本文首先簡述了地球系統(tǒng)科學的基本思想和指導意義。指出巖漿作用實質(zhì)上是地球各層圈之間相互作用的結(jié)果，巖漿是地球各層圈之間物質(zhì)和能量交換的重要載體。通過眾多研究實例，重點討論了巖漿作用的地球動力學意義：一方面，火成巖及其所攜帶的深源巖石包體可以當作地球深部的'探針'和'窗口'；另一方面，火成巖也是大地構造事件的記錄，可以用以恢復古板塊構造格局，追溯大地構造演化歷史.
1 懷念敬愛的馬杏垣先生
馬杏垣先生是我非常敬愛的老一輩大科學家和大教育家。在他100周年誕辰之際，回想起與他相處的一些難忘時刻和給我的教誨，終生難忘。1956年，我從南京地質(zhì)學校畢業(yè)，被保送到北京地質(zhì)學院讀大學，有了我第一次近距離聆聽一批著名地學大師講課和教誨的寶貴機會。馬杏垣先生那時不到40歲，英俊瀟灑，講課時充滿哲理的構造解析和漂亮的板書與素描，給了我極深刻的印象。1957年我和幾個同學跟隨游振東老師和鄧晉福老師到山西出野外，回來后游老師帶著我們向馬杏垣先生匯報。馬先生問：“你們這次出野外有什么發(fā)現(xiàn)?”我插話說：“沒什么大發(fā)現(xiàn), 就是看見了一個不整合(指五臺群和滹沱群之間的不整合)”。馬先生說：“那可是個大發(fā)現(xiàn)呀, 它代表一次非常重要的構造運動。”這次匯報給我印象很深，使我明白了，知識不夠，重要的現(xiàn)象可能視而不見，即便見到了，也認識不到它的價值，必須要努力學習，打好堅實的基礎。1960年我剛畢業(yè)就被分配去帶領北京密云地區(qū)幾幅1：5萬圖幅的填圖工作。這個地區(qū)有大面積的老變質(zhì)巖，混合巖化發(fā)育，構造復雜多樣，我感到困難很大。于是我便去找馬杏垣先生和程裕淇先生，請他們到野外現(xiàn)場去給我們指導。現(xiàn)在已記不清我當時哪來那么大的膽子。可這兩位大師并沒有看不起我這個初出茅廬的學生，欣然同意前往。他們同我們一起在野外住了好幾天，現(xiàn)場考察，聽我們的匯報，肯定我們做得對的，指出我們的不足和今后應該怎么做，手把手地教，使我在學識上和思想上都得到極大的收獲。每當回想起來，心里總是充滿了對馬先生和程先生的崇敬與感激之情，并以能夠得到兩位大師的直接教誨而自豪。
馬杏垣先生畢生為祖國的地質(zhì)教育事業(yè)與科學事業(yè)做出了重大貢獻。他的崇高思想品德，給我們留下了寶貴的精神財富。他早年投身革命，參加過“一二·九”運動，是1938年入黨的老黨員。1945—1948年赴英國愛丁堡大學留學并獲博士學位。中華人民共和國成立前夕毅然回國參加建設新中國的事業(yè)，先后在北京大學、北京地質(zhì)學院任教授、副院長，后來又服從國家安排調(diào)任國家地震局副局長兼地震地質(zhì)研究所所長。他培育和領導了北京地質(zhì)學院(現(xiàn)中國地質(zhì)大學)的構造地質(zhì)學科，開創(chuàng)了構造解析學，在構造地質(zhì)學、前寒武紀地質(zhì)與構造、地震地質(zhì)學、巖石圈結(jié)構與動力學等領域都作出了重大貢獻。
他熱愛祖國山川，足跡遍布中華大地。十上嵩山，鍥而不舍22年，完成了在構造地質(zhì)學上具里程碑意義的專著《嵩山構造變形——重力構造、構造解析》，成為科壇佳話。他寫下了這樣的詩句：“嵩山是我?guī)煟沂轻陨接眩?/span>群山是我?guī)?，我是群山友?/span>”，充分表達了他對嵩山、對祖國大好山河無比熱愛之情，也充分體現(xiàn)了他重視實踐，求實創(chuàng)新的科學精神。這首詩的手跡至今還保留在河南地質(zhì)博物館。
他在20世紀80年代擔任國際巖石圈委員會執(zhí)行局委員和巖石圈計劃喜馬拉雅委員會主席，主編了《中國巖石圈動力學圖集》，為全球地學斷面計劃(GGT)“做出了最出色的成果”，“為巖石圈的結(jié)構演化和動力學提供了重要輪廓”(國際巖石圈委員會主席K.Fucks、國際地學斷面計劃委員會兩任主席J.W.H.Monger和H.J.Gotze的評價)。尤其應當指出，馬先生在當時就提出要“把地球構造當作一個系統(tǒng)來研究”的科學遠見，幾乎與美國提出“地球系統(tǒng)科學”概念同時，充分體現(xiàn)了馬杏垣先生的高瞻遠矚。在紀念馬杏垣先生誕辰一百周年的時候，本文擬沿著這個主題，結(jié)合自己從事的學科專業(yè)，就地球系統(tǒng)科學及巖漿作用與地球深部過程談一談自己的體會.
2 地球系統(tǒng)科學的時代
地球是已知星球中最適合人類居住的星球，是人類美好的家園.地球是已知行星中正在進行地質(zhì)運動的活星球，是已知行星中唯一有生命的星球，是已知行星中唯一具有液態(tài)水體的星球，是已知行星中唯一在大氣成分、溫度、濕度、季節(jié)(四季分明)上適合人類生存居住的星球，地球是已知行星中唯一具有地磁場、大氣圈、水圈、臭氧層保護的星球，地球在太陽系中的位置(以及太陽系在銀河系中的位置)有利于生命的產(chǎn)生和存在。因此，愛護地球，保護地球，是我們每個人的神圣責任。
當前我們正處在一個以地球系統(tǒng)科學為旗幟的新的地學革命時代，這對我們既是一個挑戰(zhàn)，又是一個極為寶貴的機遇。
“地球系統(tǒng)科學”的概念最早由美國國家航空航天局(NASA)于1983年提出。NASA并于1998年發(fā)表了Fact Book《Understanding Our Changing Planet: NASA's Earth Science Enterprise》，提出了研究地球系統(tǒng)的目標、任務和方法，很快就得到世界各國的響應。當時主要是為了全球環(huán)境變化這個主題，但以后卻不限于此，發(fā)展成為對整個地球行為及所有層圈間相互作用的探索。如果說19世紀是以“生物進化論”為旗幟、20世紀是以“板塊構造理論”為旗幟的時代，那么，21世紀就是以“地球系統(tǒng)科學”為旗幟的時代。
由于眾所周知的原因，20世紀60年代我們失去了在以板塊構造理論為旗幟的地學革命中發(fā)展我國地學的寶貴機遇，落后了幾十年.這次一定要抓住。只有這樣，我國地學才能迎頭趕上世界先進水平。
簡言之，地球系統(tǒng)科學，就是將地球當作一個統(tǒng)一的大系統(tǒng)，研究地球整體運動的規(guī)律及各圈層間的相互作用。圈層相互作用，是地球系統(tǒng)科學的核心。地球系統(tǒng)科學有兩大主題：地球動力學和全球環(huán)境變化(簡稱全球變化)。三大基本任務是：在認識地球系統(tǒng)的基礎上，為人類開發(fā)資源、改善環(huán)境、減輕災害的需求服務。
地球系統(tǒng)科學的形成，是地球科學觀的深刻革命，從根本上顛覆了孤立地研究地球各圈層、靜止地認識地球的思維觀念和方法。我們要樹立地球系統(tǒng)科學觀，以地球系統(tǒng)科學的整體觀和層圈相互作用思想為指導，研究與發(fā)展具體學科，探尋地學真諦。同時，要以地球系統(tǒng)科學觀為指導，愛護保護地球，天地人和諧共存，合理開發(fā)和保護自然資源，減輕自然災害。
3 巖漿巖：探尋地球深部的“探針”和“窗口”
如前所說，要以地球系統(tǒng)科學觀為指導，來研究與發(fā)展具體學科.這也是我們研究巖漿巖巖石學的指導思想。從地球動力學的角度說，巖漿作用實質(zhì)上是地球各層圈之間相互作用的結(jié)果。巖漿是地球各層圈之間物質(zhì)和能量交換的重要載體(莫宣學，2019.高級巖漿巖石學課件)。
巖漿作用具有重要的地球動力學意義：(1)巖漿巖及其所攜帶的深源巖石包體被當之無愧地稱作探測地球深部的“探針”(lithoprobe)和“窗口”(window)。它們的時間坐標，為人們研究地球深部的演化過程提供了可能。(2)巖漿巖也是大地構造事件的記錄。通過巖漿巖的研究，可以恢復古構造格局，追溯大地構造演化歷史.研究巖漿作用與巖漿巖的目的，歸根到底，同樣是服務于人類對合理利用資源、保護自然環(huán)境、減輕災害的需求。
“巖石探針”可以獲得哪些深部信息?(1)反演殼幔的物質(zhì)組成與結(jié)構，建立區(qū)域殼幔巖石學(柱狀)剖面。(2)反演殼幔的熱結(jié)構和熱狀態(tài)。(3)估算地殼厚度、巖石圈厚度，及其空間變化。(4)反演軟流圈頂面埋深及起伏、軟流圈的溫度、壓力、熔漿含量、物質(zhì)狀態(tài)等。(5)反演殼幔的氧化-還原狀態(tài)。(6)反演殼幔深部流體特征，研究地幔交代作用。(7)記錄殼、幔成分及上述各種性質(zhì)隨時間的變化，反演殼幔深部過程.
例如，可以通過對某個火山噴出的火山巖及其所攜帶的深源巖石包體的研究，知道地下什么深度是什么巖石?哪里是地幔?哪里是下地殼?哪里是中上地殼?就像繪制一個鉆井的柱狀剖面圖一樣。如果這個火山噴出了不同時代的火山巖并攜帶著深源巖石包體，那就可以繪制出不同時代的地下柱狀剖面圖，這樣就可以知道該火山下面殼、幔在不同時期的變化。世界上最深的大陸科學深鉆科拉半島深鉆約13 km深。如果將巖漿巖及其所攜帶的深源巖石包體比喻為一井深鉆的話，那么最深的天然“鉆井”深度可達200 km以上。而如果許多這樣的天然“深鉆”分布在一個大的區(qū)域，那么人們甚至就可以依托這些天然“深鉆”獲得這個區(qū)域地下殼-幔結(jié)構總貌。20世紀80年代，池際尚院士曾帶領中國地質(zhì)大學的師生，系統(tǒng)地研究中國東部新生代玄武巖及其所攜帶的幔源巖石包體，發(fā)現(xiàn)新生代玄武巖漿起源于52~113 km (平均值為77 km)深度，暗示新生代時中國東部的巖石圈厚度比正常的巖石圈厚度要薄數(shù)十到上百千米。我們根據(jù)當時23座火山群的研究資料粗繪了一張中國東部新生代玄武巖漿起源深度(相當于巖石圈厚度)的等值線圖，可以看出中國東部新生代巖石圈厚度的空間變化，結(jié)果與地球物理探測可以對比，證明了“巖石探針”方法的有效性。大量研究表明，自晚中生代以來，中國東部克拉通發(fā)生了巖石圈的巨大減薄與破壞。國家自然科學基金委員會設立的重大研究計劃“華北克拉通破壞”，細致地揭示了這一過程。通過長期的研究，人們越來越清楚地認識到，這個巨大的深部事件，是造成中國克拉通不穩(wěn)定性及中國大地構造獨特性(如“準地臺”、“地臺活化”)的深部原因，也是形成中國東部巨大巖漿巖帶與成礦帶，以及一系列能源盆地與地熱田的深部原因。
又如，我們研究團隊和其他許多作者運用“巖石探針”(包括同位素填圖)對青藏高原殼幔結(jié)構進行了研究。研究結(jié)果表明，西藏岡底斯帶存在兩類地殼：新生(初生)地殼和再循環(huán)的老地殼，這兩類地殼及其空間分布對礦產(chǎn)分布具有制約關系，碰撞帶是地殼凈生長(新生地殼形成)的最有利的環(huán)境。關于青藏高原巨厚地殼的成因：有構造加厚和地幔物質(zhì)注入(通過巖漿作用)加厚兩種機制，我們并估算了兩種加厚機制所占的比例，以及加厚的時間；青藏高原存在著地幔物質(zhì)的側(cè)向流動等。
由于“巖石探針”方法能夠提供時間坐標，所以，將它與地球物理等方法相結(jié)合，是我們了解地球深部結(jié)構、組成及其演化過程的最有效的途徑。
深部過程研究的重要性科學家已有共識.雖然資源、環(huán)境、災害問題主要表現(xiàn)在地球的淺表層，然而其推動力卻來源于地球深部，地球深部過程控制了淺部運動與變化。
例如，青藏高原是地球上最高、最大的高原，蘊含著豐富的自然資源，又對亞洲乃至全球的氣候、生態(tài)、環(huán)境有重大的影響。然而，造成這一切的根本原因，卻是印度－歐亞碰撞以來青藏高原殼幔各圈層物質(zhì)和能量的調(diào)整、再分配、再平衡。正是這個物質(zhì)與能量的調(diào)整和再平衡過程，從根本上控制著青藏高原的隆升、形成演化和資源環(huán)境效應。如前所述，中國東部的構造、巖漿、礦產(chǎn)、能源和環(huán)境，也是由重大深部事件所控制的.
由此可見，只有闡明了地球深部過程，即地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、性質(zhì)、運動演化過程及動力學，才能抓住資源環(huán)境問題的關鍵。
4 巖漿巖：大地構造事件與過程的記錄
巖漿和巖漿巖不僅是探測地球深部的“探針”和“窗口”，而且是大地構造事件與過程的記錄。巖漿巖-構造組合類型有：(1)洋中脊巖漿巖組合，(2)洋島巖漿巖組合，(3)俯沖帶巖漿巖組合，(4)碰撞帶巖漿巖組合，(5)碰撞后陸內(nèi)巖漿巖組合，(6)大陸裂谷巖漿巖組合，(7)克拉通巖漿巖組合。
從大地構造角度進行歸納，上述7種組合可以歸并為3類：分離性板塊邊界巖漿巖-構造組合；匯聚性板塊邊界巖漿巖-構造組合；板內(nèi)(大洋板內(nèi)、大陸板內(nèi))巖漿巖-構造組合。
不同構造環(huán)境所形成的巖漿巖，在巖石類型、巖石組合、主要元素、微量元素、稀土元素、同位素上都是不同的。因此可以應用巖漿巖記錄來判斷大地構造環(huán)境，恢復再造大地構造的空間格局及時間演化(過程)。這可以稱為構造-巖漿分析。
構造-巖漿分析原則：(1)充分運用巖石構造組合，考慮區(qū)域地質(zhì)背景。(2)全面考慮常量、痕量及稀土元素的特點，正確運用判別圖解(不應簡單化地使用和依賴判別圖解)。(3)在構造復雜地區(qū)對構造-巖片的研究方法：先解析、后綜合。(4)通過全面綜合分析，再造構造格局、恢復演化歷史。
例如，利用火山巖結(jié)合其他證據(jù)，恢復南大西洋打開的歷史，是眾所周知的例子。地質(zhì)學家發(fā)現(xiàn)，在南大西洋兩側(cè)(南美洲的Parana和非洲的Etendeka)都存在著一套130 Ma的火山巖，其巖石類型及特征都相同，應是同一火山系統(tǒng)的產(chǎn)物。這證明當時Parana和Etendeka還在一起，中間沒有大洋相隔。于是，根據(jù)南大西洋的寬度以及現(xiàn)代洋中脊與兩側(cè)火山巖之間洋底磁條帶記錄，恢復了南大西洋從130 Ma開始張開到現(xiàn)在的擴張歷史。
又如，研究表明青藏高原是在新特提斯洋關閉、印度大陸與歐亞大陸碰撞之后隆升而成的。因此，印度－歐亞大陸初始碰撞時間就是一個非常重要的問題。這個問題在國際地學界的爭論很大.有人認為在晚白堊世就已開始碰撞，也有的人認為到34 Ma才開始碰撞。中國地質(zhì)學家發(fā)現(xiàn)，沿著西藏南部主碰撞帶存在著一個巨大的延伸千余公里的不整合面，不整合面以下是強烈褶皺的海相地層(時代為晚白堊世，有的地方為二疊紀地層)，之上是5 000多米厚近水平的陸相火山－沉積地層。經(jīng)過在林周盆地標準剖面的同位素測年，其年齡為65~40 Ma，底部年齡為65 Ma。經(jīng)巖石學、同位素地球化學與元素地球化學的研究，表明這套火山-沉積巖系具有同碰撞的性質(zhì)。沿碰撞帶走向，起始碰撞時間略有不同(可達70 Ma)。因此，一部分學者認為印度－歐亞大陸碰撞開始于65(70)Ma，65(70)~40 Ma為同碰撞階段，40 Ma以后轉(zhuǎn)為后碰撞階段。
此外，一些學者還運用火山巖的同位素年齡和化學成分來判斷古洋盆的打開-擴張-收縮-閉合過程，判斷造山帶中微陸塊的構造歸屬(例如屬岡瓦納還是屬揚子)和特提斯洋地幔的同位素屬性等。
5 關于巖漿與巖漿巖的成因
然而，要理解巖漿巖組合與構造環(huán)境的本質(zhì)聯(lián)系，必須深入揭示它們的成因機制。對巖漿巖成因機制的研究，是揭示巖漿作用與構造運動、深部過程之間內(nèi)在聯(lián)系的關鍵環(huán)節(jié)。巖漿巖的成因包括巖漿起源和巖漿演化兩大過程。
巖漿起源，就是在一定的溫、壓等物理化學條件下，地殼或上地幔發(fā)生部分熔融(partial melting)產(chǎn)生原生巖漿的作用過程。導致固體地幔/地殼發(fā)生部分熔融的原因有：(1)地溫異常：由于軟流圈上隆、地幔柱上升、或板塊俯沖引起地溫異常，超過源巖的固相線溫度(即起始熔融溫度)。(2)揮發(fā)份的加入：揮發(fā)份的加入會使源巖的固相線溫度降低.這里要注意在發(fā)生部分熔融時源巖屬于什么樣的物理化學系統(tǒng)：乾系統(tǒng)(不含揮發(fā)份的系統(tǒng))；不飽和揮發(fā)份系統(tǒng)；過飽和揮發(fā)份系統(tǒng).3種不同系統(tǒng)的固相線溫度、起始熔融程度、初始熔體成分等是不同的。(3)壓力改變：由于地幔對流、拆沉、去根作用或大斷裂誘發(fā)的減壓熔融；在某些情況下，增壓也可以引起部分熔融，稱為增壓熔融。
固體地幔/地殼源巖部分熔融產(chǎn)生后沒有經(jīng)過演化的巖漿稱為原生巖漿(primary magma)，反之，經(jīng)過演化的巖漿稱為進(演)化巖漿(evolved magma)。影響原生巖漿類型、成分的主要因素：(1)源巖及源區(qū)的性質(zhì)和組成；(2)起源溫度與熔融程度；(3)起源壓力與深度；(4)揮發(fā)份的類型及含量。其中，巖漿源區(qū)對原生巖漿類型與成分的影響是第一位的。
巖漿源區(qū)有地幔、陸殼、俯沖洋殼3類。(1)地幔：幔源巖漿主要起源于軟流圈上部與巖石圈下部, 在這里發(fā)生部分熔融產(chǎn)生巖漿.與地幔柱(mantle plume)有關的巖漿雖然也是巖石圈/軟流圈部分熔融形成的，但歸根結(jié)底它們是地球核/幔相互作用產(chǎn)生的地幔柱的產(chǎn)物，帶有地幔柱的標志.由于巖漿源區(qū)特點和形成時的物理化學條件不同，幔源巖漿有各類玄武巖漿(拉斑玄武巖漿、堿性玄武巖漿等)、碧玄巖漿、霞石巖漿、苦橄巖漿、科馬提巖漿、金伯利巖漿、碳酸巖漿等。(2)陸殼：陸殼的部分熔融產(chǎn)生廣義的長英質(zhì)巖漿.殼源巖漿的研究對揭示大陸的形成演化非常重要。(3)俯沖洋殼：洋殼厚度很薄(0~10 km), 只有在俯沖的條件下才可能發(fā)生部分熔融產(chǎn)生巖漿.過去曾長期認為，造山安山巖是洋殼俯沖形成的，但后來實驗巖石學否定了這種認識.后來的研究發(fā)現(xiàn)，在特定的條件下，俯沖洋殼可以形成埃達克巖巖漿.
巖漿演化是形成巖漿巖的另一個重要機制。巖漿演化就是原生巖漿產(chǎn)生后變化為各種不同演化巖漿的過程。巖漿演化機制主要有:(1)巖漿分異作用：又可分為結(jié)晶分異作用(又稱分離結(jié)晶作用，是最重要的分異作用)、擴散作用、液態(tài)不混溶作用、氣運作用和壓濾-擴容作用等；(2)同化混染作用；(3)巖漿混合作用.巖漿巖演化的機制和程度不同，是影響或控制不同成礦作用的一個關鍵因素。
巖漿過程的物理作用的研究，是過去巖漿巖石學研究的薄弱環(huán)節(jié)，近些年來取得了許多重要進展。其主要內(nèi)容是研究巖漿從源區(qū)到地表的運動規(guī)律，包括熔體從源區(qū)分離出來聚合成巖漿團，巖漿的上升與傳輸，巖漿房內(nèi)作用，巖漿的侵位，巖漿的噴發(fā)等作用。流體力學是研究巖漿運動的理論基礎。對巖漿過程的物理作用的研究，直接涉及巖漿的運動學與動力學，進而涉及一些地球動力學問題，因而有重要意義。
本文選自: 莫宣學. 2019. 巖漿作用與地球深部過程. 地球科學, 44(5): 1487-1493.
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