图1 花岗岩形成的四阶段示意图

Fig.1 Illustration diagram of four-stage granitization in the continental crust

图2 花岗岩演化的p-T轨迹 浅色细虚线表示进变质作用p-T轨迹,浅色粗虚线表示经历了深熔作用的残留相的p-T轨迹,深色粗实线表示部分熔融形成的花岗岩的四阶段模式的p-T轨迹。附图说明了花岗岩形成与演化期间的主要过程。花岗岩产生自变质岩进变质作用p-T轨迹的某处,地幔上涌导致下地壳温度剧烈升高,但是压力不变(地壳厚度不变),故产生阶段大体是一个等压升温过程。在此期间,随温度不同可能萃取出不同的熔体,如熔体1、熔体2、熔体3等(它们的部分熔融程度也不同)。熔体移出,留下的为变质岩残留体,如残留相1、残留相2、残留相3等(图中未表示)。在p-T轨迹拐弯处开始岩浆的形成阶段,这是花岗岩温度最高的阶段,在这里及其附近可能是适合下地壳岩浆房出现的部位。不同成分的熔体、脉体等在岩浆房内发生一系列的变化和演化,形成各种不同的花岗质岩浆。此后为岩浆快速上升阶段,这是一个等温降压过程。而侵位则是花岗岩的冷却固结阶段,为等压降温的趋势。故花岗岩p-T轨迹大体是一个方框形的曲线(注:图顶部的4个小图,熔体和脉体参考了文献[32]的图5,黑云母分解和角闪石分解图则取自文献[32]的图4)

Fig.2 p-T paths of granite

图3 部分熔融形成的初始熔体 深色箭头指的是初始熔体(白色细脉),成分(退变质后)为斜长石、钾长石和少量黑云母;浅色条表示比例尺,长度1 mm。

Fig.3 Initial melt (white veins indicated by red arrows) formed by partial melting

图4 全球扩张中心中酸性岩主元素图 图中深色区域为数据点密度分布范围,我们将所有数据密度分为5级,只保留最密集的3级:从内而外,随着颜色的变浅,分别为全部数据的20%,40%和60%,下同。

Fig.4 Major element geochemistry of intermediate-acid rocks of spreading centers along MOR

图5 全球扩张中心中酸性岩(熔体+花岗岩)的Nb-Y图和Rb-(Nb+Y)图(点线据文献[50])

Fig.5 Nb vs. Y and Rb vs. Nb+Y discrimination diagrams for intermediate-acid rocks of spreading centers along MOR

图6 全球扩张中心w(K2O)<2.0%的中酸性岩(花岗岩+熔体)的Nb-Y图和Rb-(Nb+Y)图

Fig.6 Nb vs. Y and Rb vs. Nb+Y discrimination diagrams for intermediate-acid rocks (with w(K2O)<2.0%) of spreading centers along MOR

图7 混合岩 混合岩指的是发育于高级变质区且宏观上极不均匀的岩石,其中一部分为长英质浅色体。

Fig.7 Migmatite outcrops

图8 部分熔融改造大陆地壳示意图(据文献[8])

Fig.8 Reworking of continental crust by partial melting. Adapted from [8].

图9 碰撞造山带地壳在主动型张裂作用条件下因软流圈地幔上涌加热导致的脱水和水化熔融模式图(据文献[50])

Fig.9 Asthenosphere heating model for coupled dehydration-hydration processes for partial melting of the orogenic crust at active rifts. Adapted from [50].

图10 花岗岩形成四阶段模式图(据文献[8]修改)

Fig.10 Four-stage granite formation model. Modified after [8].

图11 冀东英云闪长质片麻岩样品J13在NCKFMASHTO(+q)体系中的p-T视剖面图(据文献[64]修改)

Fig.11 p-T apparent section calculated in the NCKFMASHTO (+q) system for tonalite gneiss sample J13 from eastern Hebei. Modified after [64].

图12 冀东英云闪长质片麻岩J13在0.7、1.0和2.0 GPa压力条件下升温熔融过程中各矿物相及熔体含量变化(据文献[64]修改) a0-a6、b0-b5、c0-c3分别对应图11中选取的不同温压点;图中深色方框为本文厘定的形成花岗岩的最佳温度范围。

Fig.12 Changes of mineral phases and melt content of tonalite gneiss sample J13 during heating and melting at 0.7, 1.0 and 2.0 GPa. Modified after [64].

图13 不同原岩形成的不同花岗岩及岩浆房示意图 数字表示不同的原岩及不同的岩浆房,原岩1部分熔融形成的熔体汇聚形成的岩浆房为1,原岩2形成的岩浆房为2,以此类推。不同的岩浆房可以合并,汇聚形成规模更大的岩浆房。

Fig.13 Schematic diagram of different granites and magma chambers formed by different source rocks

图14 岩浆上升侵位示意图 A—岩浆上升侵位之前的状态:下地壳岩浆房形成,白色箭头表示岩浆由于密度低产生的一个向上的浮力。B—岩浆房上覆地层出现软弱带或裂隙,岩浆房破裂,岩浆上升,岩浆房上覆几十公里的地层压力(浅色箭头)即是岩浆上升的驱动力。由于岩浆属于流体,具有不可压缩性,故上覆压力全部转换成驱使岩浆上升的动力(浅色箭头),这个力非常巨大,故岩浆上升的速度是非常快的。岩浆上升到地壳浅部脆性地壳,挤出一个空间(黑色箭头)。这个空间是主动形成的,不是被动形成的。原因是岩浆上升,岩浆房被压缩,岩浆房上覆地层塌陷,于是在适当的位置留下了可以供岩浆进入的空间。C—下地壳岩浆房的岩浆基本上转移到上地壳岩浆侵位处,显然,这个侵位空间主要是下地壳岩浆房消失、地层塌陷置换过来的,不存在单纯岩浆强力挤压的作用。由于地层基本上是水平的,在地层水平延展方向应力最低,故侵位的巨型花岗岩大多呈平板状分布。但是,不排除有向上的挤压力(图中的浅色箭头),那是岩浆的热烘烤了上覆地层,使上覆地层构造弱化导致的。下地壳岩浆房消失以后,留下的残余岩浆不可能长期保持岩浆状态,将被强烈压缩,转变为混合岩或花岗质片麻岩,下地壳岩浆房即不复存在。

Fig.14 Schematic diagram of magma ascent and emplacement

图15 岩浆上升通道的残留——岩墙

Fig.15 Dikes

图16 Sawmill Canyon 岩体野外照片(据文献[71]) 左图:下部为早期的Half Dome花岗闪长岩,席状带为南北走向,被晚期东西走向的Cathedral Peak淡色花岗岩席状岩墙所截断。右图:Half Dome 花岗闪长岩中不同程度弯曲的纹影带。

Fig.16 Field photos of the sheeted zones in Sawmill Canyon. Adapted from [71].

图17 Sawmill Canyon岩体层状结构野外照片(据文献[71]) 左图:Sawmill Canyon岩体层状条带被Cathedral Peak伟晶岩岩墙切割。层状条带的厚度从1 m左右至厘米级;许多层的底部具由镁铁质和副矿物富集组成的纹影,顶部主要为粗粒的长英质岩石。有些含钾长石巨晶,有些无巨晶。右图:镁铁质-长英质纹影层,边界界线截然,局部被断层错断,刻度尺为10 cm。

Fig.17 Field photos of layering in Sawmill Canyon. Adapted from [71].

图18 格陵兰西南部Tigssaluk和Alangorssuag花岗岩侵入体中富含黑云母的不同类型的纹影(据文献[65]) 1—纹影具有清晰的底部,上部模糊,整体让人联想到有节奏的分层(也有人认为是堆晶的证据);2—卷曲的纹影,可能是流动受阻造成的;3—薄镁铁质层向上汇合,仿佛在其形成过程中受到下方障碍物的影响;4—平行纹影,底部清晰,上部模糊,含有大量平行排列的长石晶体(不是堆晶形成的)。

Fig.18 Different types of schlieren rich in biotite in the Tigssaluk and Alangorssuag granite intrusions in southwestern Greenland. Adapted from [65].

图19 花岗岩空间占位模式图 A—正常地壳,下地壳底部为角闪岩相(浅色,数字表示岩石密度)。B—地幔上涌,下地壳部分熔融形成花岗岩(深色),残留相为麻粒岩相(浅色),可表示为:V角闪岩相(密度2.8)= V花岗岩(密度2.6)+ V残留的麻粒岩相(密度2.9)(密度单位为g/cm3)。在下地壳,花岗岩占位空间等于部分熔融形成熔体后残余体压缩留下的空间(B图),因此,部分熔融形成花岗岩不存在空间占位问题。C—花岗岩上升侵位,下地壳岩浆房消失,被上覆地层填补,造成岩浆房上部地层塌陷。假定这个规模巨大的岩浆房为100 km ×50 km ×10 km,引起的垮塌可能波及整个中地壳和上地壳,地壳下部具韧性,上部具脆性,塌陷表现也不同。由于塌陷留下的空间正好被向上侵入的花岗岩占据,因此,花岗岩上升大体相当于把下地壳岩浆房搬运到上地壳岩基出露的位置。所以,花岗岩侵位的空间是地层塌陷主动空出来的,不是花岗岩侵入被动挤出来的,是花岗岩置换造成的。

Fig.19 Space occupancy pattern of granite

图20 岩浆凝固期间晶体和熔体之间几何关系的模式图(据文献[65]) 第1阶段形成孤立的晶体,晶体逐渐长大(但不下沉到岩浆房底部形成堆晶岩);第2阶段晶体相连形成框架;第3阶段晶间从互相联通到互相隔绝,再到熔体消失。

Fig.20 Pattern diagram of geometric relationship between crystal and melt during magma solidification. Adapted from [65].

图21 花岗岩侵位示意图(据文献[58]) 美国华盛顿雷尼尔山国家公园中新世—上新世的塔图什侵入体横剖面示意图。

Fig.21 Schematic cross sections from Miocene-Pliocene Tatoosh complex in Mount Rainier National Park, Washington. Adapted from [58].