花岗岩成因机制研究综述课件

板块说及地槽说两者之间显然尚欠缺一个关于大陆内部的物质演化模型。洋壳和陆壳的最大区别是后者具有花岗质层圈,这一层圈既没有加入洋壳的物质循环,也不是地表物质过程的直接结果。那么,作为大陆独有的、而且是组成大陆地壳重要部分的花岗岩,是否主要为大陆内部过程的产物?要建立大陆地质学的系统理论,首先应该查明大陆内部的物质过程；而建立大陆内部物质演化模型的关键，是阐明组成大陆地壳重要部分的花岗岩的成因。绪论板块说及地槽说两者之间显然尚欠缺一个关于大陆内部的物质演化模1绪论花岗岩成因可以说是地质学最古老、而且是争论最多的问题。现代花岗岩成因争论的焦点在于岩浆花岗岩。传统的“岩浆说”花岗岩成因：岩浆源于深部源区，然后通过某种通道向上入侵，最后在地壳浅部定位，经冷凝固结后形成岩体。其核心是“侵入”，故亦称“岩浆入侵说”。这一假说事实上将花岗岩的形成分为岩浆形成、岩浆侵入和岩体形成三个阶段。三个阶段分别发生于地表以下的不同深度。绪论花岗岩成因可以说是地质学最古老、而且是争2绪论花岗岩是侵入体的认识最早是由郝顿(J.Hutton,1726～1797)据苏格兰Granmpian山脉的研究提出的。主要依据是花岗岩与围岩的穿插切割关系。但对岩浆花岗岩的野外观察，同时见到的基本地质事实有两个：1)结晶质的花岗岩从下而上穿插切割了先存的岩石地层；2)花岗岩体在地壳中占有巨大的空间。“岩浆侵入说”合理地解释了第一个基本事实、但却无法解释第二个基本事实所蕴含的问题：岩基占据的巨大空间的原始岩石去了何方?这就是花岗岩的“空间问题”。绪论花岗岩是侵入体的认识最早是由郝顿(J.H31.1花岗质岩浆的起源1.2花岗岩形成机制1.3流体对花岗岩的影响1、花岗岩的形成1.1花岗质岩浆的起源1、花岗岩的形成4花岗质岩浆的起源是岩石圈内热异常的结果。两类形成途径：幔源和壳源。绝大部分花岗岩是两者的混合。形成花岗质岩浆的原岩一般认为是具不均一性的古老变质岩。Skjerlie等（1993）的实验认为壳源花岗岩原岩由两种或更多不同岩石组成。花岗质岩石的原岩一般可通过Sr比值、氧同位素、U-Pb同位素等地球化学特征以及副矿物的同位素地球化学特征等手段来测定。1.1花岗质岩浆的起源花岗质岩浆的起源是岩石圈内热异常的结果。1.1花岗质岩浆的5Vielzeuf等（1990）认为熔融、部分熔融以及花岗岩的产生与地壳的“肥沃度”（fertility，长英质含量）有密切的关系。泥质、长英质等“肥”(fertile)地壳在850～900℃时,可产生30%～40%的熔体，而镁铁质等“瘦”(sterile)地壳则产生少量的熔体。据此来解释有大量岩浆活动的造山带，如欧洲海西造山带、高喜马拉雅造山带、北喜马拉雅造山带，和缺少大量岩浆活动的造山带，如斯堪的那维亚加里东造山带、中西阿尔卑斯造山带等岩浆大量产生和缺少的原因。花岗质岩浆的生成及生成量与原岩成分及热源有很大的关系。1.1花岗质岩浆的起源Vielzeuf等（1990）认为熔融、部分熔融以及花岗岩的61.2花岗岩形成机制幔源镁铁质岩浆分异形成的花岗质岩浆不占主要。但地幔岩浆与地壳的不平衡是许多构造和热事件的主要因素。熔融作用在花岗质岩浆生成过程中起主导作用；熔融作用的产生是在一些构造事件下，岩石圈深部的物化条件发生改变，造成加热、减压或有助熔剂的加入形成的。1.2花岗岩形成机制幔源镁铁质岩浆分异形成的花岗质岩浆不占7目前所提出的可产生熔融作用的热源机制较多：(1)俯冲作用产生的加热活动大陆边缘的岩浆活动如环太平洋岩浆活动带。(2)由大陆碰撞作用导致地壳增厚的加热实验和热模拟结果表明:地壳增厚可发生大规模熔融作用，而且地壳加厚10～15km就可产生大量熔体。许多碰撞造山带(如喜马拉雅碰撞造山带)的岩浆活动大多源于此机制。1.2花岗岩形成机制目前所提出的可产生熔融作用的热源机制较多：1.2花岗岩形成81.2花岗岩形成机制(3)岩浆板底垫托作用地幔中的镁铁质岩浆侵入到地壳底部而导致地壳熔融。(4)拆沉作用它是岩石圈下部拆离到更深处，导致软流圈物质上涌以及玄武质岩浆的侵入，从而为地壳熔融提供热源，形成大量岩浆。(5)板片破碎作用(slabbreakoff)可解释阿尔卑斯造山带中的岩浆活动和隆升作用以及大陆岩石圈俯冲至地幔后折返的现象。认为大陆岩片俯冲到地幔后破碎，后因浮力作用返回地壳，在此过程中产生大量热导致熔融作用的发生。1.2花岗岩形成机制(3)岩浆板底垫托作用地幔中的镁铁质91.2花岗岩形成机制(6)地幔柱作用(mantleplume)

(7)减压熔融作用岩石圈的伸展作用使压力释放、温度升高。此机制下的岩浆作用可广泛发生于大陆地壳各地区，主要在裂陷盆地和被动火山大陆边缘、地壳增厚后有伸展减薄、侵蚀去载或伸展塌陷的造山带及深断裂作用地区。正常地壳减薄也可引起广泛熔融。水平伸展速率和应变速率对熔体数量的产生很重要。减压熔融作用是产生岩浆活动的最主要机制之一。(8)助熔作用(fluxing)主要是指由于挥发分的加入,使熔点降低,造成熔融作用。产生热源的机制还有:由于深部物质的绝热作用,使其内部放射性衰变产生的热集中起来以及地幔平流和热传导使地壳加热，在一定范围内使地壳发生熔融;1.2花岗岩形成机制(6)地幔柱作用(mantleplu101.2花岗岩形成机制花岗岩的形成与岩石圈内构造作用的关系十分密切，是大陆演化中必然的产物。由于花岗岩类多分布于造山带，其成因机制的研究一直是造山带及岩石圈研究中的必不可少的部分。造山带演化不同阶段，形成的花岗岩类型不同。Harris等(1986年)将碰撞带花岗岩分为:前碰撞期花岗岩、同碰撞期花岗岩、晚碰撞期花岗岩和后碰撞期花岗岩。1.2花岗岩形成机制花岗岩的形成与岩石圈内构造作用的关系十111.2花岗岩形成机制I型、S型、A型、M型花岗岩成因类型的划分,对研究花岗岩的成因起了积极的作用。但大多基于化学特征，它们主要是在相关构造背景下地幔和地壳长期演变(富集或亏损)的结果，因而并不主要指示花岗质岩浆的成因机制，所以这些成因类型并不完全适应于造山带。近年来有许多新的花岗岩成因类型提出，如两类A型花岗岩、混合型(H型)花岗岩、非造山花岗岩等,以修改、补充以往的成因类型。总的研究趋势是将花岗岩成因机制与造山带和岩石圈演化过程联系起来,以揭示花岗岩形成的本质。1.2花岗岩形成机制I型、S型、A型、M型花岗岩成因类型的121.3流体对花岗岩的影响流体尤其是水对花岗质岩浆的形成至关重要。有人认为无水则无花岗岩。水和CO2可使岩石固相线减低400℃。若无水，在很高温度下如1000℃,花岗岩也不会熔融。流体的存在与否及其成分是控制下地壳岩石熔融温度的重要因素。水饱和的条件下，下地壳含长石的岩石固相线温度约为600℃，甚至可在角闪岩相条件下发生广泛的熔融。地壳中的部分熔融通常是在缺少流体的条件下发生的，水的来源主要依靠含水矿物如云母、角闪石等的含量。只有在温度升高时，才能使这些矿物发生脱水反应。涉及黑云母或角闪石的脱水反应只有在高温下(850～900℃)才能增高熔体的份数。缺少流体的部分熔融作用具有温度缓冲效应(buffering)，使温度一直不变直到全部熔融。对于CO2的影响作用至今尚有争议。1.3流体对花岗岩的影响流体尤其是水对花岗质岩浆的形成至关132、花岗质熔体的分离(segregation)

和聚集(aggregation)2.1熔体分离机制2.2影响熔体分离的因素2.3花岗岩与混合岩2、花岗质熔体的分离(segregation)2.1熔体分142.1熔体分离机制熔体一般首先形成于颗粒边界,最终相互联系形成通道网。这样在一定的机制下，熔体发生迁移。一般认为熔体形成、聚集超过一定比例，如临界熔体数或RCMP(rheologicalCriticalmeltpercentage，流变临界百分比)才发生分离作用，但这是基于无外应力作用下的结果。事实上，许多作用可产生差应力导致熔体从原岩中分离，即使熔体量较少也可以发生。熔体形成后，促使其分离的机制主要有：颗粒的表面力、熔体的浮力、压力梯度、变形影响的压缩或压滤作用(filterpressing)、重力影响的压缩、断裂作用、扩容作用、非共轴变形等。这些作用均可产生差应力，使熔体从源岩中分离出来,在低应力区、应力扩容区等部位聚集。2.1熔体分离机制熔体一般首先形成于颗粒边界,最终相互联系152.2影响熔体分离的因素主要有熔体的粘度及流体成分与含量、熔体所处的变形条件状况等，熔体的分离常受这些因素综合作用。(1)熔体的粘度粘度较大则分离不易或较慢,粘度小则分离较快。花岗质岩浆从源区分离速度较慢。其实,RCMP及临界熔体数就是用熔体含量为描述粘度的作用,到达此值则粘度会大大降低，易于从源区中分离出来。如花岗岩的RCMP达到17%,可使粘度下降2～3个数量级。2.2影响熔体分离的因素主要有熔体的粘度及流体成分与含量、162.2影响熔体分离的因素(2)流体的影响

流体的流动可控制熔体的分布；流体尤其是水的存在可极大地降低熔体的粘度。比如,在800℃时,含1%水的花岗质熔体的粘度为108Pa·s,当水含量达到10%时,其粘度下降到104Pa·s。Brown（1994）认为花岗质岩浆的分离取决于熔体的粘度,而熔体的粘度取决于水的含量。水含量高的熔体易于从源区萃取与聚合,这可用来解释淡色花岗岩,如高喜马拉雅淡色花岗岩的形成。2.2影响熔体分离的因素(2)流体的影响17（3）变形作用的影响－－－变形提高分离1、脱水熔融作用使体积增加，如果熔融速率大于熔体流出的速度则产生较大的熔体压力，产生熔体增强的脆化作用(melt-enhancedembrittlement)而出现脆性破裂，熔体可流入破裂。这种机制被认为是熔体从源区分离的主要机制之一。2、在变形作用下，临界熔体数及RCMP值降低,因而熔体粘度降低,使熔体易于分离。实验结果表明熔体达到5%～15%即可发生剧烈弱化，比理论临界熔体数（约30%～40%）低得多。在高应变速率下(如在碰撞造山带)，由于变形作用,花岗质熔体即使很少也会被“挤出”源区。这种变形提高分离的机制也被认为是花岗质岩浆分离的主要机制之一。2.2影响熔体分离的因素（3）变形作用的影响－－－变形提高分离2.2影响熔体分离183、由于应力差的作用，使熔体一般向应力释放区、低应力区聚集（如剪切面理、岩层、构造面理、断裂、布丁颈部等）。尤其在走滑系统中，扩容驱动熔体分离、流动的机制已成为共识。另一方面，经过剪切扩容的熔体可导致剪切带中孔隙量的增加，使孔隙流体压力梯度增加，驱动熔体分离。总之,低临界熔体数岩石中变形作用对提高花岗质熔体分离十分有效。其他影响因素，如渗透性及颗粒接触的湿润角(wettingangle)以及熔体产生后的流动速度、颗粒大小等,均对其从源区中分离有影响作用。2.2影响熔体分离的因素3、由于应力差的作用，使熔体一般向应力释放区、低应力区聚集（192.3花岗岩与混合岩混合岩的成因一直被认为是与地壳部分熔融有关系。一些混合岩构造反映了熔体分离出来但未从体系中抽出的结果。这就导致了混合岩是夭折的花岗岩的看法，认为其内淡色脉体是部分熔融的结果。但一些地球化学证据、实验证据与此观点不一致。因而混合岩成因问题实际上还未完全解决。主要有4种成因：重熔型、岩浆注入、交代和变质分异。高级变质区常出露的大量层状、板状或片麻状花岗质岩石被认为是与构造作用关系密切的同构造岩浆活动的结果。该层状熔体是原地成因，形成机制有:亚固熔体(sub－solidus)、应力促进的扩散物质转移、深熔作用或部分熔融作用、机械过程、不同韧性物质的分异、外力驱动作用(如层间注入)、流体助熔、交代作用。这些也是混合岩的形成机制。2.3花岗岩与混合岩混合岩的成因一直被认为是与地壳部分熔融202.3花岗岩与混合岩当熔体全部由母岩中抽出,剩余的“炉渣”就是麻粒岩。Vielzeuf等（1990）研究认为：如果壳源花岗岩类比较丰富，则下地壳一定是麻粒岩质和残留质物质，即花岗岩是其源区的“像”。Thompson（1990）认为：构造事件改变了地壳厚度而造成大量减压熔融，这种减压熔融可使下地壳温度达到麻粒岩相。可以看出，花岗岩、混合岩和麻粒岩有着密切的联系。对三者成因机制的研究会加深对大陆地壳演化的认识程度。2.3花岗岩与混合岩当熔体全部由母岩中抽出,剩余的“炉渣”213、花岗岩的上升和侵位机制花岗岩的上升、侵位机制概括起来主要有:底辟作用(diapirism)、膨胀作用(balooning)、条带状熔融作用(zonemelting)、自扩散流体充填断裂作用(self-propagrating

fluid-filledfractures)、席状侵入(sheetintrusions)、沿断裂或剪切带的浮力上升作用、走滑扩容泵作用(strike-slip-dilatancy-pumping)、顶蚀作用(stoping)、环状岩墙侵入作用(ring-dikeintrusion)以及穹状抬升作用(domaluplift)等。3、花岗岩的上升和侵位机制花岗岩的上升、侵位机制概括起来主要22作为花岗岩主要上升、侵位机制的底辟模式，因不能解释许多问题，近年来越来越多地受到质疑。Mahon等研究认为温度在850～1000℃、深25～40km,直径为1～10km的花岗质岩浆体以底辟方式上升,深度大于15km就要固化，停止上升。现在许多过去典型的底辟岩体,如西南苏格兰的Criffel岩体，已为其它模式(如膨胀模式)所重新解释。3、花岗岩的上升和侵位机制作为花岗岩主要上升、侵位机制的底辟模式，因不能解释许多问题，23资料显示，花岗岩可在拉张、挤压、剪切走滑等各种构造环境中上升、侵位，剪切带包括断裂已被证明在其中起主要作用。岩浆的运移与上升是由网状剪切带系统内扩张与压缩相交替所驱动，而且是以岩墙的方式迅速运移上升。对于大多数花岗质岩浆的上升、侵位，是以剪切带及断裂为通道，这点目前已趋于认同。因而有学者认为与剪切带和断裂相关的岩浆上升、侵位机制比底辟机制更为重要。3花岗岩的上升和侵位机制资料显示，花岗岩可在拉张、挤压、剪切走滑等各种构造环境中上升24花岗质岩浆上升、侵位中比较重要的是空间问题，这导致了近年来对大型岩基几何形态的研究。事实上，也与剪切带与断裂系统的作用有密切的关系。这些使人们对花岗岩上升、侵位过程产生的构造体制有了深入的认识。因而极大地促进了对花岗岩形成过程的研究。3花岗岩的上升和侵位机制花岗质岩浆上升、侵位中比较重要的是空间问题，这导致了近年来对254总结(1)花岗岩的形成是热异常产生熔融作用的结果，主要受原岩成分和流体的影响。热源主要来自地幔，部分来自地壳。(2)岩浆的分离作用主要受熔体粘度、流体及变形作用等的影响。其机制主要是产生差应力来驱动熔体分离的作用。(3)花岗岩与混合岩、麻粒岩的成因机制有联系。(4)花岗质岩浆上升、侵位过程是主要以剪切带和断裂为其运移通道。(5)造山带及大陆岩石圈演化中的构造事件及构造作用在花岗岩形成过程中,在热源来源、熔融作用、岩浆分离、侵位等各方面都起着十分重要的作用。4总结(1)花岗岩的形成是热异常产生熔融作用的结果，主26关于花岗岩成因研究问题的思考关于花岗岩成因研究问题的思考27传统的岩浆侵入说无法容纳与花岗岩有关的各种资料。在地温场状态上的将今论古是花岗岩成因研究中的思维误区。1、关于花岗岩成因研究问题的思考传统的岩浆侵入说无法容纳与花岗岩有关的各种资料。在地温场状态28如果岩基是外来体,原始岩石的去向只有两种可能:1)被上升的岩浆溶化;2)被上升的岩浆挤走。2、花岗岩的“空间问题”1、关于花岗岩成因研究问题的思考如果岩基是外来体,原始岩石的去向只有两种可能:2、花岗岩的“291、关于花岗岩成因研究问题的思考Daly提出的“顶蚀说”主张岩浆在上升过程中蚕蚀围岩而取得空间，但根据热力学原理对岩浆上升熔化岩石的可能性进行计算，即使温度高达1000℃以上的地幔岩浆，也只能熔化相当其自身体积5%左右的冷岩石。若假设岩浆能够熔化相当其自身体积50%的岩石，岩浆的空间仍然无法解决。因为岩石熔化只是物质形态的改变而不是物质体积的改变。1、关于花岗岩成因研究问题的思考Daly提出的“顶蚀说”主张30底辟说主张岩浆在上升过程中将上覆岩石托起而获取空间，其机理与岩盐的底辟相似。但岩浆底辟和岩盐底辟的区别是，岩浆体顶部不是厚度不大的软岩层，而是厚达十几公里甚至几十公里的地壳。底辟说强调了岩浆与岩石的密度差但却与两者粘度差的研究结果不相容。1、关于花岗岩成因研究问题的思考底辟说主张岩浆在上升过程中将上覆岩石托起而获取空间，其机理与31Ramsay(1981)在研究赞比亚Chindmore岩体时完善了Closs(1925)的气球膨胀说,主张岩浆在水平方向上推开或压缩先存岩石而获取得空间。认为岩浆遇到隔挡层时停止向上运动。由于岩浆的不断注入,岩浆房原地膨胀,将四周的岩石向外推开或压扁。1、关于花岗岩成因研究问题的思考Ramsay(1981)在研究赞比亚Chindmore岩体时32

按照气球膨胀模式，岩体与其围岩应有如下关系：1)岩体顶部的地层应近于水平或向上拱曲并与岩体呈整合接触；2)岩体四周的围岩强烈压缩，岩体越大、挤压越强,而且围岩中的压性构造在平面上应环绕岩体分布或与岩体的长轴平行；3)岩体顶部的地层与岩体四周的地层之间应存在滑脱面。按照气球膨胀模式，岩体与其围岩应有如下关系：33事实上,气球膨胀模式所预示的种种围岩变形特征,对绝大部分岩体而言是不存在的,以华南的大东山岩基为例,该岩基出露面积约2200km2,侵入到晚古生代－早中生代地层中。岩基周围的地层及其内的褶皱和冲断层,并没有像气球膨胀模式所预示的那样平行于岩基走向,而是几乎与岩基的长轴垂直。1、关于花岗岩成因研究问题的思考事实上,气球膨胀模式所预示的种种围岩变形特征,对绝大部分岩体341980年，美国学者H.Show把有效应力与Griffith的破裂理论结合起来,提出了岩墙扩张说。认为夏威夷冒纳罗亚火山之下的许多小地震是由于岩浆的注入而导致裂隙的不断生长所致,这一模式被认为适用于花岗岩浆。岩墙扩张说强调的只是花岗岩形成过程三个阶段中的第二阶段，如果将其作为岩基定位的全称命题,则无法解释为什么许多规模巨大的断裂,如中国东部的郯庐断裂,没有相应规模的岩体产出;而许多规模巨大的岩基,如大东山岩基,又不见相应规模断裂的事实。1、关于花岗岩成因研究问题的思考1980年，美国学者H.Show把有效应力与Griffith35岩浆侵入说的提出虽然已经有两个多世纪，但至今仍然无法解释该假说必须解释的两个基本观察事实之一所包含的花岗岩空间问题。是观察资料不正确吗?不是；是现代科技不具备解决这一问题的能力吗?不是,因为这一问题纯属逻辑思维的范畴而不是观察的范畴;是资料的积累还不足以解释这一问题吗?更不是,因为假说的建立首先就要对原有资料进行合理解释。1、关于花岗岩成因研究问题的思考岩浆侵入说的提出虽然已经有两个多世纪，但至今仍然无法解释该假36似乎只有一种可能:有关岩浆花岗岩成因的侵入说不真!1、关于花岗岩成因研究问题的思考似乎只有一种可能:有关岩浆花岗岩成因的侵入说不真!1、关于花372、关于将今论古方法应用问题的思考换个角度考虑：若岩基的物质来自原地，就如花岗岩化论者主张的那样，而岩基的形成又经过岩浆阶段，那么是否可以解释与岩基有关的各种地质、地球化学资料呢?原地重熔的思想萌芽在上一世纪末已经出现，但未能得到科学界认同。主要原因之一是：现代地温增温率(平均30℃/km)表明，陆壳上层不具备岩石大规模融熔的温度条件。然而,这种在地温状态上“将今论古”,即把现代地温状态作为整个地史时期地壳温度场标准的认识,似乎难以找到地质上的证据,而且亦无任何科学逻辑可言。2、关于将今论古方法应用问题的思考换个角度考虑：若岩基的物质38从方法学看,“将今论古”并不是一种独特的研究方法，而仅仅是比较推理法在特定场合下的运用，即以现在可以观察到的地质过程为基准进行纵向比较和推理。既然是比较，就必须确定比较的前提，这些前提应该是古今不变的物理、化学规律；以河流作用为例；2、关于将今论古方法应用问题的思考从方法学看,“将今论古”并不是一种独特的研究方法，而仅仅是比39地表以下的地质过程无法直接观察，比较的前提也难以确定。因此，将今论古方法应用于内动力过程时要特别慎重。在地温梯度上将今论古是将今论古方法的滥用,是花岗岩成因研究中的思维误区。现代地温梯度只是代表地壳温度场变化的历史过程中某一点上的状态,而状态是可变的。假设地温梯度古今不变就如假设地壳某点上的重力值古今不变、地貌形态古今不变一样,没有任何的科学依据,而且也与地质资料不相容。从花岗岩的时间分布看,区域岩浆活动并非贯穿着整个地质历史而仅发生在一个或几个时间段。2、关于将今论古方法应用问题的思考地表以下的地质过程无法直接观察，比较的前提也难以确定。因此，40以华南为例，绝大部分岩体均形成于中生代，花岗岩活动的高峰期在J3-K1之间，形成了众多规模巨大的岩体。晚古生代和新生代没有或只有很弱的花岗岩浆活动。根据现有资料，花岗岩的“定位”深度多在5km左右，许多含矿岩体的形成深度甚至更浅。岩体的同位素测年资料表明，岩基从边缘到中心的固结通常需要数百万年。如果这些数据确实反映了客观事实，那么中生代在华南地区地表以下数公里处，应该长期存在着众多规模巨大的岩浆体。且不论这些岩浆体的形成是地温场变化的原因还是结果，在它们存在的时间内，壳内的地温梯度必然比现在高得多。即地壳温度场状态应该是时间的函数,而且其变化是非线性的。2、关于将今论古方法应用问题的思考以华南为例，绝大部分岩体均形成于中生代，花岗岩活动的高峰期在41从上可见,用现代地壳平均地温梯度推断过去花岗岩浆的形成深度,在方法学上是错误的,在地质事实面前也是站不住脚的。在地温场的诸种要素中,应该只有地温“向心增温律”可以“将今论古”—如果地球初期是炽热球体的认识是正确的话。2、关于将今论古方法应用问题的思考从上可见,用现代地壳平均地温梯度推断过去花岗岩浆的形成深度,42“原地重熔说”与“元素地球化学场”是在突破传统岩浆侵入说和将今论古的思维框架之后，建立起来的有关花岗岩成因和成矿及大陆内生过程物质演化的新框架。要阐明大陆的演化，首先要阐明大陆内部的物质过程。原地重熔说和元素地球化学场的理论已清楚地显示出：大陆内部的物质过程是一个有序过程。2、关于将今论古方法应用问题的思考“原地重熔说”与“元素地球化学场”是在突破传统岩浆侵入说和将43板块说及地槽说两者之间显然尚欠缺一个关于大陆内部的物质演化模型。洋壳和陆壳的最大区别是后者具有花岗质层圈,这一层圈既没有加入洋壳的物质循环,也不是地表物质过程的直接结果。那么,作为大陆独有的、而且是组成大陆地壳重要部分的花岗岩,是否主要为大陆内部过程的产物?要建立大陆地质学的系统理论,首先应该查明大陆内部的物质过程；而建立大陆内部物质演化模型的关键，是阐明组成大陆地壳重要部分的花岗岩的成因。绪论板块说及地槽说两者之间显然尚欠缺一个关于大陆内部的物质演化模44绪论花岗岩成因可以说是地质学最古老、而且是争论最多的问题。现代花岗岩成因争论的焦点在于岩浆花岗岩。传统的“岩浆说”花岗岩成因：岩浆源于深部源区，然后通过某种通道向上入侵，最后在地壳浅部定位，经冷凝固结后形成岩体。其核心是“侵入”，故亦称“岩浆入侵说”。这一假说事实上将花岗岩的形成分为岩浆形成、岩浆侵入和岩体形成三个阶段。三个阶段分别发生于地表以下的不同深度。绪论花岗岩成因可以说是地质学最古老、而且是争45绪论花岗岩是侵入体的认识最早是由郝顿(J.Hutton,1726～1797)据苏格兰Granmpian山脉的研究提出的。主要依据是花岗岩与围岩的穿插切割关系。但对岩浆花岗岩的野外观察，同时见到的基本地质事实有两个：1)结晶质的花岗岩从下而上穿插切割了先存的岩石地层；2)花岗岩体在地壳中占有巨大的空间。“岩浆侵入说”合理地解释了第一个基本事实、但却无法解释第二个基本事实所蕴含的问题：岩基占据的巨大空间的原始岩石去了何方?这就是花岗岩的“空间问题”。绪论花岗岩是侵入体的认识最早是由郝顿(J.H461.1花岗质岩浆的起源1.2花岗岩形成机制1.3流体对花岗岩的影响1、花岗岩的形成1.1花岗质岩浆的起源1、花岗岩的形成47花岗质岩浆的起源是岩石圈内热异常的结果。两类形成途径：幔源和壳源。绝大部分花岗岩是两者的混合。形成花岗质岩浆的原岩一般认为是具不均一性的古老变质岩。Skjerlie等（1993）的实验认为壳源花岗岩原岩由两种或更多不同岩石组成。花岗质岩石的原岩一般可通过Sr比值、氧同位素、U-Pb同位素等地球化学特征以及副矿物的同位素地球化学特征等手段来测定。1.1花岗质岩浆的起源花岗质岩浆的起源是岩石圈内热异常的结果。1.1花岗质岩浆的48Vielzeuf等（1990）认为熔融、部分熔融以及花岗岩的产生与地壳的“肥沃度”（fertility，长英质含量）有密切的关系。泥质、长英质等“肥”(fertile)地壳在850～900℃时,可产生30%～40%的熔体，而镁铁质等“瘦”(sterile)地壳则产生少量的熔体。据此来解释有大量岩浆活动的造山带，如欧洲海西造山带、高喜马拉雅造山带、北喜马拉雅造山带，和缺少大量岩浆活动的造山带，如斯堪的那维亚加里东造山带、中西阿尔卑斯造山带等岩浆大量产生和缺少的原因。花岗质岩浆的生成及生成量与原岩成分及热源有很大的关系。1.1花岗质岩浆的起源Vielzeuf等（1990）认为熔融、部分熔融以及花岗岩的491.2花岗岩形成机制幔源镁铁质岩浆分异形成的花岗质岩浆不占主要。但地幔岩浆与地壳的不平衡是许多构造和热事件的主要因素。熔融作用在花岗质岩浆生成过程中起主导作用；熔融作用的产生是在一些构造事件下，岩石圈深部的物化条件发生改变，造成加热、减压或有助熔剂的加入形成的。1.2花岗岩形成机制幔源镁铁质岩浆分异形成的花岗质岩浆不占50目前所提出的可产生熔融作用的热源机制较多：(1)俯冲作用产生的加热活动大陆边缘的岩浆活动如环太平洋岩浆活动带。(2)由大陆碰撞作用导致地壳增厚的加热实验和热模拟结果表明:地壳增厚可发生大规模熔融作用，而且地壳加厚10～15km就可产生大量熔体。许多碰撞造山带(如喜马拉雅碰撞造山带)的岩浆活动大多源于此机制。1.2花岗岩形成机制目前所提出的可产生熔融作用的热源机制较多：1.2花岗岩形成511.2花岗岩形成机制(3)岩浆板底垫托作用地幔中的镁铁质岩浆侵入到地壳底部而导致地壳熔融。(4)拆沉作用它是岩石圈下部拆离到更深处，导致软流圈物质上涌以及玄武质岩浆的侵入，从而为地壳熔融提供热源，形成大量岩浆。(5)板片破碎作用(slabbreakoff)可解释阿尔卑斯造山带中的岩浆活动和隆升作用以及大陆岩石圈俯冲至地幔后折返的现象。认为大陆岩片俯冲到地幔后破碎，后因浮力作用返回地壳，在此过程中产生大量热导致熔融作用的发生。1.2花岗岩形成机制(3)岩浆板底垫托作用地幔中的镁铁质521.2花岗岩形成机制(6)地幔柱作用(mantleplume)

(7)减压熔融作用岩石圈的伸展作用使压力释放、温度升高。此机制下的岩浆作用可广泛发生于大陆地壳各地区，主要在裂陷盆地和被动火山大陆边缘、地壳增厚后有伸展减薄、侵蚀去载或伸展塌陷的造山带及深断裂作用地区。正常地壳减薄也可引起广泛熔融。水平伸展速率和应变速率对熔体数量的产生很重要。减压熔融作用是产生岩浆活动的最主要机制之一。(8)助熔作用(fluxing)主要是指由于挥发分的加入,使熔点降低,造成熔融作用。产生热源的机制还有:由于深部物质的绝热作用,使其内部放射性衰变产生的热集中起来以及地幔平流和热传导使地壳加热，在一定范围内使地壳发生熔融;1.2花岗岩形成机制(6)地幔柱作用(mantleplu531.2花岗岩形成机制花岗岩的形成与岩石圈内构造作用的关系十分密切，是大陆演化中必然的产物。由于花岗岩类多分布于造山带，其成因机制的研究一直是造山带及岩石圈研究中的必不可少的部分。造山带演化不同阶段，形成的花岗岩类型不同。Harris等(1986年)将碰撞带花岗岩分为:前碰撞期花岗岩、同碰撞期花岗岩、晚碰撞期花岗岩和后碰撞期花岗岩。1.2花岗岩形成机制花岗岩的形成与岩石圈内构造作用的关系十541.2花岗岩形成机制I型、S型、A型、M型花岗岩成因类型的划分,对研究花岗岩的成因起了积极的作用。但大多基于化学特征，它们主要是在相关构造背景下地幔和地壳长期演变(富集或亏损)的结果，因而并不主要指示花岗质岩浆的成因机制，所以这些成因类型并不完全适应于造山带。近年来有许多新的花岗岩成因类型提出，如两类A型花岗岩、混合型(H型)花岗岩、非造山花岗岩等,以修改、补充以往的成因类型。总的研究趋势是将花岗岩成因机制与造山带和岩石圈演化过程联系起来,以揭示花岗岩形成的本质。1.2花岗岩形成机制I型、S型、A型、M型花岗岩成因类型的551.3流体对花岗岩的影响流体尤其是水对花岗质岩浆的形成至关重要。有人认为无水则无花岗岩。水和CO2可使岩石固相线减低400℃。若无水，在很高温度下如1000℃,花岗岩也不会熔融。流体的存在与否及其成分是控制下地壳岩石熔融温度的重要因素。水饱和的条件下，下地壳含长石的岩石固相线温度约为600℃，甚至可在角闪岩相条件下发生广泛的熔融。地壳中的部分熔融通常是在缺少流体的条件下发生的，水的来源主要依靠含水矿物如云母、角闪石等的含量。只有在温度升高时，才能使这些矿物发生脱水反应。涉及黑云母或角闪石的脱水反应只有在高温下(850～900℃)才能增高熔体的份数。缺少流体的部分熔融作用具有温度缓冲效应(buffering)，使温度一直不变直到全部熔融。对于CO2的影响作用至今尚有争议。1.3流体对花岗岩的影响流体尤其是水对花岗质岩浆的形成至关562、花岗质熔体的分离(segregation)

和聚集(aggregation)2.1熔体分离机制2.2影响熔体分离的因素2.3花岗岩与混合岩2、花岗质熔体的分离(segregation)2.1熔体分572.1熔体分离机制熔体一般首先形成于颗粒边界,最终相互联系形成通道网。这样在一定的机制下，熔体发生迁移。一般认为熔体形成、聚集超过一定比例，如临界熔体数或RCMP(rheologicalCriticalmeltpercentage，流变临界百分比)才发生分离作用，但这是基于无外应力作用下的结果。事实上，许多作用可产生差应力导致熔体从原岩中分离，即使熔体量较少也可以发生。熔体形成后，促使其分离的机制主要有：颗粒的表面力、熔体的浮力、压力梯度、变形影响的压缩或压滤作用(filterpressing)、重力影响的压缩、断裂作用、扩容作用、非共轴变形等。这些作用均可产生差应力，使熔体从源岩中分离出来,在低应力区、应力扩容区等部位聚集。2.1熔体分离机制熔体一般首先形成于颗粒边界,最终相互联系582.2影响熔体分离的因素主要有熔体的粘度及流体成分与含量、熔体所处的变形条件状况等，熔体的分离常受这些因素综合作用。(1)熔体的粘度粘度较大则分离不易或较慢,粘度小则分离较快。花岗质岩浆从源区分离速度较慢。其实,RCMP及临界熔体数就是用熔体含量为描述粘度的作用,到达此值则粘度会大大降低，易于从源区中分离出来。如花岗岩的RCMP达到17%,可使粘度下降2～3个数量级。2.2影响熔体分离的因素主要有熔体的粘度及流体成分与含量、592.2影响熔体分离的因素(2)流体的影响

流体的流动可控制熔体的分布；流体尤其是水的存在可极大地降低熔体的粘度。比如,在800℃时,含1%水的花岗质熔体的粘度为108Pa·s,当水含量达到10%时,其粘度下降到104Pa·s。Brown（1994）认为花岗质岩浆的分离取决于熔体的粘度,而熔体的粘度取决于水的含量。水含量高的熔体易于从源区萃取与聚合,这可用来解释淡色花岗岩,如高喜马拉雅淡色花岗岩的形成。2.2影响熔体分离的因素(2)流体的影响60（3）变形作用的影响－－－变形提高分离1、脱水熔融作用使体积增加，如果熔融速率大于熔体流出的速度则产生较大的熔体压力，产生熔体增强的脆化作用(melt-enhancedembrittlement)而出现脆性破裂，熔体可流入破裂。这种机制被认为是熔体从源区分离的主要机制之一。2、在变形作用下，临界熔体数及RCMP值降低,因而熔体粘度降低,使熔体易于分离。实验结果表明熔体达到5%～15%即可发生剧烈弱化，比理论临界熔体数（约30%～40%）低得多。在高应变速率下(如在碰撞造山带)，由于变形作用,花岗质熔体即使很少也会被“挤出”源区。这种变形提高分离的机制也被认为是花岗质岩浆分离的主要机制之一。2.2影响熔体分离的因素（3）变形作用的影响－－－变形提高分离2.2影响熔体分离613、由于应力差的作用，使熔体一般向应力释放区、低应力区聚集（如剪切面理、岩层、构造面理、断裂、布丁颈部等）。尤其在走滑系统中，扩容驱动熔体分离、流动的机制已成为共识。另一方面，经过剪切扩容的熔体可导致剪切带中孔隙量的增加，使孔隙流体压力梯度增加，驱动熔体分离。总之,低临界熔体数岩石中变形作用对提高花岗质熔体分离十分有效。其他影响因素，如渗透性及颗粒接触的湿润角(wettingangle)以及熔体产生后的流动速度、颗粒大小等,均对其从源区中分离有影响作用。2.2影响熔体分离的因素3、由于应力差的作用，使熔体一般向应力释放区、低应力区聚集（622.3花岗岩与混合岩混合岩的成因一直被认为是与地壳部分熔融有关系。一些混合岩构造反映了熔体分离出来但未从体系中抽出的结果。这就导致了混合岩是夭折的花岗岩的看法，认为其内淡色脉体是部分熔融的结果。但一些地球化学证据、实验证据与此观点不一致。因而混合岩成因问题实际上还未完全解决。主要有4种成因：重熔型、岩浆注入、交代和变质分异。高级变质区常出露的大量层状、板状或片麻状花岗质岩石被认为是与构造作用关系密切的同构造岩浆活动的结果。该层状熔体是原地成因，形成机制有:亚固熔体(sub－solidus)、应力促进的扩散物质转移、深熔作用或部分熔融作用、机械过程、不同韧性物质的分异、外力驱动作用(如层间注入)、流体助熔、交代作用。这些也是混合岩的形成机制。2.3花岗岩与混合岩混合岩的成因一直被认为是与地壳部分熔融632.3花岗岩与混合岩当熔体全部由母岩中抽出,剩余的“炉渣”就是麻粒岩。Vielzeuf等（1990）研究认为：如果壳源花岗岩类比较丰富，则下地壳一定是麻粒岩质和残留质物质，即花岗岩是其源区的“像”。Thompson（1990）认为：构造事件改变了地壳厚度而造成大量减压熔融，这种减压熔融可使下地壳温度达到麻粒岩相。可以看出，花岗岩、混合岩和麻粒岩有着密切的联系。对三者成因机制的研究会加深对大陆地壳演化的认识程度。2.3花岗岩与混合岩当熔体全部由母岩中抽出,剩余的“炉渣”643、花岗岩的上升和侵位机制花岗岩的上升、侵位机制概括起来主要有:底辟作用(diapirism)、膨胀作用(balooning)、条带状熔融作用(zonemelting)、自扩散流体充填断裂作用(self-propagrating

fluid-filledfractures)、席状侵入(sheetintrusions)、沿断裂或剪切带的浮力上升作用、走滑扩容泵作用(strike-slip-dilatancy-pumping)、顶蚀作用(stoping)、环状岩墙侵入作用(ring-dikeintrusion)以及穹状抬升作用(domaluplift)等。3、花岗岩的上升和侵位机制花岗岩的上升、侵位机制概括起来主要65作为花岗岩主要上升、侵位机制的底辟模式，因不能解释许多问题，近年来越来越多地受到质疑。Mahon等研究认为温度在850～1000℃、深25～40km,直径为1～10km的花岗质岩浆体以底辟方式上升,深度大于15km就要固化，停止上升。现在许多过去典型的底辟岩体,如西南苏格兰的Criffel岩体，已为其它模式(如膨胀模式)所重新解释。3、花岗岩的上升和侵位机制作为花岗岩主要上升、侵位机制的底辟模式，因不能解释许多问题，66资料显示，花岗岩可在拉张、挤压、剪切走滑等各种构造环境中上升、侵位，剪切带包括断裂已被证明在其中起主要作用。岩浆的运移与上升是由网状剪切带系统内扩张与压缩相交替所驱动，而且是以岩墙的方式迅速运移上升。对于大多数花岗质岩浆的上升、侵位，是以剪切带及断裂为通道，这点目前已趋于认同。因而有学者认为与剪切带和断裂相关的岩浆上升、侵位机制比底辟机制更为重要。3花岗岩的上升和侵位机制资料显示，花岗岩可在拉张、挤压、剪切走滑等各种构造环境中上升67花岗质岩浆上升、侵位中比较重要的是空间问题，这导致了近年来对大型岩基几何形态的研究。事实上，也与剪切带与断裂系统的作用有密切的关系。这些使人们对花岗岩上升、侵位过程产生的构造体制有了深入的认识。因而极大地促进了对花岗岩形成过程的研究。3花岗岩的上升和侵位机制花岗质岩浆上升、侵位中比较重要的是空间问题，这导致了近年来对684总结(1)花岗岩的形成是热异常产生熔融作用的结果，主要受原岩成分和流体的影响。热源主要来自地幔，部分来自地壳。(2)岩浆的分离作用主要受熔体粘度、流体及变形作用等的影响。其机制主要是产生差应力来驱动熔体分离的作用。(3)花岗岩与混合岩、麻粒岩的成因机制有联系。(4)花岗质岩浆上升、侵位过程是主要以剪切带和断裂为其运移通道。(5)造山带及大陆岩石圈演化中的构造事件及构造作用在花岗岩形成过程中,在热源来源、熔融作用、岩浆分离、侵位等各方面都起着十分重要的作用。4总结(1)花岗岩的形成是热异常产生熔融作用的结果，主69关于花岗岩成因研究问题的思考关于花岗岩成因研究问题的思考70传统的岩浆侵入说无法容纳与花岗岩有关的各种资料。在地温场状态上的将今论古是花岗岩成因研究中的思维误区。1、关于花岗岩成因研究问题的思考传统的岩浆侵入说无法容纳与花岗岩有关的各种资料。在地温场状态71如果岩基是外来体,原始岩石的去向只有两种可能:1)被上升的岩浆溶化;2)被上升的岩浆挤走。2、花岗岩的“空间问题”1、关于花岗岩成因研究问题的思考如果岩基是外来体,原始岩石的去向只有两种可能:2、花岗岩的“721、关于花岗岩成因研究问题的思考Daly提出的“顶蚀说”主张岩浆在上升过程中蚕蚀围岩而取得空间，但根据热力学原理对岩浆上升熔化岩石的可能性进行计算，即使温度高达1000℃以上的地幔岩浆，也只能熔化相当其自身体积5%左右的冷岩石。若假设岩浆能够熔化相当其自身体积50%的岩石，岩浆的空间仍然无法解决。因为岩石熔化只是物质形态的改变而不是物质体积的改变。1、关于花岗岩成因研究问题的思考Daly提出的“顶蚀说”主张73底辟说主张岩浆在上升过程中将上覆岩石托起而获取空间，其机理与岩盐的底辟相似。但岩浆底辟和岩盐底辟的区别是，岩浆体顶部不是厚度不大的软岩层，而是厚达十几公里甚至几十公里的地壳。底辟说强调了岩浆与岩石的密度差但却与两者粘度差的研究结果不相容。1、关于花岗岩成因研究问题的思考底辟说主张岩浆在上升过程中将上覆岩石托起而获取空间，其机理与74Ramsay(1981)在研究赞比亚Chindmore岩体时完善了Closs(1925)的气球膨胀说,主张岩浆在水平方向上推开或压缩先存岩石而获取得空间。认为岩浆遇到隔挡层时停止向上运动。由于岩浆的不断注入,岩浆房原地膨胀,将四周的岩石向外推开或压扁。1、关于花岗岩成因研究问题的思考Ramsay(1981)在研究赞比亚Chindmore岩体时75

按照气球膨胀模式，岩体与其围岩应有如下关系：1)岩体顶部的地层应近于水平或向上拱曲并与岩体呈整合接触；2)岩体四周的围岩强烈压缩，岩体越大、挤压越强,而且围岩中的压性构造在平面上应环绕岩体分布或与岩体的长轴平行；3)岩体顶部的地层与岩体四周的地层之间应存在滑脱面。按照气球膨胀模式，岩体与其围岩应有如下关系：76事实上,气球膨胀模式所预示的种种围岩变形特征,对绝大部分岩体而言是不存在的,以华南的大东山岩基为例,该岩基出露面积约2200km2,侵入到晚古生代－早中生代地层中。岩基周围的地层及其内的褶皱和冲断层,并没有像气球膨胀模式所预示的那样平行于岩基走向,而是几乎与岩基的长轴垂直。1、关于花岗岩成因研究问题的思考事实上,气球膨胀模式所预示的种种围岩变形特征,对绝大部分岩体771980年，美国学者H.Show把有效应力与Griffith的破裂理论