层状岩体晶粥中压实作用效率——来自扬子地块北缘望江山岩体中部带矿物晶体粒度分布(CSDs)和空间展布形式(SDPs)的约束

李中州，王梦玺，张步乾，王洁

长安大学地球科学与资源学院，西安，710054

内容提要: 层状岩体冷凝中—晚期有铁钛氧化物结晶时，晶粥中粒间熔体的排出方式常以压实作用为主，但不同层位压实作用的效率往往不同，目前对控制压实作用效率的主要机制尚不清楚。笔者等以扬子北缘出露规模较大、分异程度较高的新元古代望江山层状岩体作为研究对象，利用斜长石、单斜辉石的晶体粒度分布(CSDs)和空间展布形式(SDPs)分析，探讨了岩体中部带下段(MZa)橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和中部带上段(MZb)氧化物辉长岩粒间熔体的排出机制及其效率。岩体MZa和MZb中斜长石和单斜辉石的CSD曲线均具有相互平行的特征，SDP图解具有负相关趋势，分别与机械压实的特征和趋势一致，表明各岩相带粒间熔体的排出方式均为机械压实。模拟计算得到橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中封闭粒间熔体比例(FTL)分别为：28%～33%，14%～23%和7%～12%，表明从MZa到MZb机械压实逐渐增强。MZa中橄榄辉长苏长岩斜长石CSD截距最大(2.23～3.78)，特征长最小(0.29～0.45)且小颗粒斜长石具有较大长宽比(5∶1～11∶1)，表明岩浆冷却速率较快，导致压实效率最低，粒间熔体未被有效排出。MZa中辉长苏长岩斜长石CSD截距减小(1.31～2.60)，特征长增大(0.43～0.58)且小颗粒斜长石长宽比减小(<5∶1)，说明冷却速率变慢，导致压实效率提高，粒间熔体被有效排出。MZb氧化物辉长岩中斜长石CSD截距进一步减小(0.49～1.60)，特征长进一步增大(0.53～0.69)且小颗粒斜长石具有低长宽比(<5∶1)，说明冷却速率进一步降低，同时相较于橄榄辉长苏长岩和辉长苏长岩堆晶矿物与粒间熔体密度差增大，压实效率进一步提高，粒间熔体排出程度达到最高。因此，层状岩体晶粥中机械压实效率主要受控于堆晶矿物与粒间熔体密度差以及岩浆冷却速率，当冷却速率较低并有大量铁钛氧化物结晶时机械压实作用的效率最高。

根据镁铁—超镁铁质层状岩体原位结晶模型，岩浆房从边部到中部由致密堆晶岩、晶粥和主体岩浆组成(Campbell, 1978; Kuritani et al., 2007; Namur et al., 2014)，其中致密堆晶岩全部由结晶矿物组成，不含熔体，而主体岩浆全部由熔体组成，不含结晶矿物，晶粥介于前两者之间，由堆晶矿物和粒间熔体共同组成(Wager et al., 1960)。前人研究认为晶粥中初始粒间熔体比例高达50%～70% (Campbell, 1978; Shirley, 1986; Philpotts et al., 1998; Jerram et al., 2003, Donev et al., 2004)，但冷凝成岩后其比例降至7%～60%(Irvine, 1982; Namur and Humphreys, 2018)，相应的堆晶岩在矿物组成、结构构造和化学成分上也存在较大差异(Irvine, 1982; Tegner et al., 2009; Namur and Charlier, 2012)，表明晶粥中粒间熔体的排出与层状岩体冷凝时的一系列物理过程有关。因此，对粒间熔体排出机制的研究有助于理解层状岩体的岩浆演化过程(Boorman et al., 2004；Holness et al., 2007, 2017; Tegner et al., 2009; Cashman et al., 2017; Yao Zhuosen et al., 2021; Wang Mengxi et al., 2022)。

粒间熔体从晶粥中排出的机制主要有成分对流(Compositional convection; Tait et al., 1984; Toplis et al., 2008)和压实作用(Compaction; Tegner et al., 2009; McKenzie, 1984, 2011)。成分对流作用发生的前提是粒间熔体和主体岩浆之间存在较大密度差(Tait et al., 1984; Sparks and Huppert, 1984; Tait and Jaupart, 1992; Toplis et al., 2008)，当晶粥中熔体密度低于上覆主体岩浆时会形成密度的不稳定分布导致粒间熔体与主体岩浆的交换(Namur and Charlier, 2012)。压实作用主要发生在粒间熔体和堆晶矿物存在较大密度差的情况下(McKenzie, 1984, 2011; Tegner et al., 2009; Namur and Charlier, 2012; Holness et al., 2017)，在粒间熔体排出过程中可能更加普遍(Holness et al., 2017)。根据堆晶岩中矿物是否发生黏性变形，可将压实作用分为机械压实(Mechanical compaction)和变形压实(Deformational compaction)。机械压实仅使矿物发生紧密堆积从而将粒间熔体排出，矿物并未产生变形，也不会形成明显的岩浆面理(Higgins, 1991)。而当压实程度大于50%时，会引起晶体形态的变化发生变形压实(Hunter, 1996; Meurer and Boudreau, 1998)，并产生明显的岩浆面理。当粒间熔体的比例较少、压实程度更高时，将发生压溶作用，表现为垂直于应力方向的矿物溶解—重结晶(Rutter, 1983; Hunter, 1996; Meurer and Boudreau, 1998; Holness et al., 2017)。不同类型的压实作用效率不同，即使同一种压实作用，在不同岩体以及同一岩体不同岩相带中效率也不尽相同。前人研究表明，压实效率与压实速率和堆晶速率的相对大小、堆晶矿物和粒间熔体的密度差以及岩浆的冷却速率等因素有关(Tegner et al., 2009; Namur and Charlier, 2012)，然而这些因素之间的相互关系及其如何控制压实效率的变化尚不清楚。

前人研究表明层状岩体中矿物晶体粒度分布(Crystal size distributions, CSDs)和空间展布形式(Spatial distribution patterns, SDPs)可以有效指示岩浆房中的一系列物理过程(Jerram et al., 1996, 2003; Higgins, 2002a; Boorman et al., 2004; Kaufmann et al., 2019; Wang Mengxi and Wang Christina Yan, 2020)。晶体粒度分布曲线以晶体粒度为横坐标，布居密度(单位体积内晶体数)的自然对数为纵坐标(Marsh, 1988)。层状岩体岩浆房中不同的物理过程具有不同的CSD曲线，通过CSD曲线及其斜率、截距等参数特征可以识别岩浆房中的动力学过程，如晶体成核与生长速率的变化、结构粗化、压实作用和成分对流等(Marsh, 1988；Boorman et al., 2004; Higgins, 2002a; 2006a)。机械压实由于粒间熔体被排出后矿物颗粒之间距离减小而布居密度增大，使初始平直的CSD曲线发生平行上移，表现为一系列相互平行的CSD曲线(Higgins, 2002a)。变形压实中压溶作用CSD曲线不仅表现为向上平移，而且小颗粒处斜率变缓(Higgins, 2002a)。成分对流常表现为粒间熔体和上覆主体岩浆之间的成分交换(Tait et al., 1984; Toplis et al., 2008)，会使粒度大小不同的晶体混合而产生类似岩浆混合的下凹型CSD曲线(Higgins, 1996；Higgins and Roberge, 2007)。晶体空间展布形式(SDPs)常通过样品中目标矿物之外的所有其他矿物含量之和与R值(矿物所有颗粒间最短相邻距离的观测值和预测值之比)的相关关系来表示，可以用来识别岩体冷凝过程中机械压实、变形压实、过度生长和分选增强等过程(Jerram et al., 1996, 2003)。因此，层状岩体中矿物的CSDs和SDPs相结合可以用来探讨晶粥中粒间熔体的排出机制。

望江山岩体是扬子北缘新元古代汉南杂岩带中规模较大的层状岩体(李行等，1995；Zhou Meifu et al., 2002; 凌文黎等，2001；苏犁，2004)，出露面积约100 km2，与全球典型的Skaergaard层状岩体规模相当(Nielsen, 2004)。望江山岩体由下部带、中部带和上部带组成，其中下部带主要由纯橄岩、橄长岩和辉石岩组成，中部带由橄榄辉长苏长岩、橄榄辉长岩、辉长岩和辉长苏长岩组成，上部带主要为辉长闪长岩(苏犁，2004)。岩体中部带厚度较大(约2000 m)，构成该岩体的主体，从底部到顶部斜长石和单斜辉石具有不同的晶体粒度、长宽比和定向程度等特征，不同岩相带在岩石结构和矿物组成方面也表现出较大差异，尤其是不同岩相带铁钛氧化物含量的差异，说明望江山岩体中部带不同岩石类型具有不同的岩浆演化过程，是研究浅部岩浆房粒间熔体排出机制及岩浆演化的理想对象。因此，本文对望江山岩体中部带不同岩相带的斜长石和单斜辉石进行了CSDs和SDPs分析，探讨望江山岩体中部带冷凝过程中粒间熔体的排出机制及其效率，同时也对阐明层状岩体晶粥的冷凝过程和粒间熔体演化具有一定意义。

图1 (a) 扬子地块北缘和西缘新元古代汉南—攀西岛弧地质图(据Zhao Guochun and Cawood, 2012修改)；(b) 扬子地块北缘新元古代汉南杂岩带中镁铁—超镁铁质岩体分布图(据Wang Mengxi and Wang Christina Yan, 2020修改)；(c) 望江山岩体地质简图(据李行等，1995修改); (d) 望江山岩体综合岩相柱状图(据李行等，1995；苏犁，2004修改)Fig.1 (a) Schematic geological map showing Neoproterozoic Hannan—Panxi island arc in the northern and western margins of the Yangtze Block ( modified after Zhao Guochun and Cawood, 2012); (b) simplified geological map showing Neoproterozoic mafic—ultramafic intrusions in the Hannan arc in the northern margin of the Yangtze Block (modified after Wang Mengxi and Wang Christina Yan, 2020); (c) plan view of the Wangjiangshan layered intrusion (modified after Li Hang et al., 1995&); (d) an integrated stratigraphic column of the Wangjiangshan intrusion (modified after Li Hang et al., 1995&; Su Li, 2004&)

1 地质背景

华南板块由扬子地块和华夏地块在中—新元古代拼合而成(图1a)(Chen Jiangfeng et al., 1991; Zhao Guochun et al., 2012)。扬子地块北缘以秦岭—大别—苏鲁造山带为界和华北板块南缘相接，西缘以松潘—甘孜造山带为界和青藏高原东部相接(图1a)。扬子地块由基底杂岩和上覆震旦系—中生界盖层组成，基底主要由太古宇角闪岩、中元古界变质沉积岩、新元古界地层和大量侵入岩组成(高山等，1990；Gao Shan et al., 1999; 凌文黎等，2006；赵凤清等，2006；徐学义等，2009；王梦玺等，2012；刘伟等，2018；旷红伟，2019；高峰，2020)，盖层主要为上震旦统—上侏罗统的碎屑岩、碳酸盐岩、变火山岩和一些冰川沉积物(Yan Danping et al., 2003)。

扬子地块北缘新元古代汉南杂岩带中发育有大量呈北东—南西向展布的镁铁—超镁铁质岩体(图1b)，这些岩体侵位于中—新元古代火地垭群和西乡群，并被震旦系地层不整合覆盖(凌文黎等，2001，2006；徐学义等，2009，2010；李婷，2010；敖文昊等，2014；耿元生等，2017)。汉南杂岩带中镁铁—超镁铁质岩体主要包括～870 Ma碑坝、～825 Ma望江山、～785 Ma毕机沟和～746 Ma骆家坝岩体(Zhou Meifu et al., 2002; Zhao Junhong and Zhou Meifu, 2009; Wang Mengxi et al., 2016)。毕机沟岩体是汉南杂岩带中出露规模最大的层状岩体，面积约500 km2，自下而上可划分为3个岩相带，下部带主要由橄榄岩和辉石岩组成，中部带由辉长岩组成，上部带主要由石英辉长岩组成(Zhou Meifu et al., 2002)。碑坝岩体出露面积约150 km2，岩性分异较好，从下到上主要由橄榄辉长岩、辉长岩和闪长岩组成(Zhao Junhong and Zhou Meifu, 2009)。骆家坝岩体为中细粒角闪辉长岩组成的小型镁铁质岩体(Zhao Junhong and Zhou Meifu, 2009)。

望江山岩体是汉南杂岩带中出露规模仅次于毕机沟的第二大层状岩体，长约17 km、宽约7 km，侵位于新元古代西乡群(图1c)(李行等，1995；凌文黎等，2001；Zhao Junhong and Zhou Meifu, 2009)。根据矿物组合的变化，前人将望江山岩体从下到上依次划分为：基底带(MGZ)、下部超镁铁岩带(LZ)、中部辉长岩带(MZ)、上部辉长闪长岩带(UZ)(图1d)(苏犁, 2004)。基底带为一套细粒辉长岩，普遍出现西乡群基性火山岩和碎屑岩的角砾和团块。下部带厚度约300～400 m，从下到上可分为3段：下段(LZa)主要由辉石岩和橄榄辉石岩组成，中段(LZb)主要由含长橄榄岩、橄榄岩组成，上段(LZc)主要由橄榄辉长苏长岩组成，其中橄榄辉石岩和橄长岩中赋存有厚度不一的铜镍(铂)矿化层。中部带为望江山岩体的主体，总厚度近2000 m，主要由橄榄辉长苏长岩、橄榄辉长岩、苏长辉长岩、氧化物辉长岩组成，根据岩性变化可将其划分为五个韵律层，各韵律层从底部到顶部岩性由细粒橄榄辉长苏长岩、细粒橄榄辉长岩渐变为中—粗粒辉长苏长岩或中—粗粒氧化物辉长岩(李行等，1995；苏犁，2004)。上部带主要由辉长闪长岩和含石英闪长岩组成，含少量角闪辉长岩，厚度约100 m，具有较清晰的韵律层状构造，与下伏中—粗粒氧化物辉长岩呈渐变过渡关系。

根据钒钛磁铁矿含矿性的不同将望江山岩体中部带从下到上依次划分为：①不含矿辉长苏长岩相带(MZa)，主要由两个从底部橄榄辉长苏长岩或橄榄辉长岩向上渐变为辉长苏长岩的韵律层组成；②含矿氧化物辉长岩相带(MZb)，主要由3个从底部橄榄辉长岩向上渐变为氧化物辉长岩的韵律层组成(图1d)。本研究在岩体中心相不同岩相带进行了系统采样，选取MZa中第二韵律层的3个橄榄辉长苏长岩样品、4个辉长苏长岩样品和MZb中第一韵律层的5个氧化物辉长岩样品进行CSDs和SDPs分析。

2 岩相学特征

2.1 橄榄辉长苏长岩

橄榄辉长苏长岩具有中堆晶结构(图2a)，主要由堆晶相斜长石(45%～50%)、斜方辉石(10%～15%)和橄榄石(3%～10%)、粒间相普通角闪石(10%～15%)、黑云母(1%～3%)、钛铁矿(1%～2%)、磁铁矿(<1%)以及同时呈堆晶相和粒间相产出的单斜辉石(15%～20%)组成。橄榄石(0.1～1.0 mm)呈粒状，常包含在结晶较晚的斜长石、辉石和角闪石中形成包橄结构。斜长石(0.1～2.0 mm，最大2.7×0.7 mm)呈自形—半自形长柱状，长宽比一般为2∶1到6∶1，最大可达11∶1，环带结构发育(图2a)，主要为具有核(An63～68)—边(An39～56)结构的正环带(王岩，2019)。斜方辉石(0.1～1.5 mm)和少数单斜辉石(0.1～1.5 mm)呈自形—半自形短柱状，发育有角闪石反应边，局部单斜辉石中包裹斜长石。粒间相单斜辉石(0.2～2.0 mm)、角闪石(0.2～2.0 mm)、黑云母(0.2～1.5 mm)和铁钛氧化物(0.1～1.0 mm)呈不规则他形粒状，充填于堆晶矿物之间，其晶体形态主要受堆晶矿物间隙形状影响，局部较大的普通角闪石或单斜辉石将堆晶相斜长石或橄榄石完全包裹。

图2 扬子地块北缘望江山岩体中部带不同岩石类型岩相学特征Fig. 2 Photomicrographs of samples from the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block(a) 橄榄辉长苏长岩中自形斜长石为堆晶相矿物，并发育有环带结构，单斜辉石自形程度较差，作为粒间相填充于斜长石颗粒之间，正交偏光，样品WJS-21；(b) 辉长苏长岩中斜长石为主要堆晶相，具有较弱的定向排列，环带结构发育，他形单斜辉石为粒间相矿物，正交偏光，样品WJS-30；(c) 氧化物辉长岩中斜长石和单斜辉石为堆晶矿物，其中偶见斜长石显示不一致消光，他形铁钛氧化物为粒间相矿物，正交偏光，样品WJS-24；(d) 氧化物辉长岩中蠕虫状的钛铁矿与辉石构成替代交生体，背散射图像，样品WJS-24(Pl—斜长石；Cpx—单斜辉石；Opx—斜方辉石；Ol—橄榄石；Fe—Ti oxide—铁钛氧化物 ；Ilm—钛铁矿；Mag—磁铁矿)(a) Cumulus plagioclase (Pl) laths are euhedral in shape with compositional zoning, and anhedral clinopyroxene (Cpx) grains occur as interstitial phase to cumulus plagioclase (Pl) in olivine gabbronorite. Cross-polarizer and transmitted light, sample WJS-21; (b) Cumulus plagioclase (Pl) grains show a weak alignment with compositional zoning, and clinopyroxene (Cpx) grains occur as interstitial phase in gabbronorite. Cross-polarizer and transmitted light, sample WJS-30; (c) Plagioclase (Pl) grains with undulose extinction occur as cumulus, with interstitial Fe—Ti oxides in oxide gabbro. Cross-polarizer and transmitted light, sample WJS-24; (d) The replacive symplectites are composed of orthopyroxene (Opx) and vermicule ilmenite (Ilm) in oxide gabbro. BSE image, sample WJS-24

2.2 辉长苏长岩

辉长苏长岩为补堆晶结构(图2b)，主要由堆晶相斜长石(55%～65%)和斜方辉石(15%～20%)，粒间相普通角闪石(1%～5%)、钛铁矿(2%～4%)、磁铁矿(1%～2%)和磷灰石(1%～5%)组成，单斜辉石同时以堆晶相和粒间相产出(20%～25%)。斜长石呈自形—半自形长柱状，粒度以0.2～2.0 mm为主，粒度最大可达1.0×6.0 mm，长宽比为2∶1到4∶1，少数最大可达8∶1，低于橄榄辉长苏长岩中相应比值，环带结构较发育(图2b)，主要为核(An65～71)—边(An55～57)结构的正环带和核(An54～59)—边(An60～72)结构的反环带(王岩，2019)，个别样品斜长石显示定向排列(图2b)，局部偶见弯曲变形，显示不一致消光。斜方辉石(0.2～1.5 mm)和单斜辉石(0.2～1.5 mm)呈自形—半自形短柱状，发育有角闪石反应边结构，局部单斜辉石包含有自形斜长石。粒间相铁钛氧化物(0.1～1.0 mm)、普通角闪石(0.2～2.0 mm)、磷灰石(0.1～0.5 mm)和单斜辉石(0.2～2.0 mm)呈他形粒状充填于堆晶矿物之间，含量低于橄榄辉长苏长岩中粒间相矿物。

2.3 氧化物辉长岩

氧化物辉长岩为补堆晶结构(图2c)，主要由堆晶相斜长石(50%～65%)和斜方辉石(5%～10%)，粒间相普通角闪石(5%～10%)、磁铁矿(8%～10%)、钛铁矿(2%～5%)以及同时以堆晶相和粒间相产出的单斜辉石(20%～25%)组成。斜长石呈自形—半自形长柱状，粒度以0.2～4.0 mm为主，最大可达1.0×7.5 mm，长宽比集中于2∶1到6∶1，少数可达11∶1，斜长石成分均一(An54～58)，环带结构不发育(王岩，2019)，局部偶见定向排列和弯曲变形，并显示不一致消光，面理不发育(图2c)。斜方辉石(0.2～2.0 mm)和单斜辉石(0.2～2.0 mm)呈自形—半自形短柱状，内部发育有出溶的针状铁钛氧化物，个别发育有角闪石反应边(图2c)。铁钛氧化物(0.1～1.5 mm)呈自形—半自形粒状，小颗粒晶体常被粒间相单斜辉石包裹。粒间相单斜辉石(0.2～1.5 mm)、普通角闪石(0.2～2.0 mm)、磁铁矿和钛铁矿(0.2～1.0 mm)以他形粒状充填于堆晶矿物颗粒之间，其中铁钛氧化物将斜长石、辉石熔蚀为港湾状或浑圆状；局部出现由斜方辉石和磁铁矿组成的替代交生体(图2d)，其中辉石体积约占60%～70%，蠕虫状磁铁矿约占30%～40%，宽度一般为1～50 μm。替代交生体根矿物为不规则粒状铁钛氧化物，被替代矿物为斜长石。

3 分析方法

由于望江山岩体中部带在野外露头并未出现明显的岩浆流面和流线，岩相观察也未见明显的矿物定向排列，因此我们对该带12个新鲜岩石样品磨制常规薄片时切片方向为随机选取。利用超景深光学显微镜拍摄薄片不同位置的单偏光和正交偏光显微照片，然后通过电脑自动拼接得到整个薄片的照片。在绘图软件中对所得照片进行矿物颗粒轮廓的描绘，为了准确识别矿物边界，需要对显微照片中相互接触的同种矿物颗粒边界在显微镜下旋转载物台进行区分，保证每个颗粒的边界都是准确的。本次研究能够识别的最小矿物颗粒为0.03 mm。

将得到的斜长石和单斜辉石灰度图利用ImageJ软件分别进行分析，统计颗粒的大小、圆度和长宽比等参数。晶体三维形态用三轴比，即短轴∶中轴∶长轴(S∶I∶L)表示，晶体实际的S/I值一般为薄片中晶体切面长/宽比(L/W)的众数(Higgins, 1994)，I/L值一般采用薄片中晶体切面长/宽(L/W)的偏度统计值进行估算(Higgins, 1994; Garrido et al., 2001)。而对于自形程度较高的斜长石和单斜辉石，最准确的三轴比应当保证颗粒在二维薄片中的含量和利用CSDs计算出的三维体积含量非常接近(Higgins, 2002a, b)。本次研究样品中，斜长石、单斜辉石均呈自形—半自形，通过对比薄片中矿物含量与CSD的体积含量，确定斜长石三轴比(S∶I∶L)为1∶2.7∶3.0，单斜辉石三轴比(S∶I∶L)为1∶2.0∶2.4。最后，利用CSDCorrections1.6软件(Higgins, 2002a, b)进行矿物定量化结构参数计算，并根据所得参数进行CSDs和SDPs分析。

定量化结构参数主要有CSD曲线的截距、斜率、特征长，矿物的最大粒度(Lmax)，定向程度(AF值)，长宽比(AR值)和空间展布形式的R值等。截距为CSD曲线与纵轴的交点，为晶体最终成核密度的自然对数，代表着成核速率，而斜率为晶体生长速率和生长时间乘积的负倒数，代表粒度为零的晶体到粒度无限大的所有晶体的平均粒度，可以代表生长速率(Marsh, 1988, 1998)。特征长为CSD曲线斜率的负倒数，和斜率具有相同的指示意义。AF值可以反映出晶体的定向程度，AF值越大则定向程度越好(Meurer and Boudreau, 1998)，AR值为晶体的长宽比。SDPs中R值可以定量描述二维空间晶体的空间分布形式，为分析区域内所有晶体间相邻最短距离的平均值与分析晶体间最短距离的随机分布预测值的比值，受相邻晶体最短距离和晶体密度影响。

4 分析结果

4.1

CSDs4.1.1橄榄辉长苏长岩

斜长石具有直线型CSD曲线，曲线斜率变化范围为-2.23～-3.46，截距为2.23～3.78。样品WJS-20和WJS-21中斜长石斜率与截距变化较小，在CSD曲线上表现出竖直向上平移的特征，WJS-13具有最小的截距和最大的斜率，与前两个样品相比，在粒度为1 mm处具有逆时针旋转的变化特征，但截距最大的WJS-21样品斜率并非最小，不同于结构粗化的曲线特征(图3a)。单斜辉石也具有直线型CSD曲线，曲线斜率变化范围为-2.54～-3.33，截距为1.68～2.76(表2)，斜率与截距的相关性并不明显，CSD曲线上总体表现出向上平移的特征(图3a)。

4.1.2辉长苏长岩

斜长石具有直线型CSD曲线，样品WJS-23和WJS-36分别在粒度为0.89 mm和0.56 mm处具有较弱的上凸特征，斜率总体变化范围为-1.65～-2.42，截距为1.31～2.60(表1)，在CSD曲线上表现出斜率变化不大、截距逐渐增大的向上平移的特征(图3b)。单斜辉石具有直线型CSD曲线，样品WJS-23和WJS-30分别在粒度为0.51 mm和0.24 mm处具有明显上凸特征。CSD曲线斜率变化范围较小(-2.40～-4.38)，而截距变化较大(1.49～3.97)(表2)，在CSD曲线上表现为向上平移的特征(图3b)。

图3 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中斜长石和单斜辉石CSD曲线Fig. 3 Compilation of the CSD curves of plagioclase and clinopyroxene of the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block

4.1.3氧化物辉长岩

图4 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中斜长石和单斜辉石SDP图解(据Jerram等(1996))。粉红色圆圈为辉长苏长岩单斜辉石校正后的值(详见后文)Fig. 4 Spatial distribution patterns for plagioclase and clinopyroxene of the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block (after Jerram et al., 1996). The pink circles represent the corrected R-values of clinopyroxene of the gabbronorite of MZb

斜长石具有直线型CSD曲线，其中样品WJS-6和WJS-24在粒度0.47 mm处具有上凸的特征。CSD曲线斜率和截距变化范围分别为-1.44～-1.88和0.49～1.60(表1)，显示出斜率基本一致而截距变化较大的向上平移的特征。单斜辉石具有直线型CSD曲线，除样品WJS-26在小颗粒处没有上凸特征外，其余样品在粒度0.38 mm和0.60 mm处均出现上凸的特征。斜率和截距变化范围分别为-2.10～-2.54和1.12～2.10(表2)，与斜长石一致，也表现出斜率变化较小、截距变化较大的向上平移的特征。

4.2 SDPs

橄榄辉长苏长岩中斜长石R值为1.16～1.25，在SDP图解上与样品中除斜长石外的其他矿物总量表现为负相关关系。单斜辉石R值为1.08～1.23，在SDP图解上与样品中除单斜辉石外的其他矿物总量也呈现出负相关关系，均与机械压实的趋势一致(图4)。辉长苏长岩中斜长石R值为1.18～1.30，在SDP图解上呈现出斜率较小的负相关趋势，与机械压实趋势一致。单斜辉石R值为0.96～1.04，在SDP图解上表现为斜率较大的负相关关系，与过度生长趋势一致(图4)。氧化物辉长岩中斜长石R值为1.14～1.21，在SDP图解上表现为斜率较小的负相关趋势，与机械压实的趋势一致。单斜辉石R值为0.99～1.15，在SDP图解上相关性较弱，没有明显的相关性(图4)。

表1 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中斜长石CSD和SDP参数Table l Parameters of CSDs and SDPs for plagioclase of the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block

表2 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中单斜辉石CSD和SDP参数Table 2 Parameters of CSDs and SDPs for clinopyroxene of the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block

样品三轴比为: 1∶2.0∶2.4。

表3 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中封闭粒间熔体比例和与样品平衡熔体的微量元素组成

5 讨论

5.1 封闭粒间熔体比例(FTL)

封闭粒间熔体(trapped liquid)是指层状岩体在冷凝过程中随着堆晶矿物的生长，最终被封闭在堆晶矿物颗粒之间而没有被排出晶粥的那一部分粒间熔体(Wager et al., 1960)。晶粥中初始粒间熔体比例约50～70%，但在完全固结的层状岩体样品中，封闭粒间熔体比例变化较大(7%～60%; Campbell, 1978; Irvine, 1980; Shirley, 1986; Philpotts et al., 1998; Jerram et al., 2003)。因此，封闭粒间熔体比例可以用来指示晶粥中粒间熔体是否被有效排出。望江山岩体中部带岩相学特征表明橄榄辉长苏长岩为中堆晶结构(图2a)，粒间相矿物含量在20%～30%，辉长苏长岩和氧化物辉长岩为补堆晶结构(图2b)，粒间相矿物含量在10%～20%。然而，粒间相矿物的含量只能定性对比不同岩相带粒间熔体排出的程度，不能代表封闭粒间熔体比例(FTL)。本次研究根据Bédard (1994, 2001)和Bédard等(2009)提出的平衡分配法(equilibrium distribution method)，并结合全岩成分(王岩等, 2019)计算了封闭粒间熔体比例，详细计算方法见Guo Feng等(2015)和 Wang Mengxi 和 Wang Christina Yan (2020)。计算结果表明望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩的FTL分别为：28%～33%、14%～23%和7%～12%，说明辉长苏长岩和氧化物辉长岩中粒间熔体被有效排出，而橄榄辉长苏长岩中粒间熔体未被有效排出。

5.2 粒间熔体的排出方式

橄榄辉长苏长岩中斜长石和单斜辉石CSD曲线均为直线型，而且总体表现为平行上移的特征，与机械压实的曲线特征一致(图3a)(Higgins, 2002a)。在SDP图解中，斜长石和单斜辉石均为斜率较小的负相关关系(图4)，也与机械压实作用的趋势一致(Jerram et al., 1996)。因此斜长石和单斜辉石的CSDs和SDPs均表明橄榄辉长苏长岩粒间熔体的排出方式为机械压实。

辉长苏长岩中斜长石和单斜辉石均具有平行的直线型CSD曲线(图3b)，与机械压实的特征一致(Higgins, 2002a)。在SDP图解上，斜长石表现出机械压实的变化趋势(图4)，而单斜辉石表现为相关性较弱的过度生长趋势，因此单斜辉石的CSD曲线与SDP变化趋势所反映的岩浆过程不一致。样品WJS-23和WJS-30中单斜辉石的CSD曲线在小颗粒处具有明显的上凸特征(图3b)，说明单斜辉石小颗粒发生了丢失。这可能是在粒间熔体排出过程中，由于小颗粒单斜辉石受重力的影响最小，在机械压实作用下被粒间熔体携带一起排出晶粥所致。从CSD曲线特征可知，这一过程相当于减少了单斜辉石小颗粒晶体的数量，类似于增强了晶体的分选而导致R值增大。我们以Jerram等(1996)研究为基础，选择符合单斜辉石小颗粒晶体减少模型(分选指数σI从0.67减至0.45，R值改变量为0.1)的R值改变量作为校正参数，对WJS-23和WJS-30单斜辉石R值进行校正。校正后辉长苏长岩所有样品在SDP图解上具有斜率较小的负相关关系，与机械压实的趋势一致(图4)。因此，辉长苏长岩粒间熔体的排出方式仍为机械压实。斜长石没有与粒间熔体一起排出可能与斜长石结晶较早有关，因为体系中斜长石结晶开始较早，特别是在斜长石成核阶段，压实作用还未发生，无法将小颗粒斜长石排出，而当压实作用程度开始之后，由于单斜辉石的结晶常常将小颗粒斜长石包裹，导致小颗粒斜长石无法排出晶粥。

氧化物辉长岩中斜长石和单斜辉石均具有一系列相互平行的CSD曲线(图3c)，与机械压实的曲线特征一致。在SDP图解中，斜长石具有与机械压实相同的趋势(图4)，而单斜辉石相关性不明显，其CSDs和SDPs所反映的岩浆过程不一致。我们认为这与辉长苏长岩中单斜辉石的情况相同，是小颗粒单斜辉石随粒间熔体排出的结果，不同的是所有氧化物辉长岩样品中单斜辉石CSD曲线均表现出小颗粒处的上凸特征，说明氧化物辉长岩机械压实作用效率高于辉长苏长岩，导致所有样品R值均发生了不同程度的改变，从而掩盖了机械压实在单斜辉石SDP图解中的趋势。因此，氧化物辉长岩粒间熔体的排出方式仍为机械压实作用，且效率高于辉长苏长岩。

综合CSDs、SDPs和FTL等结果可知，望江山岩体中部带不同岩相带粒间熔体的排出方式均为机械压实作用，且从MZa中橄榄辉长苏长岩到辉长苏长岩再到MZb中氧化物辉长岩机械压实效率逐渐增强。

5.3 影响不同岩相带机械压实作用效率的因素

压实效率可以通过压实速率与堆晶速率相对大小进行表征(McKenzie, 1984; Tegner et al., 2009; Namur and Charlier, 2012)，压实速率大于堆晶速率时压实作用才可发生，且二者差值越大压实作用越容易发生且效率越高。因此，我们对望江山岩体中部带样品的堆晶速率和压实速率进行了模拟计算。堆晶速率根据Irvine (1970) 的方法进行计算，结果表明望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩堆晶速率分别为0.84～0.27 m/a、0.26～0.18 m/a和0.15～0.13 m/a。压实速率根据McKenzie (1984, 1985) 和Sparks等(1985)的方法，假设堆晶矿物和粒间熔体达到了结构平衡，即当晶粥孔隙率很低时，孔隙没有被封闭，粒间熔体还能够与主体岩浆进行物质交换(Hunter, 1987; Mathez et al., 1997)，则压实速率(ω-W)有以下关系：

(1)

其中ω为熔体排出速度；W为晶体沉降速度；h为某时刻堆晶层厚度；δc为堆晶层发生压实作用的理论厚度：

(2)

其中ξ和η为分别为晶粥层的体积黏度和剪切黏度、μ为熔体黏度，KΦ为晶粥层的渗透率。

ω0为当压实没有发生而且熔体和初始孔隙率不变的情况下，晶体和熔体之间的相对速度：

(3)

其中ρs和ρl分别为堆晶矿物和熔体密度；g为重力加速度；μ为熔体黏度；Φ为晶体孔隙率；KΦ为堆晶层的渗透率：

(4)

其中a为晶体粒度，Φ为晶粥层孔隙率。

为了得到准确的压实速率，我们对模拟计算过程中相关参数的选择原因如下：①晶体粒度采用样品中矿物的平均粒度；②望江山岩体与Skaergaard岩体具有相似的堆晶组合，晶粥层黏度选用前人对Skaergaard岩体计算的相应值(1015Pas, Tegner et al., 2009; McKenzie, 2011)；③橄榄辉长苏长岩和辉长苏长岩样品具有相似的平衡熔体组成，如La、Ce、Sm、Nd、Th、U等元素(表3)，且粒间相没有指示熔体黏度明显增大的特征矿物(如铁钛氧化物)的大量出现，其熔体黏度采用岩浆黏度值(45 Pas, McBirney, 1993)，而氧化辉长岩样品的平衡熔体组成更加演化，如La、Ce、Sm、Nd、Th、U等元素含量明显增加(表3)，且有大量铁钛氧化物结晶，其熔体黏度选择铁钛氧化物饱和时的值更为准确(85 Pas, Namur and Charlier, 2012)；④密度差为堆晶矿物和粒间熔体密度差值的平均值；⑤晶粥孔隙率是一个连续变化的值，根据前人的计算方法，将0.6作为初始孔隙率，并以e(2.718)为倍数递减，分为3个阶段(Φ: 0.6～0.22；Φ: 0.22～0.08；Φ: 0.08～0.03)进行计算，根据不同岩相带的封闭粒间熔体比例，确定出样品所对应的孔隙率范围。

图5 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中机械压实速率与层厚关系图解图中实线为压实速率，虚线为堆晶速率 (V)，Δρ为堆晶矿物和粒间熔体密度差，Φ为粒间熔体比例变化范围Fig. 5 The calculated rate of compaction as a function of the thickness of the layer in olivine gabbronorite, gabbronorite and oxide gabbro in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block. Solid lines represent the rate of compaction, dotted lines represent the rate of crystal accumulation (V), Δρ represents the density contrast between the cumulus crystals and the interstitial melt and Φ represents the volumetric variation of the interstitial liquid

根据以上公式及相应参数(表4)，我们计算了不同岩相带的压实速率。结果表明，压实速率随着堆晶层厚度增大而增大，随着孔隙率的减小而增大(图5)。橄榄辉长苏长岩相带厚度为150 m，压实速率最大为0.33 m/a，而冷凝早期堆晶速率为0.84m/a，明显大于压实速率，此时压实作用无法发生，但随着堆晶层厚度的增加，堆晶速率逐渐减小，压实速率逐渐增大，当该岩相带堆晶厚度为135 m时，压实速率大于堆晶速率(0.27 m/a)，压实作用开始发生，因此橄榄辉长苏长岩中压实作用发生较晚，作用时间较短，导致压实效率较低(图5a)。辉长苏长岩相带堆晶厚度为110 m，最大压实速率为0.54 m/a，而初始堆晶速率为0.26 m/a，容易发生压实作用，且当该岩相带堆晶厚度为54 m时，压实速率大于堆晶速率(0.18 m/a)，随后压实作用开始发生，因此压实作用发生较早，相对于橄榄辉长苏长岩，压实作用时间较长且效率增大(图5b)。氧化物辉长岩相带厚度为130 m，最大压实速率为0.95 m/a，初始堆晶速率为0.15 m/a，压实作用非常容易发生，且当该岩相带堆晶厚度为38 m时，压实速率大于堆晶速率(0.13 m/a)，相比于辉长苏长岩，压实发生更早且作用时间更长、效率更高(图5c)。因此，从橄榄辉长苏长岩到氧化物辉长岩相带，压实作用时间逐渐增长，压实效率逐渐增高。

表4 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩样品计算压实速率的参数

氧化物辉长岩具有较高的堆晶矿物和粒间熔体密度差可能是其压实效率增高的主要原因(表4)，但辉长苏长岩相比于橄榄辉长苏长岩，堆晶矿物和粒间熔体密度差并没有明显增高，因此辉长苏长岩具有相对橄榄辉长苏长岩较高的压实效率可能还受其他因素控制。前人研究认为压实效率还可能与结晶过程中冷却速率的变化有关(McKenzie, 1984, 1985；Sparks et al., 1985; Tegner et al., 2009)。岩相观察显示橄榄辉长苏长岩具有辉长辉绿结构(图2a)，为快速结晶的特征，而辉长苏长岩和氧化物辉长岩为辉长结构(图2b；图2c)，是缓慢结晶的结果，说明这3个岩相带的压实效率可能还与冷却速率的变化有关。因此，还需要进一步约束望江山岩体中部各岩相带的冷却速率。

图6 扬子地块北缘望江山岩体中部带橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩中斜长石晶体短轴长度与长宽比相关图解。阴影区域为斜长石短轴小于0.1 mm的区域，代表冷却速率影响的晶体范围；绿色、红色、黑色线条分别为橄榄辉长苏长岩、辉长苏长岩和氧化物辉长岩不同粒度下最大长宽比的连线Fig. 6 The relationship of the length of short axis and aspect ratio of plagioclase crystals of the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in the MZ of the Wangjiangshan intrusion in the northern margin of the Yangtze Block. The shadow area represents the plagioclase grains with the length of short axis less than 0.1mm, which may be affected by the rate of cooling. The green, red and black lines represent the maximum aspect ratio of plagioclase of the samples from the olivine gabbronorite unit, gabbronorite unit and oxide gabbro unit in different sizes, respectively

岩浆冷却速率的变化可以通过CSD曲线的截距、特征长以及斜长石晶体形态进行判断。CSD曲线的表达式中截距(lnn0)为粒度无穷小晶体的布居密度，特征长代表所有晶体的平均粒度，分别可以用来指示晶体成核速率与生长速率，从而确定岩浆冷却速率的变化(Marsh, 1988, 1998; Higgins, 2006b; Higgins and Roberge, 2007)。辉长苏长岩和氧化物辉长岩中单斜辉石CSD曲线小颗粒处具有明显的上凸特征，截距难以准确反映其成核速率，而斜长石作为望江山岩体中部带主要堆晶矿物，其CSD曲线在小颗粒处上凸的特征较少，因此可以选择斜长石CSD曲线的截距和特征长来反映岩浆冷却速率的变化。另一方面，斜长石的晶体形态也可以反映冷却速率或过冷度的变化，斜长石短轴方向的结晶在过冷度较大的情况下会受到限制，长轴的结晶速率会得到促进，从而形成长宽比较大的斜长石(Cashman, 1992; Hammer et al., 1999; Higgins, 2006b; Holness, 2015)。但斜长石的形态常与粒度大小有关，如小颗粒斜长石具有高长宽比反映的是冷却速率较快的结晶过程，而大颗粒具有高长宽比可能是机械压实作用的结果，因为机械压实会导致晶体在垂直应力方向的晶轴生长速率增高，从而产生粒度较大且长宽比较高的斜长石(Higgins, 1991, 2006b)。因此，为了更好地判断望江山岩体中部带矿物成核过程中过冷度的变化，避免机械压实对斜长石长宽比的影响，我们选择斜长石短轴代表其粒度大小，并对不同粒度斜长石的长宽比进行统计(图6)。

橄榄辉长苏长岩斜长石CSD曲线具有中部各岩相带中最大的截距(2.23～3.78)和最小的特征长(0.29～0.45)，且在小颗粒(<0.1 mm)斜长石范围具有较高的长宽比(5∶1～11∶1)，说明晶体的成核速率较高，生长速率较低，则结晶过程中冷却速率较快，导致堆晶速率较高，延迟了机械压实的发生，使粒间熔体没有被及时排出。相比于橄榄辉长苏长岩，辉长苏长岩斜长石CSD曲线截距明显减小(1.31～2.60)，特征长明显增大(0.43～0.58)，且小颗粒(<0.1 mm)斜长石长宽比减小(<5∶1)，表明晶体成核速率的减小和生长速率的增大，岩浆冷却速率变慢，导致堆晶速率减小，使机械压实效率增高。氧化物辉长岩斜长石CSD曲线具有中部带最小的截距(0.49～1.60)和最大的特征长(0.53～0.69)，且小颗粒(<0.1 mm)斜长石也具有较低的长宽比(<5∶1)。相比于辉长苏长岩相带，该岩相带成核速率减小，生长速率增大，暗示冷却速率进一步减小，因此堆晶速率也进一步减小，使机械压实效率增高。同时，随着铁钛氧化物大量结晶使堆晶矿物和粒间熔体的密度差增大，二者共同导致压实速率增高，使其效率达到最大，粒间熔体排出程度最高。因此，橄榄辉长苏长岩具有较低的机械压实效率是冷却速率较快和堆晶矿物与粒间熔体密度差较小共同影响的结果，辉长苏长岩机械压实效率的增大与冷却速率减小有关，而氧化物辉长岩机械压实效率达到最大值是冷却速率进一步减小以及堆晶矿物与粒间熔体密度差增大共同作用的结果。

6 结论

扬子地块北缘望江山层状岩体中部带晶粥中粒间熔体的排出方式为机械压实作用，且不同岩相带机械压实的效率不同，导致粒间熔体的排出程度也不同。MZa中橄榄辉长苏长岩具有较高的冷却速率和较低的堆晶矿物与粒间熔体的密度差，造成较低的压实速率和较高的堆晶速率，机械压实效率较低，粒间熔体没有被有效排出；辉长苏长岩冷却速率降低使堆晶速率降低，导致机械压实效率增强，粒间熔体被有效排出。MZb中氧化物辉长岩冷却速率的持续降低使堆晶速率进一步降低，且随着铁钛氧化物大量结晶使堆晶矿物和粒间熔体的密度差增大，压实速率的增大使晶粥中机械压实效率达到最高，粒间熔体的排出程度也达到最高。因此，层状岩体中压实作用的效率受控于堆晶矿物和粒间熔体的密度差以及岩浆的冷却速率，较高的密度差和较低的冷却速率会提高机械压实效率，即在冷却速率较低并有铁钛氧化物结晶时机械压实作用的效率最高。