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地質学において、火成分化、またはマグマ分化とは、マグマが部分溶融、冷却、定置、噴火の過程で全体的な化学変化を受ける様々なプロセスを総称する用語である。火成分化によって生成される（通常は珪長質が増加する）マグマの系列は、マグマ系列として知られている。
岩石が溶けて液体になると、その液体は一次溶融物と呼ばれます。一次溶融物は分化を受けておらず、マグマの初期組成を表しています。自然界では、一次溶融物はめったに見られません。ミグマタイトのロイコソームの一部は、一次溶融物の例です。マントル由来の一次溶融物は特に重要で、原始溶融物または原始マグマと呼ばれます。マグマ系列の原始マグマの組成を見つけることで、溶融物が形成された岩石の組成をモデル化することが可能になります。地球のマントルに関する直接的な証拠がほとんどないため、これは重要です。
原始マグマまたは一次マグマの組成を特定することが不可能な場合、親マグマを特定する試みがしばしば有効である。親マグマとは、火成分化の過程によって観測されるマグマの化学組成範囲が生じたマグマの組成のことである。必ずしも原始マグマである必要はない。
例えば、一連の玄武岩溶岩流は互いに関連していると想定される。分別結晶作用によってそれらが生成されると考えられる組成を「親溶融物」と呼ぶ。これを証明するために、分別結晶作用モデルを作成し、それらが共通の親溶融物を共有しているという仮説を検証する。
マグマ活動の分化過程で形成される結晶の分別結晶作用と集積は、累積岩として知られており、これらの部分はマグマから最初に結晶化する部分です。岩石が累積岩であるかどうかを識別することは、それが一次溶融物または原始溶融物に遡ってモデル化できるかどうかを理解する上で非常に重要であり、斑晶を含まない岩石であっても、マグマが累積鉱物を析出させたかどうかを識別することは同様に重要です。
マグマの組成変化の主な原因は冷却であり、これはマグマが形成され、部分溶融した場所から応力の低い領域（一般的には地殻のより低温な領域）へと移動する際に必然的に起こる結果である。
冷却によってマグマは溶融部分、つまり液体部分から鉱物を結晶化させ始めます。ほとんどのマグマは、溶融岩（溶融物）と結晶質の鉱物（斑晶）の混合物です。
汚染もマグマ分化の原因の一つです。汚染は、周囲の岩石の同化、2種類以上のマグマの混合、あるいはマグマ溜まりへの新鮮で高温のマグマの補充などによって引き起こされる可能性があります。
分化に関わるあらゆるメカニズムは、FARMプロセスと呼ばれており、これは分画結晶化、同化、補充、マグマ混合の頭文字をとったものである。
分別結晶作用とは、溶融物から鉱物沈殿物を除去・分離することで、溶融物の組成を変化させる現象である。これは、地球の地殻およびマントル内で作用する最も重要な地球化学的・物理的プロセスの一つである。
ケイ酸塩溶融物（マグマ）における分別結晶作用は、実験室における化学系と比較して非常に複雑なプロセスであり、多種多様な現象の影響を受ける。中でも最も重要なのは、マグマの冷却過程における組成、温度、圧力である。
マグマの組成は、溶融物が液相線温度を超えて冷却される際に、どの鉱物が結晶化するかを決定する主要な要因である。例えば、苦鉄質および超苦鉄質溶融物では、MgOとSiO₂の含有量によって、フォルステライトカンラン石が析出するか、エンスタタイト輝石が析出するかが決まる。
組成と温度が類似している2つのマグマでも、圧力が異なると異なる鉱物が結晶化することがある。例えば、高圧・高温下での花崗岩の分別結晶作用によって単長石花崗岩が生成され、低圧・低温下では二長石花崗岩が生成される。
ケイ酸塩溶融物中の揮発性相の部分圧も非常に重要であり、特に花崗岩の固相線近傍での結晶化においては重要である。
同化は、マグマ塊がマグマ体の母岩由来の物質と全体的または部分的に均質化するプロセスとして広く定義できます。[ 1 ]同化は、超苦鉄質マグマと苦鉄質マグマが地殻を上昇する際に珪長質化する現象を部分的に説明する一般的なメカニズムです。高温の原始溶融物が低温の珪長質地殻に貫入すると、地殻が溶融し、結果として生じた溶融物と混ざり合います。[ 2 ]これにより、原始マグマの組成が変化します。また、既存の苦鉄質母岩も非常に高温の原始マグマによって同化されることがあります。[ 3 ] [ 4 ]
同化作用がマグマ体の化学組成や進化に及ぼす影響は予想され、多くの場所で明確に証明されています。20世紀初頭には、火成岩の分化におけるこのプロセスの相対的な重要性について活発な議論がありました。[ 5 ] [ 6 ]しかし、より最近の研究では、同化作用がマグマの微量元素や同位体組成の変化[ 7 ] 、経済的に重要な鉱床の形成[ 8 ]、火山噴火の引き起こし[ 9 ]において根本的な役割を果たしていることが示されています。
溶融物が液相線に沿って冷却されると、結果として、均一な鉱物組成を持つ均質な貫入岩体、または層や組成帯などを持つ部分的に分化した累積岩塊が生成されます。この挙動はかなり予測可能であり、地球化学的調査で容易に証明できます。このような場合、マグマ溜まりは理想的なボーエンの反応系列に非常に近いものとなります。しかし、ほとんどのマグマ系は多段階の現象であり、複数のマグマ活動のパルスを伴います。このような場合、液相線は、高温で未分化のマグマの新たなバッチの注入によって中断されます。これは、主に次の3つの効果により、極端な分別結晶作用を引き起こす可能性があります。
マグマ混合とは、2つのマグマが出会い、混ざり合い、2つの極端なマグマの中間の組成を持つマグマを形成する過程のことである。
マグマの混合は火山マグマ溜まりでよく起こるプロセスで、マグマが溜まりに入る開放系の溜まりです。[ 10 ]マグマは何らかの形で同化作用、分別結晶作用、部分溶融抽出（溶岩の噴火による）を受け、補充されます。
マグマの混合は地殻のより深いレベルでも起こりやすく、モンゾナイトや安山岩などの中間質岩石を形成する主要なメカニズムの一つと考えられています。ここでは、沈み込みによる熱伝達と揮発性物質の流入増加により、珪長質の地殻が溶融して珪長質のマグマ（本質的には花崗岩質）が形成されます。これらの花崗岩質の溶融物はアンダープレートとして知られています。地殻の下のマントルで形成された玄武岩質の一次溶融物が上昇し、アンダープレートのマグマと混ざり合うことで、玄武岩と流紋岩の中間的な組成、つまり文字通り「中間」の組成の岩石が生成されます。
大きなマグマ溜まりにおける対流は、熱対流によって生じる力と、マグマ溜まりの壁がマグマに及ぼす摩擦、粘性、抗力といった抵抗力との相互作用によって生じます。対流しているマグマ溜まりの縁付近では、粘性と温度の境界によって区切られた、より低温で粘性の高い層が外側から内側に向かって同心円状に形成されることがよくあります。これにより層流が形成され、マグマ溜まりのいくつかの領域が分離され、それぞれが個別に分化を開始できるようになります。
流動縞模様は、対流によって起こる分別結晶作用の結果生じるもので、流動縞模様の縁に捕捉された結晶が溶融物から除去されることで形成されます。マグマの摩擦と粘性により、マグマや溶岩中の斑晶や捕獲岩は界面付近で減速し、粘性層に捕捉されます。これにより、大規模な貫入岩体では溶融物の組成が変化し、分化が起こります。
上記の定義を参照すると、マグマ溜まりは冷却され、液相の流れに沿って鉱物が結晶化する傾向があります。特に、帯状構造や結晶の集積が伴い、溶融部分が除去されると、マグマ溜まりの組成が変化する可能性があります。実際、これは基本的に分別結晶作用ですが、この場合は、娘マグマが抽出された後に残されたマグマ溜まりを観察している点が異なります。
このようなマグマ溜まりが冷却を続けると、そこで形成される鉱物や全体の組成は、サンプルとなる液体の起源線や親マグマの組成とは一致しなくなる。
マグマ溜まりは通常、静的な単一の存在ではないことを改めて強調しておく価値がある。典型的なマグマ溜まりは、溶融物とマグマの連続的な注入によって形成され、ほとんどの場合、何らかの形で部分的な溶融物の抽出も起こる。
花崗岩質マグマは一般的に苦鉄質マグマよりも粘性が高く、組成もより均質です。これは一般的に、花崗岩質マグマの粘性が苦鉄質マグマよりも桁違いに高いことが原因と考えられています。粘性が高いということは、溶融した花崗岩質マグマは流動性が低く動きにくいため、より大きな塊となって移動し、より大きな塊として貫入する傾向があることを意味します。これが、花崗岩が大きな深成岩体として産出する傾向があり、苦鉄質岩が岩脈や岩床として産出する理由です。
花崗岩は温度が低いため、周囲の岩石を溶かして同化する能力が低い。したがって、大規模な汚染は軽微でまれであるが、玄武岩が花崗岩質のマグマ溜まりに注入された場合、花崗岩質と玄武岩質の溶融物が混ざり合うことは珍しくない。
苦鉄質マグマは流動性が高く、そのためマグマ溜まりへのマグマの補充が周期的に起こりやすい。流動性が高いため、結晶の析出がより速やかに起こり、分別結晶作用による変化も大きくなる。また、高温であるため、苦鉄質マグマは周囲の岩石をより容易に同化させることができ、その結果、汚染がより頻繁に発生し、より顕著になる。
すべての火成岩マグマには溶解ガス（水、炭酸、硫化水素、塩素、フッ素、ホウ酸など）が含まれています。これらのうち水が主成分であり、かつては地表から下方の加熱された岩石に浸透してきたと考えられていましたが、現在ではマグマの不可欠な構成要素であると一般的に認められています。溶岩とは対照的な深成岩の構造の多くの特徴は、これらのガスの作用によって合理的に説明できます。深部の岩塊がゆっくりと冷却されるにつれてガスは逃げ出すことができず、一方、地表の噴出物からは速やかに放出されたのです。酸性の深成岩や貫入岩は実験室で再現されたことはなく、人工的に鉱物を得ることに成功した唯一の試みは、るつぼや密閉管内で「鉱化」ガスを保持するための特別な措置が講じられた場合のみです。これらのガスは、岩石形成鉱物の組成には含まれないことが多い。なぜなら、これらの鉱物のほとんどは水や炭酸などを含まないからである。したがって、結晶化が進むにつれて、残存溶融物には揮発性成分の割合がますます増加していくはずである。最終段階では、マグマの未結晶部分は、乾燥した火成溶融物よりも、過熱蒸気中の鉱物質の溶液に似ていると考えられる。例えば、石英は花崗岩で最後に形成される鉱物である。石英は、鉱脈などで水溶液から沈殿したことが知られている石英の特徴を多く備えている。同時に、石英は岩石の一般的な鉱物の中で最も融解しにくい鉱物である。石英の形成が遅いということは、この場合、比較的低温で発生したことを示しており、結晶化の順序を決定する上でマグマのガスが特別な重要性を持っていることを明確に示している。[ 6 ]
固化がほぼ完了すると、ガスは岩石中に保持されなくなり、割れ目を通って地表に向かって放出されます。ガスは通過する岩石の鉱物を攻撃する強力な作用因子であり、その作用の例としては、花崗岩のカオリニン化、トルマリン化とグライゼンの形成、石英脈の沈殿、プロピライト化として知られる一連の変化が挙げられます。これらの「気体溶解」プロセスは、多くの鉱床の成因において最も重要です。これらはマグマ自体の歴史の実際の一部であり、火山活動の終末段階を構成します。[ 6 ]
火成岩の分化過程を直接測定・定量化する方法にはいくつか存在する。
いずれの場合も、マグマ分化過程を特定するための最も重要かつ有効な方法は、露出した岩石をマッピングし、火成岩中の鉱物学的変化を追跡し、マグマ分化を示す野外での関係性や組織的証拠を記述することである。単斜輝石温度圧力計は、マグマ分化時の圧力と温度を決定するために使用できる。