简述自由水对大陆地壳演化的作用

雷凯

摘 要：地球上存在的自由水与大陆地壳的生长演化具有直接关联。本文结合大量文献简述了自由水对大陆地壳演化的作用。大陆地壳并不是“干”的，自由水的加入可以降低地壳岩石的熔融温度，加快熔融反应的速率，因此更容易引发地壳的深熔作用，进而加速大陆地壳的演化。在渗透率好的岩石中，自由水沿着应力造成的裂缝运移;在渗透率差的岩石中，自由水可在运输-反应造成的孔隙通道中运移。通过初始熔体的岩相学、地球化学、物理特性等标志，人们可以识别在地壳深熔作用中是否有自由水的参与。

关键词：自由水;大陆地壳;岩相学;地球化学

中图分类号：P591文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）05-0155-04

Abstract： The existence of free-water of earth is directly related to the growth and evolution of continental crust. This paper combined a large number of papers to briefly describe the effect of free-water on the evolution of continental crust. The continental crust is not "dry"， the injection of free-water can reduce the melting temperature of crustal rocks and increase the rate of melting reaction， so it is more likely to induce the anatexis of the crust and then promote the evolution of the continental crust. In the rock with high permeability， free-water can be migrated through the fractures caused by stress; in the rock with low permeability， free-water can be migrated through the reaction-induced pores. People can recognize whether there is free-water in the anatexis or not by the petrographic， geochemical and physical characteristics of the primary melts.

Keywords：  free-water;continental crust;petrography;geochemistry

地球的地壳包括下层的镁铁质地壳及上层的长英质地壳。其中，长英质地壳是大陆地壳的主要成分。长英质大陆地壳的大量存在，使得地球区别于月球及其他类地行星，成为太阳系内独一无二的星球。地球与太阳系其他行星相比，除具有大陆地壳之外，还含有大量的水。这绝非巧合，因为水在大陆地壳的生长演化过程中扮演了重要角色。早在20世纪80年代，就有学者提出“没有水，就没有岩石;没有海洋，就没有大陆”（No water，no granites - No oceans，no continents）的观点[1]。因此，研究水对于大陆地壳形成演化机制的作用是理解地球如何演化成为一个宜居性星球的关键。本文在调研大量文献的基础上，简述水对大陆地壳演化的作用，旨在为大陆地壳的形成和演化这一重大科学问题提供借鉴资料。

1 大陆地壳中的自由水

自由水对于地球岩石圈来说至关重要，岩石地球化学成分的演化实质上就是矿物与流体之间的相互作用。同时，岩石物理性质的改变也与自由水的作用密不可分[2-3]。实际上，地壳的大部分岩石都处于亚稳态状态中[2]。作为中下地壳主要组成部分的角闪岩相和麻粒岩相的实际赋存温度，其上限不应高于莫霍面的温度。但即使是莫霍面的温度，也普遍低于角闪岩相和麻粒岩相的理论存在温度，如图1所示。之所以能保存亚稳态，是因为它们的反应速度过慢，一旦有流体进入，相变将会快速发生。之前一些学者认为，正因为地壳处于亚稳态才证明地壳是“干”的[4]。但是，目前有很多实例证明自由水无论在纯固相变质或是由固相到液相转变的熔融过程中都扮演着不可忽视的角色[5-6]。这些实例说明自由水在地壳中非常活跃，其来源广泛，能在地壳中自由运移。自由水可能来源于高压变质过程中的脱水作用，如岩石网状裂隙中水的聚集以及熔体迁移过程中流体的循环和结晶作用出溶的水[7]。

深熔作用是地壳分异演化的最主要过程。在地壳岩石熔融过程中，即使存在非常少量的水，也会对熔融温度、熔体的物理化学性质等产生不可忽视的影响。有两种熔融方式会生成水，分别为有自由水参与的熔融与脱水熔融[3]。这两种熔融方式的区别在于水的参与方式，脱水熔融的水来自含水矿物的破裂，而自由水的水来自外界的自由水，即对于整个体系来说，水一直是饱和的。对于脱水熔融来说，其驱动力更加强调增温或者减压;相应地，自由水的参与更加强调自由水的作用。实验岩石学的研究证明水可以大大降低熔融的温度[3]，同时可以加快熔融的速率[8-9]。因此，自由水的加入使深熔作用更容易实现，这加速了大陆地壳的演化。

2 大陸地壳中自由水的运移

大陆地壳一度被认为是“干”的，因为大陆地壳相对致密，没有自由水运移和储存的空间[4]。但近年来研究表明水在大陆地壳中可以充分运移[5]。大陆地壳的岩石可以依据渗透率分为两种，一种为渗透率比较好的岩石，一种为渗透率低（<10-17m2）的岩石[10]。在两种岩石中，通道的建立方式并不一致。

渗透率好的岩石主要的流体运移通道源自裂缝，流体运移的方式主要为渗透。裂缝基本上依靠外部的构造应力形成，一旦外部应力场超过了岩石所能承受的极限，岩石就会发生不可逆变形，产生破裂。其中，地震就是产生外部应力的主要因素[11]。Maggi等[12]发现在全球大陆地壳范围内，岩石的有效弹性厚度均小于地震发育厚度。前者代表岩石所能保持有效弹性强度极限的深度，后者表示地震发育的深度。换言之，地震带来的能量要超过岩石承受的极限，所以会导致岩石的变形，尤其是脆性的上地壳岩石，直接产生供流体运移的断裂。

在渗透率低的岩石中，流体不可能再通过渗透的方式进行运移，而是改为扩散[2]。在渗透率高的岩石中，可能机械作用产生的孔隙或裂缝占据主导位置。但是，在渗透率低的岩石中，复杂的孔隙网络可以在运输-反应的过程中出现。最典型的现象就是假晶置换。Plümper等[5]以挪威拉尔维克岩基（Larvik batholith，Norway）为例，研究了不同端元长石假晶替换的过程，在这个过程中没有外部构造应力的作用，整个置换作用是在纳米级的孔隙作用下完成的（见图2）。Engvik等[13]也发现了类似的情况。长石作为大陆地壳中丰度最大的矿物，其对自由水的容纳能力进一步证明水对大陆演化的重要作用。此外，差异应力的存在会使矿物产生韧性变形或微裂缝，这同样为自由水的运移提供了通道。对于渗透率高的岩石来说，毫无疑问，流体压力是整个流体运移的第一驱动力。但是对于渗透率低的岩石来说，需要考虑多种因素的影响，包括流体压力差、离子浓度差以及电场差等。

3 识别大陆地壳演化过程中自由水存在的方法

自由水对大陆地壳演化的作用，最主要体现在对地壳深熔作用的影響上。判断地壳熔融过程中是否有自由含水流体参与，存在诸多标准，但无一例外都是以熔体作为研究对象，包括岩相学，熔体地球化学特征以及熔体温度、含水量、生成速率和黏滞度等物理性质[3]。如前文所述，地壳的熔融方式包括有自由水参与的熔融和脱水熔融两种，因此对这两种熔融方式的识别非常关键。

岩相学上，不同熔融方式生成的浅色体与转熔矿物存在差异，可以作为区分它们的重要标志，如图3所示。已有学者对此做了详细论述[3]，具体概括如下：含水体系熔融形成的浅色体较规整，而脱水熔融形成的浅色体较锋利，可能出现楔形等形状;含水体系熔融的浅色体无明显边界，而脱水熔融的浅色体则常具暗色边界;在低温下，有自由含水流体参与的熔融是一致熔融，其浅色体中不会出现转熔矿物，而脱水熔融一定会出现转熔矿物;在高温下，如果转熔矿物为角闪石，通常情况下代表了自由含水流体的存在;转熔的钾长石一般只能通过富钾火成岩在脱水熔融过程中形成。

在地球化学特征上，已有的研究表明，含水熔融的熔体在标准矿物中富含Ab和An，相对贫Or，具有更高的铝饱和指数（[ASI]）以及相对高的Fe含量[14]。斜长石和白云母分别是Sr和Rb的主要寄主矿物，且斜长石中Ba会以类质同象的方式替换Ca。含水体系熔融消耗更多的长石[14-16]，因此其熔体具有较高的Sr、Ba含量以及相对低的Rb/Sr和87Sr/86Sr初始比值，如图4所示。主要造岩矿物长石和云母的差异熔融，以及由此导致的熔体Rb-Sr特征差异是目前识别是否有自由水的参与的最典型标志[3]。Gao等[6]通过对高喜马拉雅Gyirong地区淡色花岗岩的研究，表明高场强元素（HFSE）和稀土元素（REE）也可以作为识别标志。在云母中，Nb的分配系数大于Ta的分配系数[17]，所以消耗更多云母的脱水熔融形成的熔体，Nb/Ta值以及Nb含量应该相对较大。此外，Gao等[6]指出，锆石、独居石等副矿物在含水体系熔融中更容易溶解，相应的熔体会具有更高的Zr/Hf比、Th/U比以及高的∑LREE值和Nd正异常。

在熔体物理性质上，因为自由水的参与可以拉低岩石固相线，因此其具有较低的熔融温度。现有研究通常会使用地质温度计去估计熔体形成的温度，以此来判断是哪种熔融过程[18]。不同熔融过程中形成的初始熔体的含水量也具有较大差异。脱水熔融中熔体的水含量由含水矿物的消耗量以及熔体形成的P-T条件确定[19]。而在含水体系下，熔体中的水含量下限为维持熔体生成的量，上限则受熔体中水的溶解度控制[20]。根据实验岩石学的研究[21]，含水体系在增压过程中熔体中的最小含水量和最大含水量都会上升，在增温过程中，最小含水量会变小，而最大含水量基本不变。在含水体系下，熔体的生成速度快，体积大量增加[3]。随着含水量的增加，熔体的黏滞度会显著下降。黏滞度下降最快的时候是在低水含量的情况下。例如，当水由0 wt.%升到2 wt.%时，黏滞度会下降好几个数量级。但是水含量增加时，只会有少量的下降[22]。而对于脱水反应来说，熔体的含水量与温度是相互依存的，温度的上升会降低熔体的含水量，这两者均会作用于黏滞度，存在着相互抵消[3]。

4 结语

大陆地壳的生长演化是地球演化中一个非常关键的科学问题，本文文简单综述了大陆地壳中自由水的运移方式、识别标志以及对大陆地壳演化的影响，证明了自由水在大陆地壳演化中扮演了不可忽视的作用。目前仍有一些科学问题值得继续研究，例如，自由水来是从哪里来的，这需要结合同位素地球化学及数值模拟进行更深入的研究。

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