彭年 崔瑩 劉永順** 喬學(xué)斌 朱曉艷 聶保鋒 胡亞朵

1. 首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 1000482. 江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，徐州 221116

五大連池火山群被譽(yù)為“天然火山博物館”，其低硅與高鉀、相容元素與不相容元素并存的特性，使得五大連池富鉀玄武巖研究一直受到學(xué)術(shù)界關(guān)注。自20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)五大連池火山區(qū)進(jìn)行了深入研究，主要集中闡述了五大連池火山群的火山地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)、地球物理探測(cè)以及巖漿動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)(張明, 1985; 王承祺等, 1987; 邱家驤等, 1988; 吳志勤和邱家驤, 1988; 夏林圻, 1990; 任錦章, 1995; 任錦章和陳洪洲, 1999; 呂宗文, 1996; 白志達(dá)等, 1999; 劉永順等, 1999, 2000; Zouetal., 2003; 陳洪洲等, 2004; 彭年等, 2005; 詹艷等, 2006; 李永生等, 2012; Zhaoetal., 2014; 李霓等, 2012; Lietal., 2016; Weietal., 2019)。近些年，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于礦物學(xué)、巖石學(xué)領(lǐng)域研究的不斷深化，新的物理和化學(xué)檢測(cè)方式、高溫高壓實(shí)驗(yàn)的成熟運(yùn)用，人們對(duì)礦物和巖石的動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程有了更深的了解，礦物學(xué)、巖石學(xué)研究開(kāi)始從平衡熱力學(xué)研究向非平衡熱力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)研究深化。目前，國(guó)外學(xué)者在晶體的成核與生長(zhǎng)機(jī)制(Couch, 2003; Couchetal., 2003; Iezzietal., 2008; Vetereetal., 2013; La Spinaetal., 2016; Molloetal., 2017)、晶體粒度分布(Higgins, 1996; Garridoetal., 2001; Pupieretal., 2008)和晶體形態(tài)(Lofgren, 1974; Higgins, 1994; Hibbard, 1994)等研究方面取得了許多進(jìn)展。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者在玄武巖熔融和動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)(葉大年和金成偉, 1974; 董治長(zhǎng), 1981; 石玉泉和葉大年, 1985; 周珣若和金志云, 1991; 白志民和周珣若, 1997)以及高壓條件下巖石部分熔融(王岳軍等, 1998; 劉強(qiáng)等, 2009; 蘇根利等, 2012)方面也開(kāi)展了一些研究；在晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的定量分析方面，特別是CSD理論以及分形理論應(yīng)用方面(成中梅和路鳳香, 1997; 徐文藝等, 1997; 吳繼敏, 1997, 1999; 張學(xué)豐等, 2009; 葉潤(rùn)青等, 2011; 劉永順等, 2014; Yuetal., 2012)取得了一些進(jìn)展。

雖然針對(duì)非平衡冷卻結(jié)晶巖相結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外做了大量的相關(guān)的野外、實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了大量富有價(jià)值的成果，但隨著時(shí)代的進(jìn)步、新的技術(shù)手段和基礎(chǔ)理論的提出和發(fā)展，先前研究存在的不足逐漸地顯露出來(lái)。主要有：(1)顯微觀察主要側(cè)重過(guò)冷狀態(tài)的各種雛晶、骸晶和微晶形態(tài)，譜學(xué)研究主要關(guān)注礦物種屬的鑒定和硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有從玻璃、骸晶和微晶以及斑晶礦物原子排列的局域有序與無(wú)序結(jié)構(gòu)及其相互轉(zhuǎn)變的角度來(lái)探討玻璃、微晶和礦物斑晶的結(jié)構(gòu)特征；(2)成因的理論解釋主要是基于平衡熱力學(xué)的，在基礎(chǔ)理論方面缺乏創(chuàng)新，沒(méi)有跟上凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)研究的新進(jìn)展以及復(fù)雜性理論在認(rèn)識(shí)非線性過(guò)程方面的進(jìn)步。特別是與遠(yuǎn)離平衡巖相結(jié)構(gòu)成因直接相關(guān)的相變動(dòng)力學(xué)和非平衡熱力學(xué)方面研究也很少涉及，值得進(jìn)一步深入探索。

近年來(lái)，針對(duì)巖漿的非平衡動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程，本課題組持續(xù)開(kāi)展了火山熔巖的顯微巖相成因研究以及控溫速率下的動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究(劉永順等, 2007; 郭文峰等, 2017)。研究結(jié)果表明，無(wú)論是基性熔巖還是中酸性熔巖，其巖相結(jié)構(gòu)中都保存著大量的遠(yuǎn)離平衡條件下的非平衡結(jié)構(gòu)(如耗散結(jié)構(gòu)、分形和混沌現(xiàn)象)，而動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)是探索其成因的有效途徑。2018年以來(lái)，本課題組重點(diǎn)圍繞老黑山火山開(kāi)展控溫速率下的動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究，取得了部分階段性成果：(1)通過(guò)老黑山火山石龍尾等樣品，熔融至1250℃，模擬巖漿房甚至更深層位巖漿動(dòng)力結(jié)晶的形態(tài)演變，從定性角度探索新生橄欖石形態(tài)的變化與降溫速率的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性(彭年等, 2020)；(2)通過(guò)仙女宮熔巖隧道處的樣品(目前僅完成表層相結(jié)殼熔巖的實(shí)驗(yàn))，熔融至1150℃(使巖漿房中結(jié)晶的早世代橄欖石保留下來(lái)，只熔化地表結(jié)晶的巖相組分)，模擬地面巖漿熔體冷卻結(jié)晶過(guò)程，并從晶體粒度、晶體數(shù)量和晶體形態(tài)三方面定量研究新生晶體結(jié)晶特征與降溫速率之間的關(guān)系(本次工作)。在此基礎(chǔ)上，課題組將繼續(xù)開(kāi)展老黑山火山區(qū)各采樣點(diǎn)表殼相、過(guò)渡相和內(nèi)部相的結(jié)晶熔融實(shí)驗(yàn)，從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)的定量化角度，系統(tǒng)研究五大連池老黑山鉀質(zhì)玄武質(zhì)熔巖的動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程中結(jié)晶特征與降溫速率的內(nèi)在聯(lián)系，這對(duì)認(rèn)識(shí)老黑山熔巖流固結(jié)的動(dòng)力結(jié)晶機(jī)制、熔巖流的運(yùn)動(dòng)機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。

1 區(qū)域概況及樣品描述

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

五大連池火山群位于黑龍江省黑河地區(qū)五大連池市，是我國(guó)東部地區(qū)著名的第四紀(jì)火山群之一，由14座火山及其熔巖臺(tái)地和5個(gè)堰塞湖組成，面積約六百多平方千米(圖1)。大地構(gòu)造上，位于松遼裂谷帶與小興安嶺隆起交界處以及黑龍江省中西部訥謨爾河北岸小古里河-科洛-五大連池-二克山近南北向鉀質(zhì)火山巖帶上(邱家驤等, 1991)。區(qū)內(nèi)沿北東和北西兩組成“井”字形斷裂控制著火山的分布。新生界地層分布廣泛，約占地層分布的50%。

圖1 五大連池火山區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)地質(zhì)部地質(zhì)博物館, 1979)Fig.1 Geological map of Wudalianchi volcanic area (after GMMG, 1979)

老黑山于1720年至1721年噴發(fā)，噴發(fā)類(lèi)型為斯通博利型，由熔巖盾片和火山錐體構(gòu)成，熔巖盾片是火山巖分布的主體。熔巖以結(jié)殼熔巖為主，局部分布著渣狀熔巖，巖性上為鉀質(zhì)響質(zhì)堿玄巖-玄武粗安巖(劉永順等, 2000)。

1.2 采樣及巖相學(xué)特征

為了獲得熔巖流冷卻的完整剖面，減少熔巖流因接觸地面而卷入地表沉積物的干擾，本次工作選擇在老黑山北側(cè)仙女宮熔巖隧道門(mén)前(坐標(biāo)為48°43′29″N、126°7′6″E)附近的垂直剖面進(jìn)行了采樣，樣品涵蓋表殼相、過(guò)渡相和內(nèi)部相(圖2)。此處為老黑山北溢出口，應(yīng)為1720～1721年噴發(fā)產(chǎn)物。本次熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)樣品號(hào)為18WDLC-01，為結(jié)殼熔巖的表層相，呈亮黑灰色，含扁平狀氣孔。其顯微巖相為含橄欖石斑晶的氣孔狀高鉀?；鶋A玄巖(圖3)，斑晶只有橄欖石，基質(zhì)為橄欖石和單斜輝石。晶體中，橄欖石占90%，單斜輝石占10%。橄欖石，多數(shù)為粒狀，少數(shù)為板狀，正高突起，無(wú)解理，裂理明顯，干涉色為二至三級(jí)紅、藍(lán)綠，平行消光，正二軸晶；單斜輝石，細(xì)長(zhǎng)條狀，正高突起，干涉色為二級(jí)紅、藍(lán)綠，斜消光，正二軸晶。

圖2 老黑山采樣點(diǎn)野外照片(a)采樣點(diǎn)垂直剖面；(b)剖面上表殼相(來(lái)自圖片a中的紅框位置)；(c)單個(gè)表殼相樣品(來(lái)自圖片b中的紅框位置)Fig.2 Field photos of the sampling point in Laoheishan volcano(a) vertical profile of sampling point; (b) surface phase in vertical profile (from the red box in photo “a”); (c) a single sample in the surface phase (from the red box in photo “b”)

圖3 老黑山結(jié)殼熔巖的顯微巖相照片仙女宮熔巖流表殼相的含橄欖石斑晶的氣孔狀高鉀?；戀|(zhì)堿玄巖.(a)單偏光下；(b)正交偏光下. Ol-橄欖石；Cpx-單斜輝石；Ti-Mt-鈦磁鐵礦；Gls-玻璃相Fig.3 Photomicrographs of pahoehoe lava from Laoheishan volcanoVesicular high-potassic vitro-phonotephrite with olivine phenocrysts in the surface phase of Fairy Palace lava flow. (a) plane-polarized light; (b) cross-polarized light. Ol-olivine; Cpx-clinopyroxene; Ti-Mt-titanomagnetite; Gls-glass phase

2 熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)

2.1 熱分析實(shí)驗(yàn)

熱分析技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制溫度變化，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度之間相互關(guān)系的一種技術(shù)。本文采用的熱分析方法為差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)DSC)和熱重分析法(Thermogravimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)TG)。DSC記錄的是測(cè)試樣品和參比物下面兩只電熱補(bǔ)償加熱絲的熱功率之差隨時(shí)間t的變化關(guān)系。TG通過(guò)記錄樣品質(zhì)量隨溫度變化曲線，來(lái)分析被測(cè)物質(zhì)特性發(fā)生改變的溫度區(qū)間，進(jìn)而探究樣品質(zhì)量同溫度(時(shí)間)之間關(guān)系。

本文熱分析實(shí)驗(yàn)在首都師范大學(xué)地質(zhì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試儀器為德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的同步熱分析儀，型號(hào)為NETZSCH STA 449F5A-0442-M。DSC范圍：5000μV，TG范圍：35000mg，吹掃氣和保護(hù)氣均為N2，二者流量范圍為250mL/min，坩堝類(lèi)型為Pt坩堝，爐體為SiC，熱電偶分度號(hào)為S。樣品測(cè)試溫度為20～1400℃，升溫速率為10K/min。對(duì)表殼相樣品18WDLC-01進(jìn)行了熱分析測(cè)試。表殼相樣品質(zhì)量為288.66mg，用時(shí)138min，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4為表殼相樣品18WDLC-01同步熱分析儀測(cè)試結(jié)果。DSC曲線(熱功率之差)先升高后降低，達(dá)到最低值后再迅速升高，達(dá)到最高峰后逐步下降，最后略有上升，出現(xiàn)2個(gè)高峰，1個(gè)低峰。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于較小溫度間隔內(nèi)發(fā)生的急劇反應(yīng)(如熔化或熔融)曲線將呈現(xiàn)出一個(gè)尖銳、陡峭的峰形。而慢散的饅頭狀峰形，則是在略大溫度間隔內(nèi)的緩稍作用造成的(如分解或裂解)(沈興, 1995)。固體物質(zhì)加熱過(guò)程中，導(dǎo)致曲線變化的原因有：失水、變價(jià)元素氧化、揮發(fā)份逸出、非晶質(zhì)礦物的重結(jié)晶以及礦物相變。由于此次實(shí)驗(yàn)的樣品中只有橄欖石、單斜輝石、鈦磁鐵礦(此三者皆為不含揮發(fā)份礦物)和火山玻璃，所以可以判斷，加熱就快速上升，在214℃出現(xiàn)饅頭狀峰形，500℃以后趨于和緩的第1個(gè)高峰，應(yīng)是火山巖初期的吸附水(<100℃)釋放，隨后是火山玻璃中的結(jié)構(gòu)水(含其他揮發(fā)份)的逐步分解釋放造成的。對(duì)應(yīng)TG曲線(樣品質(zhì)量變化)，在此溫度區(qū)間，樣品不斷失重，也證明了此判斷。DSC曲線第2個(gè)高峰發(fā)生在1050～1257℃之間，代表樣品的熔融過(guò)程，峰值為1166.3℃，平均每克樣品吸收8.464J的能量。DSC曲線最低值代表放熱峰，位于794.9℃，對(duì)應(yīng)此處在TG曲線中顯示為樣品質(zhì)量減少，應(yīng)是熔體結(jié)構(gòu)中揮發(fā)組分分解析出的結(jié)果。TG曲線先總體呈下降趨勢(shì)，表明在熔融過(guò)程中，熔體組分不斷析出。

圖4 表殼相樣品(18WDLC-01)熱分析測(cè)試分析圖Fig.4 Thermal analysis result of pahoehoe lava from Laoheishan volcano

2.2 熔巖動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)

本文熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)在江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：高溫箱式爐/High Temperature Muffle furnace(型號(hào)：MF-1400C-I)。將樣品分為七組，洗凈、烘干、制成粉末后，裝入氧化鋁坩堝中封蓋，放入高溫箱式爐中，使用高溫爐自帶的計(jì)算機(jī)溫度控制器設(shè)定實(shí)驗(yàn)程序。根據(jù)熱分析和巖相分析結(jié)果，將加熱的最高溫度設(shè)置為1150℃，目的是使深處巖漿房?jī)?nèi)結(jié)晶的斑晶不熔化，只模擬巖漿熔體在地表的冷卻結(jié)晶過(guò)程。實(shí)驗(yàn)程序分為四個(gè)步驟：1)以10℃/min速率升溫至1150℃，使樣品熔融；2)保持1150℃恒溫1小時(shí)；3)以表1所示的7個(gè)降溫速率ν和降溫時(shí)間進(jìn)行降溫，降溫結(jié)晶到700℃；4)降溫至700℃后，關(guān)閉高溫爐自然冷卻至室溫。實(shí)驗(yàn)過(guò)程始終在常壓環(huán)境下進(jìn)行。

表1 熔巖動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的降溫速率(ν)和降溫時(shí)間表

2.3 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的巖相學(xué)特征

完成重熔動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物制成巖石薄片，并在偏光顯微鏡下進(jìn)行顯微鑒定(圖5)?？傮w來(lái)看，各降溫速率下礦物結(jié)晶并不均勻，均存在玻璃相物質(zhì)。圖中可以同時(shí)觀察到樣品原有未融化的原生橄欖石殘留(Ol1)、熔融結(jié)晶后新生的橄欖石(Ol2)共同存在，原生橄欖石呈粒狀，顆粒較大，邊界較不規(guī)則；新生橄欖石顆粒較小，邊界平直，主要呈粒狀和針狀，原有礦物不對(duì)新長(zhǎng)出的晶體造成影響。針狀橄欖石主要出現(xiàn)在降溫速率較快的狀態(tài)下，降溫速率快時(shí)，礦物結(jié)晶時(shí)間短，橄欖石角頂出現(xiàn)最大的生長(zhǎng)速度，沿晶棱生長(zhǎng)延長(zhǎng)，繼而組合而成針狀骸晶。

(1)在狀態(tài)1(降溫速率ν為0.5℃/min，結(jié)晶時(shí)間為900min)條件下，實(shí)驗(yàn)樣品主要由橄欖石組成，橄欖石占50%，氣孔占30%，火山玻璃占15%，單斜輝石占5% (圖5a, b)。新生橄欖石在單偏光下無(wú)色透明，大部分為針狀，成簇出現(xiàn)，部分呈不規(guī)則粒狀，正突起，糙面顯著，呈半自形或他形，裂理發(fā)育，解理發(fā)育不完全；正交偏光下有平行消光現(xiàn)象，二軸晶，干涉色為二至三級(jí)黃藍(lán)，無(wú)雙晶結(jié)構(gòu)。新生粒狀橄欖石和針狀橄欖石共同存在，數(shù)量大體相當(dāng)，粒狀橄欖石呈現(xiàn)邊界平直，自形程度良好，針狀橄欖石較粗較短，內(nèi)部填充完整，二者均為微晶形態(tài)?；|(zhì)中含有大量細(xì)小的橄欖石雛晶，有少量骸晶。由此說(shuō)明在該降溫速率下，晶體開(kāi)始得到充分的發(fā)育。

(2)狀態(tài)2(0.125℃/min，3600min)條件下，實(shí)驗(yàn)樣品在礦物組成、礦物特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面與900min大體相似，不同之處主要體現(xiàn)在橄欖石的形態(tài)上，新生橄欖石大多為小顆粒狀且較密集，出現(xiàn)內(nèi)部中空現(xiàn)象，少數(shù)為細(xì)長(zhǎng)條狀，二者較上一降溫速率中的新生橄欖石均明顯增大，基質(zhì)中的橄欖石雛晶減少(圖5c, d)。

(3)狀態(tài)3(0.1℃/min，4500min)條件下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中除去原生橄欖石之外，還有大量較小的粒狀橄欖石，較密集且保持規(guī)則形態(tài)，針狀橄欖石變多變長(zhǎng)，也出現(xiàn)內(nèi)部中空現(xiàn)象，玻璃基質(zhì)減少(圖5e, f)。

(4)在狀態(tài)4(0.075℃/min，6000min)條件下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中粒狀橄欖石變大變多，呈自形狀態(tài)，部分邊緣發(fā)育良好的橄欖石呈現(xiàn)內(nèi)部中空狀態(tài)，針狀橄欖石約占30%。出現(xiàn)發(fā)育良好的小型粒狀鈦磁鐵礦(圖5g, h)。

(5)狀態(tài)5(0.0625℃/min，7200min)條件下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中針狀、粒狀等新生橄欖石增多，新生與原生橄欖石顆粒大小不均一性嚴(yán)重。可明顯觀察到玻璃質(zhì)明顯減少(圖5i, j)。

(6)狀態(tài)6(0.0468℃/min，9615min)條件下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中粒狀橄欖石變多，且多呈現(xiàn)良好的自形狀態(tài)，針狀、長(zhǎng)條狀橄欖石減少(圖5k, l)。橄欖石晶體多且密密麻麻、分布雜亂狀態(tài)。

(7)狀態(tài)7(0.03℃/min，15000min)條件下，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中粒狀橄欖石變大，自形或半自形狀態(tài)，少量針狀、長(zhǎng)條狀橄欖石。玻璃基質(zhì)已十分稀少，空間幾乎被橄欖石填滿(圖5m, n)。

圖5 動(dòng)力結(jié)晶實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的顯微巖相左欄和右欄分別為狀態(tài)1到狀態(tài)7單偏光下和正交偏光下顯微照片.Ol1-原生橄欖石；Ol2-新生橄欖石；Ves-氣孔Fig.5 Photomicrographs of cooling products from dynamic crystallization experimentThe left column and the right column are photomicrographs of state 1 to state 7 under the plane polarized light and under the cross polarized light, respectively. Ol1-primary olivine; Ol2-the newly crystallized olivine; Ves-vesicular hole

2.4 晶體生長(zhǎng)定量化特征

晶體的粒度、數(shù)量和密度與晶體生長(zhǎng)速率和成核速率有著密切的關(guān)系，這反映出巖漿溫度、壓力和熔體成分的變化，有助于觀察理解巖漿動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程的狀態(tài)。測(cè)量晶體的尺寸、數(shù)量和分布等定量巖石結(jié)構(gòu)分析是研究巖漿動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程最常見(jiàn)的方法。獲取數(shù)據(jù)的步驟如下：(1)利用偏光顯微鏡和配套軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行顯微巖相鑒定后，獲取合適大小的鏡下圖片；(2)利用Photoshop CS6和CorelDraw等圖像處理軟件，對(duì)鏡下照片填充不同顏色，使新生晶體與氣孔、玻璃相和原生橄欖石區(qū)分開(kāi)來(lái)(圖6a)；(3)利用Image J圖像處理軟件處理圖像，將圖片轉(zhuǎn)為灰度圖片(圖6b)；(4)過(guò)濾10μm尺度以下的晶體顆粒后，轉(zhuǎn)為二值化圖像，根據(jù)二值化圖像勾勒礦物顆粒的邊界(圖6c)；(5)分析顆粒，獲取新生晶體的面積、周長(zhǎng)、長(zhǎng)軸、短軸、角度、圓度以及晶體數(shù)量、晶體含量等礦物顆粒基本參數(shù)(表2)；(6)利用CSD slice5軟件確定三維參數(shù)短軸、中軸、長(zhǎng)軸之比，利用CSD Corrections軟件將二維形態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為三維參數(shù)，得到晶體粒度分布；(7)根據(jù)礦物顆?；緟?shù)，分析降溫速率與晶體粒度、晶體數(shù)量之間的定量關(guān)系；并運(yùn)用周長(zhǎng)-面積法計(jì)算七組狀態(tài)下新生晶體的整體分形維數(shù)。

表2 不同狀態(tài)下礦物顆粒基本參數(shù)

圖6 樣品顯微照片處理過(guò)程圖(狀態(tài)4)(a)經(jīng)顏色填充處理后的圖像；(b)灰度圖；(c)礦物顆粒邊界圖Fig.6 Process picture of sample photomicrograph (conditions 4)(a) the color-filled image; (b) the gray-scale image; (c) the image of mineral boundary

3 分析與討論

3.1 晶體粒度分布

晶體粒度分布(Crystal Size Distribution，簡(jiǎn)稱(chēng)CSD)理論是Marsh (1988)從化學(xué)工程領(lǐng)域引入到巖漿系統(tǒng)中，用于定量分析火成巖巖相學(xué)的一種經(jīng)典理論。其基本理念是研究結(jié)晶過(guò)程中布居密度(即單位體積中單位粒度范圍內(nèi)的晶粒數(shù)，population density，用n表示)。n一般用dN/dL微分形式表達(dá)，其中N為每單位面積晶體體積累計(jì)數(shù)，L為線性晶體粒度。一般CSD圖解為晶體粒度L與ln(n)的半對(duì)數(shù)曲線。標(biāo)準(zhǔn)的CSD曲線表現(xiàn)為直線，可以直接或間接反映晶體成核密度和速率、生長(zhǎng)速率、存留時(shí)間和平均粒度。

從圖7a上可以看出，晶體大小懸殊，可達(dá)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。由于成核速率較快，數(shù)量指數(shù)增加過(guò)程，使得CSD曲線整體呈輕微下凹的形狀，在小粒度處具有陡得多的斜率。隨著晶體粒度逐漸增大，斜率逐漸放緩。這是由于此時(shí)發(fā)生晶體的聚集，大晶體數(shù)量增加，使原有的CSD斜率變得更平緩，最終造成大顆粒和小顆粒晶體具有明顯不同斜率的CSD曲線。從下凹程度來(lái)看，狀態(tài)4(降溫速率0.075℃/min)與狀態(tài)7(降溫速率0.03℃/min)位于圖形上方，下凹程度不高，表明此降溫速率下晶體密度(單位面積上的晶體數(shù)量)最大；狀態(tài)5(降溫速率0.0625℃/min)與狀態(tài)6(降溫速率0.0468℃/min)的樣品曲線下凹程度最大，表明此降溫速率下晶體密度最小，大顆粒的晶體數(shù)量少，使得晶體聚集、細(xì)粒晶體損失(王河錦, 1990)。在降溫速率緩慢的狀態(tài)5、6和7下，CSD曲線在1000μm處有放緩的現(xiàn)象，表現(xiàn)出折向特征，表明該狀態(tài)下晶體密度急劇變小，含有數(shù)量不成比例的大晶體，這是由于小晶體的晶核被破壞(熔蝕)而熔體強(qiáng)烈分配到大晶體，發(fā)生晶體的累積(成中梅和路鳳香, 1997)，代表了晶體的混合過(guò)程。從晶體粒度來(lái)看，狀態(tài)2(降溫速率0.125℃/min)的粒徑分布范圍最廣，礦物的粒度最大，表現(xiàn)為粒度范圍變大的向下凹的CSD曲線，說(shuō)明降溫速率為0.125℃/min時(shí)發(fā)生晶體的堆積過(guò)程，有利于新生橄欖石的生長(zhǎng)和粗化。

圖7 七組狀態(tài)下的新生晶體粒度分布(CSD)圖解L與n的半對(duì)數(shù)圖(a)和雙對(duì)數(shù)圖(b).n為布居密度;L為晶體粒度大小Fig.7 Crystal size distribution (CSD) diagrams of the newly crystalized olivine under the seven statesThe relationship between L and n under semi-logarithmic coordinate (a) and under bi-logarithmic coordinate (b). n-population density; L-crystal size

晶體粒度分布(CSD)的雙對(duì)數(shù)圖(圖7b)顯示出，七組降溫速率下的晶體粒度與布居密度(晶體數(shù)量所占百分比)均呈現(xiàn)較好的冪率關(guān)系。由此，我們可知，(1)晶體生長(zhǎng)連續(xù)成核呈現(xiàn)自組織臨界態(tài)，所謂“臨界態(tài)”是指系統(tǒng)處于一種特殊敏感狀態(tài)，微小的局部變化可以不斷放大、擴(kuò)延至整個(gè)系統(tǒng)。與混沌行為不同，自組織臨界態(tài)是一個(gè)吸引域(attractor)，即使改變初始條件，系統(tǒng)最終都會(huì)達(dá)到這一臨界態(tài)；(2)七組降溫速率下的冪律指數(shù)相近，斜率范圍在3.69～4.42之間，晶體粒度分布對(duì)降溫速率的依賴(lài)性不明顯；(3)CSD線性?xún)缏士梢灾苯臃从尘w生長(zhǎng)速率與時(shí)間。根據(jù)布居方程：n=n0exp(-L/Gτ)，取對(duì)數(shù)可得Gτ，即為圖7b中的斜率負(fù)倒數(shù)，可得Gτ值在0.2262～0.2710之間。Gτ是晶體平均生長(zhǎng)速度(G)和晶體平均生長(zhǎng)時(shí)間(τ)的乘積。

3.2 晶體數(shù)量

在晶體欠發(fā)育階段(狀態(tài)1-狀態(tài)2)，降溫速率較快，晶體用來(lái)成核生長(zhǎng)的時(shí)間較少，因此晶體數(shù)量N較少，甚至出現(xiàn)略微下降。隨著降溫速率變慢，晶體有充足的時(shí)間生長(zhǎng)發(fā)育，晶體演變以生長(zhǎng)為主，進(jìn)入快速發(fā)育階段(狀態(tài)2-狀態(tài)6)。當(dāng)成核生長(zhǎng)完成后且處于緩慢冷卻的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)為分散的多相混合體，因?yàn)樾☆w粒大于大顆粒單位體積的表面能，在這樣的系統(tǒng)中將通過(guò)增加顆粒的平均大小來(lái)減小系統(tǒng)的總能量。這種結(jié)構(gòu)的調(diào)整平衡過(guò)程可以看作是一個(gè)晶體粗化過(guò)程，即熟知的Ostwald熟化過(guò)程(楊宗鋒等, 2010)。在晶體粗化過(guò)程中，礦物相不存在新晶體的成核作用，即不會(huì)有新的晶體成核，但已經(jīng)形成的晶體會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，一旦這些晶體開(kāi)始相互緊密接觸，較大晶體的進(jìn)一步生長(zhǎng)就一定涉及到較小的晶體的熔解(Cashman and Marsh, 1992)，小于臨界半徑的晶體將發(fā)生熔解，大于臨界半徑的顆粒將生長(zhǎng)增大，物質(zhì)從小顆粒轉(zhuǎn)移到大顆粒，此時(shí)晶體演變以合并為主，發(fā)生晶體的粗化作用，且大晶體比小晶體更利于堆積在一起(Marsh, 1988)，導(dǎo)致進(jìn)入晶體合并階段(狀態(tài)6-狀態(tài)7)。從降溫速率與晶體數(shù)量強(qiáng)聯(lián)系(圖8)中可以看出，降溫速率為0.1℃/min時(shí)，晶體數(shù)量最小值N為4.66×103，隨著降溫速率由快變慢，晶體數(shù)量總體增長(zhǎng)，當(dāng)降溫速率為0.0468℃/min時(shí)，晶體數(shù)量N達(dá)到峰值為19.47×103，隨后，進(jìn)入晶體粗化作用，結(jié)晶過(guò)程以退火合并為主，直至達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡。

圖8 降溫速率與新生晶體數(shù)量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between cooling rate and number of nascent crystals

需說(shuō)明的是，圖8中晶體均為10μm以上的清晰顆粒。這個(gè)體系同時(shí)存在新生晶體自由生長(zhǎng)與已生晶體競(jìng)爭(zhēng)合并的博弈過(guò)程。新生晶體生長(zhǎng)的速度，除了與降溫速率、能量供給有關(guān)外，我們推測(cè)與已有晶體占據(jù)的空間(數(shù)量N)成反比；已生晶體競(jìng)爭(zhēng)合并的速度，如果按照自然競(jìng)爭(zhēng)原則，應(yīng)與N2成正比，即可得到生長(zhǎng)-合并的方程：dN=-d(G(ν)N)+d(M(ν)N2)，其中，G(ν)是依賴(lài)降溫速率ν的生長(zhǎng)函數(shù)，M(ν)是依賴(lài)降溫速率ν的合并函數(shù)。

3.3 晶體邊界形態(tài)

周長(zhǎng)-面積法計(jì)算的是由同一機(jī)制所形成的礦物顆粒的整體分形維數(shù)，分形維數(shù)值可以反映礦物顆粒邊界的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大，表征顆粒的邊界越復(fù)雜，形態(tài)越不規(guī)則。根據(jù)獲取的礦物顆粒的周長(zhǎng)C(μm)和面積參數(shù)S(μm2)，對(duì)兩者取對(duì)數(shù)，可研究它們之間的相關(guān)趨勢(shì)(圖9)，散點(diǎn)圖的最小二乘法擬合線呈線性分布。根據(jù)分形維數(shù)的計(jì)算公式D=2/k(其中，k是線性擬合的斜率)，得到七組狀態(tài)下新生晶體的分形維數(shù)分別為1.548、1.394、1.616、1.482、1.528、1.568和1.581。相對(duì)來(lái)說(shuō)，狀態(tài)3(降溫速率為0.1℃/min)下分形維數(shù)較大，表明礦物顆粒的邊界更為復(fù)雜、形態(tài)更不規(guī)則。狀態(tài)2(降溫速率0.125℃/min)下分形維數(shù)較小，表明顆粒間形態(tài)更加規(guī)則、邊界更加簡(jiǎn)單。整體來(lái)看，不同降溫速率下的晶體邊界復(fù)雜程度出現(xiàn)較大無(wú)規(guī)波動(dòng)，顯示出晶體形態(tài)對(duì)降溫速率的高度敏感性。當(dāng)降溫速率達(dá)到0.0468℃/min后，晶體邊界復(fù)雜程度趨于穩(wěn)定。

圖9 降溫速率與分形維數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between cooling rate and fractal dimension

3.4 關(guān)于誤差分析

本文在野外采樣至數(shù)據(jù)處理整個(gè)過(guò)程中盡力做到精準(zhǔn)，但難免存在些許誤差，包括采樣誤差，實(shí)驗(yàn)誤差，測(cè)試誤差，分析誤差等。

(1)采樣誤差。采樣過(guò)程中，以能反映實(shí)際情況和滿足切制薄片的需要為原則，避免滾落、混染巖石對(duì)樣品的污染，選取有充分代表性的表殼相典型樣品，盡量采集新鮮的巖石。

(2)實(shí)驗(yàn)誤差。在樣品預(yù)處理過(guò)程，盡力做到均勻分樣，保證七組樣品的一致性。熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程使用儀器設(shè)備，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)的溫度和時(shí)間。

(3)薄片誤差?，F(xiàn)實(shí)中由于薄片厚度影響、三維晶體的二維化破壞等原因，造成晶體獲取的偏差是不可避免的，但我們?cè)谔幚磉^(guò)程中采取“重復(fù)獲取，挑選最優(yōu)”的辦法，盡可能做到圖像的清晰度與數(shù)據(jù)的精確度。

(4)圖像處理過(guò)程誤差。在處理圖像獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，我們做了以下工作確保數(shù)據(jù)的精確度。①拍攝清晰的高倍顯微鏡下照片。鏡下照片放大后的礦物顆粒是非常明顯的，可見(jiàn)清晰的邊界；②利用Image J圖像處理軟件轉(zhuǎn)為灰度圖片。使用該軟件圖像調(diào)整功能，將選中的礦物顆粒圖像格式改為8-bit，使圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，所有的顆粒變成灰色。并調(diào)整對(duì)比度，將細(xì)小的噪點(diǎn)顆粒自動(dòng)剔除；③過(guò)濾10μm尺度以下的晶體顆粒后，轉(zhuǎn)為二值化圖像。此時(shí)設(shè)置顏色閾值，將圖片調(diào)整為黑白兩色的二值化圖像。本文在保持顆粒邊界清晰且大小與RGB圖像相等的基礎(chǔ)上，將需要測(cè)量的新生晶體顏色設(shè)為黑色255值，其余物質(zhì)設(shè)為白色的0值。之后根據(jù)二值化圖像勾勒礦物顆粒的邊界。

(5)數(shù)據(jù)分析誤差。10μm大小的晶體顆粒在顯微鏡中是可以被提取的，操作不妥有可能造成有些細(xì)節(jié)缺失，或者誤差較大。為了盡可能地減少方法選擇所帶來(lái)的精度誤差，我們對(duì)10μm以下的小晶粒進(jìn)行了過(guò)濾處理，保證準(zhǔn)確性。對(duì)比未過(guò)濾和過(guò)濾掉50μm以下的結(jié)果，所得數(shù)據(jù)和圖表有相應(yīng)改變，但并沒(méi)有對(duì)結(jié)論帶來(lái)實(shí)質(zhì)影響。

另外，CSD布居密度估計(jì)實(shí)際上是三位空間的一種預(yù)測(cè)，是統(tǒng)計(jì)意義下基于我們二維薄片上結(jié)晶顆粒在三位空間均勻分布的基本假設(shè)。盡管這種做法被廣為使用，并證明行之有效，但畢竟與真實(shí)地質(zhì)實(shí)際仍然存在誤差，甚至是較大誤差。

4 結(jié)論

通過(guò)熔融結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)研究模擬了五大連池老黑山鉀質(zhì)響巖質(zhì)堿玄質(zhì)熔漿的動(dòng)力結(jié)晶過(guò)程，根據(jù)晶體粒度分析、降溫速率與晶體數(shù)量、晶體粒度和分形特征關(guān)系的定量研究，得出以下結(jié)論：

(1)雖然七組CSD曲線表現(xiàn)出晶體密度的差異性，但晶體粒度與布居密度均呈現(xiàn)較好的冪率關(guān)系，且冪律指數(shù)相近，范圍在3.69～4.42之間，反映出晶體生長(zhǎng)的自組織臨界性，同時(shí)也說(shuō)明了晶體粒度分布對(duì)降溫速率的依賴(lài)性不明顯。

(2)根據(jù)晶體生長(zhǎng)與合并的博弈，熔融結(jié)晶演化分為欠發(fā)育、發(fā)育為主和合并為主的三個(gè)階段。當(dāng)降溫速率為0.0468℃/min時(shí)，晶體數(shù)量達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入以退火合并為主的晶體粗化過(guò)程，直至結(jié)晶動(dòng)力學(xué)達(dá)到平衡。

(3)各降溫速率下晶體形態(tài)呈現(xiàn)出分形特征，證明了新生晶體生長(zhǎng)的自組織臨界性特征。分形維數(shù)界于1.39～1.62之間，晶體邊界復(fù)雜程度出現(xiàn)較大無(wú)規(guī)波動(dòng)，顯示出晶體形態(tài)對(duì)降溫速率的高度敏感性。當(dāng)降溫速率為0.1℃/min時(shí)，晶體邊界形態(tài)最復(fù)雜，當(dāng)降溫速率變慢到0.0468℃/min后，晶體邊界形態(tài)的復(fù)雜程度趨于穩(wěn)定。