地幔熔体连通性的实验研究进展*

张宝华 刘海博 赵乘乘

浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室，浙江大学地球科学学院，杭州 310027

地球内部的部分熔融及其熔体/流体(溶质含量>70%且水含量<30%为熔体，溶质含量<30%且水含量>70%为流体，水含量介于30%～70%为超临界流体)的萃取、聚集、迁移和演化是造成地球成分演化和形成圈层构造的重要地质过程(Nietal., 2017)。地质熔体/流体(富水流体、硅酸质熔体、碳酸质熔体和超临界流体等)以及金属熔体的连通性不仅直接影响部分熔融岩石中熔体的迁移与渗透能力、不相容元素在固-液两相之间的分配(Watson and Lupulescu, 1993；Kohlstedt and Zimmerman, 1996；Minariketal., 1996；侯渭等，2004；Terasakietal., 2008；Zhuetal., 2011)，而且还对理解火成岩成因、岩浆结晶演化热历史、解释地球深部的各种地球物理学异常观测等具有重要意义，例如地球内部的低速高导层、大火成岩省(Large Igneous Provinces，简称LIPs)、大剪切波低速省(Large Low Shear Velocity Provinces，简称LLSVPs)、下地幔底部的超低速区(Ultra-Low Velocity Zones，简称ULVZs)的成因(Shankland and Waff, 1977；Williams and Garnero, 1996；Garnero and McNamara, 2008；Nietal., 2015；Liuetal., 2016；McNamara, 2019；Zhangetal., 2021)。

表征部分熔融岩石中熔体连通性最重要的一个参数就是二面角(Dihedral angle)，二面角受到温度、压强、挥发分、差应力等多种因素的影响(Smith, 1948；Toramaru and Fujii, 1986；von Bargen and Waff, 1986；Kohlstedt, 2002；侯渭等，2004；邵同宾等，2011；张宝华，2017)。实验研究矿物-熔体/流体的二面角不仅可以了解熔体/流体在固相矿物颗粒间的形态学、连通性等特征，还能够定量限定地球深部熔体的成分、分布与含量。本文根据最近几十年地幔熔体连通性的高温高压实验研究进展，首先介绍了熔体连通性的相关理论，然后系统总结和回顾了流体静压力和剪切变形条件下部分熔融体系中熔体连通性(二面角)的主要特征、影响因素和地学应用，最后指出了该领域仍存在的挑战并展望了未来发展方向。

1 熔体连通性的理论基础

目前学界普遍通过熔体形态学来判断部分熔融岩石体系中熔体的连通性，主要通过测量固-液二面角(简称二面角，dihedral angle，θ)来表征(侯渭等，2004)。二面角也叫润湿角，是指固体矿物相与液体相接触时两个相邻固液界面的切线间夹角(图1a)。在各向同性的流体静压力下，部分熔融岩石体系中熔体的二面角受固-固和固-液界面能的相对大小控制，根据前人研究(Smith, 1948；Toramaru and Fujii, 1986；von Bargen and Waff, 1986；Cooper, 1990；Kohlstedt, 2002)，熔体二面角θ可以表示为：

(1)

其中γss和γsl分别是固-固、固-液的界面能，其大小取决于固-固、固-液界面的表面张力。从公式(1)可以看出：①当γss≥2γsl，θ=0°，熔体呈薄层或薄膜形式沿颗粒边界分布，能够完全润湿颗粒表面并形成连通的三维熔体网络；②当γsl<γss<2γsl，0°<θ≤60°，熔体主要沿着三联点分布，形成连通的熔体管道(melt channel)；③当γss<γsl，θ>60°，熔体以孤立熔体囊(melt pocket)形式存在于三联点或四联点(图1b, c)。对于前两种情况，不管熔体分数大小，熔体在岩石中总是相互连通的，固-液界面为凸形曲面。但是，对于第三种情况，固-液界面为凹形曲面，只有当熔体分数超过某一阈值时，熔体才可能相互连通；这个熔体分数的临界值与二面角大小相关，二面角越大，临界值也就越大。因此在部分熔融体系中，二面角大小是判定熔体连通性最重要的指标参数。当熔体浸润了矿物晶面时，熔体就可能在矿物相之间形成一个连通的网络，而表面张力和界面能最小化是推动熔体连通的两个基本驱动力(郑小刚等，2008)。本文中所讨论的部分熔融岩石体系都是指低程度(<5vol%)的部分熔融，熔体分数一般远小于其临界值的情形。

图1 部分熔融岩石体系中熔体形态与二面角示意图(a)熔体填充通道的横截面，二面角如右侧放大图;(b)二面角类型;(c)岩石中熔体的连通性与分布Fig.1 Schematic diagrams of melt morphology and dihedral angle in partially molten rock system(a) cross-section of the melt-filled channel and dihedral angle as shown in the right magnification; (b) type of dihedral angle; (c) connectivity and distribution of melts in rocks

地幔熔体的连通过程是熔体逐渐浸润矿物相的过程，因此影响熔体二面角的主要因素包括：温度、压强、氧逸度、熔体成分、晶面方位、固-固相和固-液相界面能、差应力等(侯渭等，2004；周平等，2006；郑小刚等，2008；邵同宾等，2011)。此外，熔体易于优先润湿矿物低指数晶面(Cooper and Kohlstedt, 1982；Waff and Faul, 1992；Fauletal., 1994)，因此矿物晶格优选方位(LPO)和晶形优选定向(SPO)也会显著改变熔体连通网络的几何形态(Fauletal., 1994)。例如，橄榄石和辉石是具有很强各向异性的矿物，其熔体与晶体的固-液界面并不完全为曲面，也有平面状晶面(F面)作为固-液界面(Waff and Faul, 1992；Faul, 1997；Cmíraletal., 1998)。

2 熔体连通性的实验研究方法

在地质时间尺度内，地球内部的熔体/流体被岩石带出到地表的过程中可能与周围物质发生反应而形成脉体，也可能在矿物晶体颗粒间结晶而形成细颗粒晶体集合体，再或者与岩石发生分离而丢失。因此在天然岩石样品中，很难观察到地球深部高温高压状态下熔体/流体的真实分布与连通性(侯渭等，2004；郑小刚等，2008)。高温高压实验模拟是研究部分熔融体系在极端环境下熔体/流体在矿物晶体颗粒边界连通性最有效手段。该方法主要是在目标温压条件下，通过快速冷却将熔体以淬火玻璃的形式保存在矿物颗粒边界。高温高压实验后，利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对实验产物的任意切面进行详细的二维表面微结构形貌分析和表征，特别是二面角测量，有时还需要利用电子探针来定量测定熔体和周围矿物颗粒的化学成分。对于流体来说，在实验产物切割抛光过程中大部分颗粒边界流体会发生丢失而形成孔隙，因此含流体体系二面角的测量主要通过实验产物光薄片中孔隙的观测而完成的。

在实际应用中，下列几点需要特别注意：(1)在流体静压力下，部分熔融体系中熔体呈各向同性均匀分布，其迁移的主要驱动力为熔体表面张力；而在动态加载(存在差应力)条件下，熔体的几何形态与分布既会受到化学扩散影响又会受到差应力控制，因而具有各向异性特征(Kohlstedt, 2002；张宝华，2017)；(2)理论上，公式(1)仅对流体静压力下各向同性体系成立(von Bargen and Waff, 1986)，但实际上绝大多数壳幔矿物晶体都是各向异性的，如橄榄石、长石族和辉石族矿物，因此在缺乏定量理论描述的情况下，公式(1)也常常被用来讨论各向异性晶体体系和存在差应力条件下的二面角；(3)高温高压实验测量部分熔融体系的二面角，实验时间通常从数小时到数天，无论天然岩石体系还是人工合成样品体系，可能远未达到化学和热力学平衡；(4)由二面角的定义可知，在三维空间测量的矿物-熔体二面角的真值(真实二面角)，是严格意义上的二面角。而对淬火实验产物随机二维切面上测量得到的二面角并不一定是严格意义上的矿物-熔体二面角，常称之为表观二面角，表观二面角可能并不等于三维空间的真实二面角，因此需要进行上百次测量来减小实验误差。如果考虑到透射电镜的电子束可以倾斜，也可以使用透射电镜可以直接测量矿物晶体颗粒边界的真实二面角，其测量误差可以大大减小(Cmíraletal., 1998)，但是实验程序复杂且难度较大。

3 部分熔融岩石体系中熔体连通性的实验研究进展

3.1 流体静压力条件下地幔熔体的连通性

3.1.1 硅酸盐-硅酸质熔体体系

(1)当压强保持不变时，随着温度增加，部分熔融体系的二面角从1073K的53°～102°快速降低到1800K的～0°(图2a)；

(2)当温度保持不变时，随着压强增加，部分熔融体系的二面角从1GPa的最高120°快速降低到9GPa的<20°(图2b)；

(3)熔体成分的变化会引起熔体结构的改变，从而改变部分熔融体系的相平衡关系和熔体聚合度(NBO/T)。对熔体来说，NBO/T值愈低，熔体聚合程度就越高；反之，NBO/T值越高，熔体聚合程度越低。如图2c所示，随着熔体NBO/T增大，部分熔融橄榄岩体系的二面角从NBO/T=0.27的45°迅速降低至NBO/T>1.5的0°(Toramaru and Fujii, 1986；Yoshinoetal., 2009)。

(4)H2O和CO2对硅酸盐-硅酸质熔体体系二面角的影响完全不同。其本质原因是，H2O在岩浆中溶解过程就是与熔体中的桥氧起反应，破坏桥键，降低了桥氧的活度,导致去聚合作用的过程，从而大大降低熔体的黏度，因此体系二面角减小。CO2则相反，它与熔体中的非桥氧反应形成CO3-2，降低了含非桥氧多的组分(如橄榄石、斜方辉石等) 的活度，使熔体富含这些组分，从而降低NBO/T，增大了熔体的黏度(莫宣学，1985)，导致体系二面角增大。

图2 硅酸盐-硅酸质熔体体系的二面角硅酸盐+硅酸质熔体体系二面角受温度(a)和压强(b)影响(数据来源：Watson and Brenan, 1987；Watson et al., 1990；Mibe et al., 1998, 1999；Yoshino et al., 2002, 2007, 2009；Mu and Faul, 2016；Freitas and Manthilake, 2019；Huang et al., 2019, 2020)； (c)部分熔融橄榄岩二面角受熔体聚合度的影响(数据来源：Toramaru and Fujii, 1986；Yoshino et al., 2009)；(d)榴辉岩+H2O体系(数据来源： Ono et al., 2002；Mibe et al., 2003；Matsukage et al., 2017；Liu et al., 2018)Fig.2 Dihedral angle of silicate-silicate melt systems(a) temperature and (b) pressure effects (data from Watson and Brenan, 1987; Watson et al., 1990; Mibe et al., 1998, 1999; Yoshino et al., 2002, 2007, 2009; Mu and Faul, 2016; Freitas and Manthilake, 2019; Huang et al., 2019, 2020); (c) effect of melt polymerization degree (data from Toramaru and Fujii, 1986; Yoshino et al., 2009); (d) eclogite+H2O system (data from Ono et al., 2002; Mibe et al., 2003; Matsukage et al., 2017; Liu et al., 2018)

3.1.2 榴辉岩-H2O体系

榴辉岩是最重要的超高压变质岩，它是俯冲带和加厚大陆地壳深部的主要组成岩石。如图2d所示，已有部分学者研究了榴辉岩-H2O体系的连通性。Onoetal. (2002)在4～13GPa和1173～1473K条件下测量了镁铝石榴子石-水体系(pyrope-H2O)的二面角，他们发现温度不变时，随着压力升高到9GPa，二面角逐渐增大，当压强超过9GPa之后，二面角轻微降低；当压强小于7GPa时，二面角θ<60°；随着温度升高，二面角降低。 Mibeetal. (2003)在3～5GPa和973～1073K条件下首先报道了部分熔融榴辉岩体系中含水流体的连通性，实验结果表明二面角大小范围为θ=62°～68°，θ总是大于连通阈值60°。Matsukageetal.(2017)在4～16GPa和1273K条件下测量了榴辉岩-H2O体系的二面角，实验结果显示二面角从4GPa的46°增加到12GPa的66°，当压强大于12GPa以后二面角稍有下降。最近Liuetal.(2018)在17～19GPa和1273～1473K条件下研究了榴辉岩-H2O体系的连通性，他们的实验结果表明，随着温度和压强升高，二面角从55°减小到44°。综合已有实验结果来看(图2d)，榴辉岩-H2O体系的连通性显示出了与硅酸盐-硅酸质熔体体系完全不一样的特征：随温度升高，二面角降低；随压力升高，二面角先升高(上地幔)后降低(地幔过渡带)，在12GPa左右存在二面角的极大值。

3.1.3 硅酸盐-碳酸质熔体体系

与含硅酸质熔体的部分熔融体系相比，硅酸盐-碳酸质熔体体系连通性的实验研究还比较少。Hunter and McKenzie(1989)在3GPa下测量了橄榄石-碳酸盐熔体系统的二面角，实验结果表明橄榄石-碳酸盐熔体的二面角为28°，远小于熔体连通的阈值60°，而且发现二面角与熔体分数大小无关。Watsonetal. (1990)也测量了橄榄石-碳酸盐熔体系统的二面角，他们发现二面角对碳酸质熔体成分变化并不敏感，富Na2CO3成分的二面角为25°～30°。 Minarik and Watson (1995)在1GPa和1573K条件下测量了纯橄岩- Na2CO3熔体体系的连通性，实验结果显示, 0.05%的熔体能够在细粒(<63μm)橄榄石中相互连通,并且橄榄石颗粒越大，熔体连通所需的体积分数也就越小。

金属熔体的连通性，尤其是铁镍合金及其包含轻元素(如S、O、Si)的金属熔体体系的二面角，是理解地球和类地行星早期的核幔分异与演化的一个重要参数。目前针对硅酸盐-金属熔体(Fe-Ni-S-O-Si等)部分熔融体系的连通性，已经有比较多的高温高压实验报道(Ballhaus and Ellis, 1996；Minariketal., 1996；Shannon and Agee, 1996；Terasakietal., 2005, 2008；Mannetal., 2008)。如图3所示，Shannon and Agee (1996)在2～20GPa和1483～1983K条件下系统研究了压强对含Fe-Ni-S液体合金的部分熔融硅酸盐体系的连通性，发现二面角对压强和温度变化并不敏感，其平均值为108°。Ballhaus and Ellis(1996)在2GPa和1623～1843K条件下测量了橄榄石-Fe-Ni-Co-S合金熔体体系的二面角，实验结果表明温度对金属熔体连通性的影响很小，二面角从比较氧化条件下的68°增加到比较还原条件下的115°。同时，已有研究发现，在含变价元素的部分熔融体系中，熔体的二面角还会随着氧逸度的增加而有所改变(Minariketal., 1996；Gaetani and Grove, 1999)。Terasakietal.(2005)在4.6～20GPa、1650～2200K条件下研究了氧和硫对橄榄石/林伍德石-铁合金熔体体系连通性的影响，他们发现氧或硫含量增加都能降低体系的二面角，但是明显氧的作用要更强一些，可能与氧含量增加体系氧逸度增加有直接关系，无论如何，实验温压条件下体系的二面角都大于60°。后来，Terasakietal.(2008)在1.5～5GPa和1650K条件下测量了橄榄石-Fe-O-S合金熔体体系的二面角，实验结果显示在低压下(小于2～3GPa)体系二面角小于60°；当压强从3GPa上升到5GPa时，二面角从临界值60°快速升高接近100°，这可能与压强升高导致Fe-O-S金属熔体中氧含量降低有关。Mannetal.(2008)在2～5GPa和25GPa、1873～2273K条件下，分别研究了橄榄石-Fe-Si与布里基曼石-Fe-Si合金熔体体系的连通性，结果表明，含Si合金熔体的二面角(120°～140°)远大于熔体连通临界值60°；在还原条件下，Si含量的增加并没有降低固-液界面能，因此无法增强行星体中金属熔体的渗透性。

图3 硅酸盐-金属熔体体系的二面角数据来源：Ballhaus and Ellis, 1996; Shannon and Agee, 1996; Minarik et al., 1996; Terasaki et al., 2005, 2008; Mann et al., 2008Fig.3 Dihedral angle of silicate-metal melt systemData from Ballhaus and Ellis, 1996; Shannon and Agee, 1996; Minarik et al., 1996; Terasaki et al., 2005, 2008; Mann et al., 2008

3.1.4 硅酸盐-金属熔体体系

3.2 差应力条件下地幔熔体的连通性

地球内部广泛存在各种与时空相关的非均一性(如化学成分、温度等)，使得地球内部物质除受到各向同性的流体静压力作用外，还受到差应力的影响。因此，应力和应变能够引起部分熔融岩石体系的微观结构和熔体的形态与分布的显著改变(Kohlstedt and Zimmerman, 1996；Dimanovetal., 2000；Kohlstedt, 2002；Holtzmanetal., 2003a, b；张宝华，2017)。由于高温高压下的剪切变形实验极具技术挑战，已经报道的各种部分熔融体系的变形实验(包括单轴或三轴压缩、简单剪切和扭转变形)基本都是在改进的Griggs型压机或Paterson型流变仪上完成的，压强普遍比较低。特别是美国明尼苏达大学Kohlstedt教授及其合作者在这方面做了大量工作，取得了丰硕的成果。现阶段，剪切变形条件下部分熔融体系熔体连通性的实验研究主要获得了以下几点新认识：

(1)在简单剪切变形实验中(样品和活塞按照90°切割)，连续应变不仅形成连通的熔体网络，而且能够使熔体囊被压扁拉长，引起熔体形态优选方位(Melt preferred orientation)，熔体囊长轴分布或熔体充填的裂隙平行于最大主应力方向(图4a)(Zhangetal., 2014；Zhang and Yoshino, 2020)。

图4 剪切变形条件下部分熔融体系中熔体的分布与连通性(a)橄榄石-玄武岩体系(据Zhang and Yoshino, 2020修改)；(b)橄榄石-玄武岩-尖晶石体系(据Holtzman et al., 2003b修改)；(c)橄榄石-Fe-Ni-S体系(据Bruhn et al., 2000修改)Fig.4 Melt distribution and connectivity in partially molten systems under shear deformation(a) olivine-basalt system (modified after Zhang and Yoshino, 2020); (b) olivine-basalt-spinel system (modified after Holtzman et al., 2003b); (c) olivine-Fe-Ni-S system (modified after Bruhn et al., 2000)

(2)Kohlstedt教授课题组发现，无论是简单剪切(样品和活塞按照45°切割)还是扭转变形，部分熔融岩石体系中颗粒边界相互连通的熔体与最大主应力方向呈小角度(约20°)相交(图4b)(Hirth and Kohlstedt, 1995；Kohlstedt and Zimmerman, 1996；Daines and Kohlstedt, 1997；Zimmermanetal., 1999；Kohlstedt, 2002；Meietal., 2002； Holtzmanetal., 2003a, b；Zimmerman and Kohlstedt, 2004；Holtzman and Kohlstedt, 2007；Kohlstedt and Holtzman, 2009；Kingetal., 2010, 2011；Kohlstedtetal., 2010)。这些实验结果表明，在部分熔融体系的简单剪切或非共轴变形过程中熔体将逐渐向伸展剪切带内汇集(Kohlstedt and Holtzman, 2009；邵同宾等，2011), 与天然样品观测较为一致(Brown, 1994)。

(3)对于流体静压力下二面角比较大(θ>60°)的金属熔体，非单轴应力(动态加载)可以显著改变熔体的几何形状，促进晶界的润湿(降低金属熔体的二面角)，从而在系统中形成相互连接的金属熔体网络，并且与最大主应力的夹角～20°相交(图4c)(Bruhnetal., 2000；Rushmeretal., 2005；Groebner and Kohlstedt, 2006；Hustoft and Kohlstedt, 2006；Bergetal., 2017)。这些实验观察对理解地球及类地行星早期地核形成、核幔分异等问题具有重要意义。

值得注意的是，实验室条件下通常应变较小(<10)、差应力比较高(约几千兆帕)、应变速率也很快(10-3～10-5s-1)，而真实地球内部通常应变很大(远大于10)、差应力随着深度和温度的增加而逐渐减小，比如在地幔过渡带，其差应力大小可能为几十兆帕，应变率也很慢(10-12～10-14s-1)(Karato, 2008)。因此，将小的变形、大差应力、高应变速率下的实验室变形结果外推应用到地球内部大的变形、小差应力、低应变速率下的真实环境时，必须仔细考虑各种潜在的影响因素(张宝华，2017)。

3.3 地幔熔体连通性的地学应用

对部分熔融岩石体系来说，如果二面角大于60°，熔体在三联点或四联点是孤立不连通的，这种情况下熔体对部分熔融体系的物理化学性质影响有限，与固相体系相当；如果二面角小于60°，熔体在固体颗粒边界能够相互连通形成熔体网络，这种情况下熔体对部分熔融体系的物理化学性质具有重要影响，如增强电导率、降低岩石流变强度、降低波速、减小热导率等。这些方面已有诸多文献回顾(Kohlstedt, 2002; 侯渭等，2004；周平等，2006；周永胜等，2008；Kohlstedt and Holtzman, 2009；邵同宾等，2011；Freitasetal., 2021；Zhangetal., 2021；代唯琪等，2021)，在此不再赘述。

地质熔/流体(富水流体、硅酸质熔体、碳酸质熔体和超临界流体等)以及金属熔体是地球深部物质交换和能量传递的重要载体，研究其电导率、波速、热导率等物理性质，有助于更好地理解地球内部的结构、成分、早期核幔分异与地核形成过程(张宝华等，2022)，解释地震学和大地电磁观测结果，特别是阐明上地幔和过渡带的低速高导层、大剪切波低速省(LLSVPs)、下地幔底部的超低速区(ULVZs)的成因。已有研究普遍将这些地球物理学异常归结为部分熔融(Garnero and McNamara, 2008；Liuetal., 2016；McNamara, 2019；Zhangetal., 2021)，但是目前对相应区域熔体的成分、连通性、体积分数仍然没有很好约束，有待于进一步深入研究。

4 结论和展望

高温高压实验是研究地幔熔体连通性最重要最直接的方法，尽管过去三十年在地幔熔体连通性(二面角)的实验研究方面已经取得了相当大的进展(图2-图4)，但是我们注意到绝大部分实验工作都是国外研究者报道的，由于缺少相关实验设备，国内这方面的研究还比较薄弱，希望能引起国内同行关注。目前已经开展的流体静压力下部分熔融体系熔体连通性的实验研究，无论是硅酸质、碳酸质还是金属熔体，实验压强普遍都比较低(<20GPa)，因此，低压实验结果很难直接外推应用于下地幔深部、核幔边界甚至地核。另外，动态加载条件下(存在差应力)部分熔融体系熔体连通性的实验研究亟待进一步加强，当前主要集中于硅酸质熔体和金属熔体体系，碳酸质熔体体系还未见报道，而且Paterson型流变仪或Griggs型压机的围压分别都不超过0.4GPa和1GPa，将来需要实验技术创新，开展更高压强的实验研究。另外，挥发分(特别是H2O和CO2)对部分熔融体系熔体连通性的影响还缺乏系统性的实验研究。

地球物理学观测显示，在地幔过渡带顶部(330～410km)存在低速高导异常(Songetal., 2004；Toffelmier and Tyburczy, 2007；Tauzinetal., 2010)，目前普遍认为是由于部分熔融引起的。地震学研究推测地幔过渡带顶部熔体分数可能为1vol%～3vol%，然而部分熔融体系的高温高压电导率测量与大地电磁观测结果对比研究表明0.1vol%～0.3vol%的碳酸盐熔体就可以解释上地幔底部的高电导率异常(Gaillardetal., 2008；Zhangetal., 2021)。当部分熔融体系中熔体含量比较低时(<1vol%)，如何精确测量熔体成分、挥发分含量、二面角、固-液界面能？仍然面临巨大的技术挑战。高温淬火熔体二面角测量能否代表地幔熔体真实二面角？温度、压强、熔体成分与结构、挥发分、差应力等因素对熔体连通性(二面角)影响的微观机制仍缺乏足够深入的了解。以上很多问题实际上都受到高温高压实验设备、原位观测技术、微区分析方法等方面的诸多限制。笔者相信这些问题的更好解决，将对解释地球物理在壳幔观测到的低速高导异常、约束地球深部熔体的成分、含量与分布等方面具有重要意义。