西大別石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖中金紅石的退變質(zhì)演化

張景森,張 靜,張紅芬,周俊杰

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)河北省資源勘測(cè)研究實(shí)驗(yàn)室,河北邯鄲056038;3.河北工程大學(xué)圖書館,河北邯鄲056038)

金紅石是一種在許多類型的巖石(如高級(jí)變質(zhì)巖、巖漿巖、沉積巖及熱液礦床)中都很常見的副礦物。在高壓-超高壓變質(zhì)巖中,金紅石不但可以形成重要的礦床[1-2],而且可以為研究俯沖帶變質(zhì)作用提供非常豐富而重要的信息[3-5]。因此,地質(zhì)學(xué)家普遍十分注重對(duì)金紅石的研究。有關(guān)高壓-超高壓變質(zhì)巖石中的金紅石研究涉及礦物學(xué)[3-6]、地球化學(xué)[6-12]、地質(zhì)年代學(xué)[13-15]、成礦作用[16-19]和變質(zhì)作用[20-23]等眾多方面。由于高壓-超高壓巖石折返至地表時(shí)普遍發(fā)生退變質(zhì)作用,其中的金紅石也會(huì)退變形成鈦鐵礦、榍石等含鈦礦物。在研究高壓-超高壓變質(zhì)巖中的金紅石時(shí),都不可避免地要討論到金紅石的退變質(zhì)問題[6]。但系統(tǒng)討論金紅石變質(zhì)問題的專門研究甚少,相關(guān)文獻(xiàn)見于對(duì)金紅石礦床變質(zhì)條件的研究[20],或?qū)ι贁?shù)鈦礦物相的關(guān)系分析[22-23]。因此,迄今對(duì)這種轉(zhuǎn)變關(guān)系發(fā)生的條件仍然沒有一個(gè)較為完整的認(rèn)識(shí)。相平衡方法使用礦物熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算P-T視剖面相圖,可以為分析巖石的變質(zhì)作用提供最多的有用信息[24-25],是該研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,可以解決許多復(fù)雜的巖石學(xué)問題[24-27]。本文研究的目的是通過對(duì)西大別七里坪的石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖進(jìn)行相圖計(jì)算,探討金紅石與榍石、鈦鐵礦在該類片麻巖中的穩(wěn)定條件及其發(fā)生退變質(zhì)作用時(shí)含鈦礦物的轉(zhuǎn)變關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

大別山西段是指位于河南省新縣和湖北省紅安縣境內(nèi),東側(cè)由商麻斷裂與大別山東段相隔,西側(cè)由大悟斷裂與桐柏山地區(qū)分開的地塊。這一地區(qū)以新縣高壓-超高壓變質(zhì)地體為核心呈構(gòu)造穹隆,南北兩翼由高壓至中低壓變質(zhì)帶組成[28-33]。巖石構(gòu)造單元從北到南可以劃分為5個(gè)部分：南灣變質(zhì)復(fù)理石單元、八里畈構(gòu)造混雜巖單元、滸灣-紅安高壓榴輝巖單元、新縣高壓-超高壓榴輝巖單元和木蘭山藍(lán)片巖-綠片巖單元。各單元之間大多由碰撞造山后伸展作用形成的多層拆離帶所分隔[30-33]。其中新縣高壓-超高壓榴輝巖單元主要由花崗質(zhì)到花崗閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和少量的副片麻巖和白云母片巖等組成,富含榴輝巖透鏡體或布丁塊體,榴輝巖塊體與圍巖成漸變接觸關(guān)系。紅安高壓榴輝巖單元主要巖石類型為片麻巖類,具有片巖夾層、淺粒巖和花崗巖等。所研究的樣品采自于紅安高壓?jiǎn)卧獌?nèi),地點(diǎn)位于七里坪鎮(zhèn)東南側(cè)的石灰山采石場(chǎng),這里主要巖石類型為淺色的白云鈉長(zhǎng)片麻巖和大理巖(大理巖已開采殆盡),石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖呈夾層狀或透鏡狀產(chǎn)于淺色片麻巖中,色較深,是較為富鐵鎂成分的片麻巖,但相對(duì)于榴輝巖則明顯偏中酸性,其原巖可能是中酸性的侵入巖或火山巖。

2 巖相學(xué)與礦物學(xué)特征

石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖呈灰黑色、深灰色,中-細(xì)粒斑狀變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,主要組成礦物為石榴子石、黑云母、石英、斜長(zhǎng)石,其次有白云母、綠泥石、綠簾石、角閃石、鈦鐵礦、金紅石,還可見少量的電氣石。該樣品中未見榍石。

石榴子石自形晶,粒徑1～2mm,退變邊不明顯,包裹體礦物主要是石英,其次為綠簾石,再次為金紅石、少量的鋯石和鈦鐵礦。其成分以鐵鋁榴石為主(50%～70%),其次為鈣鋁榴石(20%～30%)、鎂鋁榴石(8%～16%)和錳鋁榴石(＜10%),鈣鐵榴石很少(＜2%)。石榴子石從核部到邊緣具有明顯的成分環(huán)帶,表現(xiàn)為鐵鋁榴石和錳鋁榴石成分略減少、鎂鋁榴石增加,具有明顯的生長(zhǎng)環(huán)帶特征;但在邊緣鐵鋁榴石、鈣鋁榴石和鎂鋁榴石均減少而錳鋁榴石明顯增加,明顯具有受到后期退變質(zhì)改造的特征。

黑云母呈長(zhǎng)條狀,寬小于0.1mm,長(zhǎng)可達(dá)1mm,成分上較為富鎂,Fe/(Fe+Mg)比值0.4左右,并含有少量的鈦,不含F(xiàn)e3+。石英呈不等粒結(jié)構(gòu),粒徑最大可達(dá)1mm,小者小于0.1mm,存在于石榴子石斑晶和基質(zhì)中。斜長(zhǎng)石粒徑小于0.8mm,成分中一般含鈣長(zhǎng)石24%～27%,少部分顆粒為鈉長(zhǎng)石。

白云母屬于多硅型,一般有兩種,一種硅含量較高,Si=3.46;另一種硅含量稍低,Si=3.22。綠泥石局部聚集,顆粒較大,粒徑可達(dá)0.3mm。綠簾石主要分散在基質(zhì)中,粒徑較大,可達(dá)0.2mm;石榴子石中的綠簾石包裹體顆粒細(xì)小,呈長(zhǎng)條形,長(zhǎng)度小于0.1mm,寬度為其0.1～0.5倍不等。角閃石在薄片中只在局部分布,粒徑小于0.2mm。電氣石為鎂質(zhì)電氣石,含量很少,僅見到少數(shù)幾個(gè)礦物顆粒。

金紅石呈粒狀,主要存在于基質(zhì)中,也在石榴子石中呈包裹體存在?；|(zhì)中的金紅石普遍具有鈦鐵礦退變邊。鈦鐵礦主要在基質(zhì)中作為金紅石的退變邊,石榴子石中只在一些包裹體礦物周圍少量出現(xiàn)。但金紅石常常與鈦鐵礦交互生長(zhǎng),在電子顯微圖像中可見到金紅石顆粒中存在少量的鈦鐵礦、而鈦鐵礦顆粒中也含有金紅石條紋。

根據(jù)該片麻巖的礦物組成及其特征,巖石至少經(jīng)歷了高壓變質(zhì)作用和后期角閃巖相退變質(zhì)作用2個(gè)變質(zhì)階段。

3 金紅石退變質(zhì)的相平衡模擬

3.1 相圖計(jì)算條件

相平衡模擬以MnNCKFMASHTO(即MnONa2O-CaO-K2O-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O -TiO2-O,O即指Fe2O3)體系下的P-T視剖面圖計(jì)算為主?？紤]成分-活度模型的礦物有石榴子石[34]、綠輝石[35]、藍(lán)閃石和普通角閃石[36]、黑云母[34]、白云母和鈉云母[37]、斜長(zhǎng)石[38]、綠泥石[39,40],其它礦物如硬柱石、鈦鐵礦、磁鐵礦、金紅石、榍石、石英均為純端元礦物,流體相為純水(H2O)。

相平衡計(jì)算有效全巖成分根據(jù)組成礦物的含量及其成分計(jì)算產(chǎn)生。由于石榴子石具有明顯成分環(huán)帶,只取其一半的體積和邊部成分參與巖石成分的計(jì)算。該巖石成分以氧化物摩爾百分?jǐn)?shù)(mol%)表示為SiO2=64.03,TiO2=3.06,Al2O3= 10.81,FeO=7.27,MgO=5.38,MnO=0.11,CaO= 4.22,Na2O=3.59,K2O=1.44,O=0.08;體系飽和水含量H2O=4.75(用H2O與其它氧化物總和的摩爾百分?jǐn)?shù)表示)是巖石中現(xiàn)有礦物組合結(jié)合的含水量。

相圖計(jì)算的P-T范圍為0.3～1.5GPa和450～650℃。計(jì)算時(shí)使用了THERMOCALC軟件(版本3.33,2009更新)[41-42]和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(2003更新文件tc-ds55.txt)[43]。計(jì)算時(shí)設(shè)石英和水過剩。所計(jì)算的相圖如圖1所示。

3.2 金紅石、鈦鐵礦和榍石的穩(wěn)定范圍

所計(jì)算的P-T視剖面圖(圖1)顯示了不同礦物組合的穩(wěn)定范圍。圖中有幾個(gè)典型的礦物組合具有較大的穩(wěn)定范圍,在圖上占據(jù)較大面積,如圖左上部的石榴子石+藍(lán)閃石+白云母+鈉云母+綠簾石+綠泥石+榍石組合(I;石英過量,存在于各組合中,故略)、圖頂部的石榴子石+綠輝石+藍(lán)閃石+白云母+鈉云母+金紅石組合(II)、圖右上部的石榴子石+黑云母+白云母+斜長(zhǎng)石+角閃石+金紅石組合(III)以及圖下部中間的石榴子石+黑云母+白云母+斜長(zhǎng)石+綠泥石+金紅石+鈦鐵礦+磁鐵礦組合(IV)等(圖1)。這里主要分析含鈦礦物金紅石、鈦鐵礦和榍石的礦物組合及其穩(wěn)定條件。

在圖1中,只含金紅石的礦物組合具有較高的壓力,當(dāng)溫度低于565℃時(shí),金紅石穩(wěn)定的壓力下限約1.15～1.40GPa,溫度高于565℃時(shí)壓力高于0.75GPa。典型礦物組合如上述組合II和III等(圖1)。

含榍石的礦物組合具有較低的溫度條件,壓力為1.15GPa時(shí)溫度可高達(dá)565℃;壓力升高或降低時(shí),含榍石組合的穩(wěn)定溫度都降低,一般低于550℃;但榍石最高穩(wěn)定壓力約為1.40GPa。典型礦物組合是上述組合I(圖1)。同時(shí)含有榍石與金紅石的礦物組合穩(wěn)定范圍較小,分布于含榍石礦物組合穩(wěn)定域邊緣,相當(dāng)于含榍石組合域較狹窄的一個(gè)鑲邊(圖1)。

含鈦鐵礦的礦物組合占據(jù)了圖1中壓力低于0.75GPa以下的大部分區(qū)域,且隨著壓力下降穩(wěn)定的溫度范圍趨于降低,可以低至475℃。該P(yáng)-T范圍內(nèi)礦物組合主要是鈦鐵礦與金紅石共存的組合,典型組合如上述組合IV(圖1)。只含鈦鐵礦的組合穩(wěn)定于570℃以上和0.55GPa以下的區(qū)域,典型組合為石榴子石+黑云母+斜長(zhǎng)石+鈦鐵礦+角閃石(圖1右下組合V)。

在壓力低于0.75GPa時(shí),相對(duì)低溫的含榍石組合升溫時(shí),榍石消失出現(xiàn)含金紅石組合,其后繼續(xù)升溫時(shí)方出現(xiàn)金紅石和鈦鐵礦組合,這中間存在一個(gè)較狹窄的榍石與鈦鐵礦不能共生的間隙。這可能是受巖石化學(xué)成分控制的。

另外,黑云母也是可容納鈦元素的含鈦礦物,但一般含鈦數(shù)量較小。黑云母在450℃時(shí)穩(wěn)定壓力低于0.9GPa,溫度在650℃時(shí)穩(wěn)定壓力高達(dá)約1.5GPa,其間隨溫度升高而穩(wěn)定壓力也升高。黑云母可以與其它鈦礦物共生。

3.3 金紅石退變質(zhì)演化

注：MnNCKFMASHTO(+ru+q+H2O)表示化學(xué)體系,其中括號(hào)內(nèi)符號(hào)表示金紅石、石英和水過剩,即存在于所有組合中;部分組合中不含金紅石時(shí)用-ru表示。圖中灰色區(qū)塊表示礦物組合穩(wěn)定的范圍,色調(diào)由淺到深表示礦物組合的變度由2到7變化。I～V表示礦物組合代號(hào)(見正文說明)。X1和X2分別表示某礦床中榍石、金紅石的最佳成礦條件[20]。點(diǎn)線表示體系現(xiàn)有含水量等值線(H2O=4.75 mol%),斷線表示高壓巖石近等溫降壓的退變質(zhì)P-T軌跡(585℃)[44]。礦物代號(hào)：bi,黑云母(biotite);chl,綠泥石(chlorite);ep,綠簾石(epidote);g,石榴子石(garnet);gl,藍(lán)閃石(glaucophane);hb,普通角閃石(hornblende);ilm,鈦鐵礦(ilmenite);law,硬柱石(lawsonite);mt,磁鐵礦(magnetite);mu,白云母(muscovite);o,綠輝石(omphacite);pa,鈉云母(paragonite);pl,斜長(zhǎng)石(plagioclase);q,石英(quartz);ru,金紅石(rutile);sph,榍石(sphene).

金紅石的退變質(zhì)作用是與其寄主片麻巖的退變質(zhì)作用緊密相關(guān)。該片麻巖中多硅白云母的存在表明其經(jīng)歷了高壓變質(zhì)過程。該取樣點(diǎn)北側(cè)約1.5km處的榴輝巖具有2.4～2.6GPa和570～585℃的峰期變質(zhì)P-T條件[44]。一般認(rèn)為,該地區(qū)高壓榴輝巖退變質(zhì)早期普遍經(jīng)歷了近等溫降壓的過程。

假設(shè)該片麻巖從變質(zhì)峰期的585℃發(fā)生等溫降壓,則金紅石沿此退變質(zhì)P-T軌跡(圖1中曲線AB)演化。首先降壓至約1.25GPa時(shí)出現(xiàn)黑云母+金紅石的組合,降壓至0.75GPa時(shí)金紅石向鈦鐵礦轉(zhuǎn)變,其后可能出現(xiàn)明顯的降溫過程,金紅石與鈦鐵礦穩(wěn)定共生。

實(shí)際上,流體(水)在巖石的變質(zhì)過程中具有十分重要的作用,控制著礦物組合的演化[45,46]。流體不但是變質(zhì)反應(yīng)發(fā)生的介質(zhì),而且還是一些含水礦物的重要組成。它控制著脫水反應(yīng)與水化反應(yīng)發(fā)生的方向。圖1中所示水飽和曲線,是巖石現(xiàn)有礦物所固有的水含量等值線(即H2O=4.75 mol%),曲線左側(cè)礦物組合需要更多的水,右側(cè)只需要較少的水。如果不考慮水的進(jìn)出,巖石退變質(zhì)軌跡上A點(diǎn)以上要求水含量大于體系現(xiàn)有水含量,退變質(zhì)作用不容易發(fā)生;A點(diǎn)以下,體系現(xiàn)有水含量略微過剩,利于巖石退變質(zhì)作用的發(fā)生,特別是A、B兩點(diǎn)之間是有利于該片麻巖發(fā)生所謂的“再平衡”的溫壓范圍(圖1)。這種再平衡作用形成了巖石中常見的黑云母+斜長(zhǎng)石組合。B點(diǎn)以后進(jìn)入顯著降溫階段,在相圖上表現(xiàn)為退變質(zhì)軌跡進(jìn)入高水含量組合域,體系現(xiàn)有水含量不足造成體系缺乏流體,后續(xù)的退變質(zhì)作用不易發(fā)生, B點(diǎn)處的礦物組合得以保留。

4 討論

4.1 鈦礦物穩(wěn)定條件

金紅石通常被認(rèn)為是高壓和超高壓條件(榴輝巖相)下的標(biāo)志性礦物。相圖計(jì)算表明,除了榴輝巖相,金紅石也可以穩(wěn)定于角閃巖相較高壓力條件。相圖計(jì)算的結(jié)果可以較好的說明“為什么高-超高壓變質(zhì)作用利于金紅石形成”的問題[21]。壓力較低時(shí),如果條件適當(dāng)也可以形成金紅石。如對(duì)北秦嶺八廟-青山黑云角閃片巖中金紅石礦床的變質(zhì)條件研究認(rèn)為,金紅石成礦具有最佳溫壓條件490℃和0.38GPa,而榍石和鈦鐵礦最佳成礦條件分別為467℃和0.66GPa以及566℃和0.20 GPa[20]。這些礦物成礦條件基本上符合或接近本文相圖模擬的榍石、金紅石和鈦鐵礦穩(wěn)定的溫壓范圍(圖1)。但從模擬結(jié)果來看,三種鈦礦物分別成礦應(yīng)該具有更寬的溫壓范圍。

在高壓-超高壓變質(zhì)巖中,也多發(fā)現(xiàn)有榍石產(chǎn)出,一般認(rèn)為這些榍石在成分上屬于高鋁榍石[22-23,47]。但在超高壓巖石中也發(fā)現(xiàn)有低鋁榍石[48],但其榍石成分仍然含有2 wt%以上的鋁,應(yīng)該不同于本文的純端元榍石。René(2008)討論了角閃巖中榍石和磁鐵礦常常作為鈦鐵礦的反應(yīng)邊而存在,榍石也含有少量的鋁,并且水活度和氧活度對(duì)榍石的穩(wěn)定性具有重要影響[22]。關(guān)于高鋁榍石還需要做進(jìn)一步的研究。

4.2 片麻巖的退變質(zhì)條件

大別山高壓-超高壓變質(zhì)帶中廣泛分布的片麻巖,絕大多數(shù)也經(jīng)歷了高壓或超高壓變質(zhì)過程[49-51]。由于角閃巖相退變質(zhì)影響,這些片麻巖類巖石礦物組合主要呈現(xiàn)角閃巖相組合,如黑云母、斜長(zhǎng)石等。但由于巖石并沒有在角閃巖相條件下完全達(dá)到平衡狀態(tài),這就使得估算其退變質(zhì)P-T條件誤差較大[52]。相圖分析表明,無論是斜長(zhǎng)石的牌號(hào),還是石榴子石中的鐵鎂含量,它們大多都與壓力呈顯著的相關(guān)關(guān)系,而與溫度相關(guān)性較小,利用相圖估計(jì)片麻巖的退變質(zhì)條件存在的問題是壓力比較容易確定,溫度較難確定。有關(guān)金紅石、鈦鐵礦和榍石等的溫度計(jì)適用性還需要作進(jìn)一步的討論[23]。由于巖石退變質(zhì)的不平衡性,相平衡方法估計(jì)的P-T條件與實(shí)際條件差異很難估計(jì)。如果考慮到金紅石作為片麻巖中的副礦物,它向鈦鐵礦的轉(zhuǎn)變對(duì)其它主要礦物成分影響較小,則它們最可能接近平衡狀態(tài),由此可以對(duì)退變質(zhì)壓力約束至0.55～0.75GPa。該壓力要低于由斜長(zhǎng)石牌號(hào)和石榴子石邊緣成分約束的壓力1.0GPa左右。同時(shí)考慮體系現(xiàn)有流體含量,大致可約束其退變質(zhì)溫度應(yīng)大于570℃。該P(yáng)-T相當(dāng)于圖1中B點(diǎn)附近。不過,從礦物組合來看,本例樣品中并未見到磁鐵礦,這很可能是由于相圖計(jì)算時(shí)鈦鐵礦使用了純端元礦物的結(jié)果,因?yàn)閷?shí)際金紅石和鈦鐵礦中都可以容納一定數(shù)量的Fe2O3成分[22,34,53-54]。實(shí)際上,使用相圖分析變質(zhì)巖石的P-T條件還應(yīng)考慮全巖化學(xué)成分、選用的礦物固溶體模型、流體活度等多種因素的影響,有關(guān)問題還有待進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖中含鈦礦物主要是金紅石、鈦鐵礦和榍石。初步研究表明,金紅石大多穩(wěn)定于壓力大于0.75GPa的相對(duì)高壓條件下,溫度低時(shí)壓力較高、溫度高時(shí)壓力較低,但壓力低于0.75GPa時(shí)也可在很窄的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定;榍石穩(wěn)定的溫度一般小于565℃,壓力范圍0.35～1.40GPa;榍石與金紅石共生區(qū)域較窄;金紅石與鈦鐵礦共生區(qū)域較大,壓力低于0.75GPa,溫度高于475℃,但溫度高于570℃時(shí)壓力范圍變小;只有鈦鐵礦時(shí),其穩(wěn)定溫度高于570℃,壓力低于0.55GPa。

西大別七里坪的石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖從高壓變質(zhì)條件近等溫降壓時(shí),其角閃巖相變質(zhì)P-T條件,根據(jù)金紅石退變質(zhì)形成鈦鐵礦估計(jì)壓力為0.55～0.75 GPa,根據(jù)飽和流體含量估計(jì)溫度大于570℃。

致謝：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的于阿朋工程師對(duì)樣品電子探針分析工作給予了極大的幫助,在此謹(jǐn)表示誠(chéng)摯的謝意。

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