西南天山東德溝異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中假藍(lán)寶石和富鋁尖晶石特征及其地質(zhì)意義

吳蘇, 李旭平, 孔凡梅

山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島, 266590

內(nèi)容提要：西南天山昭蘇縣東德溝中異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中發(fā)現(xiàn)過(guò)鋁質(zhì)的假藍(lán)寶石和富鋁尖晶石，假藍(lán)寶石的Al2O3含量在64.82%～66.36%之間，富鋁尖晶石的Al2O3含量在65.24%～68.54%之間。根據(jù)含假藍(lán)寶石和尖晶石的礦物組合和礦物反應(yīng)結(jié)構(gòu)，利用Theriak—Domino軟件，對(duì)巖石的變質(zhì)條件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明形成假藍(lán)寶石的峰期溫壓為700～780℃，0.65～0.75 GPa，達(dá)到了麻粒巖相的變質(zhì)條件，峰期變質(zhì)反應(yīng)為：角閃石(Am)+尖晶石(Spl)+鈣長(zhǎng)石(An)=綠泥石(Chl)+透輝石(Di)+假藍(lán)寶石(Spr)，巖石在異剝鈣榴巖化之前經(jīng)歷了一次高溫富Al(熔)流體的交代進(jìn)變質(zhì)作用。含假藍(lán)寶石麻粒巖相變質(zhì)作用的出現(xiàn)為西南天山俯沖上板片巖石復(fù)雜的變質(zhì)作用過(guò)程又增添了新的內(nèi)容，具有重要的地質(zhì)意義。

筆者等在西南天山東德溝俯沖上板片環(huán)境，與超基性地幔巖接觸部位的異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中發(fā)現(xiàn)有過(guò)鋁質(zhì)的假藍(lán)寶石和富鋁的尖晶石。本文研究了假藍(lán)寶石和尖晶石的礦物學(xué)特征和形成溫壓條件，并探討了其地質(zhì)意義。

圖 1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a) (據(jù)Gao Jun et al.，1999) 及采樣點(diǎn)圖 (b) (據(jù)孔凡梅等，2011)Fig. 1 Simplified geological map (a) ( after Gao Jun et al., 1999) and samples localities of the study area (b) ( after Kong Fanmei et al.，2011)

1 地質(zhì)概況

中國(guó)新疆西南天山為西起中亞烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、吉爾吉斯坦諸國(guó)的南天山在中國(guó)境內(nèi)的東延部分，該造山帶位于塔里木板塊和伊犁—中天山板塊之間。沿著兩個(gè)板塊的縫合帶展布有一條高壓—超高壓變質(zhì)帶，東西延長(zhǎng)超過(guò)200km，出露一套以榴輝巖、藍(lán)片巖為代表的高壓—超高壓變質(zhì)巖系(Gao Jun et al.，1999；Zhang Lifei et al.，2007；李旭平等，2008)。本文研究的含角閃石和假藍(lán)寶石的異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖出露于昭蘇縣夏塔鄉(xiāng)東德溝，位于中天山南縫合帶、西天山高壓變質(zhì)帶北側(cè)，俯沖帶上板片環(huán)境 (圖1) (李旭平等?；Li Xuping et al., 2011)，前人研究認(rèn)為該地區(qū)是高角閃巖相變質(zhì)的前寒武紀(jì)的基底，主要由角閃斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖和夕線石片麻巖等組成(王寶瑜等，1994；Gao Jun et al，1999；張立飛等，2000)，構(gòu)成了中天山復(fù)合弧地體南側(cè)古生代增生楔的主體，夾持于南北兩條大型韌性剪切帶之間。工作區(qū)出露的巖石類型有蛇紋巖化橄欖巖、輝橄巖、綠泥石片巖和不同程度異剝鈣榴巖化的斜長(zhǎng)角閃巖等 (孔凡梅等，2011；吳蘇等，2013)，各類巖石之間呈構(gòu)造接觸關(guān)系。

2 礦物學(xué)特征

西南天山東德溝俯沖帶上板片環(huán)境異剝鈣榴巖化巖石類型分為三類：斜長(zhǎng)角閃巖，異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖，異剝鈣榴巖。其礦物組合分別為：鎂普通角閃石+中長(zhǎng)石+石英+榍石+磷灰石±次透輝石；鎂普通角閃石+鈣長(zhǎng)石+透輝石+斜黝簾石+綠泥石+(方解石)；斜黝簾石+鈣鋁榴石+透輝石+綠泥石+方解石。吳蘇等 (2013)對(duì)這些巖石的巖石礦物學(xué)特征和主量元素特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在進(jìn)一步的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖樣品中含有假藍(lán)寶石和尖晶石，其礦物組合為：假藍(lán)寶石±尖晶石+鎂普通角閃石+鈣長(zhǎng)石+透輝石+綠泥石，這些樣品取自超基性巖和異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖的接觸部位。含假藍(lán)寶石異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖的存在預(yù)示著原巖斜長(zhǎng)角閃巖經(jīng)歷的變質(zhì)過(guò)程更復(fù)雜。下面對(duì)異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖的假藍(lán)寶石和尖晶石的礦物學(xué)特征及其與主要礦物之間的關(guān)系進(jìn)行描述。

礦物的電子探針?lè)治鰯?shù)據(jù)是在北京大學(xué)地質(zhì)系探針室完成，儀器型號(hào)JXA-8100；分析條件：加速電壓15kV；束流10nA；束斑1μm；標(biāo)準(zhǔn)樣品用美國(guó)SPI公司的天然礦物，數(shù)據(jù)通過(guò)PHRZ程序校正。

圖 2 西南天山昭蘇縣東德溝中假藍(lán)寶石在MgSiAlAl固溶體替代圖上的成分投圖Fig.2 Sapphirine compositions and the MgSiAlAl solid solution substitution graph in the Dongdegou, Zhaosu county, Southwestern Tianshan Mountains

2.1 假藍(lán)寶石

2.2 尖晶石

2.3 異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖的假藍(lán)寶石和尖晶石與主要礦物的關(guān)系

在吳蘇等(2013)中已經(jīng)介紹到，異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖由斜長(zhǎng)角閃巖交代變質(zhì)而來(lái)，斜長(zhǎng)角閃巖主要由鎂普通角閃石、中長(zhǎng)石、少量石英和一些單斜輝石組成(圖3a)，交代變質(zhì)過(guò)程中，角閃石中的鎂、鈣和鋁的成分增加，有些被透輝石交代，中長(zhǎng)石變?yōu)殁}長(zhǎng)石，石英消失，鈣長(zhǎng)石斜黝簾石化，形成異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖的主要礦物組合：鎂普通角閃石+鈣長(zhǎng)石+透輝石+斜黝簾石+綠泥石(圖3b)，巖石基本仍保留原斜長(zhǎng)角閃巖的粒狀變晶結(jié)構(gòu)，但各種交代結(jié)構(gòu)也很常見，到異剝鈣榴巖階段，角閃石和斜長(zhǎng)石消失，斜黝簾石和新生礦物石榴子石成為主要礦物。

在此過(guò)程中，角閃石經(jīng)歷了從成分上向富鎂、鈣和鋁的方向改變，到變質(zhì)為透輝石并進(jìn)一步變質(zhì)為石榴子石的變化，斜長(zhǎng)石經(jīng)歷了從成分上由中長(zhǎng)石變?yōu)殁}長(zhǎng)石，再到變質(zhì)為斜黝簾石的變化，即角閃石和斜長(zhǎng)石漸漸的從成分改變直至消失。結(jié)合上述關(guān)于假藍(lán)寶石和尖晶石的描述，假藍(lán)寶石和尖晶石是在角閃石和長(zhǎng)石被交代改變后進(jìn)一步變質(zhì)而成。

圖 3 西南天山昭蘇縣東德溝中巖石礦物組合及特殊礦物：(a)斜長(zhǎng)角閃巖；(b)異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖；(c) 無(wú)色乳滴狀、針狀尖晶石；(d)、(e) 假藍(lán)寶石； (f) 淡粉色粒狀尖晶石；(g) 蠕蟲狀尖晶石；(h) 淡綠色尖晶石。 (a) — (c)、(f) — (h) 為單偏光照片; (d)、(e) 為背散射圖片。礦物代號(hào)根據(jù) Kretz (1983)： Am—角閃石；An—鈣長(zhǎng)石；Chl—綠泥石；Czo—斜黝簾石；Di—透輝石；Pl—斜長(zhǎng)石；Spl—尖晶石；Spr—假藍(lán)寶石Fig. 3 Mineral assemblage and special minerals in the Dongdegou, Zhaosu county, Southwestern Tianshan Mountains: (a) amphibolite；(b) rodingitized amphibolite；(c) colorless emulsional, acicular spinels；(d), (e) sapphirines；(f) light pink granulous spinels；(g) wormlike spinels；(h) light green spinels. (a)—(c), (f)—(h) were taken under plane-polarized light, (d), (e) are BSE images. Mineral abbreviations after Kretz (1983)： Am—amphibole；An—anorthite；Chl—chlorite；Czo—clinozoisite；Di—diopside；Pl—plagioclase；Spl—spinel；Spr—sapphirine

注：Cr#為n(Cr)/[n(Cr)+n(Al)]，Mg#為n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]

圖 4 西南天山昭蘇縣東德溝含假藍(lán)寶石異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖P—T視剖面圖Fig. 4 The P—T pseudosection of sapphrine-containing rodingitized amphibolite in the Dongdegou, Zhaosu County, Southwestern Tianshan MountainsCpx—單斜輝石； Crn—?jiǎng)傆瘢?H2O—水； Opx—斜方輝石； Zo—黝簾石。余同圖3Cpx—clinopyroxene; Crn—corundum; H2O—water； Opx—orhopyroxene； Zo—zoisite. Other miniral abbreviations are the same as in Figure 3

3 變質(zhì)反應(yīng)及溫壓條件

采用Schmidt (1992)的角閃石壓力計(jì)和Holland等(1994) 角閃石—斜長(zhǎng)石溫度計(jì)對(duì)斜長(zhǎng)角閃巖的形成溫壓進(jìn)行估算，計(jì)算得出斜長(zhǎng)角閃巖的形成壓力平均為0.46GPa，平均溫度為570℃，以此溫壓作為變質(zhì)反應(yīng)的起點(diǎn)。采用Theriak—Domino (版本01.08.09) 軟件和Holland等(1998)的內(nèi)部一致熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，繪出圖4中的P—T視剖面圖。計(jì)算用的全巖成分為含有假藍(lán)寶石的10D-17號(hào)巖石樣品：SiO245.37%，Al2O322.41%，CaO 14.04%，MgO 13.03%，F(xiàn)e2O31.75%，Na2O 0.69%，K2O 0.09%，MnO 0.05%，TiO20.01%，由于異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中的礦物主要為含Ca、Mg、Al的硅酸鹽礦物，如鎂普通角閃石、鈣長(zhǎng)石、透輝石、過(guò)鋁質(zhì)假藍(lán)寶石、富鋁尖晶石、斜黝簾石等，因此計(jì)算時(shí)僅采用含Si、Al、Ca、Mg四種主要元素的體系，換算后的有效全巖數(shù)據(jù)為：BULK=SI(68)AL(44)MG(32.3)CA(25.0)O(?)H(20)，其中氧含量系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算，由于流體有限(吳蘇等，2013)，如果水過(guò)量會(huì)使模擬結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，事實(shí)上筆者研究發(fā)現(xiàn)在適量水的條件下對(duì)含有假藍(lán)寶石的10D-17號(hào)樣品和含有尖晶石的10D-19號(hào)樣品進(jìn)行模擬的結(jié)果幾乎是完全一致的，因此計(jì)算中選取適量的水，結(jié)合實(shí)際觀察到的礦物組合，水含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，模擬結(jié)果是穩(wěn)定的。在Holland等(1998)的內(nèi)部一致熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中，鎂鋁假藍(lán)寶石有兩個(gè)端元，即spr4(Mg4Al8Si2O20)和spr7(Mg3.5Al9Si1.5O20)，圖4中計(jì)算出的假藍(lán)寶石均為spr7，這與實(shí)際觀察到的假藍(lán)寶石是過(guò)鋁質(zhì)的是一致的。結(jié)合實(shí)際觀察到的礦物組合，即Chl + Am + An + Spr (10D-17，圖4中藍(lán)色區(qū)域) 和Chl+Di+Am+An+Spl (10D-19，圖4中綠色區(qū)域)，得出假藍(lán)寶石和尖晶石形成的溫壓范圍大致是700～780℃，0.65～0.75 GPa ，即圖4中假藍(lán)寶石生成反應(yīng)式 Am + Spl + An = Chl + Di + Spr 代表的溫壓范圍。在低于700℃的范圍，會(huì)出現(xiàn)剛玉 (Crn)，而在高于780℃的范圍，綠泥石 (Chl) 消失。因此該變質(zhì)反應(yīng)就代表了進(jìn)變質(zhì)峰期反應(yīng)?？追裁返?2012)在對(duì)東德溝斜長(zhǎng)角閃巖的圍巖橄欖巖進(jìn)行研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，橄欖巖普遍經(jīng)歷了復(fù)雜多期的含水流體(熔體)交代作用，先后經(jīng)歷了地幔交代、麻粒巖相—角閃巖相退變質(zhì)作用和蛇紋石化等階段的演化，其發(fā)生地幔交代時(shí)的溫壓條件約為770～900℃，1.0～1.8 GPa，與本文研究結(jié)果是一致的，生成假藍(lán)寶石的麻粒巖相進(jìn)變質(zhì)過(guò)程與橄欖巖的退變質(zhì)過(guò)程具有密切的相關(guān)性。

Okay (1994)在中國(guó)大別山的斜方輝石巖的石榴石中發(fā)現(xiàn)含有假藍(lán)寶石的包體，假藍(lán)寶石的成分接近MgO∶Al2O3∶SiO2=7∶9∶3端元，部分為過(guò)鋁質(zhì)的假藍(lán)寶石，XMg{n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]為0.95～0.98，與東德溝中假藍(lán)寶石的成分特征比較相似。Okay (1994) 指出斜綠泥石與假藍(lán)寶石共存的溫度范圍在壓力為0.2～2.2 GPa的條件下只有40℃，他得出含有假藍(lán)寶石的巖石經(jīng)歷的峰期溫度范圍為730±30℃，與本文估算的巖石經(jīng)歷的變質(zhì)溫度大體一致。

4 討論

東德溝中發(fā)現(xiàn)的假藍(lán)寶石和尖晶石有其特殊性。從成分上而言，二者都極度富鋁，劉建忠等(2000)在內(nèi)蒙古大青山造山帶中發(fā)現(xiàn)的極富鋁的尖晶石和假藍(lán)寶石的Al2O3的含量最高為66.35%和65.07%，而東德溝中尖晶石和假藍(lán)寶石的Al2O3的含量卻高達(dá)68.39%和66.36%。從礦物組合上而言，東德溝中含假藍(lán)寶石的巖石中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)紫蘇輝石、石英、夕線石、石榴子石等典型麻粒巖相的礦物，很難與其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)的含假藍(lán)寶石的麻粒巖相對(duì)比。下面分別討論尖晶石和假藍(lán)寶石的礦物學(xué)成因特征。

富鋁尖晶石的成因，除賈大成等(2006)認(rèn)為是巖漿分異結(jié)晶的外，大部分研究者都認(rèn)為是交代成因的。賈大成等(2006)在伊通上地幔剪切帶輝石巖中發(fā)現(xiàn)有巖漿分異結(jié)晶成因的鋁尖晶石，Al2O3為63.76%～64.66%，其尖晶石內(nèi)部干凈且沒(méi)有變形、交代及重結(jié)晶現(xiàn)象，其作者認(rèn)為由于Cr、Al地球化學(xué)行為不同，Al易進(jìn)入熔體，在巖漿結(jié)晶堆積體(輝石巖) 中富集，形成這些富鋁的綠色尖晶石。蘇本勛等(2011)在純橄巖體上部發(fā)現(xiàn)的鎂鋁尖晶石，其成分與純橄巖和二輝橄欖巖的鉻鐵尖晶石成分明顯不同，鎂鋁尖晶石的Al2O3為66.4%，是由巖石—熔體(流體)的反應(yīng)形成的。Ender等(2010)在zmeir—Ankara—Erzincan縫合帶中的異剝橄欖巖、輝石巖中發(fā)現(xiàn)的綠色尖晶石也是變質(zhì)成因，Al2O3的含量為59.05%～63.39%。孔凡梅等(2011)在對(duì)本文研究區(qū)內(nèi)的圍巖橄欖巖進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中有綠色富鋁的尖晶石，Al2O3含量為47.68%～66.85%，對(duì)其進(jìn)行成分投圖時(shí)，發(fā)現(xiàn)橄欖巖中富鋁尖晶石在Cr#—Mg#圖上不落入任何橄欖石成分區(qū)環(huán)境，且未與橄欖石在地幔中達(dá)到平衡，成因上顯然與橄欖巖中原生鉻尖晶石不同，具有變質(zhì)成因特征。本文發(fā)現(xiàn)的鋁尖晶石，Al2O3的含量高達(dá)65.24%～68.54%，沿著角閃石解理縫呈細(xì)針狀、線狀分布或呈不規(guī)則粒狀結(jié)構(gòu)，顯然是角閃石在進(jìn)變質(zhì)作用過(guò)程中形成的尖晶石。與孔凡梅等(2011)中的尖晶石成分最為接近，且產(chǎn)出位置與超基性巖相鄰。

前面已經(jīng)列舉了許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)假藍(lán)寶石的相關(guān)研究，在此不再重復(fù)?？偨Y(jié)起來(lái)可以發(fā)現(xiàn)這樣的一般規(guī)律：與高溫超高溫變質(zhì)作用相關(guān)的假藍(lán)寶石大多數(shù)產(chǎn)于麻粒巖相巖石中，其礦物組合或多或少都有：假藍(lán)寶石+石英，尖晶石+石英，大隅石+石榴子石，斜方輝石+夕線石+石英，剛玉+石英等超高溫—高溫礦物組合，還可能含有石榴子石和藍(lán)晶石等礦物殘留。相對(duì)而言比較低溫的麻粒巖相條件下形成的假藍(lán)寶石往往有其特殊條件，如n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)]值越高，假藍(lán)寶石的穩(wěn)定溫度越低(Christy，1989)；巖石富水貧硅會(huì)使假藍(lán)寶石形成溫度降低(Friend et al.，1993)；化學(xué)體系不平衡，礦物組合不確定會(huì)改變假藍(lán)寶石的形成溫度(S?b?u et al.，2012；Ren Liudong et al.，2008)等。東德溝中發(fā)現(xiàn)假藍(lán)寶石的樣品中n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)]為0.96，假藍(lán)寶石與角閃石大量共生，說(shuō)明巖石富水，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與假藍(lán)寶石共生的典型的超高溫變質(zhì)作用的礦物組合，如假藍(lán)寶石+石英，尖晶石+石英，剛玉+石英等，另外礦物產(chǎn)出的不均一性和各樣品全巖成分的差異表明全巖化學(xué)體系的不平衡，這些條件使得假藍(lán)寶石在較低溫度的麻粒巖相條件下形成成為可能。

孔凡梅等(2011, 2012)在通過(guò)對(duì)東德溝中的橄欖巖的巖石礦物學(xué)和地球化學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)東德溝橄欖巖經(jīng)歷了源于俯沖板片含水熔體或流體的多期交代作用，并且受到地殼物質(zhì)的混染，向著富鋁和富鈣兩個(gè)方向發(fā)展。東德溝異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中過(guò)鋁質(zhì)假藍(lán)寶石和富鋁尖晶石的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明斜長(zhǎng)角閃巖在經(jīng)歷后期異剝鈣榴巖化作用之前首先經(jīng)歷了一次富鋁熔(流)體的交代進(jìn)變質(zhì)作用，可能代表了一次熱事件，其性質(zhì)還有待進(jìn)一步的探討。結(jié)論與孔凡梅等(2011, 2012)的研究成果相互呼應(yīng)，與大地構(gòu)造背景屬于SSZ俯沖帶的島弧或地幔楔環(huán)境的東德溝橄欖巖經(jīng)歷了共同的變質(zhì)過(guò)程。

5 結(jié)論

(1) 西南天山東德溝中的異剝鈣榴巖化斜長(zhǎng)角閃巖中有過(guò)鋁質(zhì)的假藍(lán)寶石和富鋁的尖晶石，其礦物組合為：假藍(lán)寶石±尖晶石+鎂普通角閃石+鈣長(zhǎng)石+透輝石+斜黝簾石+綠泥石。

(2) 結(jié)合假藍(lán)寶石和富Al-尖晶石的礦物組合和變質(zhì)條件的熱力學(xué)模擬，結(jié)果表明巖石經(jīng)歷過(guò)高溫富鋁(熔)流體交代進(jìn)變質(zhì)作用，峰期變質(zhì)溫度為700～780℃，達(dá)到了麻粒巖相的變質(zhì)條件。

(3) 熱力學(xué)模擬結(jié)果和礦物反應(yīng)結(jié)構(gòu)表明，在交代進(jìn)變質(zhì)作用過(guò)程中，假藍(lán)寶石及其麻粒巖相礦物組合通過(guò)反應(yīng)：角閃石(Am)+尖晶石(Spl)+鈣長(zhǎng)石(An)=綠泥石(Chl)+透輝石(Di)+假藍(lán)寶石(Spr)轉(zhuǎn)變形成。

致謝：感謝北京大學(xué)電子探針室舒桂明先生幫助進(jìn)行電子探針?lè)治?，感謝茍龍龍和申婷婷博士在野外工作中給予的幫助，感謝評(píng)審專家提出的寶貴意見。

注 釋 / Notes

? 郭敬輝，陳意，彭澎，劉富，陳亮，張履橋．2006．內(nèi)蒙古大青山假藍(lán)寶石麻粒巖——1.8Ga的超高溫(UHT)變質(zhì)作用．見：邱檢生，肖娥，胡建，李真．主編．2006年全國(guó)巖石學(xué)與地球動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文摘要集，215～218．

? 李旭平，孔凡梅，張立飛．2011．南天山地幔楔尖晶石橄欖巖的地球化學(xué)特征及交代過(guò)程．見： 地質(zhì)構(gòu)造(全國(guó)巖石學(xué)與地球動(dòng)力學(xué)研討會(huì) (西安) 摘要集上集), 18頁(yè)．