帕時熔化溫度為770℃，5×10⁸帕時共熔溫度降至 640℃。把鈉長石+正長石+SiO₂組分大於80%的天然花崗岩的成分點投影到鈉長石+正長石-SiO2相圖上，則絕大多數花崗岩的成分點都集中在共結點附近。這說明花崗岩主要是由熔融體共結形成的，大量天然花崗岩以及沉積岩、變質岩的熔化實驗結果也表明，在有水存在及水蒸氣壓約4×10⁸帕條件下，這些岩石的熔化溫度也多在640～700℃之間。所有這些實驗結果都說明，地殼上部的矽鋁質岩石因構造運動下降到20～25公里深度時，會發生部分或全部含水熔化，其生成熔體的成分就相當於花崗岩或花崗閃長岩。

因此，大陸中大量的花崗岩是由地殼岩石經深熔和再結晶作用形成的。這個結論已被大多數岩石學家接受。

變質岩的實驗研究

變質岩的實驗研究。當岩石受到變質作用時，它們的礦物組分和結構構造會發生重結晶和改造，其新生成的礦物組分取決於變質的溫度、壓力等物理化學條件。岩石學家把相近溫度壓力條件下形成的、代表一定變質岩石的礦物組合劃分成組，叫變質相，而實驗岩石學家則致力於實驗室條件下對礦物相變和相關係的實驗研究，以標定變質相形成的溫度和壓力（深度）。根據變質反應實驗建立起來的固相反應曲線及有揮發分參與的實驗得出的含水礦物脫水曲線以及碳酸鹽礦物的去碳酸鹽曲線，就能為變質岩提供一種所謂成岩格子，亦即估算變質岩形成溫度和深度的格線圖。如果變質岩中的礦物組合相當於成岩格子中的某一格線，就可據此確定該岩石形成的溫壓條件。圖1就是一種簡化的成岩格子，顯示正長石、石英、白雲母、夕線石等礦物組合的溫壓關係。混合岩化和花崗岩化等作用的發生條件和機理也能藉助於實驗闡明。當存在粒間溶液時，岩石的液相面位置與有效水的含量有密切關係。當有過剩水時角閃岩、雲英閃長岩和花崗岩的初熔曲線彼此分開不遠，表明混合岩形成於同大多數地殼岩石相當的深度中。這個混合岩形成的溫壓條件已是區域變質作用的極限條件。因此，區域變質作用的通常產物是粒間花崗岩熔體，而達不到閃長岩的水平。

實驗岩石學 圖1

地幔物相的實驗研究

地幔物相的實驗研究。人們可根據地表出露的深成岩研究地殼物質的化學和礦物成分，但要了解幾十、幾百公里以下地球深部的物質就困難了。利用地震測量和高溫高壓實驗等方法可對地幔物質進行探索。地震波在地球里傳播速度的研究表明，地幔是固態物質組成的，且隨深度增加物質密度不連續地增大。地幔物質究竟以什麼物相的形式存在以及它們如何隨深度而變化，這長期以來一直是個謎。

圖2

超高壓下的實驗研究發現，鎂橄欖石在1000℃和13×10⁹帕下相變為變尖晶石，在33×10⁹帕以上又轉變為尖晶石和方鎂石。斜方輝石在超高壓下亦變成密度更大的尖晶石和超石英。在更高的衝擊波壓力下，矽酸鹽礦物趨於轉變為密度更大的氧化物。如橄欖石在 1500℃和26×10⁹帕下變為鈣鈦礦、尖晶石和方鎂石，MgAl₂O₄成分的尖晶石在70×10⁹帕下轉變為方鎂石和剛玉。已查明地幔是由超鎂鐵質的固相物質組成的，其物相隨深度而變化。上地幔物相有輝石、橄欖石、石榴子石等，它們組成的岩石被稱作地幔岩。地幔各圈層的物相及其與深度關係可由圖2看出。

發展趨勢

實驗岩石學有一定的局限性。實驗室的條件較之自然過程總是大大簡化了，實驗時間與漫長地質過程亦無法比擬。不過這些局限性會隨著實驗技術的完善而逐步縮小。實驗岩石學正朝著更複雜因而更接近自然條件的多元體系和含多種揮發組分的複合體系的實驗研究方向發展，朝著探索地球更深部秘密的超高溫超高壓實驗發展。熱力學、動力學與實驗研究的結合可以互相補充和訂正許多數據資料，從而把實驗岩石學推向更精確的定量階段。地質地球化學過程的動力學可能成為這個領域未來探索的主要課題。