地球科学|编委曹淑云教授团队文章:大陆深部地壳脱水熔融与水致熔融的演化特征及其流变学意义

学术   科学   2024-07-24 00:00   湖北  

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深熔作用是链接地壳深部变质作用、构造变形以及岩浆活动的重要纽带,对大陆地壳演化及其流变学性质具有重要意义.根据是否有自由水的参与,深熔作用分为水致熔融和脱水熔融两种机制.脱水熔融主要通过云母、角闪石等含水矿物的分解来实现,其发生所需的温度一般大于650 ℃.在脱水熔融反应中会生成钾长石、石榴石等转熔矿物和部分熔体,该熔体呈水不饱和态,具有高Rb、高Rb/Sr比、高87Sr/86Sr,低Sr、Ba和Ca的特点.其产生的熔体含量主要受温压条件和全岩水含量的影响,在麻粒岩相条件下才有可能产生大量熔体.水致熔融是在含水流体参与下所发生的熔融反应,其最显著的特点就是所需温度较低,在角闪岩相条件下可以生成大量熔体.生成的熔体可以是水饱和或水不饱和,在高温条件下生成的水不饱和熔体具有向上迁移的能力.水致熔融生成熔体的地球化学特征与脱水熔融相反,Sr、Ca、Ba含量较高,Rb、Rb/Sr比较低.深熔作用不仅可以显著改变岩石的热力学和流变学性质,而且熔体的迁移可以促进地壳分异并形成广泛的淡色花岗岩,在陆壳的起源、改造和稳定中起着至关重要的作用.
之前人们认为脱水熔融在地壳演化中占主导地位,由于大陆地壳孔隙度较低、含水量较少以及水饱和熔体难以向上运移等因素而忽视了水致熔融的重要性.现今研究发现,水致熔融在大陆地壳中也是一个广泛存在的过程,脱水熔融和水致熔融可能共同对地壳的演化起着重要作用.脱水熔融形成的浅色体与围岩之间一般有清晰界定的暗色反应边,而水致熔融与原岩通常无明显暗色边界.由于在不同深熔过程中造岩矿物熔融行为以及副矿物溶解行为的差异性,脱水熔融生成的熔体一般Rb、Rb/Sr比和Nb/Ta比较高,Sr、Ba、Ca含量和Zr/Hf比较低,并且Ba和Rb/Sr比呈负相关;水致熔融生成的熔体Sr、Ba、Ca含量较高,Rb和Rb/Sr比较低,Ba和Rb/Sr基本不存在相关性.尽管两种熔融机制在深熔岩石的野外特征、镜下特征、生成熔体的物理和化学性质等方面都有所不同,但在实际情况中由于混合岩中存在含水流体的岩石学证据难以识别,判断自然界中的水致熔融仍是一项挑战.
在下地壳岩石圈拆沉、软流圈地幔上涌、地壳加厚、玄武质岩浆底侵以及俯冲板片的折返等构造背景下都可以发生脱水熔融,变质梯度倒转、玄武质岩浆侵入等可能会诱发水致熔融.在自然界中,深熔作用的发生对淡色花岗岩的形成、地壳构造变形和地壳岩石的流变学性质具有重大意义.深熔产生的熔体首先在颗粒边界聚集,极大地降低了岩石系统的力学强度,使岩石更易发生变形;熔体从原岩分离、向上迁移,促进了地壳的成分分异,导致下地壳在化学成分上更偏基性,熔体在地壳浅部就位形成了广泛分布的淡色花岗岩.
图1 水致熔融和脱水熔融反应的对比总结图(修改自Weinberg and Hasalová, 2015)
图2 剪切带作为流体通道示意
图3 岩石在部分熔融和结晶过程中的几何演化



文章刊登在《地球科学》第49卷第6期

陶丽蓉, 曹淑云, 李文元, 程雪梅, 王浩博, 董彦龙, 2024. 大陆深部地壳脱水熔融与水致熔融的演化特征及其流变学意义. 地球科学, 49(6): 2001-2023. doi: 10.3799/dqkx.2024.007

Tao Lirong, Cao Shuyun, Li Wenyuan, Cheng Xuemei, Wang Haobo, Dong Yanlong, 2024. Evolution Characteristics and Rheological Significance of Dehydration Melting and Water-Fluxed Melting in Deep Continental Crust. Earth Science, 49(6): 2001-2023. doi: 10.3799/dqkx.2024.007

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