火成岩的结构

岩石是由矿物、显微结晶质和玻璃质等组分组成的，这些物质可笼统称之为颗粒，它们可以以单一的晶体、多晶集合体或晶簇，以及其他微晶质或玻璃质集合体的形式出现。火成岩的结构（texture），就是指组成火成岩的物质的结晶程度、颗粒大小、颗粒形态、颗粒取向以及颗粒之间的相互关系。结构一般在手标本或薄片尺度上观察。以下主要描述熔岩和侵入岩的结构，与火山碎屑岩相关的结构将在第十章中介绍。

（一）结晶程度（crystallinity）

结晶程度是指岩石中结晶质部分（矿物晶体）和非晶质部分（火山玻璃）之间的比例。

1.全晶质结构（holocrystalline texture）

岩石完全由结晶的矿物组成（图3－2a），不含玻璃质。全晶质结构表明岩石形成于缓慢冷却的岩浆系统中，使晶体有较充分的时间生长，一般为侵入岩所具有，如花岗岩。

2.半晶质结构（hypocrystalline/hemicrystalline texture）

岩石中既有结晶矿物又有玻璃质（图3－2b），半晶质结构见于火山熔岩和部分浅成岩中。

图3－2 全晶质与半晶质结构（据Williams et al.，1982）

3.玻璃质结构（glassy texture，hyaline texture）

岩石几乎全部由未结晶的火山玻璃组成，又称全玻璃质结构。璃质结构见于火山熔岩和部分浅成、超浅成侵入岩边缘（冷凝边等），如黑曜岩。

在手标本上，玻璃质呈玻璃光泽，贝壳状断口，多呈现不同的颜色，如黑色、砖红色、褐色、灰绿色等。薄片中，为均质体属性，无解理或有珍珠状裂理，低负突起到中正突起，折射率取决于火山玻璃或岩石的成分。随SiO₂含量增大，火山玻璃的折射率降低。因此，可以依据火山玻璃的折射率，大致判断岩石的成分范围。玻璃质是岩浆快速冷却情况下形成的。由于原子的排列处于完全无序的状态，具有很高的自由能，因此玻璃质是一种十分不稳定的固态物质。随着地质时代的增长，玻璃质将逐渐转变为稳定态的结晶质，这一过程称为脱玻化作用（devitrification）。一般说来，中生代以前的古老火山岩中很难见到玻璃质，中生代火山岩中的玻璃质大多已脱玻化，只有在新生代火山岩中的玻璃质相对保存较好。

脱玻化作用是一个很缓慢的过程。脱玻化的最初阶段，会生长一些颗粒极细的雏晶（crystallite）。雏晶是开始结晶的晶芽，往往呈毛发状、棒状或球状，还没有表现出结晶物质的特征，在正交偏光下没有光性反应。按雏晶外形可分为：

◎球雏晶（globulite）：极细球状雏晶。

◎球雏晶团（globospherites）：呈紧密集合的球状雏晶。

◎串珠雏晶（margarites）：排列成链状或串珠状的球状雏晶。

◎发雏晶（trichite）：呈毛发状弯曲的雏晶。

雏晶可以是脱玻化的最初产物，也可以是岩浆快速冷却时产生的产物。若岩石主要由雏晶组成，则其结构称雏晶结构（crystallitic texture）（图3－3a）。雏晶结构多见于酸性的火山岩中，如珍珠岩、松脂岩、黑曜岩等。

雏晶进一步可长成骨骼状，但仍没有形成完整的晶体，此时称为骸晶（skeletalcrystal）。岩浆快速冷却也可以直接形成骸晶。骸晶之后长成微晶（microlite）。微晶已具有结晶物质的性质，在正交偏光下有光性反应，但仍无法鉴定。仅由石英和长石组成的微晶结构称霏细结构（felsic texture）或长英质结构。呈纤维状由一个共同的中心向外呈放射球状生长的微晶称球粒（spherules）（图3－3b）。球粒在正交偏光下转动物台经常出现十字消光。球粒的成分可以由一种碱性长石组成，纤维间的空隙被玻璃所充填，也可以由碱性长石和石英按共结比组成。主要由球粒组成的岩石结构称球粒结构（spherulitic texture）。球粒结构常见于酸性熔岩中。当球粒的成分由斜长石与普通辉石组成时称为球颗，球颗通常有比球粒更粗的内部构造。具球颗特点的岩石结构称球颗结构（variolitic texture）。这种结构多出现于基性火山岩（玄武岩）及铸石、石陨石中。

图3－3 雏晶和球粒结构（据孙鼐和彭亚鸣，1985）

要注意的是，全晶质结构包括显晶质结构（phaneritic texture）和隐晶质结构（aphanitictexture）两种。在肉眼或放大镜下可分辨出矿物晶体者（矿物的粒径一般在1mm以上），称为显晶质结构，它属于侵入岩的结构；而只有在显微镜下才能分辨出矿物颗粒者（一般粒径小于0.2mm），称为隐晶质结构，一般为浅成岩和喷出岩所有（如霏细岩）。手标本上，隐晶质结构与玻璃质结构有时不易区分，但隐晶质结构没有玻璃质结构那样的玻璃光泽和贝壳状断口，而常常是以瓷状断口为特征。

（二）颗粒大小（granularity or grain size）

颗粒大小指的是岩石中主要造岩矿物颗粒的大小。颗粒大小的定义有多种，包括三维的颗粒大小及在平面上投影出来的颗粒大小，这里指的是颗粒在平面上的平均粒径。由于颗粒的各向异性和不同方向上粒径的差异，在不同截面上观察到的颗粒大小和分布特征就可能存在明显差别。因此，在手标本观察和磨制薄片时，要注意观察多个方向截面上的差异，使观察的面或磨制的薄片具有代表性。在进行粒度统计时，重点要集中在主要造岩矿物上。目前，对火成岩结构的定量研究获得了很大发展，但最方便进行定量研究的还是晶体的大小分布（Higgins，2006）。定量研究晶体大小分布，能提供岩浆系统的热历史以及成核和晶体生长机制的信息。

根据矿物颗粒的相对大小，可分为等粒和不等粒两类结构。然后再根据颗粒的绝对大小作进一步的划分。

1.等粒结构（equigranular texture）

全晶质岩石中主要矿物颗粒的大小大致相等。

根据矿物颗粒的粒径，显晶质结构还可进一步划分为：

◎细粒结构（fine－grained texture）：d＝0.2～2mm；

◎中粒结构（medium－grained texture）：d＝2～5mm；

◎粗粒结构（coarse－grained texture）：d ＝5～25mm；

◎伟晶结构（pegmatitic texture）：d ＞25mm。

隐晶质结构也可进一步分为：

◎微晶结构（microcrystalline texture）：d ＜0.2mm；在显微镜下才能看得见晶体。

◎显微隐晶结构（cryptocrystalline texture）：晶体太小，在显微镜下也不容易分清颗粒边界。在火山岩层内部和受强烈脱玻化影响的岩石，就发育这种结构。

图3－4总结了岩石的结晶程度、颗粒大小与岩石结构的对应关系。

图3－4 结晶程度、颗粒大小与火成岩结构（据Raymond，1995，有修改）

2.不等粒结构（inequigranular texture）

岩石中几种主要矿物颗粒的大小不等。如果不同粒度的颗粒都有，形成一个连续的粒度系列，称为连续不等粒结构（seriate inequigranular texture）。

3.斑状结构（porphyritic texture）与似斑状结构（porphyaceous texture）

岩石中的矿物颗粒分为大小明显不同的两群，大的称为斑晶，细小的部分称为基质。因此，这类结构实际上是一种双峰式不等粒结构（bimodal inequigranular texture）。按照我国的习惯用法，如果基质是由隐晶质和玻璃质组成的，就称为斑状结构；如果基质是显晶质，则称为似斑状结构（图3－5）。欧美国家很少使用似斑状结构一词，在他们的教科书中，不论基质结晶程度如何，凡是矿物颗粒大小能分成两群的，都统称为斑状结构。

按照我国习惯的用法，斑状结构常见于浅成岩和喷出岩中。斑状结构的形成与岩石结晶过程中物理化学条件的变化有关。斑晶和基质形成于不同世代，斑晶一般是在深处或岩浆上升过程中结晶的，而基质是岩浆在地表或近地表快速冷凝条件下固结和快速结晶而成的。地下深处生成的斑晶到达地表或近地表时，由于物化条件的明显变化，矿物就变得不稳定。由于压力降低会使矿物的熔点降低，加上地表氧化条件结晶放出的潜热，就会引起已结晶的矿物遭受熔蚀，从而在斑晶边缘或内部产生熔蚀结构（resorption texture）。

图3－5 斑状结构（据Williams et al.，1982）

对于含挥发分的斑晶矿物（角闪石、黑云母等），常因低压、高温、氧化、脱水等原因，在斑晶的边部出现不透明的边缘，称之为暗化边结构（opacitic border texture）。例如，黑云母、角闪石暗化边的形成，可由下列反应引起（邱家骧，1985）：

岩石学（第二版）

图3－6 似斑状结构（http：//pediaview.com/openpedia/Porphyritic）

暗化边由极细粒的磁铁矿和高温无水的透长石、白榴石、橄榄石、辉石等集合体组成。暗化边的存在表明，角闪石及黑云母等含挥发分的矿物在地表的低压条件下是不稳定的。因而，含挥发分矿物一般不出现于火山岩的基质之中。如果在基质中出现暗化的角闪石、黑云母微晶，一般为侵入的浅成岩。

当矿物晶体从高温变体转变成低温变体时，体积会收缩，如常压下β－石英转变成α－石英时，沿a轴方向收缩2.1％，c轴方向则为1.3％。这种不均匀的收缩在熔岩和次火山岩中是快速发生的，常常使斑晶产生裂缝。在次火山作用条件下，挥发分由相对高压进入相对低压而发生膨胀释放，但又不能自由逸出地表，所以造成涡流，在滚动中使碎裂的斑晶进一步分裂，但不离散，形成碎斑结构（porphyroclastictexture）。它是酸性次火山岩常见的结构。

由于似斑状结构的基质为显晶质图3－6），故属于侵入岩的结构。斑状结构和似斑状结构的区别，除了基质结晶程度的差异外，很重要的一点是，斑状结构中斑晶与基质是不同世代的产物；而似斑状结构，斑晶与基质基本上是同一世代的产物，但开始结晶的先后不同。似斑状结构中斑晶与基质属于同一世代的证据是：二者在结构状态和成分上都接近或一致，斑晶的边部没有熔蚀现象或暗化边；由于斑晶与基质中矿物是同时生长的，基质的颗粒往往从边缘插到斑晶中，斑晶就可能不具有平整的晶面。如果斑晶和基质矿物在大小上没有显著区别，就过渡为连续不等粒结构。

（三）颗粒形态（grain shape）

矿物颗粒的形态是由晶体习性、生长环境、结晶后的熔蚀和变形等因素所决定的。在薄片中，晶体的轮廓主要由矿物晶面的完整性来反映，可以大致划分为自形、半自形和他形三种。自形晶（euhedral crystal）具有完整的晶面和规则的形态，一般是岩浆结晶早期阶段的产物；半自形晶（subhedral crystal）只有部分晶面发育完整，部分晶面发育不完整；他形晶（anhedral crystal）的形态不规则，找不到完整的晶面，往往是岩浆结晶晚期阶段利用早结晶矿物之间的空隙而生长出来的，也可以是早结晶的相对自形的晶体受到熔蚀或改造的产物。例如，侵入岩中的造岩矿物长石、石英等常常为半自形到他形，锆石、磷灰石、榍石等副矿物常为自形晶。因此，可以按组成矿物多数颗粒的自形程度，来描述侵入岩的结构（图3－7）。

图3－7 与自形程度有关的结构（据Williams et al.，1982）

1.自形粒状结构（panidiomorphic texture）

若多数矿物为自形晶，则该岩石的结构称为自形粒状结构。在天然的岩石中，自形粒状结构罕见。有些教科书中提到的纯橄岩为 “自形镶嵌等粒结构”，实际上应称为镶嵌结构（mosaic texture）。这种结构的岩石是由多边形的晶体所组成，属于一种变质岩的结构。

2.半自形粒状结构（subhedral granular texture）

主要由半自形晶组成的岩石，其结构就称为半自形粒状结构。半自形粒状结构的另外一种理解是，部分晶体自形程度高，部分自形程度低。在花岗岩中，往往暗色矿物为自形晶，长石为半自形，而石英为他形，发育比较典型的半自形粒状结构，故又称为花岗结构（granitic texture）。

3.他形粒状结构（allotriomorphic texture）

主要由他形晶组成的岩石就具有他形粒状结构。细晶岩常见由他形长石和石英所构成的他形粒状结构，因此这种结构又称为细晶结构（aplitic texture）。

（四）颗粒取向（grain orientation）

颗粒的取向是指组成岩石的矿物颗粒的定向性的强弱。在岩浆岩中，颗粒的取向主要反映了熔岩流和岩墙的流动方向、流动机制（Nicolas，1992；Simith，2002）、晶体的沉降以及岩浆的就位机制。部分定向结构是岩浆固结后构造变形（固态流动）的产物，因而，确定颗粒的取向对火山学和岩浆动力学研究有重要意义。Johannnsen（1939）描述过的火成岩中与流动有关的结构术语有十多个，流状结构（fluxion texture）、纹层状结构（laminatedtexture）、线状平行结构（linearparallel texture）、面状平行结构（plane parallel texture）、线斑状结构（linophyric texture）、交织结构（pilotaxitictexture）等，但有些术语目前已经归入到构造中描述，有些带有明显的成因意义而不适合作为描述性术语使用。与构造变形相关的结构，已经属于变质结构的范畴，将在变质岩部分讨论。目前，使用较多的与颗粒取向有关的典型火成结构介绍如下：

1.粗面结构（trachytic texture）

长石微晶近平行的定向排列，就称为粗面结构（图3－8a）。要注意的是，有些教科书尤其是国内的教科书，把粗面结构定义为钾长石微晶的定向排列。这种结构反映了在结晶过程中岩浆的流动和压实作用。由于只有微晶较多的熔岩发生流动，才容易显示出微晶的定向性，因此，在粗面岩中出现粗面结构的机会较大。

2.似粗面结构（trachytoid texture）

是指喷出岩中长石以外的晶体或侵入岩中任意矿物近平行排列的结构（Johannsen，1939；Philpotts，1989）。

3.交织结构（pilotaxitic texture）

国际上，一般指微晶杂乱分布、无明显定向性或只有弱的定向性的结构（图3－8b），常出现在安山岩中。如果除了有长石微晶，还有玻璃质出现，这种基质的结构称为玻晶交织结构（hyalopilitic texture）（图3－8c）。

图3－8 粗面结构、交织结构和玻晶交织结构（据Williams et al.，1982）

岩浆动力学研究表明，岩浆成因的颗粒定向性，出现在岩浆结晶的早期，即固态结晶体含量小于70％时，这时，岩浆接近牛顿流体性质，早晶出的刚性矿物会由于岩浆的运动而发生旋转和优选排列（马昌前等，1994）。但当岩浆中的晶体含量大于70％后，就具有屈服强度，表现为宾汉体的流变学行为，可以发生塑性变形。因此，岩浆成因的定向组构，矿物没有塑性变形和明显的波状消光现象，也没有碎裂、膝折等特征，而定向组构的分布，往往与样品当时在熔岩流或岩墙中所处的位置相关（图3－9）。随着岩浆的流动，原先随机分布的晶体就会出现排列方式的变化。在靠近岩墙两壁的位置，晶体的定向性明显，但岩墙中心晶体的方向仍然是随机分布的。

图3－9 岩墙中岩浆的流动与晶体的优选取向

（据Higgins，2006）

（五）相互关系（mutual relation）

包括矿物间的相互关系和矿物颗粒与玻璃质或隐晶质组分之间的相互关系。这样的结构类型，往往记录了矿物生长的先后顺序，或反映了元素扩散、组分之间的物质调整、分异、反应和平衡过程。

1.交生结构（intergrowth texture）

两种矿物互相穿插，有规律地交生在一起，称交生结构。根据矿物交生的形态，还可分成：

◎条纹结构（perthitictexture）：其特征为钾长石和钠长石有规律地交生。具有条纹结构的长石叫条纹长石（perthite）（图3－10）。条纹结构具有不同的尺度，小至X射线才能确定，大到肉眼也能见到。条纹结构可分为正条纹结构、中条纹结构和反条纹结构。正条纹结构中客晶钠长石呈条纹状分布于主晶钾长石之中；反条纹结构与正条纹结构相反；中条纹结构中钾长石和钠长石含量相当。条纹结构有固溶体出溶和交代作用两种成因。固溶体出溶（分解）而形成的分解条纹最常出现。在高温下，钾长石和钠长石为成分均匀的完全固溶体，随着岩浆冷却，完全固溶体就变得不稳定而出溶，生成钾长石和钠长石，形成条纹结构。在岩浆期后钠质交代钾长石也可形成条纹结构。交代条纹常较新鲜，多呈不规则的树枝状、网脉状，定向性不明显，常顺裂隙、解理、边缘等处分布。

图3－10 正条纹结构（正交偏光）主晶为钾长石，客晶为钠长石

◎蠕虫结构（vermiculartexture）：其特征为许多细小的形似蠕虫状的石英，称为蠕英石myrmekite），穿插交生在长石中，石英嵌晶的消光位一致（图3－11）。这种结构常见于花岗岩类岩石中。蠕虫结构主要有共结蠕虫和交代蠕虫两种成因。共结蠕虫多见于矿物接触处，钾长石中有石英蠕虫，在石英晶体中也可有钾长石蠕虫，它是石英与钾长石符合共结比时的产物。交代蠕虫是早期矿物被新矿物交代，取代过程中剩余组分析出成蠕虫，它出现于被交代矿物的残余部分。当然蠕虫结构不仅仅限于石英和长石这两种矿物，如在低铁辉石交代了高铁辉石，也可出现含铁的蠕虫。

◎文象结构（graphic texture）：石英呈一定的外形（如尖棱形、象形文字等）有规律地镶嵌在钾长石中（图3－12）。石英嵌晶在正交偏光下同时消光。这种结构由组成相当于长石、石英二组分体系共结比的岩浆在温度下降至共结点时石英长石同时晶出形成。肉眼可见的叫文象结构，镜下才能见到的称为显微文象结构（图3－14a）。在似斑状结构岩石中，如果基质具显微文象结构，就称为花斑结构（granophyric texture）。文象结构常见于伟晶岩及部分花岗岩中。

图3－11 蠕虫结构

图3－12 文象结构（正交偏光）（据常丽华等，2009）

2.套幔结构（mantling texture）

是指在较大的矿物核部外围，成幔状包裹有另外一种矿物的现象。套幔的矿物相可以是一个单晶，也可以是多晶集合体；既可以生长在晶体结构相同的矿物上（连续交生，如碱性长石与斜长石），也可以生长在结构完全不同的矿物上（不连续交生，如角闪石交生于石英之上）（图3－13）。除前面介绍过的暗化边结构外，反应边结构、环斑结构等都属于套幔结构。

图3－13 一些典型的套幔结构（据Hibbard，1995）

◎反应边结构（corona texture，reaction rim texture）：早生成的矿物或捕虏晶，与熔浆发生反应，当反应不彻底时，在早生成的矿物外围，形成另一种成分完全不同的新矿物，新矿物完全或局部包围着早结晶的矿物，这种结构称反应边结构（图3－14c）。常见橄榄石具顽火辉石反应边，单斜辉石具角闪石反应边。也可出现多层反应边，如橄榄石外有辉石反应边，往外可能还有角闪石、黑云母反应边。要注意的是，次变边结构（kelyphitic rimtexture）与反应边结构具有完全类似的形态，但次变边是由次生矿物交代生成的 “边”，如橄榄石具伊丁石的次变边，尖晶石具透闪石、阳起石的次变边（图3－14b，c）。次变边是次生的反应边，在镁铁质和超镁铁质岩石中尤为常见。

图3－14 显微文象结构、反应边结构和次变边结构（据Williams et al.，1982）

此外，也有单斜辉石外的角闪石反应边，角闪石外的云母反应边等，这是由于早结晶的矿物往往是无水的，随着反应的进行，体系中水含量逐渐增多，生成了角闪石、黑云母等含水矿物，反映了系统中水逸度的增加。反应边矿物通常不是一个晶体，而是多个晶体的集合体。

◎环斑结构（rapakivi texture）：似斑状结构岩石中的碱性长石斑晶多呈卵球状，外面包有更长石－中长石薄壳，且岩石中的碱性长石和石英一般为两个世代的产物（图3－15）。

如果内部是更长石，外面包的是碱性长石，则称为反环斑结构（antirapakivi texture）。

3.环带结构（zoned texture）

图3－15 芬兰Wiborgite的环斑结构标本照片更长石包裹了碱性长石卵斑，碱性长石卵斑与基质中的石英、黑云母成文象或蠕虫状交生

发育于一些固溶体系列的矿物中，从晶体颗粒中心向边缘呈环带状分布，但显示不同的消光位。很多矿物都可形成环带结构，但以斜长石（尤其是中长石）的环带结构最为常见，斜长石核部较基性，向边缘依次变为较酸性时，称为正环带；反之，称为反环带；成分上出现周期性重复变化的，称为振荡环带。

4.包含结构（poikilitic texture）

在较大的矿物颗粒中包嵌有许多较小的矿物颗粒。此结构一般反映被包矿物早于包含它的矿物结晶。橄榄辉石岩中，常常见到大的辉石晶体内，包含有许多被熔蚀的浑圆状的小橄榄石颗粒，此时称为包橄结构。在较大的辉石中，包含有许多自形程度较高的柱状斜长石晶体，此时称为（嵌晶）含长结构。包含结构常见于超基性、基性侵入岩中。

5.填隙（间）结构（interstitial texture）

浅成相或喷出相火成岩基质中，辉石等暗色矿物以及隐晶质、玻璃质充填于微晶斜长石粒间空隙中形成的结构。充填物均为粒状矿物时称间粒结构（intergranular texture），充填物为隐晶质－玻璃质称间隐结构（intersertal texture），二者过渡类型称间粒－间隐结构。有时也把填隙（间）结构看成斜长石微晶之间充填了沸石、绿泥石等非粒状矿物的一种结构，而沸石、绿泥石等岩浆期后矿物很可能是玻璃质脱玻化产物。

需要注意的是，火成岩的形成要经历长期而复杂的岩浆冷凝结晶历史，岩石形成后甚至还会有其他作用的叠加（变形、蚀变、风化等）。尽管前面描述的结构都统称为火成结构，但实际上我们在薄片中看到的火成岩的结构特征和矿物组合，都是复杂的成岩过程和成岩后变化的最终产物。