实验岩石学

实验岩石学是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。欧美习惯把矿物和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。

用实验方法研究矿物和岩石的尝试已有一百多年的历史。英国物理学家霍尔首次做了玄武岩熔化结晶的高温高压实验，因而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塔特尔设计出了冷封高压容器，改进型可用于700～900℃和四亿帕的实验。1952年美国实验岩石家约得研制的内加热高压容器能获得1500℃的高温和十亿帕的高压。这两种流体介质的高压设备成功地用于研究岩浆作用和变质作用，导致了花岗岩深熔理论和玄武岩成因理论的建立。

二十世纪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，能产生高达三百亿帕的超高压。1976年美国毛河光等研制出的钻石高压腔达到了一千二百亿帕的压力，经改进后又获得了二千八百亿帕的超高压，相当于地核内部的压力。

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。

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-二氧化硅-水体系的实验表明，其液相面随水蒸气压的升高而降低。当压力为五千万帕时熔化温度为770℃，五亿帕时共熔温度降至640℃。

把钠长石+正长石+二氧化硅，组分大于80%的天然花岗岩的成分点投影到钠长石+正长石-二氧化硅相图上，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四亿帕条件下，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-二氧化硅体系高压实验表明，橄榄岩或辉橄岩在二十亿帕下发生无水部分熔化，产生的熔体成分相当于二氧化硅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。

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。

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。

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℃和一百三十亿帕下相变为变尖晶石，在三百三十亿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℃和二百六十亿帕下变为钙钛矿、尖晶石和方镁石等。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。

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。

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