Melting of the continental crust during orogenesis: the thermal, rheological, and compositional consequences of melt transport from lower to upper continental crust1

The formation and differentiation of the continental crust occurs at convergent plate margins in accretionary and collisional orogenic belts where sufficient heat is generated to achieve high-grade metamorphism and anatexis. Volumetrically significant H2O-present melting requires an influx of aqueous fluid along zones of high-strain deformation or via fracture networks, or recycling of the fluid dissolved in melt via melt migration and fluid exsolution during crystallization. In contrast, in ‘‘dry’’ crust, melting occurs via hydrate-breakdown melting reactions at higher temperatures than H2Opresent melting; volumetrically significant melt production requires temperatures above *800 8C. Melting wets residual grains, and anatectic crust becomes porous at a few vol.% melt. Feedback between deformation and melting creates a dynamic rheological environment; as melt volume increases to the melt connectivity transition, which varies but is around 7 vol.% (see discussion later in the text), melt may escape from the source in the first of several melt-loss events with increasing temperature. Major and accessory phase controls on melt production and melt composition for different pressure– temperature–time paths are evaluated using calculated phase equilibria for average pelite. The pristine to slightly retrogressed condition of peritectic minerals in residual crust requires significant loss of melt from the system. The consequences of melt loss are evaluated here. In residual crust, evidence of melt at the grain scale may be preserved in microstructures, whereas evidence of melt extraction pathways at outcrop scale is recorded by leucosome networks. Strain and anisotropy of permeability control the form of mesoscale melt channels with strong anisotropy promoting high-melt focusing. The sequence of structures observed in nature records a transition from storage to drainage; focused melt flow occurs by dilatant shear failure of low-melt-fraction rocks, leading to the formation of networks of channels that allow accumulation and storage of melt and that form the link for melt flow from grain boundaries to ascent conduits. Melt ascent is via ductile-to-brittle fracture; ductile fractures may propagate along foliation as sills or from dilation or shear bands as dikes. Emplacement of horizontal tabular and wedge-shaped plutons occurs around the brittle–ductile transition zone, whereas vertical lozenge-shaped plutons represent crystallization of magma in the ascent conduit. Blobby plutons form by lateral expansion in the ascent conduit localized by thermal or mechanical instabilities. Résumé : La formation et la différenciation de la croûte continentale ont lieu à des bordures de plaques convergentes dans des ceintures orogéniques accrétionnaires et de collision où une quantité suffisante de chaleur est générée pour atteindre un métamorphisme intense et une fusion anatectique. Une fusion de volume significatif en présence de H2O demande un influx de fluide aqueux le long de zones de fortes contraintes de déformation ou par des réseaux de fractures ou encore le recyclage de fluides dissous dans la fusion par la migration de la fusion et l’exsolution de fluides durant la cristallisation. Par contraste, une fusion « sèche » de la croûte s’effectue par des réactions de fusion fragmentant les hydrates à des températures plus élevées que la fusion en présence de H2O; des températures supérieures à *800 8C sont requises pour produire une fusion de volume significatif. La fusion mouille les grains résiduels et la croûte anatectique devient poreuse à de faibles volumes (%) de fusion. Une rétroaction entre la déformation et la fusion crée un environnement rhéologique dynamique; à mesure que le volume en fusion augmente au point de transition de connectivité de la fusion, laquelle varie mais qui se situe autour de 7 % en volume (voir discussion plus bas), la roche en fusion peut s’échapper de la source dans le premier de plusieurs événements de perte de matériel en fusion avec l’accroissement de la température. Des contrôles des phases principales et accessoires sur la production et la composition de roches en fusion pour divers cheminements T–P–t sont évalués en utilisant des équilibres de phases calculés pour des pélites moyennes. La condition originale ou légèrement rétrogradée des minéraux péritectiques dans la croûte résiduelle demande une perte significative de matériaux en fusion du système; les conséquences de la perte de fusion sont évaluées. Dans la croûte résiduelle, des évidences de fusion à l’échelle du grain peuvent être conservées dans les microstructures, alors que des évidences de chemins d’extraction des Received 20 October 2009. Accepted 29 October 2009. Published on the NRC Research Press Web site at cjes.nrc.ca on 8 June 2010. Paper handled by Associate Editor R. Clowes. M. Brown. Laboratory for Crustal Petrology, Department of Geology, University of Maryland, College Park, MD 20742, USA (e-mail: [email protected]). 1This article is one of a selection of papers published in this Special Issue on the the theme Lithoprobe—parameters, processes, and the evolution of a continent. 655 Can. J. Earth Sci. 47: 655–694 (2010) doi:10.1139/E09-057 Published by NRC Research Press produits de la fusion à l’échelle de l’affleurement sont enregistrées par les réseaux de leucosomes. Les contraintes et l’anisotropie de la perméabilité contrôlent la forme des chenaux de fusion à échelle moyenne et une forte anisotropie encourage la concentration de fortes quantités de matériaux en fusion. La séquence des structures observée dans la nature enregistre une transition d’entreposage à drainage; l’écoulement de produits en fusion se concentre par la rupture en cisaillement de dilatation de la portion des roches à basse fusion, ce qui conduit à la formation de réseaux de chenaux qui permettent l’accumulation et l’entreposage de produits de fusion et qui forment un lien pour l’écoulement des produits de fusion des bordures de grains vers les conduits de montée. La montée des produits de fusion s’effectue par des cassures ductiles à cassantes; les fractures ductiles peuvent se propager le long de la foliation en tant que filons couches ou le long de bandes de dilatation ou de cisaillement en tant que dykes. La mise en place de plutons tabulaires horizontaux et en forme de coins a lieu autour de la zone de transition cassante-ductile, alors que les plutons verticaux ayant une forme de losange représentent une cristallisation du magma dans le conduit de montée et les plutons à forme indéfinie se forment par une expansion latérale dans la conduite de montée à des endroits d’instabilité thermique ou mécanique. [Traduit par la Rédaction] _______________________________________________________________________________________