大陆地壳的熔融

（周春银 编译）

原文作者：Sawyer E W, Cesare B, Brown M，原文题目：When the Continental Crust Melts，资料来源：2011年8月份《Elements》杂志：http://elements.geoscienceworld.org/cgi/content/abstract/7/4/229

【摘要】大陆地壳的部分熔融作用作为一种小规模现象一直都是岩石学家感兴趣的研究课题。大陆碰撞所形成的古老的、已被侵蚀的山脉核中的矿物组合表明，大陆地壳曾被埋得足够深来产生大规模的熔融。地球化学、实验、岩石学以及地球动力学模拟研究表明，当大陆地壳产生熔融时其引起结果仍是地壳范围内的。综合熔融作用和区域变形作用是非常关键的：颗粒边界处熔体的出现会软化岩石，而软化后的岩石变形更快，将影响造山带的生长方式以及裂谷的增长。构造作用力还会使熔体从大陆下地壳中分离出来，造成地壳不可逆的化学分异。

【关键词】大陆地壳，部分熔融，显微结构，变质岩石学

【简介】

大陆地壳平均厚度为41.4 km，覆盖了地球表面39%的面积。由超过40亿年（Ga）的锆石中的同位素和微量元素成分以及地幔同位素储库演化过程所提供的信息说明，75%的甚至更多的大陆地壳是在25亿年前形成的（Harrison 2009；Belousova et al. 2010）。因此大陆地壳要比大洋地壳古老得多，所以也更加复杂。其中岩石的岩石学和构造特征都反映了这一点。

大陆地壳最开始在大于40亿年以前的冥古代开始形成，首先是由地幔分异产生的，然后是由“热点”之上的以及较浅范围的（~15 km）会聚边缘之上的加厚的大洋地壳产生的（Harrison 2009）。从晚太古代（大约28亿年前）开始，大部分新的、年轻的大陆地壳形成于俯冲带之上的岩浆弧，但是有大约10%的通过热点或地幔柱（plume）方式地幔岩浆加入到的已有的地壳中而形成。如果新的、年轻的大陆地壳形成于岩浆弧和热点或地幔柱中的地幔岩浆，那么它的平均成分应该是镁铁质的。但是实际并不是。大陆地壳的平均成分基本上是安山质的，尽管太古代（> 25亿年）大陆地壳比元古代（25-5亿年）或显生代（< 5亿年）的要更偏长英质一些（Rudick and Gao 2003）。因此，加入到地壳中的年轻物质为了变成大陆地壳肯定经过了改造。来自现代弧区的证据表明产生了更富长英质的组分，因为镁铁质岩将产生了分异并引起了地壳的部分熔融。因此在弧壳底部形成了一层镁铁质堆积岩以及残余物质。当弧壳加厚后，底部的这一堆积岩和残余体会转变为高密度物质，发生拆离（一个称为拆沉（delamination）的过程）并掉入到地幔中。因此剩下的大陆地壳总体成分会变得更富长英质。这些又返回到地幔中的残余以及堆积岩物质因为小部分长英质熔体的存在而富集（enriched），成为富集地幔I（Enriched Mantle I，EMI）同位素储库（Tatsimi 2005）。

Fig.1 Sill and dike network in stromatic metatexite migmatite at Maigetter Peak (height 480m) in the Fosdick Mountains of West Antarctica (76°26’38”S, 146°30’00”W). The image is looking to the SE and was taken from the air (Twin Otter wing tip in upper right). From the aerial perspective and also upon close examination in outcrops, intersecting dikes do not appear to truncate or displace each other; the sills and dikes of granite crosscut foliation but may be continuous with or discordant to leucosomes in the migmatite. The leucosomes contain peritectic garnet and cordierite (see Figure 1 in Brown et al. this issue).

Fig.2 Schematic representation of the reworking of continental crust by partial melting. Partial melting occurs in the lower part of the crust where temperatures exceed the solidus and migmatites are formed (brown). Melt is formed on grain boundaries but segregates from the residual solids along a progressively more focussed pathway (shown in red), first through leucosomes then dykes. The melt collects to form plutons, typically at the transition from ductile middle crust (yellow) to brittle upper crust (green); some felsic lavas may be erupted. It is not yet clear whether melt ascent is uninterrupted or whether melt ponds at intermediate levels, shown by the question marks. The ascent of some melt ends in the middle crust as dyke complexes, without forming plutons.

【大陆地壳部分熔融的证据】

在上世纪初期，在斯堪的纳维亚、加拿大和其他地盾区完成了大规模的填图工作。这些先驱性的工作显示，大量的大陆地壳经历了比相邻地区更高级别的变质和变形作用。现在我们已经知道这些强变形区域的构造与大陆碰撞的现代造山带的构造非常相似，并且这些区域的变质温度足够高（> 700ºC）来引起大面积的部分熔融。部分大陆地壳经历过强烈变形、高温变质和部分熔融的反复改造：例如加拿大格林威尔省、西格林兰南部、挪威西片麻岩区和东非。有各种术语用来表示这一改造（modification）。岩石学家简称其为reworking（改造），而构造地质学家，但是以地球化学家的观点，称其为intracrustal differentiation（壳内分异）。最大最强烈的大陆地壳被改造区域位于大陆碰撞区和主要山脉形成的区域，如东非造山带。改造并不局限于增厚的造山带。在裂谷区或与热点相关的大火成岩省区加入到大陆地壳中的地幔熔体会引起高温变质作用。在这些地区的部分熔融作用会引起大陆地壳强烈的局部改造，但是这种热改造并不总是伴随着强烈的变形作用。

经历过变形变质的大陆地壳也并不是均匀的。上部在成分上接近于花岗闪长质，相对于下部更富集SiO₂和K₂O，而下部更偏镁铁质成分，更富集Al₂O₃、FeO、MgO和CaO（Rudick and Gao 2003）。相对于下地壳，这些差异以及上地壳中轻稀土元素的大量富集和较大的负Eu异常由部分熔融得到了最好的解释，这一过程也被称为anatexis（深熔）。因此壳内分异是由大陆地壳下部部分熔融以及熔体向上部的迁移而引起的，使得下地壳总体成分更偏镁铁质（Fig 1&2）。除了这些地球化学差异之外，这一过程也使大陆地壳产生了一个层状结构，这可以由P波和S波速度随深度而增加显示出来。欧洲西部受晚古生代碰撞作用以及造山作用影响的年轻大陆地壳地震剖面显示了与经历过元古代和太古代造山事件改造的欧洲北部古老地壳相同的近水平的莫霍面和内波速结构。因此，这一近水平层状结构肯定形成于造山带停止生长之后不久。至少这种相同的大陆地壳改造的图像从晚太古代以来就形成了。

地球化学研究表明由部分熔融作用产生了大规模的壳内分异，但是其他的一些问题还不甚明了，如熔融作用的热源，深熔时在颗粒尺度会发生什么，以及长英质熔体如何从下地壳迁移到上地壳中。它也没有关注部分熔融引起的各种结果，如对大陆地壳流变学性质的影响，以及对大陆碰撞时山脉形成方式的影响。以上这些问题以及其他问题正是本期《Elements》主题“When the Continental Crust Melts”所要讨论的。

【大陆地壳熔融类型】

诸如变泥质岩、变杂砂岩和花岗岩之类的岩石在变质温度超过650ºC时就开始部分熔融（Fig.3），他们产生的熔体成分为花岗质的。它们是否熔融以及产生熔体的量取决于H₂O的可用度。如果H₂O以自由流体的形式存在于岩石的孔隙和颗粒边界处，是可以产生熔融的；这被称为有H₂O流体参与的熔融，出现在最低的温度条件下。当含水矿物（水合物），如白云母、黑云母和角闪石，不一致熔融时，也可以产生熔融作用；其他矿物，最常见的是石英和长石，也可能会参加这些熔融反应。不一致熔融中可以有H₂O流体参与，也可以在高温条件下无H₂O参与。结晶的岩石孔隙度非常低，因此几乎不含H₂O流体；所以孔隙中由H₂O所产生的熔体量太低而难于观测到。因此，大陆地壳中大量的花岗质熔体被广泛认为是由无流体参与的不一致熔融形成的，除了大量含水流体进入已经在高温条件下的岩石的情形以外，如下文讨论。

泥质岩含有大量白云母和黑云母，30-50 vol%并非少见，随温度升高到由这些矿物参与的不一致熔融反应温度之上时，通常分别为~ 720ºC和~820ºC，就会逐渐产生熔体。其他的岩石类型也会经历无流体参与的不一致熔融。变杂砂岩和变安山岩在750ºC至800ºC之间开始熔融。角山岩在大约850ºC开始熔融，不过产生成分为英云闪长岩的熔体。变泥质岩和变杂砂岩中云母的无流体参与的不一致熔融可以产生高达50 vol%的熔体。在大约925ºC所有云母被消耗完以后，产生熔体的速率会降低，熔体的成分也不再是花岗质的了。

云母和角闪石的无流体参与的不一致熔融很好地描述了变泥质岩、变杂砂岩和镁铁质岩石的熔融作用。它解释了产生熔体的量以及麻粒岩相，即地壳深部发现的熔体被萃取之后残留的矿物组合。但是，它并不能很好的描述贫水的长英质（quartzofeldspathic）岩石的熔融作用，如浅色花岗岩、奥长花岗岩和英云花岗岩。最近有关变质地块的研究，年龄从太古代到显生代，显示花岗质岩石中部分熔融的程度比由孔隙中的H₂O或云母和角闪石的分解所产生的要高得多。这些岩石发生熔融是因为含水流体渗入其中形成了低温条件下（大约700ºC）所谓的水流熔融（water-fluxed melting）。这种H₂O的流入现在被用来解释某些深熔地块中变泥质岩、变碎屑岩和变镁铁质岩石的熔融作用（Ward et al. 2008; Berger et al.2008）。氧稳定同位素揭示了这种H₂O的多种来源。在部分地块中它来自于临近的变泥质岩中的脱水反应或来自于正在结晶的深层岩，而在其他地块中来自于深透海水或大气水，其他的还可能来自地幔。因此并不意外大陆地壳中产生水流熔融的许多地方都是靠近主要的地壳范围的剪切带，这些剪切带为H₂O渗入到大陆地壳中提供了通道（Sawyer 2010）。

Fig.3 Types of melting in P–T space for continental crust thickened to 71 km. The base of average (41.4 km) crust is shown by the blue dashed line. The red curve is the H₂O-present solidus in the haplogranite system; subsolidus conditions occur in the yellow field to its left, and partial melting can occur in the pink field. Fields for melting by hydrate breakdown are shown: blue for muscovite (Ms), brown for biotite (Bt) and green for amphibole (Amp). The purple line marks the start of ultrahigh-temperature (UHT) metamorphism. Two equilibrium geotherms for crust of normal thickness are shown as dotted black lines. Crustal radiogenic heat production (0.61 μW·m^-3) and a mantle heat flux at the Moho (30 mW·m^-2) are the same for both, but thermal conductivity is 3.0 W·m^-1·K^-1 for geotherm A and 2.0 for B; hence geotherm B is hotter but still does not reach UHT conditions.

【热问题】

有H₂O流体参与的或水流熔融作用所需要的温度（700ºC）可以在当地幔热量进入地壳底部的时候或者由造山加厚的大陆地壳中产生的放射性热量（Fig.3）来达到。但是，经历过850ºC以上温度的熔融并已丢失大量（魁北克Ashuanipi subprovince地区 > 600000 km³； Guernina and Sawyer 2003）花岗质熔体（根据他们残余岩石的成分确定）的巨大的麻粒岩地块与他们需要大量的热之间是有疑问的。平均大陆地壳含有的K、Th和U并不足以产生足够的放射性热量来维持所需时间范围内如此程度的熔融作用。需要其他的热源。地幔显然是一个来源，应变热在某些条件下可能还很多。新的测量（Whittington et al. 2009）表明高温下岩石的热扩散率很低；因此，中下地壳或许比先前估计的可以更好地保留住热量。识别这些热源以及综合考虑将热量集中到加厚地壳中和产生高度熔融所需的参数或条件，仍然是面临的主要问题。因此，Clark等（2011，本期）的文章正是“When the Continental Crust Melts”的出发点。

【大陆地壳熔融的岩石学观点】

大陆地壳中经历过部分熔融的岩石称为混合岩（migmatite）；该术语专指这一类岩石，在野外鉴定它们的方法见Sawyer（2008a,b）的总结。混合岩基本上是由两种组分组成的简单岩石。其一是已经部分熔融过的，称为新成体（neosome），由从熔体中结晶出来的产物以及剩下的残余物质所组成。第二个称为古成体（paleosome），由没有熔融的岩石组成。但是在大多数情况下，熔体和残余固相是相互分开的，虽然不是完全分开的。新成体包括在岩石学上不同的两个部分，一个是从熔体演化而来称为浅色体（leucosome），另一个是从残余固相演化而来，如果是暗色的则称为暗色体（melanosome），否则简称为残余体（residue）。在大多数情况下这一简单的岩石学构架会因为熔融过程中的变形作用使其在形态学上变得非常复杂。变形作用会导致组成部分的转换、旋转和扭曲。如果应变足够高的话，混合岩会弱化，形成带状或层状的结构（Fig.4），这在造山带下部比较常见。

Fig.4 Examples of partially melted rocks. (A) Migmatite derived from pelite and psammite protoliths, Nemiscau subprovince, Quebec. The lightest-coloured parts are leucosome and the darkest parts, rich in biotite and conspicuous red garnet, are residual material; together these are the neosome. The medium-grey-coloured part is a psammite that did not partially melt; it is paleosome. Scale is 15 cm long. (B) Highly strained migmatite derived from metatonalite partially melted under granulite facies conditions in the Limpopo Mobile Belt, a deeply eroded orogen. Penknife is 11 cm long. (C) Migmatite in which the garnetbearing neosomes have been highly strained, creating a banded or layered structure typical of shear zones developed in melt-bearing rocks. Scale is 15 cm long.

【实验和成岩模拟】

根据麻粒岩和混合岩所推导的温压条件可以告诉我们大陆地壳熔融发生的深度，并给出了不论任何加热机制所必须达到的最低值。确定温压（P-T）历史的基本信息来自于对诸如泥质岩、杂砂岩和角山岩的部分熔融实验。根据由实验所得到的内洽热力学数据，相平衡模拟也成为认识大陆地壳部分熔融P-T条件的有用工具。White等（2011，本期）的文章比较了可以更好认识这些条件的方法以及大陆地壳熔融时的岩石学过程。

确定变质矿物形成的时间并将该时间限定加入到P-T信息中可以得到P-T-t轨迹图，它表示了岩石穿过大陆地壳的迁移过程。这些轨迹图为检验研究控制造山带发育综合因素的数值模拟提供了一个非常有用的工具。

【显微镜下的熔融岩石】

岩石的显微结构随条件的变化而不断重新调整。有矿物消失，又有新的矿物生长，为了降低能量，可以是晶格能、晶面能或表面能，颗粒边界也会移动（e.g. Holness 2008）。显微结构达到平衡状态的程度，通常认为是均一的颗粒大小和多边形颗粒形态，包含着驱动力和颗粒边界迁移动力学相关的信息。这些因素可能与岩石冷却和变形历史中的各种令人感兴趣的因素有关。所搜集的显微结构信息必须与岩石样品是相符合的。试图通过检测古成体来认识熔融反应或者矿物-熔体平衡显微结构都是徒劳的，因为它并没有熔融过。类似地，浅色体的显微结构包含有有关深熔熔体结晶的信息而不是熔体产物反应的相关信息。正确识别混合岩中的各个岩石学部分是必要的，因为每一部分都包含着有关它来源过程的信息。

由于浅色体并不能代表初始熔体成分，比如结晶分异和混染作用，熔融实验中淬火玻璃的化学成分成为有关深熔熔体成分信息的主要来源。这一情况也正在改变：微米级的玻璃包裹体和“纳米花岗岩”（nanogranite）（Fig.5），被认为是代表性的淬火深熔熔体以及它的结晶产物，已经在来自混合岩地块中的矿物中被发现（Cesare et al. 2011）。这些包裹体可以告诉我们天然深熔熔体的主量、微量和同位素组成；我们也需要这样的“起点”成分来认识地壳中深熔熔体的变化。深熔熔体如何在大陆地壳深部缓慢冷却的岩石中保持玻璃的状态？这和其他相关问题见Holness等（2011，本期）的文章讨论，综述了最近的部分熔融岩石显微结构研究告诉我们有关大陆地壳熔融及随后冷却的过程。

Fig.5 Backscattered electron image of a “nanogranite” derived from a small (6 μm) inclusion of granitic melt trapped in a garnet (Grt) crystal from a migmatite at Ronda (Spain). The melt inclusion has a typical polyhedric shape (“negative crystal”; see Cesare et al. 2011) and crystallized into a fi negrained aggregate of quartz (Qtz), biotite (Bt), K-feldspar (Kfs), apatite (Ap) and plagioclase (not visible in this image). IMAGE COURTESY OF OMAR BARTOLI, UNIVERSITY OF PARMA, ITALY

【部分熔融的大地构造、地球动力学意义】

部分熔融的就位对于大陆地壳具有重要的影响。当大陆地壳温度穿过固相线温度时，所形成的结构类型会产生变化，应变速率会增大。因为深熔熔体比原岩和固相残余体的密度和黏度都低，因此它比固相部分更具活动性并会从中分离出来。浮力是一个驱动力，但是作用在必然是各向异性的地壳上的差异应力会形成压力梯度，它们构成了另外的、局部更强的驱动力来运移熔体。各向异性岩石中的差异应力会导致形成各种不同类型的膨胀结构，石香肠（boudins）之间的空隙就是其中一个著名的例子。熔体会迁移并在其他结构中聚集。

大陆地壳中热的传输主要依靠缓慢的传导过程，所以地壳的下部升温很慢冷却也很慢。因此，变质温度可以在固相线（650ºC）之上保持长达3千万年之久的时间，比如在喜马拉雅-西藏体系中。在那个时期，随着地壳逐渐发生变形，熔体可以从一组膨胀结构迁移到另一组中，在每一部分中都会部分结晶并产生一套复杂的浅色体构架。

当熔体达到~7 vol%比例时，大约80%的颗粒边界上都会有熔体，这导致失去原岩中大约80%的熔融前的强度（Rosenberg and Handy 2005）。在熔融进行到足以（~26 vol%）转变成岩浆（即晶体悬浮在熔体中）之前很长时间里，岩石会变得非常软弱。熔融的就位以及所引起的软化对于大陆地壳流变学性质、变形方式以及造山带发育具有重大的影响。弱化岩石的位置是由热源位置以及冷热岩石之间热量和物质的传输速率所控制的。这些因素部分由地壳均衡作用（isostasy）所控制，通过在大陆地壳底部形成一个韧性根以及其顶部的侵蚀作用。当岩石升温并熔融时，地壳中的弱化区域就会形成。应变和传输热可能被集中到底部逆向剪切带和顶部正向剪切带之间的狭窄区域内，该现象被称为管流（channel flow）。在过去的二十多年里，以上这些课题以及其他“大陆地壳熔融时”（“When the Continental Crust Melts”）的大地构造和地球动力学影响作用，通过使用高尖端的数值模拟取得了很多进展，Jamieson等（2011，本期）的文章介绍了这一关键领域内的最新进展。

【大陆地壳熔体的迁移分异】

花岗岩是深熔熔体的集合体，尽管熔体的成分由于混染作用，通过残余物（包晶相）、围岩或与其他不同岩浆混合以及分异结晶作用，而发生了改变。熔融发生在大陆地壳深部（> 25 km）。但是大部分花岗岩的深成岩也会夹杂在其上部，主要是在12-15 km脆韧性流变学性质转化的深度（Fig.2）。为完成大陆地壳的分异，深熔熔体必须从它的形成位置颗粒边界处迁移出来，并逐渐聚集到一个更加集中的物质流中。因此，熔体可以穿过中地壳亚固相线温度条件下的岩石而不需要像岩脉那样固结。换句话说花岗岩熔体的流动必须是有组织的。“大陆地壳熔融时”（“When the Continental Crust Melts”）这一过程是如何发生的，见Brown等（2011 本期）的文章讨论。

（参考文献见原文。如果对大陆地壳的部分熔融和流变学感兴趣，建议大家阅读同期《Elements》该专辑文章：2011年8月期 http://elements.geoscienceworld.org/。）