理科教科书中关于火成岩分类法的问题

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1、理科教科书中关于火成岩分类法的问题理科教科书中关于火成岩分类法的问题编译：王立群编译：王立群原著：高桥正树原著：高桥正树前言：前言：火成岩是岩浆冷凝固结而形成的岩石。在初等及中等教育中，关于火成岩分类的教 育颇受重视，可以说是必须要接触的。尤其是根据火成岩的色指数和外观上的色调的鉴定， 可以说占据着相当重要的位置。但是根据色指数所进行的火成岩分类在实际学术方面的火 成岩分类体系中则不一定要重视。另外在火成岩多样性的说明方面，可谓必须的是基于鲍 文反应原理的结晶分异作用。但是，这种思考方法，在现代火成岩岩石学中为普遍现象的 这种认识是不可取的。在此，想分析一下日本的初等及中等教育中火成岩分类处理

2、方法中 的问题。 辉长岩是优黑质吗？辉长岩是优黑质吗？色指数问题色指数问题所谓色指数是在火成岩中所含的有色矿物的百分比。所谓有色矿物是含铁、镁的橄榄 石、辉石、角闪石、黑云母等苦铁质矿物。含铁的矿物吸收可见光线，看起来有些发黑， 所以就有了这个名称。 请看图 1。该图是火成岩（深 成岩）的放大照片。两者看起来 都呈暗白色。左侧的图是花岗岩。 那么，右侧的岩石也是花岗岩吗？ 实际上，右侧的岩石是富含斜长 石的辉长岩。图 2 也是火成岩 （深成岩） 。两者同样也可以看到 一定数量的有色矿物，但左侧是 闪绿岩，右侧是辉长岩。因此， 仅使用色指数区别深成岩是相当 困难的。因此，在一般情况下深 成岩的分

3、类不使用色指数。深成 岩是在岩浆房内岩浆缓慢冷凝固 结而形成，而且缓慢冷凝固结的 岩浆房中，结晶化了的“墙壁” 和“顶棚”的一部分发生崩塌， 破碎的成分作为重力流向下流动 或落下，在岩浆房的底部富集大 量的晶体，以这种方式形成的岩 石称为沉淀岩。深成岩的大多数 为结晶析出，这种情况的深成岩， 其化学组成与岩浆的化学组成不 同。在粘性低的玄武岩质岩浆中， 晶体容易从岩浆熔融体中分离出 来，所以从玄武岩质岩浆中结晶出来的辉长岩多数情况是沉淀岩。 那么。火山岩的情况又是如何呢？此前的教科书中认为玄武岩为优黑色，安山岩为中 间色灰色，英安岩和流纹岩为优白色。图 3 是火山岩的研磨样品，知道哪一块样品是

4、玄武岩吗？左侧 A 图的灰色火山岩是玄武岩，右侧 B 图的优黑色火山岩是安山岩。像这样 灰色的玄武岩和优黑色的安山岩是极其普遍的，黑曜岩是流纹岩质，但着有黑色。 火山岩是由斑晶和基质构成的，如果富含斜长石斑晶，斜长石就会呈白色，因此从整 体上看发白。在像日本列岛这一类的板块沉降带的玄武岩中富含斜长石斑晶的较多，所以 看起来并不太黑。基质是什么成 分呢？实际上玄武岩类的基质矿 物富含辉石等有色矿物。但是， 如果火山玻璃含量多的话，通常 即便是安山岩和英安岩也会看起 来发黑。前面已经举出了黑曜岩 的例子，在这里说明一下康康石 （敲起来发出康康响声的岩石） 也叫磬石的这种缺乏玻璃质斑晶 的安山岩，它

5、也是相当黑色调的 岩石。基质的色调因晶体的粒度 而发生变化，粒度粗的发白，粒 度细的看起来发黑。 像以上那样，因为火成岩的色调在教学上易教易学，所以在教科书上大量被使用，但 是作为火成岩分类的基础实际上不一定适合。在野外实际中观察火成岩的学生多根据色调 进行判断，大多数情况下会产生错误。因此在火成岩分类的教学上有必要做进一步的研究。深成岩的分类体系：根据无色矿物的百分比进行分类深成岩的分类体系：根据无色矿物的百分比进行分类除了几乎不含斜长石等无色矿物的超苦铁质岩之外，大部分的深成岩分类是根据无色 矿物的体积百分比进行的。所谓无色矿物是不含铁及镁，含硅、铝、碱性元素的斜长石、 碱性长石、石英、似

6、长石等的矿物，这一类矿物被称作硅长质矿物。图 4 表示的是国际地质科学联合会（IUGS）推荐的深成岩分类方法。图 4 是表示不含 似长石的深成岩分类三角图， 顶点为石英，左右两个顶点分 别是斜长石和碱性长石。富含 碱性长石的是花岗岩，向着碱 性长石减少的方向为花岗闪绿 岩，更进一步减少的为英云闪 绿岩。石英和碱性长石两者含 量都少的是闪绿岩和辉长岩， 但是否为闪绿岩或辉长岩要根 据斜长石中的钙含量来确定。根据国际地质科学联合会 推荐的深成岩分类体系，各深 成岩的色指数如下：碱性长石 花岗岩为 020，花岗岩为 520，花岗闪绿岩为 525，英 云闪绿岩为 1040，石英二长闪绿岩为 1540，

7、石英闪绿岩为 2045，石英辉长岩为 2555，闪绿岩为 2550，辉长岩为 3565，石英斜长岩和斜长岩为 010。由此看来，根据 色指数进行深成岩的分类是极其困难的。火山岩的分类体系：根据全岩化学组成的分类火山岩的分类体系：根据全岩化学组成的分类火山岩由斑晶和细粒的基质组成，在基质中经常含有玻璃质，所以根据色指数之类的 矿物组成模式对火山岩分类是困难的。因此目前根据全岩化学组成而进行分类是一般的做 法。久野久曾经提出根据火山岩基质的色指数进行分类的方法，但是当基质不是全晶质而 是极细粒且玻璃质含量较多时，久野久明确地说明该方法不适用。根据该分类，基质的色 指数为 6035 的是玄武岩，为

8、3510 的是安山岩，10 以下的是英安岩和流纹岩。对于现在采用的根据全岩 SiO2含量所制定的火山岩分类方 法存在若干种，按照国际地质科 学联合会推荐的分类体系，在碱 性物质含量少的情况下，SiO2含 量在 4552%（wt.）的为玄武岩， 5257%的为玄武质安山岩，5763%的 为安山岩，63（7077）%的为英 安岩，7077%以上的为流纹岩。 在日本常用的分类体系是由都城 久城（1975）所制定的，和国际地质科学联合会的分类相同，纵坐标表示碱含量 （Na2O+K2O） ，横坐标表示 SiO2的含量，那么 SiO2的含量为 4553%的是玄武岩，5362%的 是安山岩，6270%是英安

9、岩，70%以上是流纹岩。 鲍文反应原理：易于教学但未必正确的思考方法鲍文反应原理：易于教学但未必正确的思考方法在 1920 年代，美利坚合众国的鲍文在卡内基地球物理学研究所进行了大量的硅酸盐矿物的融解试验，根据该实验的结果提出了【反应原理】的设想。大量的硅酸盐矿物组成固 溶体，矿物和熔融的液体随着温度的降低互相进行反应而使矿物组成发生变化。把这种现 象称为【反应原理】 ，把其变化方式称为【反应序列】 。该反应序列中可分为连续反应序列 和不连续反应序列两种类型。斜长石随着温度的降低，在和液体的反应过程中使其成分从富含钙质的向富含钠质的 转变，这种矿物称为连续反应系列。橄榄石与液体反应形成辉石，辉

10、石与液体反应形成角 闪石，角闪石与液体反应形成黑云母，这些矿物称作不连续反应序列。随着温度的降低， 液体结晶析出矿物以及在各种程度的反应中使其矿物的化学组成改变下去的过程叫做结晶 分异作用。另外，因为结晶分异作用和晶体的分离等，使岩浆的组成变化下去的现象称为 结晶分化作用。这两种作用，前者说的是矿物晶体，后者说的是岩浆残液。鲍文认为根据单纯的玄武岩质源岩浆的结晶分化作用可以形成各种各样的岩浆。玄武 岩质岩浆随着温度的降低在结晶分化作用下液体中的 SiO2含量增加，向安山岩质、英安岩 质和流纹岩质岩浆变化。伴随着这种变化，结晶析出的苦铁质矿物向橄榄石、辉石、角闪 石和黑云母变化下去。另外，硅长质

11、矿物，其斜长石的组成从富含钙质向富含钠质的方向 变化下去，最后碱性长石和石英结晶析出。以上情况就是鲍文研究的结果。按照鲍文的样板，并简化他的研究结果表示出来的是图 6。这种图件最初刊载在欧美 入门级的地质教科书中，也传入到了日本并一直到现在，几乎没有更新地一直在反复使用 着。该图存在以下错误。 （1）喷出岩中的玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩分别被对应到 深成岩中的辉长岩、闪绿岩和花岗岩上，而实际上并不是这样地简单，它们不一定是相互 对应的。例如，某种辉长岩对应的不是玄武岩而是安山岩。另外，不能够用相同的组成矿 物图表示粗粒的等粒结构深成岩和由斑晶及细粒基质组成的火山岩。 （2）作为苦铁质矿物，

12、 图中表述为玄武岩和辉长岩包含橄榄石和辉石，安山岩和闪绿岩中包含角闪石和辉石，英 安岩和流纹岩中包含角闪石和黑云母，然而在日本列岛的第四纪火山岩中，玄武岩内不一 定含有橄榄石，安山岩中也不一定含有角闪石。此外，在英安岩和流纹岩中也没有一定含 角闪石和黑云母的道理。反到极为普遍地看到辉石玄武岩、辉石安山岩、辉石英安岩和流 纹岩等。特别是安山岩的大多数为辉石安山岩，含有角闪石的为少数。再者，所有含鲍文 不连续反应序列中的苦铁质矿物的层状深层岩体（岩浆房固结形成的岩体）很少见，如层 状辉长岩体，即使岩浆结晶分化到最后，角闪石和黑云母不结晶析出的类型是较多的。自鲍文之后，在最近的实验研究和岩石学研究的

13、进展中，明确的事实如下：（1）因上 地幔橄榄岩的部分熔融所生成的苦铁质岩浆的化学组成，在温度、压力、含水量、含二氧 化碳量等因素的支配下，呈现极为多样性的特点，单纯的玄武质岩浆等物质已经不过是一 种空想的产物。 （2）来自玄武岩质岩浆的苦铁质矿物的结晶顺序在温度、压力及含水量的 作用下变化很大。通常并不限于橄榄石比辉石先结晶析出，也可以出现辉石先结晶的情况。 另外，角闪石结晶析出的条件是低温和充足的水分存在。 （3）大部分硅长质岩浆不只是因 玄武岩质岩浆的结晶分化作用，因含玄武岩的地壳物质的熔融也可以产生。 （4）多数安山 岩质岩浆不只是由玄武岩质岩浆的结晶分化作用形成，也可以由玄武岩质岩浆和硅长质岩 浆的混合而形成。如以上所述，现在鲍文所提倡的思想几乎全部发生了改变。像图 6 这样的理论已经在 现代岩石学成果中不被采纳。但在初等中等教育中还担任着火成岩分类和成因的主要教授 内容。希望根据色调（色指数）的火成岩分类以及用已经进入科学史的古典鲍文反应原理 说明玄武岩质岩浆的结晶分化作用并由此进一步说明火成岩形成多样性的内容应尽快予以 修正。目前的教授内容可能易于教学，但它只是一种传说性质的脱离现实的观念性内容。 今后，把火成岩相关的教授内容如何以现代知识为基础来改变，期待着有识之士的努力和实践。