深熔过程中熔体成分与锆石行为模拟计算

引用本文

王伟, 魏春景, 刘晓春, 赵越, 高亮, 娄玉行, 初航, 张颖慧. 2014. 深熔过程中熔体成分与锆石行为模拟计算. 岩石学报,30(10): 3075-3084 复制到剪切板

WANG W-(RZ), Wei CJ, Liu XC, Zhao Y, Gao L, Lou YX, Chu H and Zhang YH. 2014. Modelling of melt composition and zircon behaviour during anatexis. Acta Petrologica Sinica,30(10): 3075-3084 (in Chinese with English abstract) 复制到剪切板

深熔过程中熔体成分与锆石行为模拟计算

王伟¹, 魏春景², 刘晓春¹, 赵越¹, 高亮¹, 娄玉行¹, 初航³, 张颖慧⁴

1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
3. 天津地质矿产研究所, 天津 300170;
4. 中国地质科学院地质研究所, 北京 103007

2014-8-1 收稿, 2014-9-22 改回.

基金项目：本文受国家自然科学基金项目（41202047、41172055）资助。

第一作者简介：王伟，男，1982年生，博士，变质地质学专业，Email: wangwei0521@gmail.com

摘要：发生深熔作用是高级变质作用的一个重要特征。深熔过程中产生的熔体可为淡色花岗岩提供潜在的源区;深熔过程中锆石的行为直接影响对变质锆石记年地质意义的理解。在含Zr体系下的相平衡模拟显示泥质成分深熔过程中产生熔体的成分在P-T空间中规律变化。温度升高时熔体Zr/Si值、Zr、FeO、MgO以及CaO等含量明显增加，压力较高时K₂O含量也随温度升高而明显增加。Na₂O含量随温度升高而降低，但随压力升高而增加。压力升高时Al/Si值显著升高。温度较高时Na/（Na+K）等值线较陡，减压熔融过程不会显著改变熔体Na/（Na+K）值，而升温减压过程以及近等压升温过程都会明显降低熔体Na/（Na+K）值。中压时随温度升高熔体Fe/（Fe+Mg）值缓慢升高，而石榴石的生长发育会迅速降低熔体Fe/（Fe+Mg）值。不同温压条件下对应的固相线熔融、白云母脱水熔融以及黑云母脱水熔融形成的熔体成分具有明显差异。对比模拟熔体成分在P-T空间的演化，喜马拉雅地区电气石淡色花岗岩对应熔体的形成温压条件应低于二云母淡色花岗岩，同类型淡色花岗岩之间在形成条件上也可能存在一定差异，并经历了差异性演化过程。含Zr体系下的相平衡关系显示进变过程是消耗锆石的过程，因而在进变过程中变质锆石难以生长，发生深熔作用的岩石中的变质锆石主要在退变过程中形成并记录退变质年龄。熔体丢失相关模拟显示不同温度阶段发生熔体丢失对锆石稳定性的影响不同。温度较低时Zr含量较少的熔体丢失会扩大持续进变过程中锆石的稳定范围，而温度较高时富Zr熔体的丢失会降低持续进变过程中锆石的稳定温度。类似于分离熔融作用的过程最利于残留相中剩余锆石在持续进变过程中的保存。

关键词：深熔作用熔体成分相平衡模拟锆石淡色花岗岩

Modelling of melt composition and zircon behaviour during anatexis

WANG Wei-(RZ)¹, WEI ChunJing², LIU XiaoChun¹, ZHAO Yue¹, GAO Liang¹, LOU YuXing¹, CHU Hang³, ZHANG YinHui⁴

1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
3. Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjin 300170, China;
4. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 103007, China

Abstract: Anatexis is a common process accompanying high grade metamorphism. The melt produced by anatexis can be potential source for leucogranites; and the behavior of zircon during anatexis is crucial for understanding the geological meaning of metamorphic zircon. Phase equilibrium modelling for pelitic composition in the Zr-bearing system indicates that the modelled melt composition varies regularly in the P-T space. The Zr/Si ratio, Zr, FeO, MgO and CaO contents of the melt increase and the Na₂O content decreases with increases in temperature. At high temperature the K₂O content rises as the temperature increases. The Al/Si ratio and the Na₂O content increase with increasing of the pressure. Decompression melting occurs at high temperature where the contours of the Na/(Na+K) ratio are steep will not lead to significant changes in the Na/(Na+K) ratio of the melt. But the processes involving decompression-heating and isobaric heating will remarkably decrease the Na/(Na+K) ratio of the melt. At medium pressure, the Fe/(Fe+Mg) ratio of the melt rises slowly with increases in temperature before the growth of garnet, which then effectively decreases the Fe/(Fe+Mg) ratio. The melt by solidus melting, muscovite and biotite dehydration melting has different compositions. The variation trend of the modelled melt compositions in the P-T space can help interpret the origin of leucogranites. The modelled relationships between zircon and major silicate mineral phases and melt indicate that prograde metamorphism is basically a zircon consuming process, and metamorphic zircon should mainly form during cooling and record the time of retrograde metamorphism. Loss of melt with less Zr content at low temperature can expand the zircon stability during prograde metamorphism. On the contrary, the melt loss at high temperature can decrease the zircon stability. A process similar to the fractional melting could most effectively expand the stability of zircon in the residuum.

Key words: Anatexis Melt composition Phase equilibrium modelling Zircon Leucogranite

1 引言

高级变质作用过程中会产生熔体，这一现象被称为深熔作用(anatexis)或部分熔融作用。深熔过程中熔体的产生、分离以及运移对大陆地壳内部分异具有重要意义(Brown， 1994，2004，2007; Saywer et al., 2001)。深熔作用与造山带的演化密切相关，可伴生于地壳缩短加厚以及伸展减薄等造山阶段，并对造山带的最终垮塌具有重要影响(Vanderhaeghe and Teyssier， 2001)。阐明深熔作用过程中熔体产生机制以及熔体成分特征对于理解造山带中混合岩形成过程以及花岗岩成因等都具有重要意义。以往对深熔作用的研究多集中在传统的岩石学、地球化学以及实验岩石学方面(Brown， 1994，1995; Patiňo Douce and Harris， 1998; Sawyer， 1999，2001)，有些学者利用成岩格子理解高级变质岩的深熔过程(Grant，1985; Powell and Downes， 1990; Spear et al., 1999)，近年来通过相平衡模拟可以定量计算深熔作用过程中熔体的含量及成分变化(White et al., 2001; White et al., 2007)。Holland and Powell(2001)最先基于内洽性热力学数据库(Holland and Powell，1998)设计了NCKASH体系下的花岗质熔体模型，应用该熔体模型可以计算水饱和以及不饱和条件下的熔融反应，但是该模型没有考虑FeO和MgO等，因而不能反映镁铁质矿物与熔体的平衡关系，难以较好地反映熔体的真实成分。White et al.(2001)将FeO和MgO加入到原有的NCKASH体系下的花岗质熔体模型中，从而得到了NCKFMASH体系下更加完善的熔体模型。利用该模型可以计算包括镁铁质矿物在内的各种变泥质矿物相与硅酸盐熔体之间的平衡关系，也能够较好地模拟麻粒岩相变质过程中熔体的产生以及丢失的影响。White et al.(2007)进一步改进了White et al.(2001)的模型使其适用于NCKFMASHTO体系。主要的改进包括橄榄石熔体端元faL和foL，并根据实验结果(Carrington and Harley， 1995; Patiňo Douce and Beard， 1995，1996; Montel and Vielzeuf， 1997; Grant，2004)对其焓进行调整。黑云母的模型中增加了Ti，并考虑了Ti离子与羟基的电价平衡，使其适用于较高温度下的熔融模拟。但熔体中仍未考虑TiO₂、Fe³⁺以及Mn等，这会不同程度地影响含有这些组分的矿物与熔体之间的平衡关系，如可能造成黑云母消失线与实际的偏差等。Kelsey and Powell(2011)将Zr加入到熔体模型中，从而可以模拟锆石的生长与消耗以及Zr在含Zr矿物及熔体之间的分配。尽管存在一定的差异，泥质成分模拟计算熔体与相同条件下的熔融实验熔体在矿物组合、矿物含量以及矿物/熔体成分等方面都有很大的相似性(Grant，2009; White et al., 2011)。本文在最新含Zr体系下模拟计算了熔体成分在P-T空间的演化并讨论了深熔过程中锆石的行为，有助于理解不同成分淡色花岗岩的形成与演化以及深熔过程中变质锆石记年的地质意义。

2 含Zr体系中相平衡模拟

Kelsey and Powell(2011)将Zr引入到熔体模型中并在含Zr体系下模拟计算了泥质成分中锆石生长与主要造岩矿物以及熔体之间的关系(图 1a)。模拟所用变泥质成分是由实验成分(BTC，Watson and Harrison， 1983)加入200×10^-6 Zr以及能使固相线处饱和的少量H₂O获得(Kelsey and Powell， 2011)，其摩尔分数为H₂O:SiO₂:Al₂O₃:CaO:MgO:FeO:K₂O:Na₂O:TiO₂:ZrO₂5.9973:67.2079:11.1981:3.0970:2.4678:4.1391:2.5071:1.7009:1.6713:0.0134
(mol.%)。熔体含量等值线具有较大的正斜率，熔体含量主要受温度影响，随温度升高含量增加(图 1b)。锆石含量等值线也具有正斜率且比熔体含量等值线更陡(图 1c)，随温度升高锆石的含量逐渐降低(图 1c)，直到较高温度时被完全消耗(>850℃)。相应的锆元素进入到石榴石等其它含锆矿物以及熔体中。熔体成分变量Zr(L)等值线近垂直并随温度升高而升高，熔体中Zr含量主要受温度影响，随温度升高而明显增加(图 1d)。

图 1 NCKFMASHTZr体系下变泥质成分P-T视剖面图(据Kelsey and Powell， 2011修改)Fig. 1 NCKFMASHTZr P-T pseudosection for metapelitic composition(modified after Kelsey and Powell， 2011)

3 含Zr熔体成分计算

在Kelsey and Powell(2011)模拟计算的基础上，我们使用相同的变泥质成分对深熔过程中熔体成分进行系统模拟计算。不同温压条件下计算所得熔体成分见表 1。熔体的Na₂O含量随温度升高而降低，但随压力升高而增加。在P<0.4GPa时熔体中的K₂O含量随温度变化不明显，而较高压力时K₂O含量随温度升高而明显增加。熔体Na/(Na+K)等值线图显示升温时Na/(Na+K)值呈降低趋势(图 2a)。低温时压力对Na/(Na+K)值的影响明显，Na/(Na+K)值随压力升高而显著增加，在压力大于1GPa时的固相线附近Na/(Na+K)值最高(0.7~0.8)。在较低温度下减压熔融过程会导致Na/(Na+K)值明显降低。温度较高时(>750℃)，压力对Na/(Na+K)值的影响不明显，因而减压熔融过程中对应的Na/(Na+K)值不会显著变化。除简单的等温减压过程外，升温减压过程以及近等压升温过程都会显著降低熔体Na/(Na+K)值。整体上Na/(Na+K)等值线与熔体等值线具有类似的分布特征，熔体含量与Na/(Na+K)值大致呈负相关，即熔体含量越高对应的Na/(Na+K)值越低。

图 2 P-T空间中熔体成分等值线图Fig. 2 Compositional contours for melt in the P-T space

熔体FeO和MgO含量都随温度升高而增加，随压力升高而降低，但变化幅度不同(表 1)。图 2b为熔体成分变量ol等值线(ol=Fe₄Si₂O₈+Mg₄Si₂O₈，White et al., 2007)，该成分变量反映熔体中铁镁含量。随温度升高熔体中铁镁含量在较高压力(P>0.6GPa)时增加缓慢，而在较低压力(P<0.6GPa)时增加迅速。与熔体含量等值线类似，整体上ol等值线多具正斜率，熔体含量增加粗略对应铁镁含量增加。

表 1 不同温压条件下模拟熔体成分Table 1 Modelled melt composition at various P-T conditions

P (GPa)	T (℃)	SiO₂ (wt%)	Al₂O₃ (wt%)	CaO (wt%)	MgO (wt%)	FeO (wt%)	Na₂O (wt%)	K₂O (wt%)	Zr (×10^-6)	Fe/ (Fe+Mg)	A/ CNK	A/ NK	Na/ (Na+K)	K/Na	Al/Si	Zr/Si
0.2	700	79.13	11.93	0.30	0.01	0.12	2.15	6.35	69	0.83	1.09	1.15	0.34	1.94	0.178	57e^-8
0.2	725	78.75	12.00	0.34	0.03	0.27	2.10	6.50	82	0.84	1.08	1.14	0.33	2.03	0.180	69e^-8
0.2	750	78.27	12.04	0.37	0.06	0.58	2.04	6.63	97	0.84	1.07	1.14	0.32	2.14	0.181	82e^-8
0.2	775	77.57	12.00	0.42	0.12	1.21	1.95	6.73	114	0.85	1.07	1.14	0.31	2.27	0.182	97e^-8
0.2	800	77.01	11.91	0.48	0.20	1.77	1.74	6.88	131	0.83	1.06	1.15	0.28	2.60	0.182	112e^-8
0.2	825	76.79	11.80	0.58	0.27	2.32	1.79	6.43	159	0.83	1.08	1.19	0.30	2.37	0.181	137e^-8
0.2	850	76.19	11.81	0.70	0.37	3.02	1.83	6.06	191	0.82	1.09	1.23	0.31	2.17	0.183	165e^-8
0.2	875	75.06	12.02	0.83	0.50	3.89	1.89	5.79	172	0.81	1.10	1.28	0.33	2.02	0.189	151e^-8
0.3	700	78.23	12.66	0.34	0.01	0.09	2.30	6.36	75	0.83	1.12	1.19	0.35	1.82	0.191	63e^-8
0.3	725	77.95	12.68	0.37	0.02	0.20	2.25	6.51	89	0.83	1.11	1.18	0.34	1.91	0.192	76e^-8
0.3	750	77.59	12.68	0.42	0.05	0.44	2.18	6.64	106	0.84	1.10	1.18	0.33	2.01	0.193	90e^-8
0.3	775	77.06	12.62	0.46	0.10	0.93	2.09	6.73	123	0.85	1.09	1.18	0.32	2.12	0.193	105e^-8
0.3	800	76.18	12.45	0.51	0.19	1.91	1.97	6.78	142	0.85	1.08	1.18	0.31	2.27	0.193	123e^-8
0.3	825	75.80	12.43	0.59	0.26	2.25	1.77	6.90	163	0.83	1.09	1.20	0.28	2.57	0.193	142e^-8
0.3	850	75.49	12.34	0.70	0.34	2.88	1.81	6.42	196	0.82	1.10	1.24	0.30	2.33	0.193	171e^-8
0.3	875	75.12	12.26	0.84	0.45	3.56	1.83	5.93	183	0.82	1.12	1.30	0.32	2.13	0.192	160e^-8
0.4	700	77.62	12.98	0.37	0.01	0.07	2.54	6.40	80	0.79	1.10	1.17	0.38	1.65	0.197	68e^-8
0.4	725	77.24	13.22	0.41	0.02	0.14	2.48	6.49	96	0.80	1.12	1.19	0.37	1.72	0.202	82e^-8
0.4	750	76.81	13.41	0.46	0.04	0.33	2.30	6.64	114	0.84	1.13	1.22	0.35	1.90	0.206	98e^-8
0.4	775	76.42	13.32	0.51	0.07	0.71	2.21	6.73	133	0.84	1.12	1.22	0.33	2.00	0.205	115e^-8
0.4	800	75.89	13.13	0.57	0.15	1.35	2.07	6.84	153	0.83	1.11	1.22	0.32	2.17	0.204	133e^-8
0.4	825	75.34	12.89	0.63	0.28	1.99	1.90	6.95	175	0.80	1.09	1.21	0.29	2.41	0.202	153e^-8
0.4	850	74.80	12.96	0.71	0.33	2.51	1.80	6.86	200	0.81	1.11	1.25	0.28	2.51	0.204	176e^-8
0.4	875	74.22	12.94	0.85	0.42	3.40	1.83	6.32	198	0.82	1.14	1.31	0.30	2.28	0.206	176e^-8
0.5	700	77.07	13.23	0.42	0.01	0.07	2.69	6.49	86	0.79	1.08	1.16	0.39	1.59	0.202	74e^-8
0.5	725	76.73	13.45	0.46	0.02	0.14	2.62	6.57	103	0.80	1.10	1.18	0.38	1.65	0.207	89e^-8
0.5	750	76.34	13.66	0.51	0.04	0.26	2.53	6.64	122	0.81	1.11	1.20	0.37	1.73	0.211	106e^-8
0.5	775	75.89	13.85	0.55	0.06	0.50	2.43	6.69	143	0.81	1.13	1.23	0.36	1.81	0.215	124e^-8
0.5	800	75.43	13.83	0.64	0.12	0.93	2.15	6.89	165	0.82	1.14	1.26	0.32	2.11	0.216	144e^-8
0.5	825	75.10	13.59	0.71	0.21	1.36	1.99	7.02	188	0.79	1.12	1.25	0.30	2.32	0.213	165e^-8
0.5	850	74.65	13.58	0.77	0.29	1.76	1.86	7.07	212	0.77	1.12	1.27	0.29	2.49	0.214	187e^-8
0.5	875	74.18	13.61	0.87	0.38	2.29	1.84	6.81	213	0.77	1.14	1.31	0.29	2.43	0.216	189e^-8
0.6	700	76.50	13.58	0.47	0.01	0.09	3.08	6.27	93	0.80	1.07	1.15	0.43	1.34	0.209	80e^-8
0.6	725	76.19	13.69	0.53	0.02	0.14	2.74	6.67	110	0.80	1.08	1.17	0.38	1.60	0.212	95e^-8
0.6	750	75.86	13.87	0.58	0.03	0.26	2.65	6.73	130	0.81	1.09	1.19	0.37	1.67	0.216	113e^-8
0.6	775	75.45	14.04	0.63	0.06	0.49	2.55	6.77	152	0.82	1.11	1.22	0.36	1.75	0.219	133e^-8
0.6	800	74.98	14.17	0.69	0.11	0.82	2.40	6.82	176	0.81	1.13	1.25	0.35	1.87	0.223	155e^-8
0.6	825	74.64	14.33	0.77	0.16	0.94	2.17	6.97	201	0.77	1.15	1.29	0.32	2.12	0.226	178e^-8
0.6	850	74.28	14.41	0.86	0.21	1.17	1.94	7.11	227	0.76	1.16	1.32	0.29	2.41	0.229	202e^-8
0.6	875	73.87	14.53	0.93	0.26	1.43	1.84	7.12	235	0.76	1.17	1.35	0.28	2.55	0.232	209e^-8
0.7	700	76.31	13.86	0.59	0.02	0.15	3.88	5.18	108	0.80	1.06	1.16	0.53	0.88	0.214	93 e^-8
0.7	725	75.60	13.98	0.61	0.02	0.15	2.85	6.77	118	0.80	1.07	1.16	0.39	1.56	0.218	102 e^-8
0.7	750	75.35	14.10	0.66	0.03	0.27	2.75	6.82	139	0.81	1.08	1.19	0.38	1.63	0.221	121 e^-8
0.7	775	74.98	14.25	0.72	0.06	0.49	2.64	6.85	162	0.82	1.09	1.21	0.37	1.71	0.224	142 e^-8
0.7	800	74.59	14.35	0.78	0.10	0.76	2.48	6.92	187	0.81	1.11	1.24	0.35	1.83	0.227	165 e^-8
0.7	825	74.27	14.50	0.87	0.15	0.88	2.26	7.04	213	0.77	1.12	1.28	0.33	2.05	0.230	189 e^-8
0.7	850	73.98	14.67	0.95	0.21	0.95	2.06	7.15	241	0.72	1.14	1.32	0.30	2.28	0.234	215 e^-8
0.7	875	73.66	14.87	1.03	0.25	1.05	1.91	7.21	259	0.70	1.16	1.36	0.29	2.48	0.238	232 e^-8
0.8	700	75.86	14.21	0.72	0.03	0.24	4.54	4.38	120	0.80	1.05	1.16	0.61	0.63	0.221	105 e^-8
0.8	725	75.25	14.34	0.71	0.03	0.23	3.67	5.75	133	0.81	1.06	1.17	0.49	1.03	0.225	116 e^-8
0.8	750	74.78	14.39	0.76	0.04	0.27	2.83	6.92	147	0.81	1.06	1.18	0.38	1.61	0.227	129 e^-8
0.8	775	74.48	14.48	0.82	0.06	0.49	2.72	6.94	171	0.82	1.07	1.21	0.37	1.68	0.229	151 e^-8
0.8	800	74.15	14.59	0.89	0.10	0.69	2.54	7.02	197	0.80	1.09	1.24	0.36	1.82	0.232	175 e^-8
0.8	825	73.87	14.70	0.98	0.14	0.81	2.34	7.13	225	0.76	1.10	1.27	0.33	2.00	0.235	200 e^-8
0.8	850	73.60	14.85	1.07	0.19	0.89	2.15	7.23	254	0.72	1.12	1.31	0.31	2.22	0.238	227 e^-8
0.8	875	73.31	15.03	1.15	0.23	0.98	1.99	7.28	285	0.70	1.13	1.35	0.29	2.41	0.242	256 e^-8
0.9	700	75.23	14.60	0.84	0.05	0.31	5.06	3.89	130	0.79	1.04	1.17	0.66	0.51	0.229	114 e^-8
0.9	725	74.76	14.68	0.86	0.05	0.35	4.29	4.99	147	0.81	1.05	1.18	0.57	0.77	0.232	129 e^-8
0.9	750	74.22	14.74	0.85	0.04	0.33	3.28	6.52	158	0.82	1.05	1.18	0.43	1.31	0.234	141 e^-8
0.9	775	73.90	14.77	0.94	0.06	0.49	2.78	7.04	180	0.82	1.06	1.21	0.38	1.67	0.236	160 e^-8
0.9	800	73.69	14.84	1.02	0.09	0.62	2.60	7.13	207	0.79	1.07	1.24	0.36	1.81	0.237	185 e^-8
0.9	825	73.44	14.95	1.11	0.13	0.73	2.41	7.21	236	0.76	1.08	1.27	0.34	1.97	0.240	212 e^-8
0.9	850	73.19	15.08	1.20	0.18	0.81	2.22	7.30	267	0.72	1.10	1.31	0.32	2.17	0.243	240 e^-8
0.9	875	72.93	15.22	1.28	0.22	0.90	2.06	7.35	298	0.70	1.11	1.34	0.30	2.35	0.246	270 e^-8
1.0	700	74.42	14.98	0.94	0.05	0.32	5.22	4.06	135	0.79	1.02	1.15	0.66	0.51	0.237	120 e^-8
1.0	725	74.13	15.02	0.98	0.05	0.37	4.66	4.76	156	0.79	1.03	1.17	0.60	0.67	0.239	138 e^-8
1.0	750	73.78	15.08	1.01	0.06	0.41	3.97	5.67	175	0.80	1.04	1.19	0.52	0.94	0.241	156 e^-8
1.0	775	73.31	15.07	1.09	0.06	0.45	2.82	7.18	189	0.81	1.05	1.21	0.37	1.67	0.242	170 e^-8
1.0	800	73.16	15.14	1.16	0.09	0.54	2.65	7.23	217	0.78	1.06	1.24	0.36	1.79	0.244	196 e^-8
1.0	825	72.96	15.23	1.25	0.12	0.64	2.47	7.30	247	0.75	1.07	1.27	0.34	1.95	0.246	223 e^-8
1.0	850	72.75	15.34	1.35	0.16	0.72	2.28	7.38	279	0.71	1.08	1.31	0.32	2.13	0.249	253 e^-8
1.0	875	72.51	15.47	1.43	0.20	0.82	2.13	7.41	312	0.70	1.10	1.34	0.30	2.29	0.251	283 e^-8
1.1	700	73.61	15.46	0.99	0.05	0.30	5.57	4.00	139	0.77	1.01	1.15	0.68	0.47	0.248	124 e^-8
1.1	725	73.39	15.41	1.07	0.06	0.37	4.87	4.83	161	0.78	1.02	1.16	0.61	0.65	0.248	144 e^-8
1.1	750	73.12	15.38	1.12	0.06	0.43	4.13	5.74	182	0.79	1.02	1.18	0.52	0.92	0.248	164 e^-8
1.1	775	72.80	15.40	1.16	0.07	0.45	3.32	6.78	201	0.79	1.03	1.20	0.43	1.34	0.249	182 e^-8
1.1	800	72.58	15.45	1.32	0.09	0.50	2.73	7.31	227	0.76	1.04	1.25	0.36	1.76	0.251	206 e^-8
1.1	825	72.44	15.53	1.41	0.12	0.58	2.54	7.37	258	0.74	1.06	1.28	0.34	1.91	0.253	234 e^-8
1.1	850	72.26	15.65	1.51	0.15	0.62	2.34	7.44	290	0.70	1.07	1.31	0.32	2.09	0.255	265 e^-8
1.1	875	72.05	15.74	1.60	0.18	0.74	2.19	7.47	325	0.70	1.08	1.35	0.31	2.25	0.258	297 e^-8
固相线附近熔体，在H₂O恰好消失时计算
0.2	701	79.13	11.93	0.30	0.01	0.12	2.15	6.35	69	0.83	1.09	1.15	0.34	1.94	0.178	57 e^-8
0.3	678	78.57	12.46	0.30	0.01	0.04	2.42	6.20	63	0.78	1.11	1.16	0.37	1.68	0.187	52 e^-8
0.4	669	78.11	12.64	0.33	0.01	0.03	2.61	6.27	63	0.78	1.08	1.14	0.39	1.58	0.191	53 e^-8
0.5	674	77.67	13.02	0.39	0.01	0.05	3.23	5.62	74	0.78	1.08	1.14	0.47	1.14	0.198	63 e^-8
0.6	682	77.21	13.38	0.48	0.01	0.09	3.75	5.06	88	0.79	1.07	1.15	0.53	0.89	0.204	75 e^-8
0.7	688	76.65	13.78	0.59	0.02	0.15	4.27	4.52	103	0.80	1.06	1.16	0.59	0.70	0.212	88 e^-8
0.8	693	76.01	14.17	0.72	0.03	0.24	4.73	4.08	116	0.80	1.05	1.16	0.64	0.57	0.220	101 e^-8
0.9	695	75.32	14.57	0.84	0.04	0.30	5.15	3.77	127	0.79	1.03	1.16	0.68	0.48	0.228	111 e^-8
1.0	689	74.53	14.96	0.92	0.05	0.29	5.43	3.80	127	0.78	1.02	1.15	0.68	0.46	0.237	112 e^-8
1.1	680	73.77	15.51	0.91	0.04	0.24	6.12	3.40	122	0.75	1.01	1.13	0.73	0.37	0.248	109 e^-8

表 1 不同温压条件下模拟熔体成分Table 1 Modelled melt composition at various P-T conditions

熔体Fe/(Fe+Mg)等值线(图 2c)显示在模拟P-T空间中Fe/(Fe+Mg)具有较复杂的演化特征，中压时(0.4~0.9GPa)随温度升高Fe/(Fe+Mg)值缓慢升高，但随着石榴石生长发育，熔体Fe/(Fe+Mg)值开始较快降低，熔体Fe/(Fe+Mg)等值线与石榴石含量等值线具有明显的耦合关系(图 1b)。低压麻粒岩相条件(P<0.4GPa，750℃<T<810℃)时产生的熔体具有最高的Fe/(Fe+Mg)值(~0.84)；压力较高温度较低时(P> 0.8Gpa，700℃ <T<800℃)，熔体Fe/(Fe+Mg)值随压力升高而明显降低，这些特征与泥质成分实验熔融结果类似(Grant，2004)。

图 2d为熔体成分变量an等值线(an=CaAl₂Si₂O₈，White et al., 2007)，其直接反映熔体中Ca含量的变化，an值越大Ca含量越高。在整个模拟P-T空间中an等值线较陡且基本为负斜率。在不同压力下，随温度升高Ca含量稳定增加，较高温度时增速变快。随压力升高Ca含量也会增加。等值线显示Ca含量与熔体含量没有明显的相关性，不同温压条件下模拟熔体的具体Ca含量见表 1。

P-T空间中各温压点的熔体Zr含量见表 1，与压力相比温度更能显著影响Zr含量变化，在锆石消失前温度升高能显著增加熔体中Zr含量。熔体Zr/Si值的变化特征与熔体中Zr含量的变化特征类似，更易受温度的影响(图 3a、表 1)。而温度对Al/Si值的影响较小，相同压力下温度升高时Al/Si值只略微增加；压力对Al/Si值的影响明显，压力升高时Al/Si值显著升高(图 3b、表 1)，在高温高压时Al/Si值达到最大值。

图 3 P-T空间中熔体成分比值图(a，Zr/Si; b，Al/Si)Fig. 3 Compositional ratios for melt in the P-T space(a，Zr/Si; b，Al/Si)

深熔作用产生的熔体与其原岩成分、温压条件等有关。在没有外来水加入时泥质成分岩石在不同温压条件下对应固相线熔融、白云母脱水熔融以及黑云母脱水熔融等不同熔融机制(Brown，2002)。已有的研究表明不同熔融机制下产生的熔体成分具有明显差异，如白云母脱水熔融产生的熔体具有较低FeO(<0.6%)和MgO(<0.4%)和较高的K₂O(>5.5%)(McDermott et al., 1996)以及较高的Rb/Sr比值等(Inger and Harris， 1993; Harrison et al., 1999)；而黑云母脱水熔融产生的熔体具有较高的FeO、MgO以及TiO₂含量，较低的Rb/Sr值(<4.5)(Visonà and Lombardo，2002)，变化的Sr/Ba值(0.2~0.7)(Harris and Inger， 1992)。相平衡模拟计算能清晰揭示不同温压条件下不同熔融机制产生熔体的主要成分演化特征。整体上固相线附近模拟熔体的Zr含量低，但随压力升高而升高(表 1)，FeO、MgO含量非常低，Na₂O含量普遍较高且随压力升高而明显增加，K₂O含量偏低且随压力升高而降低，Ca含量低并随压力微弱变化。低温时Na/(Na+K)值与Fe/(Fe+Mg)值主要受压力控制，固相线熔体因压力不同而具有明显不同的Na/(Na+K)值与Fe/(Fe+Mg)值(图 2、表 1)。中压麻粒岩相条件(0.5GPa<P<0.9GPa，775℃≤T≤850℃)时黑云母脱水熔融产生熔体的Zr、FeO、MgO、CaO以及K₂O的含量都较高，而SiO₂和Na₂O的含量较低；该压力范围内较低温度时(0.5GPa<P<0.9GPa，700℃≤T≤750℃)白云母脱水熔融产生熔体的成分特征介于固相线熔体和黑云母脱水熔融产生熔体之间(表 1，图 2)，其FeO(<0.4%)和MgO(<0.1%)含量与已有研究吻合(McDermott et al., 1996)。白云母脱水熔融产生熔体的K₂O含量多在3.9%~6.5%之间变化，在压力较高温度较低时(如0.9GPa，700~725℃)熔体的K₂O的含量并不高于5.5%。

4 模拟熔体成分与淡色花岗岩对比

高级变质区往往发育大量淡色花岗岩脉(体)，如喜马拉雅地区(Inger and Harris， 1993; Visonà and Lombardo， 2002)，中国西北阿尔泰地区(邱林等，2007；王伟，2011)，美国缅因地区(Pressley and Brown， 1999; Solar and Brown， 2001)，纳米比亚中北部造山带(Vande Flierdt et al., 2003)等，这些淡色花岗岩往往与地壳深部变质沉积物深熔作用有关。喜马拉雅地区的淡色花岗岩主要有电气石淡色花岗岩和二云母淡色花岗岩两种类型，可能源于泥质片岩在水不饱和条件下部分熔融产生的熔体(Inger and Harris， 1993; Visonà and Lombardo， 2002)。电气石淡色花岗岩Rb/Sr较高(>5)，应主要由白云母脱水熔融产生的熔体形成；而多数二云母淡色花岗岩的Rb/Sr较低(<4.5)，黑云母脱水熔融产生的熔体可能对二云母淡色花岗岩的形成有重要贡献(Inger and Harris， 1993; Harrison et al., 1999; Visonà and Lombardo， 2002)。电气石淡色花岗岩的Zr含量以及Zr/Si值明显低于二云母淡色花岗岩(表 2)，具有较低的MgO、CaO，除样品KG210外FeO也较低。根据模拟熔体成分在P-T空间的演化关系(图 2、表 1)，较低的Zr、Zr/Si、MgO、FeO以及CaO对应较低的温压条件，因此电气石淡色花岗岩形成的温压条件(特别是温度)要低于二云母淡色花岗岩，与已有的研究一致(Visonà and Lombardo， 2002)。电气石淡色花岗岩样品KG210具有异常高的FeO以及Fe/(Fe+Mg)值，而较低的Zr以及MgO含量等显示其形成温度较低，异常高的FeO含量可能表明熔体聚集迁移过程中裹挟有富Fe转熔矿物(如钛铁矿)。较低的MgO以及CaO含量表明石榴石不会是熔体裹挟的主要转熔矿物。二云母淡色花岗岩样品SKG9的FeO、MgO、Na₂O、CaO含量以及Na/(Na+K)值都明显高于其它二云母淡色花岗岩样品，并具有明显偏低的K₂O以及K/Na值。比照模拟熔体的演化关系这些特征可能表明该样品形成于比其它二云母淡色花岗岩更高的温压条件，并可能经历了少量长石堆晶以及钾质组分流失；单纯富集斜长石的堆晶作用易于解释高的CaO含量(Inger and Harris， 1993)，但难以解释异常高的FeO、MgO以及Na₂O含量。二云母淡色花岗岩样品之间的成分差异可能暗示它们形成的温压条件存在一定差异。

表 2 喜马拉雅淡色花岗岩主量元素(wt%)(据 Inger and Harris， 1993)Table 2 Major elements(wt%)for leucogranite from Himalaya(after Inger and Harris， 1993)

5 含Zr熔体丢失对锆石稳定性的影响

Wang et al.(2014)利用澳大利亚中部Mt Stafford地区代表性泥质成分模拟了熔体丢失对锆石稳定性的影响(图 4a)。所用泥质成分为H₂O:SiO₂:Al₂O₃:CaO:MgO:FeO:K₂O:Na₂O:TiO₂:ZrO₂=3.90:64.9607:14.5725:0.3908:3.7239:6.1886:4.1671:1.5324:0.5572:0.0068(mol.%)。相关模拟显示不同温度阶段发生熔体丢失对锆石稳定性影响不同。在750℃时可产生10mol.%左右的熔体，其成分为SiO₂:Al₂O₃:CaO:MgO:FeO:K₂O:Na₂O=77.00:13.05:0.30:0.05:0.62:6.04:2.91(%)，其中Zr含量为105×10^-6。此时熔体中的Zr含量较低，若发生熔体丢失相同的熔体丢失量带走的Zr相对较少，持续进变过程中也会因熔体这一Zr载体的减少而使Zr较多地在固体残留相中分配，从而使残留相中锆石的稳定性增强。若此时熔体全部消失，锆石的稳定范围可增高20℃左右(图 4b)。在800℃时可产生20mol.%左右的熔体，其成分为SiO₂:Al₂O₃:CaO:MgO:FeO:K₂O:Na₂O=75.83:12.72:0.42:0.19:1.99:6.36:2.47(%)，其中Zr含量为142×10^-6。此时熔体的Zr含量也相对较低，熔体丢失对Zr分配造成的影响与750℃时熔体丢失类似。但由于熔体含量较高，当有更多的熔体丢失时在持续进变过程中锆石的稳定范围会得到更明显的扩展，最高可增高40℃左右(图 4c)。熔体的丢失也会使石榴石等矿物在退变过程中更易保存(图 4c)。在850 ℃时可产生30mol.%左右的熔体，其成分为SiO₂:Al₂O₃:CaO:MgO:FeO:K₂O:Na₂O=72.21:13.88:0.56:0.34:3.7:6.8:2.49(%)，其中Zr含量为198×10^-6。此时熔体中的Zr含量高，熔体总量大，相当多的Zr已分配到熔体中。熔体丢失会有效地从体系中分离Zr。模拟显示此时熔体丢失会导致持续进变过程中锆石稳定温度降低(图 4d)。这些模拟结果表明类似于分离熔融作用的过程最利于残留相中剩余锆石在持续进变过程中的保存。

图 4 NCKFMASHTZr体系下变泥质成分P-T及T-X视剖面图(据Wang et al., 2014修改)Fig. 4 NCKFMASHTZr P-T and T-X pseudosections for metapelitic composition(modified after Wang et al., 2014)

6 讨论与结论

含Zr体系下的相平衡模拟显示泥质成分深熔过程中产生熔体的成分在P-T空间中规律变化。温度升高时熔体Zr含量，Zr/Si值、FeO、MgO以及CaO含量等明显增加，压力较高时K₂O含量也随温度升高而明显增加。Na₂O含量随温度升高而降低，但随压力升高而增加。压力升高时Al/Si值显著升高。温度较高时Na/(Na+K)等值线较陡，减压熔融过程不会显著改变熔体Na/(Na+K)值，而升温减压过程以及近等压升温过程都会明显降低熔体Na/(Na+K)值。中压时随温度升高熔体Fe/(Fe+Mg)值缓慢升高，而石榴石的生长发育会迅速降低Fe/(Fe+Mg)值。整体上固相线附近模拟熔体的Zr含、FeO、MgO等含量非常低，Na₂O含量普遍较高且随压力升高而明显增加，K₂O含量偏低且随压力升高而降低。白云母脱水熔融产生熔体的FeO和MgO含量较低，但高于固相线熔体，Zr、Ca含量略有增加，Na₂O含量略低，K₂O含量增加并在一定范围内变化。黑云母脱水熔融产生熔体的Zr、FeO、MgO、CaO以及K₂O的含量都较高，而SiO₂和Na₂O的含量较低。对比模拟熔体成分的系统变化显示喜马拉雅地区电气石淡色花岗岩对应熔体的形成温压条件应低于二云母淡色花岗岩，同类型淡色花岗岩之间在形成条件上也可能存在一定差异，并经历了差异性演化过程。自然界中发生深熔作用的岩石成分会比较复杂，往往具有一定的变化范围，例如不同的泥质成分岩石的锆元素的含量可能不同，即使含量相同深熔作用过程中的有效锆元素也会存在一定差异。类似的不确定性会在实际发生深熔作用的岩石成分与模拟计算使用的单一起始成分之间造成一定程度的差异。这种差异会使我们难以将天然发生的淡色花岗岩成分精确对应于模拟P-T空间中某一具体温压点上，但是不同的天然淡色花岗岩的成分应该在不同的成分范围内变化，并具有与模拟熔体成分类似的变化趋势，正如电气石淡色花岗岩和二云母淡色花岗岩显示的那样。淡色花岗岩结晶过程中可能存在的分离结晶作用(Milord et al., 2001; Otamendi and Patiňo Douce，2001)以及成分扩散(White and Powell， 2010)等也会影响它们的最终成分。模拟熔体的成分特征以及空间变化趋势对我们剥离淡色花岗岩形成过程中不同因素影响，探讨淡色花岗岩的成因具有指导意义。

含Zr体系下的相平衡关系显示进变过程是消耗锆石的过程，因而在进变过程中变质锆石难以生长(Kelsey and Powell， 2011; 张颖慧等，2013; Wang et al., 2014)，当有足够的外来锆元素加入时可能形成少量的变质锆石，但也难以保存(Wang et al., 2014)。变质锆石的生长与消耗过程直接影响对变质锆石记年地质意义的理解。张颖慧等(2013)根据含Zr体系下对恒山杂岩中TTG片麻岩的模拟结果认为锆石在降温过程中随着熔体结晶而生长，变质新生锆石记录了麻粒岩相的退变质年龄，并据此推测恒山麻粒岩地体在1.85~1.93Ga期间处于发生缓慢抬升冷却的中地壳伸展环境。熔体丢失相关模拟显示不同温度阶段发生熔体丢失对锆石稳定性的影响不同。温度较低时熔体中Zr含量较少，熔体丢失有利于扩大持续进变过程中锆石的稳定范围，最高可增加40℃。而温度较高时富Zr熔体的丢失会降低持续进变过程中锆石的稳定温度。类似于分离熔融作用的过程最利于残留相中剩余锆石在持续进变过程中的保存。

致谢感谢陈意博士提出的建设性修改意见。

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岩石学报 2014, Vol. 30 Issue (10): 3075-3084	PDF