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文|地渊质
编辑|地渊质
前言所有岩石最终都源于岩浆，岩浆会凝固形成火成岩。例如，考虑一块页岩的历史。这样的岩石现在由粘土矿物组成。这些粘土矿物可能是由含有岩屑和矿物颗粒的沉积岩风化形成的。
而这些成分又可能是由花岗片麻岩的侵蚀产生的，在发生变质之前，这个片麻岩可能是一种花岗闪长岩，它是通过结晶岩浆形成的火成岩。正如这个例子所说明的，火成岩学的研究为研究变质岩和沉积岩奠定了基础。
火成岩学是研究由岩浆形成的岩石的分类、出现、组成、起源和演化的学科。该学科可以分为两个组成部分：火成岩岩石学，即对火成岩的描述和分类；火成岩成因学，即对火成岩的起源和演化进行研究。
火成岩学有许多不同的研究方法，野外地质学对于火成岩学的研究非常重要，因为岩石单元之间的地质关系、火成岩的结构、纹理和物理特征都蕴含着重要的信息。
火山学家在火山喷发期间依赖于野外观察，并根据火山喷发产生的火山灰、熔岩和其他火山喷出物的分布来模拟火山喷发前后发生的过程。
通过实验室对火成岩薄片中矿物的鉴定，以及岩石的化学组成和年龄，是对其进行分类和与其空间关联的其他岩石联系的重要手段。
研究火成岩的另一种重要方法是地球化学，主要元素地球化学可以确定一套岩石是否通过岩浆差异或混合等过程相关联。
微量元素地球化学用于确定各种矿物在一套岩石中作为结晶相或残余相所起的作用。同位素地球化学可以涉及放射性同位素和稳定同位素，可以确定一套岩石是由单一岩浆形成的，还是涉及更复杂的多源过程。
因为在地表下结晶的岩浆是不可观测的，而在地表喷发的熔岩则炽热且常常具有危险的爆炸性，地质学家发现直接研究火成岩的形成十分困难。
实验岩石学是火成岩学中的一个重要方面，它在实验室中再现了火成岩形成和演化所需的压力和温度条件。对于许多岩石而言，野外和岩石学描述并不能提供它们形成过程的确凿证据。对于这些岩石，从实验岩石学中收集的数据至关重要。
火成岩岩石学中最繁琐的一方面是术语的掌握，随着岩石学的重要性和复杂性的提高，过去几个世纪里，对火成岩使用了无数且常常晦涩难懂的名称。
许多火成岩术语晦涩难懂，是因为在科学的早期阶段，岩石学家无法获得实验数据、相图、同位素系统或热力学数据，因此他们的工作主要是描述性的，而非定量的，他们描述岩石的一种方式是给它们命名。
其中一些比较生动的名称是查诺克岩（charnockite），它是根据印度加尔各答（现在是加尔各答）的创始人乔布·查诺克（Job Charnock）的墓碑上的岩石命名的。
查诺克岩是一种含正长石辉石的花岗岩，但从名称的起源并不能确定这一点，除非有人侵犯乔布·查诺克的墓碑，进行薄片和化学分析的取样。
但是像查诺克岩一样，在火成岩学发展的早期阶段出现的大多数岩石名称并不能提供太多关于岩石起源或演化的见解。
许多基于类型产地的岩石名称是在19世纪或20世纪初命名的，随着时间的推移，地质学家意识到需要更系统的岩石分类方案。
1972年，国际地球科学联合会（IUGS）火成岩系统分类小组发布了一套被广泛采用的岩石分类系统，并且许多旧的岩石名称已被废弃。
命名岩石有两种基本方法，一种是根据岩石中包含的矿物来进行分类，另一种是根据其化学组成进行分类。第一种方法的好处是地质学家可以通过识别岩石的矿物学来在野外为其命名；然而，对于细粒岩石来说，这种方法并不是很有帮助。
另一种化学分类需要分析数据，因此在野外并不适用，但它可以用来命名细粒岩石或玻璃质岩石。大多数火成岩的组成可以用九种氧化物来表示：SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O和K2O。
它们组合形成了主要的岩石形成矿物，包括辉石、橄榄石、石榴子石、角闪石、云母、石英、斜长石、碱长石、长石质岩石、磁铁矿和钛铁矿。
大多数岩石只含有其中几种矿物，国际地球科学联合会（IUGS）的分类系统既使用矿物学数据，又强调以矿物学为基础进行分类。
火成岩根据其颗粒大小分为深成岩、浅成岩和火山岩三个一般类别。深成岩的特征是颗粒粗大或中等（>1 mm），推测其结晶于地壳深处。浅成岩和火山岩为细粒到玻璃质。火山岩在地表结晶，而浅成岩在浅层结晶，通常小于一公里深度。
因为火成岩的颗粒大小部分取决于岩浆的冷却速率，而岩浆的冷却速率又取决于岩浆的温度以及岩浆注入的周围岩石的环境温度，所以颗粒大小通常随着深度增加而增大，但没有特定的深度与从深成岩过渡到浅成岩相关联。
除了根据颗粒大小进行分类外，岩石的一般组成可以用\"felsic\"、\"mafic\"和\"ultramafic\"这些术语来描述。富含石英、长石或长石质矿物的岩石颜色较浅，被称为\"felsic\"。这个术语结合了长石（和长石质矿物）和二氧化硅的部分。
富含镁铁质矿物的较深颜色的岩石被称为\"mafic\"，这个术语反映了这些岩石富含镁和铁（Fe），超镁铁质岩石基本上不含任何长石质矿物。
由于深成岩的颗粒相对粗大，使得其组成矿物可以很容易地在手样或薄片中进行鉴定，因此它们是最容易分类的火成岩群。
国际地球科学联合会（IUGS）的分类是基于常见矿物的丰度（体积百分比）来进行的（称为模式矿物学或模式），它们分为五个组。
含有少于90%镁铁质矿物（M<90）的岩石根据其中包含的Q、A、P和F矿物的量进行分类，而含有超过90%镁铁质矿物的岩石则根据主要镁铁质矿物的比例进行分类。富长石和镁铁质岩石通常远远少于90%的镁铁质矿物，而超镁铁质岩石则远远超过90%。
由于岩石中永远不同时含有石英和长石质矿物，因此可以根据三个组分中的QAP或FAP来分类富长石和镁铁质岩石。
辉长岩和辉绿岩都位于QAP三角形的相同区域，它们主要通过斜长石的成分来区分：辉长岩中的斜长石比An50更富钠，而辉绿岩中的斜长石则更富钙。因为国际地球科学联合会（IUGS）的分类不考虑斜长石的成分，所以无法区分这两种岩石类型。
在QAP三角形的辉绿岩/辉长岩部分，还有第三个岩石名称：辉长岩（anorthosite）。辉长岩是一个特殊的名称，用于指代含有超过90%斜长石的岩石。
由于国际地球科学联合会（IUGS）的分类仅基于Q、A、P和F矿物的比例，它无法区分含有仅10%铁镁质矿物和含有高达90%铁镁质矿物的岩石之间的差异。因此辉长岩与含有较高镁铁质矿物含量的辉绿岩和辉长岩占据了三角形的相同部分。
这种分类方案可以通过添加存在的主要镁铁质矿物的名称进一步详细说明，其中最丰富的矿物名称靠近岩石名称。含有黑云母和角闪石的二辉闪安山岩（biotite-hornblende tonalite）角闪石的含量比黑云母更多。
镁铁质岩石可以根据其中包含的斜长石、正辉石、斜辉石、橄榄石和角闪石的比例进一步细分。严格来说，辉长岩（gabbro）这个术语用于指代由蓝闪石和钙长石组成的岩石，尽管这个术语也广泛用于由钙长石和其他铁镁质矿物组成的岩石。
透辉长岩（troctolite）是一种由橄榄石和钙长石组成的岩石，正辉长岩（norite）是一种由正辉石和钙长石组成的岩石，它们都属于辉长岩类别。
尽管没有显示，但由钙长石和角闪石组成的岩石被合理地称为角闪辉长岩（hornblende-gabbro）。大多数辉长岩状岩石中含有35%至65%的镁铁质矿物。
如果含量低于此范围，岩石名称前面可以加上“leuco-”，表示较亮。如果含量超过65%的镁铁质矿物，可以在岩石名称前面加上“mela-”，表示较暗。
超镁铁质岩石几乎不含斜长石，因此需要根据铁镁质矿物含量进行独立的分类方案。含有超过40%橄榄石的超镁铁质岩石被称为橄榄岩（peridotite），而含有超过60%辉石的超镁铁质岩石被称为辉石岩（pyroxenite）。
橄榄岩和辉石岩根据正辉石、斜辉石和橄榄石的相对比例进一步细分。其他矿物相的存在可以用于进一步指定超镁铁质岩石的名称；例如，含有石榴子石的铬辉榴岩（garnet lherzolite）被称为石榴子石辉榴岩。
查诺克岩（含正辉石的花岗岩状岩石）、碱玄岩（含镁铁质和超镁铁质岩石，以及高钾和钠的岩石）和接触变质岩（在与熔岩接触的地下发生热变质的岩石）是其他一些岩石类型。
在可能的情况下，国际地球科学联合会（IUGS）建议基于模式矿物学对火山岩进行分类。根据这种方式确定的火山岩和浅成岩的名称。
有一些深成岩类型没有与之对应的火山岩，例如辉长岩和超镁铁质岩。这些深成岩通常代表了晶体的聚集，没有该组成的液体存在。
唯一的超镁铁质岩浆凝固形成一种罕见的岩石，称为科马提岩（komatiite），几乎只存在于古老的太古代地质区域，它是橄榄岩的火山岩对应物。
如果火山岩的颗粒细小到无法识别矿物，则必须根据化学成分进行分类。国际地球科学联合会建议基于总碱和二氧化硅含量（TAS）对火山岩进行分类（LeBas等，1986）。
TAS图的x轴表示岩石中SiO2的重量百分比，y轴表示岩石中Na2O+K2O的重量百分比。然后将图分为15个区域。使用这种化学方法进行分类的岩石名称通常与基于QAPF图的名称一致。
岩石学家使用岩石的结构和构造来解释火成岩的结晶过程，尽管“texture”（结构）和“structure”（构造）几乎可以互换使用，但岩石的纹理指的是岩石的小尺度外观，包括岩石组分的大小、形状和排列，包括矿物、玻璃和空腔。
岩石的构造指的是在野外可识别的大尺度特征，例如层理、矿物丰度的变化或节理。纹理可以提供关于冷却和结晶速率以及结晶时矿物与岩浆之间的相态关系的信息。构造指示了岩石形成过程中的活动过程和差异化机制。
通过熔体结晶形成火成岩的过程可以从基本的热力学原理中理解，热力学是化学领域的一个分支，旨在确定在给定温度和压力下一组化合物中哪种固相、液相和气相的组合是稳定的。在火成岩学中，热力学可以预测从熔体中结晶出的矿物。
热力学的一个关键观察是，结晶等化学反应只有在释放热时才会自发发生，热被矿物（和其他物质）以两种方式束缚，即焓和熵。
焓是物质化学键中储存的热能，由于每种物质的键强度不同，从物质A到物质B的反应会释放（或消耗）热能。熵是“随机性”的度量。它表示原子在结构中的连接程度。元素在气态中的熵远高于在熔融态中的熵，而在固态中的熵又远高于在熔融态中的熵。
由弱范德华键连接的元素的熵高于由共价键连接的相同元素的熵，化学反应释放的可用于化学工作的能量称为自由能，用G表示，这是由于1873年提出该概念的J. Willard Gibbs的名字。
化学反应中产物和反应物之间自由能变化的方程式（用希腊字母Δ表示）为：ΔG = ΔH - TΔS。
这个方程表明，反应释放的热量等于产物和反应物之间键强度变化所释放的热量减去由于原子构型变化而消耗的热量。对于任何反应，ΔG有三种可能的取值。
它可以是正值，这意味着必须添加热量才能推进反应。这意味着反应物是稳定的。ΔG可以为零，这意味着反应物和产物处于平衡状态。另一种可能是ΔG为负值，这意味着反应可能自发发生。
即使ΔG < 0，自发反应也可能不会发生，因为可能存在要克服的能量障碍。在这种情况下，系统被称为亚稳态。
在硅酸盐熔体冷却过程中，晶化要开始，熔体与固态矿物之间的ΔG必须小于0。火成熔体的结晶涉及的不仅仅是有利的热力学条件，还涉及新晶核的形成和已经形成的晶体的生长。
晶核形成和晶体生长都依赖于扩散，即各种元素离子在熔体中移动的速率。通常情况下，对于小离子或低价离子，扩散速率较快，而对于较大离子或高价离子，扩散速率较慢。
具有相同电荷和类似大小的Ca2+、Mg2+或Fe2+离子的扩散速率大致相同。较大的单价Na+离子扩散速度较快，而Al3+离子扩散速度较慢。
熔体中离子的扩散速率也取决于熔体的粘度（流动阻力），较低粘度的玄武岩等熔体中扩散速度较快，而较高粘度的流纹岩等粘稠熔体中扩散速度较慢。
以结冰为例，考虑从水中结晶的简单过程。当温度降至0摄氏度以下时，冰晶体开始形成。在0摄氏度以下，冰比水更稳定，因为水转变为冰的反应的ΔG小于零。
当温度恰好为0摄氏度时，水并不会立即冻结，尽管在这个温度下水和冰处于平衡状态。
在略低于0摄氏度的温度下，水中的H2O分子可能会结合在一起形成微小的冰晶体。最初结合在一起的几个H2O分子是亚稳态的。虽然分子结合时会释放能量，但冰晶体边缘的离子与其他冰分子的离子并没有结合在一起。
但它们被弯曲回晶体内部，产生了被称为表面能的能量。当一些冰分子结合在一起时，释放的能量量是由于分子结合而释放的自由能和晶体边缘未填充键的表面能之间的差异。当晶体很小时，这种差异会很大，因为相对于晶体的体积，表面能很大。
随着晶体尺寸增大，这种差异会随之减小，因为晶体的形成释放的自由能是晶体的体积的函数，而表面能是表面积的函数。随着晶体半径（r）的增加，体积以r^3的因子增加，而表面积以r^2的因子增加。
随着半径增加，晶体的自由能增加速度远远快于表面能，这意味着存在一定的半径使得晶体变得稳定。当这种情况发生时，晶体成为一个晶核。
由于晶体必须变得足够大，以克服表面能障碍，然后才能成为一个晶核，所以当温度接近结晶温度时，从熔体中形成晶体是困难的。
如果熔体冷却到结晶温度以下，就会出现一种被称为过冷的状态，这时候形成晶核的能量是有利的。在低过冷度下，晶体与熔体之间的ΔG很小。随着过冷度的增加，ΔG增加，这意味着在熔体过冷的情况下，晶体的形成速率会增加。
当达到一定的过冷度时，晶体的形成速率达到最大值。随着进一步的过冷，晶体的形成速率下降，因为随着熔体冷却和粘稠度增加，扩散变得越来越困难。在接近几乎凝固的温度下，扩散变得非常缓慢，新晶体生长所需的分子无法移动到晶核位点。
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