2. 广东省矿床资源与地质过程重点实验室, 广州 510275;
3. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061
2. Guangdong Provincial Key Lab of Geological Processes and Mineral Resource Survey, Guangzhou 510275, China;
3. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
花岗岩是大陆地壳区别于大洋地壳的标志,也是地球岩石圈区别于其它行星(包括月球)岩石圈的标志。以花岗岩(广义)为标志的大陆地壳平均厚度约为41.4km,总面积约199×106km2,覆盖了近39%的地球表面(Sawyer et al., 2011);已获得的最老TTG年龄约4.1Ga,低于已知月壳岩石的最老年龄(~4.5Ga)(翟明国等, 2016)。然而,行星地质研究揭示:① 内行星(包括月球)从岩浆表壳向岩石表壳的转换过程中没有分异出花岗岩(Head et al., 2007; Jolliff et al., 2000; 肖智勇等, 2014);② 在行星铁镁质岩石表壳上,首先形成的新岩石是沉积岩,前提是星球表面存在液态水,就如40亿年前的火星(Grotzinger and Milliken, 2012)。作为“深成作用”的产物,花岗岩在地壳断面中的位置是介于铁镁质岩石(上地幔+下地壳)和沉积岩之间(陈国能, 2011; Sevmorgeo, 2012),故如果火星存在花岗岩,其形成也必在铁镁质岩石表壳上出现沉积岩(亦即具双层结构的典型“洋壳”生成)之后。由此得到的启示是:地球上的花岗岩及其标志的大陆地壳,不可能诞生于水圈和沉积岩出现之前。如果以前述已知最老的TTG年龄(4.1Ga)作为陆壳形成的时间起点,可计算出大陆地壳自4.1Ga以来的平均增长速率,亦即花岗岩在地球岩石圈二维空间上的平均生长速率,大约为485×103km2/Myr。
陆壳面积的增长意味着洋壳面积的等量减少,两者的消长关系揭示由三块“石头”(铁镁质岩浆岩+花岗岩+沉积岩)构成的陆壳(陈国能, 2011),实质是从只有两块“石头”(铁镁质岩浆岩+沉积岩)的洋壳转变而成。花岗岩是如何在铁镁质岩石与沉积岩之间形成和生长,从而导致球面上陆壳面积不断增大和洋壳面积不断减少?这一问题关系到大陆地壳乃至整个行星岩石圈形成演化的基础理论,是当今固体地球科学前沿研究无法回避的重大问题(翟明国等, 2016)。
有关花岗岩成因的争论始于地质学的启蒙时期(Read, 1957),争论的焦点一是物质来源,二是形成方式。鲍文的矿物反应系列和某些地球化学模型,暗示部分花岗岩可能为地幔起源。但是,① 月球和水星的火山活动持续到距今1.5~1Ga,形成的岩石主要为玄武岩类,未发现流纹岩(Head et al., 2007; Jolliff et al., 2000; 肖智勇等, 2014),表明自星球岩石表壳形成(以月岩的最老年龄4.5Ga算)之后的30多亿年间,不论是表壳岩石的重熔抑或星球内部岩浆分异,均未能产生花岗岩浆;② ODP获得的大量资料证实,地球最近2~3亿年来的地幔过程,同样没有分异出有规模意义的花岗岩浆。鉴于上述地质约束,花岗岩浆主要来自地壳岩石的部分熔融(深熔),已成为学界渐趋一致的认识(Brown, 2001; Chen and Grapes, 2007; Norlander et al., 2002; Sawyer et al., 2011)。现代花岗岩成因争论,聚焦于岩浆形成定位的热动力学机制:深熔作用产生的岩浆如何到达地壳浅部,并在上陆壳岩石场中获得其巨大的“定位空间”?对此,目前存在“岩浆侵入”和“岩浆对流”两种不同的认识。
2 深熔作用——花岗岩浆生成过程深熔作用(anatexis)最早是由Sederholm(1907, 见1967) 用于解释其提出的混合岩的形成过程。深熔过程中花岗质熔体的产生受环境温度、原岩性质及自由水含量等条件控制,而熔体含量和组份则随着系统P-T条件的变化而变化(Chen and Grapes, 2007)。
混合岩是天然过程中岩石部分熔融的直接证据,其内的浅色体(leucosome)代表熔出物,暗色体(melanosome)代表熔融残余物,中色体(mesosome)则为两者的过渡(Mehnert, 1968; Norlander et al., 2002; Sawyer, 2014)。部分熔融岩石的流变行为研究(Arzi, 1978; Rosenberg and Handy, 2005; Van Der Molen and Paterson, 1979; Vigneresse et al., 1996),为认识从岩石到岩浆的转换过程,提供了重要的实验证据和理论支撑。岩石熔融首先从石英、长石等矿物的边缘开始(Brown, 2010; Sawyer et al., 2011; Vanderhaeghe, 2001)。熔体数量随之温度升高而增加,进而引起岩石强度变化,但后者与温度的关系是非线性的。MCT(Melt Connectivity Transition, 称“熔体连通转换”)是岩石熔融过程中粘度或强度变化的首个转折点(熔体比~7%),它标志着矿物颗粒间的熔体相互连通(Rosenberg and Handy, 2005)。熔体比若超过MCT,偏差应力可很容易地将粒间熔体“挤”向低应力区,引起熔体分离,即熔体逐渐从岩石的孔隙空间向面状空间(层理、页理或片理面等)转移,形成厘米至分米级的长英质熔体层。另一方面,基体中的固体框架因熔体迁出而被压紧,从而导致矿物颗粒发生平行于σ3方向的伸展(Chen and Grapes, 2007; Khazan, 2010),最终形成由浅色体(包括部分中色体)和暗色体相间产出的层状或条带状混合岩(图 1a, b)。可见,MCT不仅是部分熔融岩石中的粒间熔体相互连通的标志,同时也是熔体分离、亦即熔体从孔隙空间向面状空间转移的标志。当部分熔融岩石中的熔体比例达到流变学的临界比RCMP(rheologically critical melt percentage)(Arzi, 1978; Van Der Molen and Paterson, 1979),岩石固体框架解体,系统状态从之前熔体分布于固体框架内部、转变为固体残留物悬浮或包裹于熔体中(Renner et al., 2000)。因此,Rosenberg and Handy建议将临界熔体比(RCMP)改称为流变学的“固-液转换”(solid-liquid transition, 简称SLT),并认为SLT相应的熔体比约为40%(Rosenberg and Handy, 2005)。从野外地质和岩石学的角度,SLT代表了低度熔融岩(Metatexite)到高度熔融岩(Diatexite)的转换(Diener and Fagereng, 2014; Vigneresse et al., 1996; White et al., 2005),前者相当于暗色体呈连续分布的层状混合岩(图 1a, b),后者则为含有大量熔融残余物(岩块、富铁镁熔渣和片麻状暗色条带)的混合花岗岩或“脏花岗岩”(图 1c, d)。
理论上,深熔作用最可能开始于硅铝质陆壳(包括上、中陆壳)底部,因为岩石熔融实验结果表明,压力在600MPa时,长英质岩石的湿固相线温度多在600℃左右(图 2a)(Büsch et al., 1974; Castro et al., 2000; Kifle, 1992; Pickering and Johnston, 1998; Thompson, 1982),如果硅铝质陆壳厚度为25km,地温增温率为30℃/km,熔融就应发生于20km深度以下的硅铝质岩石中(图 2b)。这与全球年青造山带或构造活动带,例如特提斯带和环太平洋带,上陆壳底部普遍发育地震波低速层的事实是一致的,后者一般认为与壳内熔融有关(Kind et al., 1996; Yang et al., 2012)。在图 2b固相线以下的部分熔融区,岩石的熔融程度应随着温度向下升高而逐渐增大;一旦岩石中的熔体比例超过流变学的临界熔体比,即前述的RCMP或SLT,岩石将熔断,原本连续的岩石变成为含有大量固体悬浮物的“脏花岗岩浆”(图 1c, d)。
古老造山带或克拉通基底出露的花岗岩,多以奥长花岗岩(Trondhjemite)-英云闪长岩(Tonalite)-花岗闪长岩(Granodiorite)为主的偏中性岩石组合(TTG)(Brown, 2010; Sawyer et al., 2011)。TTG质岩浆通常认为是来自铁镁质岩石的部分熔融,因而不少学者相信深熔作用可以发生于玄武质的下陆壳(Brown, 2010; Moyen and Martin, 2012)。
3 岩浆形成定位的热动力学机制Ⅰ:深熔-侵入模型深熔作用已获得普遍认同,问题是其后续过程。广为接受的岩浆侵入模型(或称深熔-侵入模型)认为,深部熔区产生的岩浆,可以通过某些构造薄弱带流变突起,或者沿着某种类型的通道(主要为断裂)连续或周期性地注入到地壳浅部定位,经冷凝固结形成花岗岩体(Clemens, 2012; Petford et al., 2000; Vanderhaeghe, 2001)。在侵入模型中,岩体的“定位区间”和“岩浆源区”(以下简称“源区”)是分离的,即相对于岩体所处位置,岩浆是来自异地(远离岩体的深部“源区”)岩石的部分熔融或重熔。因此,深熔-侵入模型可称为“异地重熔”模型,其隐含的前提是地壳温度不变,故“源区”产生的岩浆必须向上运移到地壳浅部,否则不可能在地表观察到花岗岩出露。
图 3a是Sawyer et al. (2011)结合混合岩研究而改进的深熔-侵入模型,图中固相线以下至莫霍面的区间为部分熔融区,即岩浆“源区”。该区岩石部分熔融产生的熔体,因构造力或浮力作用而从部分熔融的岩石中分离,然后沿岩浆通道向上入侵,在上陆壳韧性和脆性变形带的过渡部位定位形成岩体。图 3b的混合岩露头中观察到的众多切割混合岩条带构造的长英质脉体,被视为岩石部分熔融产生的熔体分离和向上入侵的证据(Sawyer et al., 2011)。
图 3a未注明“源区”的地壳属性,但其位置相当于下陆壳。下陆壳能否产生或能够产生多少花岗质岩浆不是本文讨论的问题,在此仅讨论深熔-侵入模型本身的逻辑自洽。在上述模型中,岩浆“源区”是岩石的部分熔融区,亦即混合岩形成区,其位置处于岩石固相线与莫霍面之间,剖面上位于相应花岗岩体下方且远离岩体。理论上,“源区”岩石不可能在地表观察到——除非固相线以上的岩石全部剥蚀殆尽。但如图 3a所示,“源区”上覆(固相线以上)的岩石如果被剥蚀殆尽,混合岩区(“源区”)下伏岩石即为地幔的铁镁质岩石,不可能有花岗岩存在。而事实上,全球各地的混合岩出露区,其下都有正常厚度的花岗质陆壳。这意味着地表观察到的混合岩,除非是推覆体或地壳倒转,否则不可能是深部“源区”形成的岩石。将混合岩视为“源区”岩石,使得深熔-侵入模型难以到达自身的逻辑自洽:一方面,切割混合岩的大量长英质脉体(图 3b),证实地壳熔融过程中,熔体可从源区岩石中分离并向上入侵——观察事实符合模型的理论预期;另一方面,全球各地的混合岩-花岗岩区,如加拿大Thor-Odin dome(Norlander et al., 2002),澳大利亚Mt. Stafford(Greenfield et al., 1998)和Broken Hill(White et al., 2005),法国Velay dome(Ledru et al., 2001)等,均可见与混合岩共生的花岗岩,其主体是位于同期混合岩下方(图 4),这与模型的理论预期,即部分熔融产生的熔体离开“源区”向上入侵,并在“源区”上方形成岩基的认识不相容。由此可见,地表观察到的混合岩,虽然是天然过程中原始岩石部分熔融的产物,但大部分情况下,它们不是生成大规模花岗岩浆的“源区”岩石。换言之,有关“源区”岩石熔融、分异、入侵的基本知识(Brown, 2010; Clemens, 2012; Sawyer et al., 2011; Vanderhaeghe, 2001),并非来自对“源区”岩石的直接观察,而是来自与“源区”过程无关的混合岩的研究。
侵入模型中岩体与“源区”分离引出了岩基的“空间问题”(Hutton, 1996)——来自深部“源区”的岩浆如何搬运到地壳浅部,并在上陆壳的岩石场中获取岩基定位的巨大空间?“空间问题”不解决,岩基本身的合理性存疑。因此,一个多世纪以来,科学界提出了各种可能的解决方案,例如“顶蚀”(Žák et al., 2006)、“岩浆底辟”(Weinberg, 2004)、“火山口塌陷”(Hutton, 1996)、“气球膨胀”(Ramsay, 1989)、“断裂注入”(Ferré et al., 2012),以及上述不同模式的组合(Clemens, 2005; Petford et al., 2000),等。各种定位模式均可找到其支持证据,但同时会找到更多的反驳证据(Chen and Grapes, 2007; Petford et al., 2000)。时至今日,岩基空间问题仍然是花岗岩成因研究和争论的热点之一(Clemens, 2005; Samperton et al., 2015)。为此,我们可能有必要重新思考岩浆论先驱James Hutton在1790年就思考过的问题(见Read, 1957):“……为什么它(岩浆)不能原本就是地层,……其后通过熔融固结而成,而并非来自地下深处,通过破坏和侵入地层而形成?”
4 岩浆定位的热动力学机制Ⅱ:深熔-对流模型前已述及,SLT(solid -liquid transition)是岩石部分熔融过程中,从固体特征(熔体分布于固体框架内部)转变为流体特征(固体残留物悬浮于熔体)的标志,相应的熔体比约为40%(Rosenberg and Handy, 2005)。换言之,部分熔融岩石中的熔体比到达~40%时,岩石将被熔断,成为含有大量(~60%)固体悬浮物的“脏”花岗岩浆(图 1c, d)。据Winkler and von Platen(1961)对硬砂岩和泥岩,以及Nekvasil(1991)对环斑花岗岩(rapakivi)的熔融实验结果,40%熔体比对应的温度约705℃(陈震等, 2017)。以此为参照,在图 2b给定的条件下,23.5km深度处的熔体比已达到SLT要求(40%)。这意味着从该深度以下到上陆壳底部的硅铝质岩石已全部熔断,形成厚度约1.5km的“脏”岩浆层(图 2b)。
“脏”岩浆层中大量的固体悬浮物,包括未熔岩块和富铁镁的熔融残余物(见图 1c, d),因密度较大而下沉,而下方长英质熔体则因密度较小而上浮,由此引起岩浆层内的物质分异,即Si、K、Na等低熔组份向岩浆层上方聚集,Ca、Fe、Mg等难熔组份则向岩浆层下方汇聚(Chen and Grapes, 2007)。
图 5是俄罗斯远东2-DV地学断面,为上述认识提供了重要证据。该断面长达1200km,其中红色的为广义花岗岩层,分为上、下两个部分:上部(鲜红色)波速为6.0~6.4km/s,属典型花岗岩,其内大大小小的绿色斑块可解释为花岗岩中的变沉积岩包体(捕虏体),代表悬浮于“脏”岩浆中的未熔岩块;下部(暗红色)为6.4~6.8km/s,被解释为偏基性的麻粒岩,代表下沉的富铁镁残余物(Sevmorgeo, 2012)。
岩浆层内冷物质(岩块和熔渣)下沉和热物质(熔体)上浮,不但引起岩浆层的物质分异,同时诱发岩浆层内的热对流(图 6a),这一过程已为大量的实验和研究证实(Babeyko et al., 2002; Kaneko and Koyaguchi, 2000)。热对流使得岩浆层温度趋向均一化,岩浆层顶部温度因此而急剧升高(图 6a1),造成盖层底部岩石中的熔体比例迅速增大,并不断超过SLT的熔体比,岩石不断被熔断而成为下伏岩浆层的一部分,即“顶蚀”作用(Kaneko and Koyaguchi, 2000; Žák et al., 2006),由此造成SLT标注的固-液(岩石-岩浆)转换界面,即重熔界面(MI)不断向上移动,岩浆层逐渐增厚(图 6a)。
如果系统有持续的热供给,重熔界面(MI)将不断上升,直至系统的能量输入与输出达到平衡。在热输入率较高情况下,岩浆层与盖层的热平衡最可能出现5km左右的深度,因为该深度之上的刚性破碎地壳是大气水循环带(图 6a)。这可能是大部分花岗岩的“定位”深度(岩浆层上界面凸起区的埋藏深度)在5km左右的原因(Chen and Grapes, 2007)。
如图 6a所示,MI不但是壳内岩浆层与上覆岩石地层的分界面,也是壳内两种不同热流模式(对流和传导)的分界面。在热对流区内(MI下方),下沉岩块部分熔融产生的熔体,可直接与周围的熔体混合,成为花岗岩浆;在热传导区(MI上方),岩石部分熔融产生的熔体只能存储于岩石内部的原始组构(如页理、片理、层理等)中,形成混合岩中的浅色体(图 1a, b)。因为岩石部分熔融发生于固相线和SLT之间的温度区间(图 6a),故混合岩在空间上总是分布于同期花岗岩层上方(图 4、图 6b)。由此可见,熔区内部的热对流,是大规模花岗岩浆形成的必要条件。没有对流,部分熔融只能产生混合岩,而不能产生岩基规模的花岗岩。
诸多花岗岩没有共生的混合岩,暗示壳内熔融过程中,依靠热力熔融盖层岩石,并非重熔界面(MI)向上移动的唯一方式。如图 6a所示,岩浆对盖层的机械破坏,可能是造成MI上升的另一重要方式。当盖层岩石裂隙较发育,或地层中的面状构造与MI大角度相交,熔体在强大压力下,必会强行注入到盖层岩石的裂隙(包括断裂、节理、层理等)中,由此大大增加盖层岩石的受热面积,进一步使裂隙相互连结,将原本连续的岩石地层,分割成大大小小的不连续岩块(图 6a2)。一旦岩块脱落,即进入岩浆层中并在重力作用下向岩浆层下方运移,而岩浆则迅速向上填充岩块原先占据的空间。通过这种方式,MI可以迅速向上移动并超过盖层岩石的固相线(即盖层的温度远未达到岩石的初熔温度,岩块已经脱落至岩浆层中),此为众多花岗岩体的围岩只有低级变质(绿片岩相)甚至没有变质作用发生的原因(Chen and Grapes, 2007)。
5 总结与讨论行星探测和大洋钻探成果,为花岗岩和陆壳起源提供了最基本的地质约束:① 行星从岩浆表壳转变为岩石表壳过程中,没有分异出花岗岩;② 行星的铁镁质岩石表壳形成至距今2~3亿年以来,不论是其本身重熔或其下方的岩浆分异,均没有产生有规模意义的花岗岩;③ 行星铁镁质岩浆岩表壳上,首先形成的新岩石是沉积岩;作为“深成作用”的产物,花岗岩在地壳断面中是位于铁镁质岩石(下陆壳+上地幔)和沉积岩之间,而不是产于铁镁质岩石内部,故花岗岩及其所标志的大陆地壳,逻辑上应形成于星球表面存在沉积岩之后。由于上述约束,地壳内部硅铝质岩石的部分熔融或深熔,成为花岗岩浆来源最可能的选项。深熔-侵入模型(异地重熔)和深熔-对流模型(原地重熔)的分歧,在于前者认为,“源区”(深熔作用发生区)和岩基定位区间是相互分离的,而后者则认为两者是统一的。深熔-侵入模型用混合岩中观察到各种现象,作为源区岩石部分熔融、分离和岩浆入侵的地质证据,但全球各地与共生混合岩同时形成的花岗岩,其主体几乎毫无例外位于共生混合岩(部分熔融区)下方而不是上方(Ledru et al., 2001; Read, 1957; White et al., 2005)。部分熔融岩石的流变行为研究,揭示作为固体形式的低度熔融岩,仅存在于固相线(熔体比≥0%)与LST(熔体比~40%)之间的温度区间(陈震等, 2017; Rosenberg and Handy, 2005)。如果地壳某一深度的熔融达到SLT的熔体比,其下的硅铝质陆壳只可能存在连续的“脏岩浆”层(花岗岩),不可能再出现熔体比 < SLT的部分熔融层(混合岩)。“脏岩浆”层内固体悬浮物与熔体因密度差而引起的相对运动, 不但造成岩浆层的物质分异, 同时诱发层内的热对流(Huppert and Sparks, 1988), 导致岩浆层顶部温度迅速升高, 盖层底部岩石加速熔融(顶蚀), 由此引起重熔界面上升和岩浆层增厚。
熔区内部的热对流改变了上陆壳的热结构:重熔界面(MI)或熔断界面(SLT)之上为热传导区,下方为热对流区。在热对流区,下沉岩块熔融产生的熔体可直接与周围熔体混合,形成花岗岩浆;在热传导区,岩石部分熔融产生的熔体只能存储于岩石内部的原始组构中,形成混合岩中的浅色体。基本认识是:熔区内部的热对流,是大规模花岗岩浆形成的必要条件。没有对流,部分熔融只能产生混合岩,而不能产生岩基规模的花岗岩。
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