岩体和穹隆的形成与深熔岩浆提取作用
解读文章：Villaros,A.,Laurent,O.,Couzinié,S.,Moyen,J.?F.,Mintrone,M.,.Plutonsanddomes:theconsequencesofanatecticmagmaextraction—examplefromthesoutheasternFrenchMassifCentral.InternationalJournalofEarthSciences,–一、研究背景碰撞造山带在演化后期会发生大规模深熔和岩浆作用，形成混合岩和花岗岩体，其中变质核杂岩是个突出现象。深熔作用和岩浆过程的行为对地壳构造演化有重要的影响，一方面促进壳内物质交换和陆壳分异(e.g.,Brownetal.,;Sawyeretal.,)，另一方面能够使地壳岩石强度弱化，改变其流变学性质，促进韧性变形作用(e.g.,TeyssierandWhitney,;RosenbergandHandy,;Vanderhaeghe,)。从深熔熔体产生到岩浆演化以及花岗岩形成的一系列过程仍然存在许多问题(e.g.,Brown,;ClemensandStevens,)，比如部分熔融的反应机制如何、熔体能否有效被提取以及以怎样的方式提取、岩浆组成受到什么因素控制、岩浆如何迁移汇聚形成花岗岩体等等，探究这些问题对于理解花岗岩成因和地壳演化有重要意义。实验岩石学证据表明，花岗质熔体成分的变化受到初始物质和熔融时的温度、压力以及水活度等条件控制(e.g.,Gaoetal.,)。通常而言，部分熔融可以分为水致熔融和脱水熔融(黑云母或白云母脱水等)两种机制，不同机制产生的熔体成分也不同(e.g.,WeinbergandHasalová,)。花岗质岩浆通常并不是理想的纯熔体成分，源区的固相物质裹带也常常会改变深熔岩浆的组成。根据岩浆提取过程可能携带的源区物质类型，主要有两种方式：一个是残留体未混合模式(RUM:restiteunmixingmodel)(Chappelletal.,），另一个是转熔集合体携带(PAE:peritecticassemblageentrainment)(Stevensetal.,)。这两种方式都不同程度对岩浆的成分产生影响，例如一些转熔矿物加入可以使岩浆的铝和铁镁组分明显升高。在自然界，大量过铝质花岗岩、混合岩以及代表残留相的麻粒岩出露，是岩浆提取作用以及岩浆自由迁移在宏观上的表现(e.g.,Colemanetal.,;Laurentetal.,)；而造山带中一些深熔成因穹隆的出现则说明，岩浆提取和迁移可能会受到阻滞(e.g.,Whitneyetal.,)。岩浆的提取一方面产生了不同成分的过铝质岩浆产物，另一方面也改变了源区的成分甚至是结构。随着热力学数据库建立以及相关软件技术开发，一些实验岩石学研究也对熔体提取过程进行了模拟，研究结果显示，沿着给定的P–T轨迹，单一源区经历多期次的岩浆提取过程，由此可以产生具有不同的成分特征的过铝质岩浆(Korhonenetal.,;YakymchukandBrown,)。不过，目前仍然缺乏对岩浆提取过程在岩浆的组成及产率等方面影响的相关研究。为此，Villarosetal.()以法国中央高原东南地区(SE-FMC)研究为例，通过热力学相平衡模拟开放体系的部分熔融，结合与天然样品的对比研究，探讨了花岗岩源区部分熔融机制以及岩浆提取和侵位过程的成分变化(包括岩浆和残留体)，并以SE-FMC地区为例提出深成岩体和深熔穹隆的成因模式，结果对理解变质核杂岩形成的物理化学机制具有重要参考价值。二、研究方法法国中央高原东南地区属于欧洲华力西造山带的一部分，以出现大量的过铝质花岗岩体为特征，常见的有含堇青石花岗岩(CPG)和白云母花岗岩(MPG)。这些花岗质深成岩出露在Velay穹隆周围(图1)，侵位年龄是石炭纪(–Ma)。Velay穹隆为一个大型的深熔杂岩体，其核部为花岗岩(–Ma)，常含有一些小的捕掳体和混合岩块体；在穹隆边部主要为混合岩，同时有二云母淡色花岗岩贯穿于穹隆的边部和核部。前人对Velay穹隆以及周围深成岩的岩石学、同位素年代学和地球化学等方面已经进行了比较详细的研究(e.g.,Ledruetal.,;Laurentetal.,)。该地区为研究深熔机制、岩浆提取、源区组成以及花岗岩成因等提供了很好的天然实验室。图1.(a–b)法国中央高原东南地区地质简图，Velay穹隆周围分布有CPG和MPG等过铝质花岗岩体；(c)该地区过铝质花岗岩的同位素年代学结果统计。Villarosetal.()采用Perple_X进行相平衡模拟计算NCKFMASHT体系的部分熔融。所选取的四组初始物质成分来自SE-FMC地区具有广泛代表性的过铝质样品组成，其中两个为变沉积岩(CEV：变杂砂岩；MET：变泥质岩)，另两个为变火成岩(EYE：眼球状片麻岩；LEP：浅色片麻岩)。Villarosetal.()计算模拟了四条设定的P–T轨迹(P0–P3：0.4–1.2GPa)，采用分步熔融熔体提取模式进行，每一步均计算各相的比例和成分，并且以每一步重新计算的残留体成分作为下一步的源区组成(图2)。根据不同P–T条件下矿物比例的变化甚至出现或消失，可以推断熔融反应机制，制约不同体系下P–T等条件对熔融过程和熔体成分的影响。模拟计算结果对比的天然样品包括SE-FMC地区花岗质深成岩体(CPG和MPG)、Velay穹隆核部的花岗岩和穿插的淡色花岗岩，以及可能代表残留相的下地壳捕掳体。图2.左图：(a)开放体系下的部分熔融熔体分步提取以及(b)残留体未混合模式RUM和(c)转熔集合体裹带PAE过程示意图；右图：实验采用的四个代表性的P–T轨迹(P0–P3)。三、研究结果根据模拟计算结果，Villarosetal.()鉴别出两类深熔熔体：(1)形成于较低温度(℃)且有较高水含量的湿、冷熔体，由白云母脱水熔融反应形成；(2)形成于较高温度下(℃)且有较低水含量的干、热熔体，由黑云母脱水熔融反应形成。两类熔体在成分演化上有明显差异，消耗黑云母的脱水熔融反应会使熔体具有更高的铁镁组分(图3右)。根据温度压力以及初始成分不同，熔体水含量变化从2-15wt%不等，在低温和高压条件下出现最高的水含量(图4)。在熔体产率方面，较高温度下黑云母分解主导的熔融形成更大比例的熔体(图3左)，熔体分数的峰值出现在-℃，相当于白云母熔融阶段产率的2-3倍多。他们还观察到，变火成岩和变沉积岩源区的实验结果有明显的区别，例如变沉积岩的熔体成分变化范围比变火成岩中的大(图3右)，同时因为变沉积岩有更高的云母比例，且黑云母在变沉积岩体系中可以有更高的稳定温度，由此也导致变沉积岩的熔体产率显著高于变火成岩体系(图3左)。图3.左图：四组源区沿着四条P–T轨迹模拟实验产生的熔体分数变化统计图；右图：各组实验熔体成分演化图，图中彩色阴影标注的是黑云母或白云母脱水熔融范围。图4.不同温压条件的熔体水含量，图b中蓝色虚线表示熔体中的水饱和值。考虑到花岗质岩浆与模拟熔体之间的差异，Villarosetal.()在计算岩浆成分时引入了熔体提取过程中的残留体未混合(RUM)和转熔集合体裹带(PAE)两种模式，进而能够与天然花岗岩样品进行比对(图5)。模拟计算结果显示，RUM模式对岩浆组成的影响较小，PAE模式产生的成分变化明显比RUM过程更显著，可以导致岩浆具有更高的过铝质和铁镁组分；两种模式总体上对变沉积岩体系产生的岩浆成分变化影响程度相比变火成岩体系的更大。不同轨迹的压力差异对岩浆组成的影响主要与一些转熔矿物(例如堇青石和石榴石)的出现有关，沿着P0的岩浆组成变化最小，而当处于更深压力时(P1–P3)岩浆可以变得更加富铝和铁镁组分。图5.法国中央高原东南地区花岗岩样品组成与模拟计算的岩浆成分对比。(a)深成岩CPG和MPG成分对比PAE模式下计算的岩浆组成；(b)Velay穹隆花岗岩和淡色花岗岩成分对比RUM和PAE模式下计算的岩浆组成。Villarosetal.()通过成分对比(图5)，提出深成岩体和深熔穹隆中过铝质花岗岩的成因分别为：(1)MPG组分由较深(0.8GPa)且较冷(℃)条件下的白云母脱水熔融形成；(2)CPG组分由较深(0.8GPa)且较热(℃)条件下的黑云母脱水熔融形成，同时需要有显著的转熔集合体裹带过程参与(?sol=20–30wt%)，才能满足其较大的组成变化；(3)Velay淡色花岗岩由白云母脱水熔融形成；(4)Velay花岗岩可以由较高温(℃、0.4–1.2GPa)条件下的黑云母脱水熔融形成，同时也需要有一定的转熔集合体裹带参与(?sol20wt%)。除了一些特别富铁镁组分或者高铝含量的捕掳体(例如石榴石岩或堇青石岩)，大部分过铝质捕掳体天然样品的成分基本与模拟的残留体组成范围相重合，且在矿物组合和年代学上也比较相符。由此说明，这些捕掳体可能代表了下地壳深熔的残留体。Villarosetal.()提出，来自较深部地壳的岩浆提取和侵位对上层地壳的影响可能有两种方式：一是干热的岩浆会升高被侵入宿主的温度；二是湿冷的岩浆会给宿主岩层带来可观的流体，以至于诱发水致熔融。由于干热岩浆的规模比例一般比湿冷的岩浆大(图3)，因此水致熔融仍只有比较局部的作用范围。位于Velay穹隆边部的混合岩记录了这些热源和流体的供给导致的熔融效应。深成岩体和深熔穹隆的形成差异就在于岩浆提取和迁移到达上地壳的能力，如果能够自由侵位到较上层地壳则可形成深成岩体(如CPG和MPG)；而如果侵位受到阻碍，在较深层位(0.7GPa)发生岩浆聚集，造成该层位长期处于熔融的韧性状态，就倾向于形成深熔穹隆。四、研究启示Villarosetal.()的研究向我们展示了从源区深熔、岩浆提取到岩浆侵位的模拟计算过程以及深成岩体和穹隆的形成结果对比。从部分熔融到花岗岩形成以及地壳分异之间的成因联系一直以来都是被