部分熔融岩石流变学_邵同宾.pdf

第 5 7 卷第 6 期 2 0 1 1 年 1 1 月地质论评GEOLOGICAL REVIEWVol． 57No． 6 Nov ．2011注: 本文为中国科学院知识创新工程重要方向项目( 编号 KZCX2- YW- Q08- 03- 4) ， 国家自然科学基金项目( 编号 40772029) ， 中国科学院 “百人计划” 项目( 编号 KZCX- 0733221A07) 、 青藏高原东部和东南部岩石圈流变学及地球物理性质研究项目 ( 编号1212011121274) 、 国土资源部深部探测技术与实验研究专项课题( 编号 SinoProbe - 07) 、 中国科学院知识创新工程领域前沿项目( 编号 GIGCX- 09- 02) 的成果收稿日期: 2011- 05- 24; 改回日期: 2011- 09- 06; 责任编辑: 章雨旭作者简介: 邵同宾， 男， 1988 年生硕士研究生主要从事岩石流变学研究通讯作者: 嵇少丞Email: scji@ live． com部分熔融岩石流变学邵同宾1， 2)，嵇少丞3， 4)， 王茜1)1)中国科学院广州地球化学研究所， 同位素地球化学国家重点实验室， 中国广州， 510640;2)中国科学院研究生院， 中国北京， 100049;3)加拿大蒙特利尔综合工学院民用、 地质与采矿工程系， 加拿大蒙特利尔， H3C 3A7;4)中国地质科学院地质研究所， 国土资源部大陆动力学重点实验室， 中国北京， 100037内容提要: 本文系统地总结了静态与动态条件下部分熔融岩石中熔体的形态及其分布特征， 着重阐述部分熔融对橄榄岩和花岗岩流变学性质的影响。

众所周知， 部分熔融不仅是造成地球的成分演化、 形成层圈构造的重要过程， 而且对深部地壳和上地幔的物理性质 ( 如，电导率、 滞弹性、 剪切波速度和渗透性等)皆具有重要的影响尤其是， 部分熔融岩石流变性的研究对于深刻理解地壳和岩石圈地幔之间的力学耦合、 地幔对流， 板块构造运移、 造山作用、 地壳隧道流等地质过程必不可少在过去特别是近三十年来， 该领域的实验和理论研究皆取得了长足的进步，加深了人们对部分熔融岩石流变学性质的理解， 现已达成如下共识: 在静态条件下， 当橄榄岩中的熔体分数很小 (＜约 2%)时， 熔体主要局限于颗粒三连点或沿粒棱分布; 随着熔体体积分数的增加， 颗粒边界上的熔体膜也会逐渐增多然而， 在共轴挤压和简单剪切变形条件下， 熔体大多数沿着与最大主应力呈 15° ～ 30°的小角度的伸展剪切带分布只要熔体的体积分数不大 ( 约 5%) ， 绝大多数颗粒边界并没有被熔体润湿， 部分熔融只会导致中等程度的流变弱化效应但是， 随着熔体含量的增加， 地幔岩流变强度的弱化效应会渐趋强烈， 变形最终导致固—熔体的彼此分离 ( 岩浆萃取) 关键词: 部分熔融; 熔体形态与分布; 二面角; 流变学; 大应变剪切; 地球动力学部分熔融及其熔体的萃取、 聚集、 迁移和演化是造成地球成分演化形成层 圈 构 造 ( Defant andDrummond，1990; Lay et al． ，2004; Anderson，2007)的重要地质过程， 而且对深部地壳和上地幔的物理性质，如电导率 ( Shankland and Waff， 1977;Shankland et al． ， 1981;Schmeling，1986;Watanabeand Kurita， 1993) 、 滞弹性 ( Schmeling， 1985;Faul，2004;Jackson et al． ，2004) 、 弹性波速度 ( Stockerand Gordon，1975;Sato and Sacks，1989;Muellorand Raab，1997;Hammond and Humphreys，2000;Yang Xiaosong et al． ，2003) 、 渗透性 ( von Bargenand Waff， 1986; Faul et al． ， 1994)和流变性 ( Hirthand Kohlstedt， 1995a，b;Ji Shaocheng，2008)等皆具有非常重要的影响。

洋中脊之下的上地幔的部分熔融的程度直接影响海底扩张和洋壳形成的速率，岛弧火山活动是俯冲板块之上地幔楔内部分熔融的产物， 是造山带内大量花岗岩的形成与地壳增厚、 深部热能增加导致岩石部分熔融的结果 ( 杨晓松和金振民， 1999;马麦宁等， 2002) 天然的部分熔融物质作为一种多相材料 ( Ji Shaocheng and Xia Bin，2002;周永胜等，2003;周平等，2006) ， 其中的熔体相不仅刚度为零而且体积模量一般都较低( Karato， 2008) ， 以致固—液相之间巨大的力学反差使得 整 个 体 系 的 流 变 学 性 质 变 化 极 大 ( JiShaocheng， 2008) 再说， 无论在共轴挤压还是在简单剪切变形的条件下， 熔体含量及其分布对部分熔融岩石的力学性质的影响是巨大的因此， 有关部分熔融岩石流变学性质的研究成果对于深刻理解地球各圈层的变形、 地幔对流、 板块构造运移、 造山带形成和地壳隧道流等地质过程至关重要在过去特别是近三十年来， 部分熔融岩石流变学领域的实验和理论研究皆取得了长足的进步， 加深了人们对部分熔融橄榄岩和花岗岩流变学性质的理解， 现已达成许多共识。

本文将系统地总结静态与动态条件下部分熔融岩石中熔体的形态及其分布 ( 拓扑结构)的特征， 着重阐述部分熔融对橄榄岩和花岗岩流变学性质的影响， 为解决当前地学界非常关心的有关地球动力学的疑难问题提供新的思路图 1 部分熔融岩石中熔体的二面角类型:( a)二面角大于或等于 60°;( b)二面角小于 60°; ( c、 d)二面角接近 0°注意在晶体—晶体的接触面上没有熔体 ( d)Fig． 1 Main types of partially molten rocks with the dihedral angle larger than or equal to 60° ( a) ，less than 60° ( b)and close to 0° ( c and d) ． No melt occurs at the crystal—crystal interfaces ( d)1静态条件下的熔体形态与分布部分熔融岩石的物理和流变学性质主要取决于 熔体润湿颗粒边界的程度 ( Stocker and Gordon， 1975;侯渭等，2004;周平等，2006) ， 其中二面角 ( Dihedral angle，θ)或润湿角 ( Wetting angle)是一个至关重要的参数 ( Cmiral et al． ，1998;Mibe et al． ， 1998) 。

根据熔体分布理论， 岩石中主要有三种熔体分布方式: 当 θ ＞ 60°时， 熔体在颗粒拐角处呈孤立的熔体包 ( melt pocket)( 图 1a); 当 0° ＜ θ≤60°时， 熔体从三连点出发并沿着粒棱分布， 构成熔体管道 ( 图 1b) ; θ = 0°， 熔体呈薄层或薄膜形式沿颗粒边界分布， 形成三维的熔体网络 ( 图 1c) 即使在二维的切片或薄片上确实观察到沿颗粒边界分布的 熔 体 薄 层 或 薄 膜 ( Jin Zhenming et al． ， 1994) ，也不能据此断言熔体布满了所有的晶面( 图 1d) ， 因为在晶体与晶体的接触点或接触面上依258地质论评2011 年然没有熔体熔体的联通性还直接影响部分熔融岩石中熔体的迁移、 不相容元素在固—液两相之间的分配 ( Hart， 1993;Zhu Wenlu et al． ， 2011) 图 2 ( a)二面角与界面能的关系;( b)5 GPa and 1000 ℃时橄榄石多晶集合体中含水 ( 5%)流体的二面角频度分布直方图， 中值为 40°据 Mibe 等 ( 1998) Fig． 2 ( a) The relation between dihedral angle andinterfacial energies; (b ) histogram for the frequencydistributionofdihedralanglesataqueousfluidinpolycrystalline olivine aggregates at 5 GPa and 1000 ℃．After Mibe et al． ( 1998)在各向同性的静水压力条件下， 部分熔融岩石中熔体的二面角是受固—液和固—固界面自由能的相对大 小 控 制 的 ( 图 2a) ， 分 别 记 着 γsl和 γss ( Kohlstedt， 2002;Karato，2008) 。

熔体的二面角 θ由下式给出:cosθ 2=γss2γsl ( Watson et al． ，1990; Kohlstedt，1992，2002;Karato， 2008) :( 1)当 γss≥ 2γsl， θ =0° 2)当 γsl＜ γss＜2γsl， 即 0° ＜ θ≤60°时， 熔体中的流体压力比外界的要小 ( 3)当 γss＜ γsl， θ ＞ 60°时， 只要熔体的体积分数不大， 熔体呈孤立的熔体包出现， 熔体包内的流体压力会大于外界的压力 ( Cooper，1990;Brenan and Rose， 2002;Kohlstedt， 2002;Karato， 2008;Yoshinoet al． ， 2009) 对于大多数的硅酸盐体系， 二面角一般为 30°～ 50° ( Waff and Bulau，1979，1982;Waff，1980;Cooper and Kohlstedt，1982;Toramaru and Fujii，1986) 图 2b 所示的是在温度 1000℃和压力 5 GPa的条件下热压合成的橄榄石多晶集合体中含水 ( 5. 0%)熔体的二面角分布图， 中值为40° ( Mibe etal． ，1998) 。

石 英—斜 长 石 体 系 ( 水 含 量 小 于0. 2%)部分熔融的二面角为 55° ～ 60° ( Jurewiczand Watson， 1985) 角闪岩部分熔融的二面角大于60° ( Wolf and Wyllie， 1991) ; 低压 ( P ＜2 GPa)时斜长岩部分熔融的二面角也会大于 60° ( Watson and Brenan， 1987;Laporte and Watson， 1991) 熔体的二面角取决于温度、 压力条件 ( Takei and Shimizu，2003;Yoshino et al． ，2002，2007，2009) 、 晶面方位 ( Waff and Faul， 1992;Schafer andFoley， 2002) ， 以及与固体共存的熔体的化学成分(WanamakerandKohlstedt， 1991; TakeiandShimizu， 2003) 例如， Mibe 等 ( 1999)与 Yoshino等 ( 2007)发现， 在橄榄石—水体系中， 二面角随着静水压力的升高而系统地降低 ( 图 3) ， 其中随着静水压力从 1 GPa 增加到 5 GPa 二面角从 46° 减小到 18° ( Yoshino et al． ， 2007) ， 这一变化趋势在较低温度 ( 约1000℃)下的相同体系的实验 ( Mibe et al． ， 1998)中也有见到。

此外， 从图 3 中还可以发现， 在橄榄岩中的玄武岩熔浆的二面角随着温度升高而减小 ( Yoshino et al． ， 2009) 岩石中已有的矿物晶格优选定向 ( LPO)或晶形优选定向 ( SPO)也能显著地改变熔体网络的几何形态 ( Cooper and Kohlstedt， 1984;Waff 。