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花岗岩的形成与大陆增生

 大宇大宇 2017-02-21

大陆的生长和演化是地球科学长期研究的前沿问题之一,近年来的研究发现,花岗岩在大陆生长与地球深部过程中扮演了重要角色,为大陆形成演化和花岗岩研究都开辟了一条全新的研究思路和新的研究领域。尽管全球尺度上的大陆地壳增生研究主要依赖特定地质对象的Nd-Hf同位素方面的工作,但在区域尺度上,花岗岩成因研究可为大陆地壳是否存在增生提供重要信息。

在地球演化中,地壳从地幔中分异而来,这说明初始大陆地壳是玄武质成分的,但现今大陆地壳的成分却是长英质的,这就要求早期形成的地壳必须发生分异而使部分镁铁质的物质再循环进入地幔。目前对这一地球化学之谜的最佳解释是拆沉作用模型。当早先形成的地壳岩石受到某种机制的影响而发生部分熔融产生花岗岩时,其源区残留将由于密度的增大而被拆入地幔。而在发生拆沉作用的过程中,由于深部热的上涌,会加热上覆的地壳,使其进一步发生部分熔融,从而不断使地壳向长英质方向演化。花岗岩的物质来源可反映出地壳物质来源地幔、下地壳和上地壳多少以及改造地壳过程,即对流地幔物质输入地壳多少以及改造地壳过程。因此,大陆壳生长与否可以通过研究花岗岩的物质来源方式探讨是否具有地幔物质输入地壳、输入多少、过程等进行判断。

研究发现,花岗岩在大陆地壳生长中主要通过两种方式使大陆增生。通过幔源与壳源岩浆的混合作用使大陆发生增生,即以幔源岩浆为载体的地幔物质通过岩浆混合作用形成混源花岗岩这种方式为大陆生长提供了物源;通过软流圈上涌部分熔融形成的幔源玄武岩浆底侵作用的热源使下部大陆壳发生重熔及部分熔融形成花岗岩而使大陆地壳发生改造和垂向生长。

而在造山带中,板块汇聚作用导致地壳明显加厚,使深部地壳岩石转变成榴辉岩,而高密度的榴辉岩由于重力不稳定性而会发生拆沉作用。因此,造山作用晚期造山带的垮塌或拆沉作用是目前认为地壳发生成分变化的最重要时期,也是花岗岩形成的最重要的构造背景。从花岗岩与大陆生长关系来看,造山带可区分为两种类型:造山作用造成的地壳加厚作用使地温增加,随后的剥蚀减压导致加厚地壳岩石的脱水熔融形成花岗岩浆;由于岩石圈发生拆沉减薄,软流圈上涌导致玄武岩浆的底侵作用,使大陆中下地壳发生改造重熔形成花岗岩。

亏损地慢物质添加到地壳才能使地壳增长,地幔的部分熔融产生的是玄武质岩石,而花岗岩在大多数情况下并不是直接从地慢起源的。因此,从花岗岩角度来研究大陆地壳增生实际上并不是我们想象的那样简单。另外,如果花岗岩是由地慢来源的玄武质和地壳来源的长英质岩浆混合或玄武质岩浆经高度结晶分异或同化混染已有的早期地壳而成,那么,我们通过花岗岩的研究,可以推算出地幔岩浆的比例,进而对大陆地壳生长情况提供制约。但在大多数情况下,花岗岩的形成是通过两阶段模式实现的,即地幔部分熔融形成镁铁质火成岩,而该火成岩在后期再发生部分熔融便形成花岗岩。在这种情况下,花岗岩本身是地壳内部物质再循环的结果,花岗岩本身实际上并不能直接反映地壳的生长情况。但花岗岩在此时至少有两个用途:花岗岩是大陆地壳向长英质演化的重要指示物,是地壳成分成熟度的重要标志。特定地区花岗岩产出的多少在某种程度上反映了地壳演化的程度;既然花岗岩的源岩是早期地幔来源的岩石,那么通过花岗岩的研究就有可能追索这一早期的岩石的起源与演化。如果我们能够对花岗岩的源岩形成时间和成因机制提供制约,那便可以通过花岗岩来研究大陆地壳的增生。

总之,现代花岗岩成因理论认为,大多数花岗岩的形成是壳幔相互作用结果,而壳幔相互作用往往又受软流圈上涌控制。通过对花岗岩的研究能追踪壳幔相互作用和软流圈上涌与岩石圈相互作用的演化轨迹,进而研究大陆生长、演化的历史,这已经变成花岗岩研究的一个重要前沿,成了今后研究探索花岗岩与大陆生长和深部过程的基本内容。在这种情况下,今后要解决花岗岩的成因,首先要解决大陆岩石圈和软流圈深部三维结构和演化过程,查明花岗岩形成的物质来源和热源。在这方面今后需要解决的问题是:花岗岩岩浆在哪里生成?当它们通过地壳上升时是如何演变的?花岗岩浆的产生如何受软流圈或岩石圈地慢控制,包括与地慢结构(垂向的)的关系和与构造环境(水平向的)有怎样的关系?板块构造理论已使我们认识到,一部分地壳曾进入地慢再循环。这一认识与麻粒岩地壳岩石几十亿年都保持不循环的认识相悖。花岗岩形成以后是否发生过进入地慢的再循环。以捕虏体和岩浆岩化学分析为基础,可以研究不同时代花岗岩再循环的可能性,辨别出有多少物质是再循环和有多少物质是新生的。此外,玄武岩浆的底侵作用如何及何时形成,它们与花岗岩岩浆形成有什么关系。以底侵方式添加到地壳中的初始岩浆绝大部分是基性的,而大陆地壳的平均成分却是中酸性的。底侵基性岩浆如何转化成中酸性岩浆,这一涉及大陆生长机制的基本问题始终困扰着地学界。通常认为,这些起源于地慢的基性地壳的分异和再改造在大陆地壳形成过程中必然是个重要的过程。问题是基性地壳后来是通过什么方式和过程转化成中酸性地壳的,而且,发生在何种时间尺度上?是什么机制促成这种转化?近些年,拆沉和底侵作用对大陆地壳增生(特别是垂向增生)的意义受到高度关注。学者提出,大量中酸性花岗岩(富钠)是由于慢源岩浆底侵引起基性下地壳物质再次发生部分熔融而形成,熔融残留体(含石榴石斜长角闪岩或榴辉岩)可能通过拆沉的方式重新返回地慢,从而使大陆地壳不断生长分异并趋于成熟而克拉通化。这一模式得到一些学者对基性岩的熔融实验的有力支持:基性岩经过20 %-40%的部分熔融可形成富钠的中酸性熔体(英云闪长岩一花岗闪长岩),但熔体的地球化学特征与熔融压力和含水条件(决定源区是否有石榴石和斜长石等残留)有密切关系。如何用实验去检验这一实验结果并科学评价上述模式的地质意义,也将成为科学家们关注的前沿。

要解决花岗岩成因问题,需从以往偏重于岩性和地球化学研究,扩宽到应用物理学知识和手段研究花岗岩,即通过花岗岩地质、地球化学特征和地球物理相结合,揭示大陆增生和地球动力学过程。

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