B2 · 出版卷 7

岩石熔融与岩浆来源

Partial melting、source composition、volatile

学习目标

完成本课后，读者应能区分部分熔融与完全熔融，从概念上解释固相线和液相线，比较减压、流体助熔和热传导熔融，计算简单的批式熔融富集倍数，并说明为什么喷出岩组成通常不能唯一识别源区。

从一个野外问题开始

两套玄武岩具有相似的主量元素组成。一套含地幔捕虏体并显示相对亏损的不相容元素样式，另一套含富水矿物斑晶并富集不相容元素。它们是不同地幔源区、不同熔融比例、不同深度、地壳混染、晶体堆积，还是这些过程的组合？

岩石名称不能回答这个问题。喷出物已经历源区熔融、熔体分离、运移、储存和结晶。主量元素可能受到结晶矿物缓冲；不相容微量元素对熔融比例和分配作用十分敏感；含挥发分矿物也可能在熔体离开源区后才生长或分解。因此，可靠的源区模型必须声明：信号通过每一个过滤环节后，哪些部分预计仍能保存。

核心过程模型

多组分岩石在特定压力、组成和挥发分条件下跨过固相线开始熔融，只有超过相应的液相线才完全成为熔体。在两条界线之间，晶体与熔体共存。天然源区通常产生部分熔体，因为热量和物质量有限，而且第一批熔体可能在源岩接近完全熔融之前就被抽离。

三种端元机制可用于组织问题。减压熔融发生于热岩石上升、压力下降速度快于冷却速度，导致其路径跨过固相线。流体助熔发生于水等组分降低有效固相线并参与反应。热传导熔融发生于更热的岩浆或异常热源提高周围岩石温度。天然系统可以同时包含三者。

源岩组成决定可出现的矿物和产生的熔体。橄榄岩地幔、含水基性地壳、变泥质岩与含碳酸盐源区没有共同的单一固相线，也不会产生相同熔体。压力改变矿物稳定性和残留相所保留的组分。挥发分会改变熔融关系，但不是无限供应的“催化剂”；必须约束其含量、赋存形态和可用性。

熔体分离是独立步骤。熔体可能保留在晶粒边界，汇入通道，与残留体反应，或在离开源区前重新冻结。因此，抽离岩浆未必等于某一温压点计算出的平衡熔体。源区非均一性和反应性运移既可能使汇聚熔体看似均一，也可能放大其复杂性。

证据与测量

源区论证需要结合多个尺度。野外关系和捕虏体可约束可接触到的岩性；矿物成分和包裹体可能记录压力、温度与挥发分条件；全岩主量及微量元素、放射性同位素和稳定同位素可约束源区与混染，但前提是先评估蚀变和晶体堆积。实验或热力学相平衡提供可检验边界，而不是装饰性的背景曲线。

微量元素建模需要采用适用于特定矿物、熔体组成、压力和温度的分配系数。总体分配系数可写为


D = \sum_j X_j K_{d,j},

其中 X_j 为残留矿物 j 的质量分数，K_{d,j} 为该矿物—熔体分配系数。在给定组合中，D 远小于 1 表示该元素更倾向进入熔体；它不是脱离矿物组合后仍然永久有效的属性。

样品必须代表所建模的物质。含大量堆积晶体的斑状熔岩不能自动视为液相组成；蚀变岩石可能获得或失去碱金属；岩墙边部虽快速冷凝，也可能受到混染；捕虏体则可能与寄主反应。在把分析表当作岩浆之前，应先完成岩相检查。

模型审核时还应保存一张参数表，逐项列出源岩组成、残留矿物模式、分配系数来源、熔融比例范围、挥发分条件和抽离方式。对每个参数注明“实测”“文献采用”或“假设”，并单独改变它以检查结果敏感性。如果若干不同参数组合都能重现同一微量元素样式，应把结果报告为一个等效模型族，而不是选择其中一组作为唯一源区。只有当新的矿物、同位素或实验约束排除部分参数空间后，模型才真正获得额外辨识力。

计算示例

简单平衡批式熔融的质量平衡为


C_0 = F C_l + (1-F)C_s,

其中 C_0 为初始浓度，C_l 为熔体浓度，C_s 为平均残留体浓度，F 为熔融比例。令 D=C_s/C_l，则


\frac{C_l}{C_0}=\frac{1}{D+F(1-D)}.

假设某不相容元素的 D=0.05。当 F=0.10 时，熔体相对初始源岩的富集倍数为


\frac{1}{0.05+0.10(0.95)}=6.90.

当 F=0.30 时，倍数降至 2.99。因此，更富集的熔体可以代表更低程度熔融，而不一定代表更富集的源区。

该计算只是敏感性检验，不是源区解答。熔融过程中残留矿物比例改变会使 D 改变；分离抽取、熔体—岩石反应、多批熔体汇聚、后期结晶和混染都会改变结果。应记录矿物模式和分配系数，并探索参数范围，不可把单条曲线当作唯一历史。

常见误解与不确定性

常见错误包括：把现代地温曲线与未匹配组成和挥发分条件的通用固相线放在一起；把水的存在当成某一种构造环境的证明；在忽略熔融比例时，用一个不相容元素比值代表源区组成。相似玄武岩可以由不同的源区—熔融—分异组合产生，不同玄武岩也可以来自一个非均一源区。

利用残留矿物特征估计压力依赖模型。同位素非均一性可能来自源区、同化物或继承晶体。捕虏体证明物质从深部被搬运，却未必代表主要产熔区。喷出岩中缺少某矿物，也不能证明源区残留体中没有它。

实践任务

使用同一初始浓度建立三个源区模型：熔融比例为 5%、10% 和 25%，D 分别为 0.01、0.1 和 1.0。绘制富集倍数—熔融比例图。然后改变残留矿物模式，使 D 在熔融中途加倍。解释哪些元素对熔融比例最敏感，以及多元素样式为什么比单一浓度更有信息。

对减压、流体助熔和热传导三种模型，各写出一条支持观察和一种替代解释。把源岩、熔融触发机制和熔体抽离机制保存在不同字段。

掌握度检查

为什么跨过固相线不等于完全熔融？
上升地幔为什么能够在没有额外加热的情况下熔融？
为什么含挥发分岩浆不能单独证明源区发生流体助熔？
在批式熔融方程中，不相容元素随 F 增大如何变化？
哪些观察有助于区分富集源区与低程度熔融？

来源与延伸阅读

IUGS 火成岩任务组：术语与参考文献。
部分熔融岩石的熔体产生与压实：McKenzie，1984。
BGS 岩石分类体系：后续分类流程使用的描述性边界。