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【摘 要】熔融实验研究开始于20世纪50年代。据不完全统计，仅90年代，国际上发表的与部分熔融实验有关的论文有50000多篇，受实验条件的限制，直接与实验相关的论文只有200多篇，但部分熔融实验的成果仍然对岩浆起源、深部构造、壳慢物质交换等重大地学问题给出了许多定量的约束，推动了地学的发展。
【关键词】熔融；岩类；发展
一、熔融实验研究现状及成果
用于部分熔融实验的岩石类型括：二辉橄榄岩、玄武岩、辉长岩、花岗岩、英云闪长岩、奥长花岗质、黑云斜长片麻岩、榴辉岩、麻粒岩、角闪岩及孔兹岩系等。在平均成分上包括了从上地慢到上地壳的全部岩石类型，为岩石成因和岩石圈演化的研究提供了丰富资料。
根据实验目的的不同，部分熔融实验主要包括人工化学合成系统熔融实验、天然岩石粉末熔融实验、天然岩石块状样品熔融实验及天然矿物合成样品熔融实验等4种。依据实验初始物质的状态，可以将现有的高温高压岩石脱水熔融实验分为两类：粉末样品脱水熔融实验和块状样品脱水熔融实验。由于粉末样品成分均匀，容易达到化学平衡，因此已有的实验大多数是利用粉末样品进行的（Lambert等，1972；Ellis等，1986；Puziewicz等，1990）。相对于粉末样品熔融实验，块状样品岩石脱水熔融实验也有它的优点（Hacker B等，1990；Wolf等，1991）。首先，块状样品保留了天然样品的结构，利用块状样品进行岩石脱水熔融实验可能更真实地模拟地球深部岩石脱水熔融过程。其次，利用块状样品进行岩石脱水熔融实验可以使我们清楚的了解岩石熔融的动态过程，如新生矿物和熔体最初生成的部位；随时间变化，其分布的变化和成分的演化。这些都是熔融过程中我们知之甚少的问题。因此块状样品岩石脱水熔融实验是粉末样品熔融实验的有力补充。
近年来国内学者对块状样品高温高压熔融做了大量实验，对块状岩石样品的熔融特征取得了众多新的成果：
朱卫国等（1998）以玄武岩为实验初始样品，在温度为1650℃，压力为1-3GPa条件下进行了熔融实验，对实验产物中的玄武岩淬火玻璃进行的电子探针分析表明，玄武岩玻璃成分大致相同，Mg#≤50，w（K2O）为1.5左右；只有Al2O3的含量随压力增大而增加，SiO2随压力的增加而减小。
郑海飞等（1995）以榴辉岩为实验初始样品；郑海飞等（1996）以碱性玄武岩和拉斑玄武岩为实验初始样品，分别进行了温度为800-1300℃，压力1.0-3.5GPa，和温度850-1300℃，压力1.5-3.5GPa的熔融实验，结果表明，榴辉岩熔融产生的玻璃成分中，Mg#≤50，w（K2O）含量多数较低。
20世纪70年代，国外研究者开始注意有含水矿物参与的水不饱和情况下的部分熔融现象。与吸水熔融过程截然相反的是，岩石的部分熔融从含水矿物(如黑云母、角闪石)的脱水分解开始。1991，Wyllie及其领导的工作组将其定名为脱水部分熔融(Dehydration melting)，即初始物质中含有含水矿物的样品，在水不饱和的情况下，含水矿物的分解将直接导致样品的初始熔融。之后的研究取得了很多成果，部分总结如下:
（一）随着实验条件的进步，目前国内外用于脱水部分熔融实验的仪器可达到的温度超过1400℃，压力超过32kbar，相当于地壳下IOOmk左右的深度。
（二）封闭体系的脱水部分熔融，暗色含水矿物优先脱水，诱发长英质矿物熔融，最后可得到含水的熔体和无水或含少量水的残留体。
（三）含水矿物脱水在部分熔融过程中的作用。在0.05-1.OGPa下，水呈孔隙流体存在，并且长英质和镁铁质体系中水饱和熔融开始于600-700℃。然而，普遍认为下地壳在正常情况下缺失孔隙流体，水仅以含水矿物的结构水形式存在。当下地壳发生脱水部分熔融时，含水矿物在部分熔融过程中发生脱水，含水矿物中脱出的游离水直接溶解进入水不饱和硅酸盐熔体。水的存在可以降低岩石的熔融温度，并且减小岩浆的粘性、密度并促进岩浆的运移。
二、存在的问题
（一）样品的初始状态：由于实验条件和实验目的的不同，大部分部分熔融实验采用粉末样品。粉末样品的优点是熔融较易达到平衡，熔体成分较均一。但是粉末样品破坏了岩石的原有结构，改变了天然块状样品所具有的熔融温度和熔融性质。尤为突出的是不能直接观察未熔矿物与熔体之间所发生的转变反应及熔体的赋存状态。所以，块状样品的脱水部分熔融实验受到越来越多的重视。到目前为止，基性变质岩类的脱水部分熔融实验研究以粉末样品为主，仅少量使用块状样品。
（二）体系的封闭或开放程度：在热力学基本概念中，涉及到封闭体系和开放体系两个概念。封闭体系是指与环境没有物质交换，但有能量交换的体系;开放体系是指与环境之间存在物质交换的体系。对于脱水部分熔融实验而言，在封闭体系中，含水矿物脱水后，水直接参与熔融。而在开放体系中，水会逃逸到体系外，不参与熔融。封闭体系和开放体系的熔融作用在熔融机制、初熔液相、矿物相消失顺序以及残余固相等方面存在很大差别。
近年來的研究表明，熔融体系对于俯冲带洋壳分解释放的含H2O流体来说是开放的。从这个意义上讲，完全封闭的简单或复杂体系的相平衡实验研究，在模拟自然界岩石熔融条件方面带有一定的局限性和片面性，即地慢和地壳岩石的熔融作用对于循环于岩石圈内的挥发分来说不可能是完全封闭的体系。开放体系的熔融实验可能是岩浆起源研究的重要内容之一。然而，到日前为止，脱水部分熔融实验的成果基本是基于封闭体系得到的，而开放体系脱水部分熔融的成果很少。
（三）局部熔融体系开放后，该理论是否还成立：熔融达到一定程度，局部熔融体系开放，熔体不再被圈闭于一个封闭体系中。这时的熔体成分是否还是受到体系中矿物组成的影响，局部熔融体系理论是否成立?
借用并拓展吴福元(1993)提出的局部熔融体系概念，将开放后的局部熔融体系仍称之为局部熔融体系，将吴福元定义的局部熔融体系改称为封闭的局部熔融体系。在此前提上，探讨熔体成分是否仍受到体系内物质组成(即体系内矿物边界条件)的影响。
三、闪长岩失水熔融实验
（一）实验样品：实验样品采自吉林省梨树县十家堡河家东山的细粒闪长岩，岩性均匀，岩石主要矿物组成：斜长石55%左右，普通角闪石40%左右，少量黑云母和石英，副矿物为磷灰石、榍石和锆石；岩石为半自形细粒结构，矿物颗粒细小，粒径为0.2-0.4mm；少量长石呈斑晶出现；不规则粒状晶质结构，块状构造，局部具有弱的定向构造。
实验样品的制备：沿着岩石垂直面理的方向钻取岩样，加工成直径15 mm±和长20 mm±的圆柱体，其端面平行度小于0.2 mm，垂直度小于0.02 mm。
（二）实验方法：实验使用活塞圆筒式固体介质三轴实验装置。该装置由围压系统、轴压系统、加温系统和记录系统四部分组成。围压由Wy300B型稳压源控制，轴压由英国Instron公司生产的电液伺服压机控制，通过自动卸载或加载控制应力状态，温度由DWT702型自动控温仪控制。实验样品加工成直径15mm和高20mm的岩石圆柱体，样品外侧为石墨套管，再外侧是叶腊石传压介质套（岳石等，1990），用NiCr—NiSi热电偶连接样品的顶底端。由于实验样品块体大而且受加温持续时间的限制，样品圆柱体内存在温度梯度，根据岳石等（1990）对温度的系统标定，该装置在纵向上，样品中间温度高于样品两端温度约50℃，在横向上样品与石墨套管相接触部位高于样品中部的温度，温度差不大于30℃（岳石等，1990；吴福元，1993）。本文所列试验温度为纵向上校正后的温度。
静态熔融实验是指无差应力状态下的熔融实验，样品的应力方式为σ1=σ2=σ3。
动态熔融实验是指有差应力状态下的熔融实验，即伴随有变形过程的熔融实验。施加最大主应力为σ1，其应力状态为σ1≠σ2=σ3，差应力σ=σ1—σ2（σ2=σ3）。轴压和围压按准静水压加载，围压加到接近目标压力时，开始加温。初期加温速率为25℃/min，接近目标温度时，改为10℃/min；在加温时，样品膨胀，为了避免系统轴压逐步上升，轴压系统由位移控制切换到应力控制，切换过程平稳。当温度达到设定目标温度时，围压缓慢加到目标压力，系统稳定后，轴压再次切换到位移控制，按控制速率加载。
四、熔融实验结果
将上述实验后的岩石样品沿中心平行柱面切成光学薄片，为了减小温度梯度对样品的影响，选择样品中心到两边的相同部位进行偏光显微镜下观察，并在相同部位做电子探针成分分析。
样品SB-D3、SB-D4、SB-D5、SB-D6发生了部分熔融，而样品SB-D1、SB-D2镜下则未見熔融现象发生。下面分别就已经发生熔融现象的样品讨论其熔融作用的特征以及熔体与变形间的关系。
五、结论
（一）相同压力条件下，闪长岩失水熔融程度随温度增加而增加，随熔体量增多，熔体成分由基性向中性方向转变，但熔体中K2O含量变化不大；（二）相同温度条件下，低压和高压对岩石部分熔融生成的熔体成分变化规律不明显，原因是水分压对熔体性质起着明显的控制作用；由于实验体系处于半封闭和半开放条件下，熔融过程中角闪石脱水产生的PH2O在熔融过程中保持近恒定；（三）重要影响，角闪石附近熔体富Mg、Fe、Ca和Ti，斜长石附近熔体富Al和Na；（四）相同温度条件下，应变速率大的样品，其熔融程度较应变速率小的样品高；（五）在特定的条件下，闪长岩产生的硅酸盐熔体可发生富Fe氧化物熔体的熔离作用。这种熔离作用导致硅酸盐熔体的Mg#值显著增高。
实验反映了一种现象：相当明显的应力熔融现象，即其他条件均相同的情况下，在应力集中区，也就是强变形区，熔融程度最高，离开强变形区，随应力的减弱，熔融程度也随之降低，这种熔融程度明显受应力控制的现象，称为应力熔融现象。这种现象无论在块状样品还是在光学显微镜下，都有明显的表现。
【参考文献】
[1]姜杨，周汉文，杨启军等.0.1GPa块状榴辉岩脱水部分熔融：局部熔融体系和温度的影响[J].地球科学（中国地质大学学报），2006，31（1）：121-128
[2]林强，吴福元，马瑞.花岗岩块状样品的熔融实验研究[J].地球化学，1993，13（4）：256-362
[4]Hermann J，Green D H.Experimental constraints on high pressure melting in subducted crustr[J].Earth and Planetary Science Letters，2001（188）：149-168
[5]Jaques A L and Green D H.Anhydrous melting of peridotite at 0-15kb pressure and the genesis of tholeiitie basalts[J].Contrib.Mineral.Petrol，1980（73）：287-310
【关键词】熔融；岩类；发展
一、熔融实验研究现状及成果
用于部分熔融实验的岩石类型括：二辉橄榄岩、玄武岩、辉长岩、花岗岩、英云闪长岩、奥长花岗质、黑云斜长片麻岩、榴辉岩、麻粒岩、角闪岩及孔兹岩系等。在平均成分上包括了从上地慢到上地壳的全部岩石类型，为岩石成因和岩石圈演化的研究提供了丰富资料。
根据实验目的的不同，部分熔融实验主要包括人工化学合成系统熔融实验、天然岩石粉末熔融实验、天然岩石块状样品熔融实验及天然矿物合成样品熔融实验等4种。依据实验初始物质的状态，可以将现有的高温高压岩石脱水熔融实验分为两类：粉末样品脱水熔融实验和块状样品脱水熔融实验。由于粉末样品成分均匀，容易达到化学平衡，因此已有的实验大多数是利用粉末样品进行的（Lambert等，1972；Ellis等，1986；Puziewicz等，1990）。相对于粉末样品熔融实验，块状样品岩石脱水熔融实验也有它的优点（Hacker B等，1990；Wolf等，1991）。首先，块状样品保留了天然样品的结构，利用块状样品进行岩石脱水熔融实验可能更真实地模拟地球深部岩石脱水熔融过程。其次，利用块状样品进行岩石脱水熔融实验可以使我们清楚的了解岩石熔融的动态过程，如新生矿物和熔体最初生成的部位；随时间变化，其分布的变化和成分的演化。这些都是熔融过程中我们知之甚少的问题。因此块状样品岩石脱水熔融实验是粉末样品熔融实验的有力补充。
近年来国内学者对块状样品高温高压熔融做了大量实验，对块状岩石样品的熔融特征取得了众多新的成果：
朱卫国等（1998）以玄武岩为实验初始样品，在温度为1650℃，压力为1-3GPa条件下进行了熔融实验，对实验产物中的玄武岩淬火玻璃进行的电子探针分析表明，玄武岩玻璃成分大致相同，Mg#≤50，w（K2O）为1.5左右；只有Al2O3的含量随压力增大而增加，SiO2随压力的增加而减小。
郑海飞等（1995）以榴辉岩为实验初始样品；郑海飞等（1996）以碱性玄武岩和拉斑玄武岩为实验初始样品，分别进行了温度为800-1300℃，压力1.0-3.5GPa，和温度850-1300℃，压力1.5-3.5GPa的熔融实验，结果表明，榴辉岩熔融产生的玻璃成分中，Mg#≤50，w（K2O）含量多数较低。
20世纪70年代，国外研究者开始注意有含水矿物参与的水不饱和情况下的部分熔融现象。与吸水熔融过程截然相反的是，岩石的部分熔融从含水矿物(如黑云母、角闪石)的脱水分解开始。1991，Wyllie及其领导的工作组将其定名为脱水部分熔融(Dehydration melting)，即初始物质中含有含水矿物的样品，在水不饱和的情况下，含水矿物的分解将直接导致样品的初始熔融。之后的研究取得了很多成果，部分总结如下:
（一）随着实验条件的进步，目前国内外用于脱水部分熔融实验的仪器可达到的温度超过1400℃，压力超过32kbar，相当于地壳下IOOmk左右的深度。
（二）封闭体系的脱水部分熔融，暗色含水矿物优先脱水，诱发长英质矿物熔融，最后可得到含水的熔体和无水或含少量水的残留体。
（三）含水矿物脱水在部分熔融过程中的作用。在0.05-1.OGPa下，水呈孔隙流体存在，并且长英质和镁铁质体系中水饱和熔融开始于600-700℃。然而，普遍认为下地壳在正常情况下缺失孔隙流体，水仅以含水矿物的结构水形式存在。当下地壳发生脱水部分熔融时，含水矿物在部分熔融过程中发生脱水，含水矿物中脱出的游离水直接溶解进入水不饱和硅酸盐熔体。水的存在可以降低岩石的熔融温度，并且减小岩浆的粘性、密度并促进岩浆的运移。
二、存在的问题
（一）样品的初始状态：由于实验条件和实验目的的不同，大部分部分熔融实验采用粉末样品。粉末样品的优点是熔融较易达到平衡，熔体成分较均一。但是粉末样品破坏了岩石的原有结构，改变了天然块状样品所具有的熔融温度和熔融性质。尤为突出的是不能直接观察未熔矿物与熔体之间所发生的转变反应及熔体的赋存状态。所以，块状样品的脱水部分熔融实验受到越来越多的重视。到目前为止，基性变质岩类的脱水部分熔融实验研究以粉末样品为主，仅少量使用块状样品。
（二）体系的封闭或开放程度：在热力学基本概念中，涉及到封闭体系和开放体系两个概念。封闭体系是指与环境没有物质交换，但有能量交换的体系;开放体系是指与环境之间存在物质交换的体系。对于脱水部分熔融实验而言，在封闭体系中，含水矿物脱水后，水直接参与熔融。而在开放体系中，水会逃逸到体系外，不参与熔融。封闭体系和开放体系的熔融作用在熔融机制、初熔液相、矿物相消失顺序以及残余固相等方面存在很大差别。
近年來的研究表明，熔融体系对于俯冲带洋壳分解释放的含H2O流体来说是开放的。从这个意义上讲，完全封闭的简单或复杂体系的相平衡实验研究，在模拟自然界岩石熔融条件方面带有一定的局限性和片面性，即地慢和地壳岩石的熔融作用对于循环于岩石圈内的挥发分来说不可能是完全封闭的体系。开放体系的熔融实验可能是岩浆起源研究的重要内容之一。然而，到日前为止，脱水部分熔融实验的成果基本是基于封闭体系得到的，而开放体系脱水部分熔融的成果很少。
（三）局部熔融体系开放后，该理论是否还成立：熔融达到一定程度，局部熔融体系开放，熔体不再被圈闭于一个封闭体系中。这时的熔体成分是否还是受到体系中矿物组成的影响，局部熔融体系理论是否成立?
借用并拓展吴福元(1993)提出的局部熔融体系概念，将开放后的局部熔融体系仍称之为局部熔融体系，将吴福元定义的局部熔融体系改称为封闭的局部熔融体系。在此前提上，探讨熔体成分是否仍受到体系内物质组成(即体系内矿物边界条件)的影响。
三、闪长岩失水熔融实验
（一）实验样品：实验样品采自吉林省梨树县十家堡河家东山的细粒闪长岩，岩性均匀，岩石主要矿物组成：斜长石55%左右，普通角闪石40%左右，少量黑云母和石英，副矿物为磷灰石、榍石和锆石；岩石为半自形细粒结构，矿物颗粒细小，粒径为0.2-0.4mm；少量长石呈斑晶出现；不规则粒状晶质结构，块状构造，局部具有弱的定向构造。
实验样品的制备：沿着岩石垂直面理的方向钻取岩样，加工成直径15 mm±和长20 mm±的圆柱体，其端面平行度小于0.2 mm，垂直度小于0.02 mm。
（二）实验方法：实验使用活塞圆筒式固体介质三轴实验装置。该装置由围压系统、轴压系统、加温系统和记录系统四部分组成。围压由Wy300B型稳压源控制，轴压由英国Instron公司生产的电液伺服压机控制，通过自动卸载或加载控制应力状态，温度由DWT702型自动控温仪控制。实验样品加工成直径15mm和高20mm的岩石圆柱体，样品外侧为石墨套管，再外侧是叶腊石传压介质套（岳石等，1990），用NiCr—NiSi热电偶连接样品的顶底端。由于实验样品块体大而且受加温持续时间的限制，样品圆柱体内存在温度梯度，根据岳石等（1990）对温度的系统标定，该装置在纵向上，样品中间温度高于样品两端温度约50℃，在横向上样品与石墨套管相接触部位高于样品中部的温度，温度差不大于30℃（岳石等，1990；吴福元，1993）。本文所列试验温度为纵向上校正后的温度。
静态熔融实验是指无差应力状态下的熔融实验，样品的应力方式为σ1=σ2=σ3。
动态熔融实验是指有差应力状态下的熔融实验，即伴随有变形过程的熔融实验。施加最大主应力为σ1，其应力状态为σ1≠σ2=σ3，差应力σ=σ1—σ2（σ2=σ3）。轴压和围压按准静水压加载，围压加到接近目标压力时，开始加温。初期加温速率为25℃/min，接近目标温度时，改为10℃/min；在加温时，样品膨胀，为了避免系统轴压逐步上升，轴压系统由位移控制切换到应力控制，切换过程平稳。当温度达到设定目标温度时，围压缓慢加到目标压力，系统稳定后，轴压再次切换到位移控制，按控制速率加载。
四、熔融实验结果
将上述实验后的岩石样品沿中心平行柱面切成光学薄片，为了减小温度梯度对样品的影响，选择样品中心到两边的相同部位进行偏光显微镜下观察，并在相同部位做电子探针成分分析。
样品SB-D3、SB-D4、SB-D5、SB-D6发生了部分熔融，而样品SB-D1、SB-D2镜下则未見熔融现象发生。下面分别就已经发生熔融现象的样品讨论其熔融作用的特征以及熔体与变形间的关系。
五、结论
（一）相同压力条件下，闪长岩失水熔融程度随温度增加而增加，随熔体量增多，熔体成分由基性向中性方向转变，但熔体中K2O含量变化不大；（二）相同温度条件下，低压和高压对岩石部分熔融生成的熔体成分变化规律不明显，原因是水分压对熔体性质起着明显的控制作用；由于实验体系处于半封闭和半开放条件下，熔融过程中角闪石脱水产生的PH2O在熔融过程中保持近恒定；（三）重要影响，角闪石附近熔体富Mg、Fe、Ca和Ti，斜长石附近熔体富Al和Na；（四）相同温度条件下，应变速率大的样品，其熔融程度较应变速率小的样品高；（五）在特定的条件下，闪长岩产生的硅酸盐熔体可发生富Fe氧化物熔体的熔离作用。这种熔离作用导致硅酸盐熔体的Mg#值显著增高。
实验反映了一种现象：相当明显的应力熔融现象，即其他条件均相同的情况下，在应力集中区，也就是强变形区，熔融程度最高，离开强变形区，随应力的减弱，熔融程度也随之降低，这种熔融程度明显受应力控制的现象，称为应力熔融现象。这种现象无论在块状样品还是在光学显微镜下，都有明显的表现。
【参考文献】
[1]姜杨，周汉文，杨启军等.0.1GPa块状榴辉岩脱水部分熔融：局部熔融体系和温度的影响[J].地球科学（中国地质大学学报），2006，31（1）：121-128
[2]林强，吴福元，马瑞.花岗岩块状样品的熔融实验研究[J].地球化学，1993，13（4）：256-362
[4]Hermann J，Green D H.Experimental constraints on high pressure melting in subducted crustr[J].Earth and Planetary Science Letters，2001（188）：149-168
[5]Jaques A L and Green D H.Anhydrous melting of peridotite at 0-15kb pressure and the genesis of tholeiitie basalts[J].Contrib.Mineral.Petrol，1980（73）：287-310