混合巖脈體中的石榴石及其地質(zhì)意義

喻磊 周新 李江力 何海林

摘 要：混合巖化作用是介于變質(zhì)作用和典型的巖漿作用的之間的地質(zhì)作用，其形成的混合巖有基體和脈體兩部分組成；脈體的形成機(jī)制有四種；石榴石作為脈體的常見變質(zhì)礦物，只出現(xiàn)在深熔作用形成的脈體中。深熔作用形成的脈體中的石榴石則分為兩種，這兩種不同的石榴石具有不同的地質(zhì)特征，對其寄主的巖石具有不同的地質(zhì)意義。

關(guān)鍵詞：石榴石 脈體 混合巖 深熔作用

中圖分類號：P578 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0240-02

石榴石作為變質(zhì)巖中常見的變質(zhì)礦物，前人對其物理性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、成因及其原巖各個階段的溫壓計算的研究得到很多資料，但是對混合巖脈體中的石榴石的研究很少。本文擬先介紹混合巖脈體的四種機(jī)制及形成的脈體中哪些出現(xiàn)石榴石，然后對其出現(xiàn)的石榴石及其地質(zhì)意義進(jìn)行剖析并討論混合巖脈體中的石榴石對其寄主的巖石的意義。

1 脈體的形成機(jī)制

混合巖由脈體和基體兩部分組成。在混合巖化作用過程中，由于地質(zhì)構(gòu)造、物理化學(xué)條件不同，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為混合巖化作用中脈體的認(rèn)識也有差別。Sederholm最初認(rèn)為脈體是指順層或沿裂隙分布的花崗質(zhì)組分，P.J.Holmguist把脈體描述為混合巖的活動物質(zhì)，并認(rèn)為這種活動物質(zhì)是在超變質(zhì)作用下由基體本身分泌出來再后期溫度改變下離子固體狀態(tài)下擴(kuò)散形成的。1960年在哥本哈根國際地質(zhì)學(xué)會議上認(rèn)為“脈體”是地球化學(xué)上活動的部分，即后來侵入的或原地產(chǎn)生的花崗質(zhì)物質(zhì)，主要強(qiáng)調(diào)了“脈體”是外來還是原地的。按照Mehnert的意見，在混合巖中一般能區(qū)分出古成體和新成體，新成體中的淺色體，混合巖中淺色部分，以長英質(zhì)礦物為主體（過去泛稱為脈體）。應(yīng)思維等在地震地質(zhì)發(fā)表的“混合巖化的發(fā)生與發(fā)展”一文把“脈體”描述為混合部分：主要由淺色礦物、微斜長石、斜長石、條紋長石等組成，這些礦物在混合巖化過程中表示為活動組份，在混合巖化后期常常形成混合部分，并具有很大的流動性和遷移性，也稱其為流動體。2007年統(tǒng)一研究把混合巖中的淺色部分正式定義為脈體。

關(guān)于混合巖脈體的形成機(jī)制目前存在不同的認(rèn)識，一般認(rèn)為有如下四種方式：（1）巖漿注入作用：指外來物質(zhì)沿變質(zhì)巖的葉理或裂隙等注入，并同巖石發(fā)生交代反應(yīng)的作用。（2）交代作用：是富含K、Na、Si等組分的巖汁對原巖進(jìn)行交代作用，使原巖的一部分變成新生礦物成為脈體。（3）深熔作用，又稱重熔作用，指在區(qū)域變質(zhì)作用后期在沒有外來物質(zhì)的參與下，固體巖石發(fā)生選擇性熔融，其中熔點(diǎn)低的長石和石英首先開始融化成為液相的作用，形成淺色的脈體。（4）變質(zhì)分異作用：是變質(zhì)作用的物化條件下，原巖本身的某些礦物組分經(jīng)擴(kuò)散作用而不均勻聚集的過程，從而形成淺色礦物和暗色礦物的集合體。以上四種混合巖脈體的成因可以大題歸納為“外來交代說”和“原地熔融說”。

2 混合巖脈體中的石榴石

2.1 巖漿注入作用形成的脈體

這種以注入作用方式形成的脈體只要依靠巖漿的壓力擠入變質(zhì)巖的頁理或裂隙中形成長石化斑晶和各種不規(guī)則的脈體，常見于中、低變質(zhì)區(qū)。脈體成分主要是石英質(zhì)、偉晶質(zhì)等。單純的從脈體成分來看，無論是在理論上還是在現(xiàn)實中都可以形成石榴石（主要是錳鋁榴石）；Green和Miller的實驗顯示：隨著巖漿中Mn含量的增加，富Mn石榴子石（Mn>4%）可以在很低的壓力下（≤0.3 GPa）從酸性巖漿中結(jié)晶。于津海等[在閩東南沿海晚中生代變質(zhì)巖內(nèi)出露的I型花崗巖、細(xì)晶巖、偉晶巖中發(fā)現(xiàn)的石榴石也證明了這一點(diǎn)，而且這種石榴石成分具有明顯的反環(huán)帶。但就目前所觀察和研究的這種方式形成的脈體中基本沒有石榴石，僅在其與基體接觸帶上見到少量石榴石，不過可以確定是原巖中的石榴石。

2.2 交代作用形成的脈體

交代作用形成的脈體是是富含K、Na、Si等組分的巖汁對原巖進(jìn)行交代作用，帶入K、Na、Si等，帶出Fe、Mg、Ca、Al、Ti、P、Mn等元素在另一空間富集，使原巖的一部分變成新生礦物成為脈體，這種巖汁對原巖進(jìn)行交代作用的驅(qū)動力來自于巖汁間的壓力差。由于交代作用是在固態(tài)作用下進(jìn)行的，只有通過巖石裂隙發(fā)生和演化，因此交代作用形成的脈體無論是規(guī)模還是范圍都不會太大，常見于碳酸鹽地區(qū)，即混合巖化矽卡巖地區(qū)（長出現(xiàn)重大的金屬礦床，因此受到眾多學(xué)者的重視）。這種成因形成的脈體中幾乎見不到石榴石，石榴石絕大部分都出現(xiàn)于矽卡巖之中。這類矽卡巖中一般會形成鈣質(zhì)系列石榴子石，但其成因卻是兩種，一種是巖漿成因的石榴石，晶形不完整、環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育，在其內(nèi)部常見熔融包裹體，其稀土配分模式呈現(xiàn)出兩個顯著特點(diǎn)：（1）LREE富集的右傾分布模式；（2）具有Eu正異常現(xiàn)象，例如大冶Fe礦床。另一種是接觸交代成因的石榴石，成分呈現(xiàn)急劇變化，通常表現(xiàn)為規(guī)則的震蕩環(huán)帶，具非均質(zhì)性，正交偏光下呈深藍(lán)、橘黃等干涉色，其稀土元素配分曲線有兩種特征：（1）LREE富集、Eu負(fù)異常的直線型分布；（2）HREE富集、Eu負(fù)異常的平緩曲線。

2.3 變質(zhì)分異作用形成的脈體

變質(zhì)分異作用最早由F.L.Stillwell提出，原指成分均勻的原巖經(jīng)變質(zhì)作用后，出現(xiàn)礦物成分不均勻現(xiàn)象的各種作用。目前一般認(rèn)為變質(zhì)分異作用是在變質(zhì)作用的物化條件下，原巖本身的某些礦物組分經(jīng)擴(kuò)散作用而不均勻聚集的過程，這種組分僅僅是在一定的空間范圍上的遷移而非重結(jié)晶。由于這一作用是在變質(zhì)作用的物化條件（即是在巖石保持固態(tài)）下進(jìn)行的組分一定范圍上的遷移，因此組分的遷移只能是通過固態(tài)離子的擴(kuò)散或間隙溶液的流動，影響這種組分遷移的動力主要是離子半徑、電價及其他們在間隙溶液中的相對濃度。這種脈體的物化條件和動力決定了其形成時的溫壓條件都不會很高，而石榴石作為高壓條件下的穩(wěn)定礦物是不會出現(xiàn)的。這種作用下形成的脈體不具有火成巖礦物的特征，與變質(zhì)巖的礦物具有相容性，且形成溫度相似；淺色礦物與暗色礦物在成分上具有明顯的互補(bǔ)性。脈體具高的K/Rb和Ba/K值，與花崗巖成因的偉晶巖脈完全不同。

2.4 深溶作用形成的脈體

深溶作用成因下的脈體中石榴石分為二種：（1）原變質(zhì)巖中的石榴石殘留體；（2）熔融的長英質(zhì)脈體結(jié)晶形成的石榴石。

2.4.1 原變質(zhì)巖中的殘余石榴石

深熔作用下，固體巖石發(fā)生選擇性熔融，其中具低熔點(diǎn)的長石和石英首先開始融化成為液相，然后才是其他艱難熔融的組分，而由于石榴石本身具有難熔和流體中低溶解能力的特點(diǎn)，所以通?？梢院芎玫乇４嫦聛恚貏e是在深熔作用不徹底的情況下，會較多的保留原變質(zhì)巖中的石榴石，被保留下來的石榴石多集中分布，呈集合體的形態(tài)，石榴石裂隙中多為長英質(zhì)物質(zhì)充填，反應(yīng)深熔作用下流體的流動性，邊部被長石、石英交代，后期多蝕變?yōu)榻佋颇浮Ｈ缭诤颖钡貐^(qū)發(fā)現(xiàn)深溶作用下長英質(zhì)脈體中石榴石的裂隙中見后期蝕變的絹云母和綠泥石。

由于石榴石可以在很寬的化學(xué)成分和溫壓條件下存在，因此在深熔作用下作為原變質(zhì)巖的殘余能夠較多的保留原巖的信息（以下稱殘余石榴石）。殘余石榴石一般都保存了原來的化學(xué)成分環(huán)帶，即從核部到邊部主要元素和微量元素的逐步變化：從核部到邊部Mn元素逐步降低，而Fe元素逐步升，即中心富集錳鋁榴石，邊部以鐵鋁榴石為主，這種錳鋁榴石的啞鈴型環(huán)帶稱為正環(huán)帶。對石榴石成分環(huán)帶的研究表明：石榴石中Mg元素與溫度呈正相關(guān)，Mn元素與溫度呈負(fù)相關(guān)；而Ca與壓力呈正相關(guān)。但是在深熔作用下，隨著溫度的升高，石榴石中陽離子的擴(kuò)散也會加快。當(dāng)溫度T<650 ℃時，石榴石中Mn的擴(kuò)散速率幾乎可以忽略；當(dāng)溫度T>700 ℃時，Mn元素的擴(kuò)散速率會迅速加快，甚至使原來的環(huán)帶均一化。因此常把微量元素作為研究巖石形成的化學(xué)動力學(xué)、溫壓條件和構(gòu)造環(huán)境的重要原因。

2.4.2 長英質(zhì)結(jié)晶（巖漿結(jié)晶）形成的石榴石

巖漿結(jié)晶形成的石榴石在自然界中很少，多數(shù)出現(xiàn)在偉晶巖和細(xì)晶巖中，也有少量出現(xiàn)在長英質(zhì)的過鋁質(zhì)花崗巖中和I型、A型花崗巖中。

花崗巖中的石榴石也具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)：核部為鐵鋁榴石，邊緣為錳鋁榴石，形成反環(huán)帶。在巖漿冷卻結(jié)晶過程中，Mn/（Fe+ Mg）比值是逐漸升高的，結(jié)果導(dǎo)致晚期結(jié)晶石榴石的Mn元素相對于Fe和Mg元素富集，最后生長的石榴石邊部Mn元素最為集。由于是在冷卻條件下結(jié)晶形成的，因此陽離子的擴(kuò)散速率大大降低，一般不會出現(xiàn)均一化現(xiàn)象，能很好的保留反環(huán)帶特征，這是鑒別巖漿結(jié)晶形成石榴石的主要特征[8，14]。

巖漿結(jié)晶的石榴石一般形成于富Mn的巖漿，但是有些S型花崗巖可以在較寬的P-T-fH2O范圍內(nèi)產(chǎn)生貧Mn石榴石，其壓力范圍為200～600 MPa。因此在不同地質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的深熔作用，由于原變質(zhì)巖的化學(xué)組分不同形成的長英質(zhì)組分也有很大差別，特別是深熔作用較徹底的情況下可能演化出不同的花崗質(zhì)巖漿，所以形成的石榴石也有很大差別。

（1）當(dāng)深熔作用發(fā)生在上地殼硅鋁層時，可形成類似S型花崗巖的長英質(zhì)組分，這種組分在0.7 GPa以上的壓力中能夠直接結(jié)晶出富鐵低錳的石榴石，如王金麗等在位于青藏高原班公湖-怒江蛇綠巖帶與印度-雅魯藏布江蛇綠巖帶之間的拉薩地體東南緣前寒武紀(jì)結(jié)晶基底中富石榴石斜長石花崗巖脈體的研究。

（2）當(dāng)深熔作用發(fā)生在下地殼硅鎂層時，可形成類似I型花崗巖的長英質(zhì)組分，這類長英質(zhì)組分通過結(jié)晶分異作用，最后可形成富鐵錳低鈣鎂的石榴石。在這一過程中，結(jié)晶分異作用是很重要的，它使得殘余巖漿的ASI增加。通過計算得出，當(dāng)巖漿中有50%的長石結(jié)晶時，初始巖漿的ASI由1.05變?yōu)?.13，當(dāng)有75%的長石結(jié)晶時，ASI將增加到1.22。因此，以長英質(zhì)為主而沒有相應(yīng)的鐵鎂質(zhì)富鋁礦物的早期結(jié)晶時，將會使Fe、Mg、Mn等元素在殘余巖漿中更加富集，同時也使巖漿的ASI增加，從而有利于石榴石等富鋁礦物的形成。Clemens等的實驗也表明長英質(zhì)富鋁巖漿巖在低壓下（0.1 GPa）斜長石和石英將早于石榴石結(jié)晶，而在高壓下（0.5 GPa）黑云母和石榴石先于長石和石英結(jié)晶。于津海等[在閩東南地區(qū)報道的含石榴子石I型花崗巖就具有以富FeO（19.88%～32.88%）、MnO（8.91%～20.94%）和貧MgO（0.79%～1.22，）、CaO （0.38%～2.26%），且Mn/（Fe+Mn）的比值較大（0.41～0.55）的特征。

石榴石可以作為有效的地質(zhì)溫壓計如石榴石-黑云母地質(zhì)溫度計和石榴石-白云母地質(zhì)溫度計以及石榴石-黑云母-斜長石-石英地質(zhì)壓力計，估算花崗巖結(jié)晶時的溫度壓力，推斷深熔作用發(fā)生的位置。

3 結(jié)論

（1）脈體的形成機(jī)制有四種：巖漿注入作用、交代作用、變質(zhì)分異作用、深熔作用，只有在深溶作用形成的脈體中出現(xiàn)石榴石，其他三種機(jī)制形成的脈體不出現(xiàn)石榴石。

（2）深熔作用下的石榴石有兩種：①原變質(zhì)巖中石榴石的殘余；②長英質(zhì)組分結(jié)晶生成的石榴石。

（3）原變質(zhì)巖中的石榴石在成分上具有正環(huán)帶，而長英質(zhì)組分結(jié)晶生成的石榴石往往具有反環(huán)帶，是鑒別兩者的主要特征。

（4）長英質(zhì)組分結(jié)晶生成的石榴石，可以作為地質(zhì)溫壓計，如石榴石-黑云母地質(zhì)溫度計和石榴石-白云母地質(zhì)溫度計，以及石榴石-黑云母-斜長石-石英地質(zhì)壓力計，估算長英質(zhì)組分結(jié)晶時的溫壓。

（5）根據(jù)深溶作用下長英質(zhì)結(jié)晶的石榴石成分的不同，可以推測深熔作用發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] Sederholm JJ.On granite and gneiss.Bull.Comm[J].Goel，1907，23：1-10.

[2] 應(yīng)思維，俞理寶，楊主恩.混合巖化的發(fā)生與發(fā)展[J].地震地質(zhì)，1980，2（1）：49-62.

[3] 劉景波.混合巖礦物空間分布研究[J].地質(zhì)科技情報，1988，7（3）：95-101.

[4] Atherton MP，Grabble CD. Migmatites，Melting and Metamorphism[M].UK：Shiva Publishing Limited，1983.

[5] 程裕淇.有關(guān)混合巖和混合巖化作用的一些問題—— 對半個世紀(jì)以來某些基本認(rèn)識的回顧[J].中國地質(zhì)科學(xué)院院報，1987，第十六號，5-19.

[6] 趙珊茸.結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)教程[M].高等教育出版社，2004.

[7] 胡恭任.贛中周潭群變質(zhì)巖中石榴石的演化史及地質(zhì)意義[J].