宝石的形成(一):火山岩浆岩中形成的宝石

斯里兰卡宝石 2024-02-14 579浏览

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这些岩浆环境中形成的宝石矿物是 GIA(美国宝石学院)爱德华·古柏林藏品的一部分。它们展示了各种来自不同地区的宝石,包括:

  1. 来自德国的29.96克拉长石

  2. 来自缅甸的53.00克拉橄榄石

  3. 来自泰国的11.58克拉锆石

  4. 来自犹他州的20.66克拉黄玉

  5. 来自泰国的2.05克拉蓝宝石

  6. 来自捷克共和国的18.36克拉镁铝榴石

  7. 来自泰国的19.55克拉黑色尖晶石

  8. 来自泰国的2.50克拉红宝石


地球的刚性外层,即岩石圈,主要由各种矿物和岩石构成。矿物是在特定的地质环境下,通过一系列的物理和化学过程形成的天然化合物。在岩石圈中,矿物形成的主要机制包括火成岩浆的冷却和凝固、高温热液或蒸气的结晶、低温水溶液的结晶,以及变质过程中的固态矿物重结晶。宝石矿物也可以通过这些机制之一形成。


矿物具有特定的化学成分和原子排列,也就是晶体结构。目前国际矿物学协会认可的矿物种类大约有5800种,其中大多数都相当稀有且分布范围有限。尽管矿物种类多种多样,但地壳的几乎97%都是由几种元素组成的:氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾和镁。因此,地壳主要由含有这些元素的少量矿物组成,例如长石、石英、辉石、角闪石和云母。虽然这些矿物偶尔也可能是宝石级的,但大多数天然宝石都是较为稀有的矿物相。幸运的是,它们以可以进行切割或抛光的晶体形式存在于特定的矿床中。


岩浆中的矿物形成

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这张照片展示了厄瓜多尔通古拉瓦火山的喷发景象。在这样的火山活动中,各种宝石矿物可以从地壳中熔融的岩浆或岩浆在地表喷发时结晶而成。除了宝石矿物之外,岩浆还可能产生地幔或地壳岩石碎片,被称为捕虏体,对科学研究具有重要价值。这些捕虏体可以提供关于地球深部结构和地质过程的宝贵信息。这张照片由塞巴斯蒂安·克雷斯波拍摄,提供了对火山活动的生动视角。


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这张图说明了熔融岩浆可以在地壳的各个位置停留,并且它们可能通过不同的通道或管道到达地表形成火山。这些位置包括:

A. 活跃的岩浆室:岩浆在地壳中的一个大型空间中积聚和储存。 B. 地幔捕虏体室:地壳中可能存在的地幔岩石碎片,被岩浆围绕或侵入。 C. 石岩:地壳中的岩石,在岩浆的作用下可能发生变质或变形。 D. 窗台:岩浆在地壳中的岩石裂缝或空洞中的停留区域。 E. 堤坝:在岩浆运输过程中形成的岩石障碍,使岩浆积聚和压力增加。 F. 火山管道:岩浆通过地壳中的管道或通道到达地表,形成火山喷发。

这些位置和通道的理解对于研究火山活动、地质构造和地球内部结构都具有重要意义。


岩浆矿物是在地球岩石圈的某些部分和地表的岩浆(熔岩)冷却和结晶过程中形成的。这些岩浆的化学成分各不相同,但大多数的主要化学成分是二氧化硅(SiO2)。岩浆中 SiO2 的含量决定了火山事件的许多特性和喷发行为,而二氧化硅浓度可以告诉研究人员大量有关岩浆地质历史的信息。例如,玄武岩是贫硅岩浆(通常约为50 wt.%),而流纹岩则具有高硅含量(通常 >70 wt.%)。当地球温度升高并且下地壳或上地幔中先前存在的岩石发生熔化时,就会形成岩浆。压力下降或水或其他挥发性成分的引入也会导致地球深处产生岩浆。一旦形成,岩浆可以通过裂缝穿过地壳,在其他岩石中形成大型的充满岩浆的房间,或者通过火山喷口在地球表面喷发。


火山喷发

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火山形成于地下岩浆房上方,是岩浆在地表喷发或喷发的地方形成的。火山发生在地壳的特定位置,与地壳板块的形成、横向运动和俯冲有关。大多数火山位于地壳板块边界上,要么位于发散板块边界(地壳板块分离的大洋中脊或大陆裂谷区),要么位于汇聚板块边界(板块碰撞的俯冲带)。一些火山也出现在地壳板块内,它们在“热点”上方形成,即上地幔的异常热点区域。例如,在夏威夷下方,随着地壳板块逐渐移动到产生岩浆的热特征上,形成了连续的岛屿。

根据化学成分的不同,像玄武岩这样的贫硅岩浆在喷发时具有很强的流动性(并且不会爆炸),并且它们以熔岩的形式沿着火山的平缓斜坡流下。其他富含二氧化硅的岩浆(例如流纹岩)则更加粘稠且具有爆炸性。喷发时,它们会形成较高的陡峭火山,通常会产生剧烈的灰云爆炸或火山碎屑流。

岩浆可能在地下凝固形成各种类型的侵入火成岩体。根据大小和形状,地质学家使用术语来描述这些岩石体:

  • 堤坝:穿过其他岩石的狭窄岩体

  • 岩台:与沉积层平行的狭窄岩体

  • 底辟:火成岩的圆顶体,被迫向上进入脆弱的上覆岩石

  • 岩体(或岩基):一大块火成岩

  • Laccolith(或 lopolith):向上或向下凸起的火成岩体


岩浆结晶

岩浆结晶是指地壳中的矿物质在一定温度范围内(约1300°C至750°C)从岩浆中结晶出来的过程。大多数岩浆是基于二氧化硅的成分,并根据其二氧化硅含量进行分类,从贫硅岩浆如玄武岩(约50 wt.% SiO2)到中间岩浆如安山岩(约60 wt.% SiO2)再到富含二氧化硅的岩浆如流纹岩(>70 wt.% SiO2)。硅酸盐岩浆以氧和硅为主,含有少量的铝、钙、镁、铁、钠和钾以及稀有元素。非硅基岩浆(例如碳酸岩)则不太常见,并且只能在特定的地质条件下形成。


硅酸盐矿物的基本组成部分是二氧化硅四面体(SiO4),由一个中心硅原子与四个氧原子相连形成。这些四面体可以通过共享一个或多个氧原子相互键合,形成更复杂的结构,如对、单链或双链、环、片和框架。这些结构进一步通过其他元素的原子连接,形成各种硅酸盐矿物的晶体结构,例如橄榄石、辉石、角闪石、云母、长石等。


地质学家在20世纪初开始认识到常见的硅酸盐矿物是在特定温度范围内由冷却的岩浆形成的,这种结晶序列称为鲍文反应系列,以地质学家诺曼·鲍文(Norman L. Bowen)的名字命名。该反应系列说明了岩浆结晶矿物的形成顺序,从高温下结晶的矿物到低温下结晶的矿物。这些矿物的形成顺序可以根据其对岩浆的溶解度和结晶温度的依赖性来理解。


多种地质因素影响岩浆成分和结晶的演化,包括岩浆源的初始成分、岩浆中存在的挥发物、源头岩石的部分熔化、与熔化或未熔化矿物的相互作用、与围岩的相互作用或同化、岩浆的混合、岩浆分离成不混溶的熔体、挥发相的损失、矿物的分步结晶以及早期形成的矿物的积累等。这些因素导致岩浆的整体成分以及从中结晶的矿物质随着时间的推移而发生变化。


岩浆岩环境也是矿床的重要来源,例如金、银、铜、镍、铂、铬、钒、钴等元素通常与岩浆活动有关。


岩浆中形成的宝石矿物


岩浆形成的宝石矿物是由地球内部岩浆的活动形成的。这些岩浆矿物可能直接结晶形成,也可能是岩浆冷却过程中释放的气体在岩腔中结晶形成的。此外,岩浆喷发还可能带来来自其他来源的矿物晶体或深层形成的晶体或岩石的碎片,地质学家称之为捕虏晶或捕虏体。一旦这些矿物形成,它们通常被地质过程带到地表,其中一些最终成为宝石。

钻石

钻石是最知名的岩浆形成宝石之一。它们大多数形成于深层地壳和上地幔之间,距离地表约150到250公里,有时甚至达到800公里。钻石是由含碳流体形成的,形成过程中的细节仍然是地质研究的主题。一旦形成,钻石就会被火成岩浆带到地球表面,并通过开采原生金伯利岩矿石和次生冲积矿床来回收。

橄榄石

橄榄石是一种镁铁硅酸盐矿物,是最早从岩浆中结晶出来的矿物之一。它是地幔的主要成分之一,通常出现在火成岩中,如辉长岩和玄武岩。橄榄石通过地幔中的对流被搬运到地表,有时也在变质作用中形成。

长石

长石是一类重要的钾钠矿物或钠钙矿物,是火成岩的主要成分之一。它们约占地壳的60%,形成于侵入岩和喷出岩中。长石经常以透明晶体的形式出现,有时被切割为刻面宝石。

石榴石

石榴石是由大约20种矿物组成的族群,以多种宝石为代表,如浓绿榴石、金黄榴石、红榴石和沙弗来石。它们在变质岩中普遍存在,也可以在火成岩中发现。

刚玉

刚玉是红宝石和蓝宝石等宝石的基础矿物,适合刻面或抛光。它们形成于变质岩或火成岩中,有时以碎屑的形式存在于沉积物和次生冲积矿床中。

火成岩中形成刚玉通常发生在特定的地质条件下,尤其是在高温和高压环境下。火成岩是由地壳深部岩浆冷却凝固而成的岩石,这种岩浆通常富含铝和氧化物。在某些情况下,当这种岩浆中的氧化铝浓度很高时,例如在含铝丰富的火山岩浆中,随着岩浆冷却和结晶过程的进行,部分氧化铝会结晶形成刚玉。这种过程通常发生在特定的火山活动或火山岩浆流中,其中包含足够的铝和氧化物以支持刚玉的形成。

另外,火成岩中的刚玉可能还与后期的变质作用有关。在地壳深部,火成岩可能受到地壳构造活动的影响,经历高温和高压的变质作用,这可能导致岩石中原本存在的矿物重新结晶或转变成新的矿物。在这种情况下,火成岩中的部分矿物可能转变成刚玉,这通常发生在火成岩与变质岩接触带或构造带相交的地方。

锆石

锆石是一种常见于各种岩石中的矿物,通常作为小型副晶体或颗粒存在。它们也可以以透明晶体的形式出现,尽管不常见,但适合刻面成为宝石。

黄玉

黄玉是一种含有氟和/或羟基的铝硅酸盐矿物,产于火成岩中的开放矿脉或空隙中。它们具有足够的抵抗力,可以作为水蚀晶体或碎片保存在冲积沉积物中。


这些岩浆形成的宝石矿物在地球表面上以不同的方式分布,并且经常成为人类追逐的对象,因为它们的美丽和稀有性。