西大別石榴黑云斜長片麻巖中金紅石的退變質演化

張景森,張 靜,張紅芬,周俊杰

(1.河北工程大學資源學院,河北邯鄲056038;2.河北工程大學河北省資源勘測研究實驗室,河北邯鄲056038;3.河北工程大學圖書館,河北邯鄲056038)

金紅石是一種在許多類型的巖石(如高級變質巖、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作用提供非常豐富而重要的信息[3-5]。因此,地質學家普遍十分注重對金紅石的研究。有關高壓-超高壓變質巖石中的金紅石研究涉及礦物學[3-6]、地球化學[6-12]、地質年代學[13-15]、成礦作用[16-19]和變質作用[20-23]等眾多方面。由于高壓-超高壓巖石折返至地表時普遍發生退變質作用,其中的金紅石也會退變形成鈦鐵礦、榍石等含鈦礦物。在研究高壓-超高壓變質巖中的金紅石時,都不可避免地要討論到金紅石的退變質問題[6]。但系統討論金紅石變質問題的專門研究甚少,相關文獻見于對金紅石礦床變質條件的研究[20],或對少數鈦礦物相的關系分析[22-23]。因此,迄今對這種轉變關系發生的條件仍然沒有一個較為完整的認識。相平衡方法使用礦物熱力學數據庫計算P-T視剖面相圖,可以為分析巖石的變質作用提供最多的有用信息[24-25],是該研究領域的重要發展方向,可以解決許多復雜的巖石學問題[24-27]。本文研究的目的是通過對西大別七里坪的石榴黑云斜長片麻巖進行相圖計算,探討金紅石與榍石、鈦鐵礦在該類片麻巖中的穩定條件及其發生退變質作用時含鈦礦物的轉變關系。

1 地質背景

大別山西段是指位于河南省新縣和湖北省紅安縣境內,東側由商麻斷裂與大別山東段相隔,西側由大悟斷裂與桐柏山地區分開的地塊。這一地區以新縣高壓-超高壓變質地體為核心呈構造穹隆,南北兩翼由高壓至中低壓變質帶組成[28-33]。巖石構造單元從北到南可以劃分為5個部分：南灣變質復理石單元、八里畈構造混雜巖單元、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到花崗閃長質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單元內,地點位于七里坪鎮東南側的石灰山采石場,這里主要巖石類型為淺色的白云鈉長片麻巖和大理巖(大理巖已開采殆盡),石榴黑云斜長片麻巖呈夾層狀或透鏡狀產于淺色片麻巖中,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 巖相學與礦物學特征

石榴黑云斜長片麻巖呈灰黑色、深灰色,中-細粒斑狀變晶結構,片麻狀構造,主要組成礦物為石榴子石、黑云母、石英、斜長石,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帶,表現為鐵鋁榴石和錳鋁榴石成分略減少、鎂鋁榴石增加,具有明顯的生長環帶特征;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改造的特征。

黑云母呈長條狀,寬小于0.1mm,長可達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Fe3+。石英呈不等粒結構,粒徑最大可達1mm,小者小于0.1mm,存在于石榴子石斑晶和基質中。斜長石粒徑小于0.8mm,成分中一般含鈣長石24%～27%,少部分顆粒為鈉長石。

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0.3mm。綠簾石主要分散在基質中,粒徑較大,可達0.2mm;石榴子石中的綠簾石包裹體顆粒細小,呈長條形,長度小于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。電氣石為鎂質電氣石,含量很少,僅見到少數幾個礦物顆粒。

金紅石呈粒狀,主要存在于基質中,也在石榴子石中呈包裹體存在。基質中的金紅石普遍具有鈦鐵礦退變邊。鈦鐵礦主要在基質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。但金紅石常常與鈦鐵礦交互生長,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。

根據該片麻巖的礦物組成及其特征,巖石至少經歷了高壓變質作用和后期角閃巖相退變質作用2個變質階段。

3 金紅石退變質的相平衡模擬

3.1 相圖計算條件

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視剖面圖計算為主。考慮成分-活度模型的礦物有石榴子石[34]、綠輝石[35]、藍閃石和普通角閃石[36]、黑云母[34]、白云母和鈉云母[37]、斜長石[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)。

相平衡計算有效全巖成分根據組成礦物的含量及其成分計算產生。由于石榴子石具有明顯成分環帶,只取其一半的體積和邊部成分參與巖石成分的計算。該巖石成分以氧化物摩爾百分數(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數表示)是巖石中現有礦物組合結合的含水量。

相圖計算的P-T范圍為0.3～1.5GPa和450～650℃。計算時使用了THERMOCALC軟件(版本3.33,2009更新)[41-42]和熱力學數據庫(2003更新文件tc-ds55.txt)[43]。計算時設石英和水過剩。所計算的相圖如圖1所示。

3.2 金紅石、鈦鐵礦和榍石的穩定范圍

所計算的P-T視剖面圖(圖1)顯示了不同礦物組合的穩定范圍。圖中有幾個典型的礦物組合具有較大的穩定范圍,在圖上占據較大面積,如圖左上部的石榴子石+藍閃石+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,當溫度低于565℃時,金紅石穩定的壓力下限約1.15～1.40GPa,溫度高于565℃時壓力高于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時溫度可高達565℃;壓力升高或降低時,含榍石組合的穩定溫度都降低,一般低于550℃;但榍石最高穩定壓力約為1.40GPa。典型礦物組合是上述組合I(圖1)。同時含有榍石與金紅石的礦物組合穩定范圍較小,分布于含榍石礦物組合穩定域邊緣,相當于含榍石組合域較狹窄的一個鑲邊(圖1)。

含鈦鐵礦的礦物組合占據了圖1中壓力低于0.75GPa以下的大部分區域,且隨著壓力下降穩定的溫度范圍趨于降低,可以低至475℃。該P-T范圍內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定于570℃以上和0.55GPa以下的區域,典型組合為石榴子石+黑云母+斜長石+鈦鐵礦+角閃石(圖1右下組合V)。

在壓力低于0.75GPa時,相對低溫的含榍石組合升溫時,榍石消失出現含金紅石組合,其后繼續升溫時方出現金紅石和鈦鐵礦組合,這中間存在一個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,但一般含鈦數量較小。黑云母在450℃時穩定壓力低于0.9GPa,溫度在650℃時穩定壓力高達約1.5GPa,其間隨溫度升高而穩定壓力也升高。黑云母可以與其它鈦礦物共生。

3.3 金紅石退變質演化

注：MnNCKFMASHTO(+ru+q+H2O)表示化學體系,其中括號內符號表示金紅石、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用-ru表示。圖中灰色區塊表示礦物組合穩定的范圍,色調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(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]。點線表示體系現有含水量等值線(H2O=4.75 mol%),斷線表示高壓巖石近等溫降壓的退變質P-T軌跡(585℃)[44]。礦物代號：bi,黑云母(biotite);chl,綠泥石(chlorite);ep,綠簾石(epidote);g,石榴子石(garnet);gl,藍閃石(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,斜長石(plagioclase);q,石英(quartz);ru,金紅石(rutile);sph,榍石(sphene).

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

假設該片麻巖從變質峰期的585℃發生等溫降壓,則金紅石沿此退變質P-T軌跡(圖1中曲線AB)演化。首先降壓至約1.25GPa時出現黑云母+金紅石的組合,降壓至0.75GPa時金紅石向鈦鐵礦轉變,其后可能出現明顯的降溫過程,金紅石與鈦鐵礦穩定共生。

實際上,流體(水)在巖石的變質過程中具有十分重要的作用,控制著礦物組合的演化[45,46]。流體不但是變質反應發生的介質,而且還是一些含水礦物的重要組成。它控制著脫水反應與水化反應發生的方向。圖1中所示水飽和曲線,是巖石現有礦物所固有的水含量等值線(即H2O=4.75 mol%),曲線左側礦物組合需要更多的水,右側只需要較少的水。如果不考慮水的進出,巖石退變質軌跡上A點以上要求水含量大于體系現有水含量,退變質作用不容易發生;A點以下,體系現有水含量略微過剩,利于巖石退變質作用的發生,特別是A、B兩點之間是有利于該片麻巖發生所謂的“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+斜長石組合。B點以后進入顯著降溫階段,在相圖上表現為退變質軌跡進入高水含量組合域,體系現有水含量不足造成體系缺乏流體,后續的退變質作用不易發生, B點處的礦物組合得以保留。

4 討論

4.1 鈦礦物穩定條件

金紅石通常被認為是高壓和超高壓條件(榴輝巖相)下的標志性礦物。相圖計算表明,除了榴輝巖相,金紅石也可以穩定于角閃巖相較高壓力條件。相圖計算的結果可以較好的說明“為什么高-超高壓變質作用利于金紅石形成”的問題[21]。壓力較低時,如果條件適當也可以形成金紅石。如對北秦嶺八廟-青山黑云角閃片巖中金紅石礦床的變質條件研究認為,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、金紅石和鈦鐵礦穩定的溫壓范圍(圖1)。但從模擬結果來看,三種鈦礦物分別成礦應該具有更寬的溫壓范圍。

在高壓-超高壓變質巖中,也多發現有榍石產出,一般認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現有低鋁榍石[48],但其榍石成分仍然含有2 wt%以上的鋁,應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邊而存在,榍石也含有少量的鋁,并且水活度和氧活度對榍石的穩定性具有重要影響[22]。關于高鋁榍石還需要做進一步的研究。

4.2 片麻巖的退變質條件

大別山高壓-超高壓變質帶中廣泛分布的片麻巖,絕大多數也經歷了高壓或超高壓變質過程[49-51]。由于角閃巖相退變質影響,這些片麻巖類巖石礦物組合主要呈現角閃巖相組合,如黑云母、斜長石等。但由于巖石并沒有在角閃巖相條件下完全達到平衡狀態,這就使得估算其退變質P-T條件誤差較大[52]。相圖分析表明,無論是斜長石的牌號,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關系,而與溫度相關性較小,利用相圖估計片麻巖的退變質條件存在的問題是壓力比較容易確定,溫度較難確定。有關金紅石、鈦鐵礦和榍石等的溫度計適用性還需要作進一步的討論[23]。由于巖石退變質的不平衡性,相平衡方法估計的P-T條件與實際條件差異很難估計。如果考慮到金紅石作為片麻巖中的副礦物,它向鈦鐵礦的轉變對其它主要礦物成分影響較小,則它們最可能接近平衡狀態,由此可以對退變質壓力約束至0.55～0.75GPa。該壓力要低于由斜長石牌號和石榴子石邊緣成分約束的壓力1.0GPa左右。同時考慮體系現有流體含量,大致可約束其退變質溫度應大于570℃。該P-T相當于圖1中B點附近。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算時鈦鐵礦使用了純端元礦物的結果,因為實際金紅石和鈦鐵礦中都可以容納一定數量的Fe2O3成分[22,34,53-54]。實際上,使用相圖分析變質巖石的P-T條件還應考慮全巖化學成分、選用的礦物固溶體模型、流體活度等多種因素的影響,有關問題還有待進一步探討。

5 結論

石榴黑云斜長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,金紅石大多穩定于壓力大于0.75GPa的相對高壓條件下,溫度低時壓力較高、溫度高時壓力較低,但壓力低于0.75GPa時也可在很窄的溫度范圍內穩定;榍石穩定的溫度一般小于565℃,壓力范圍0.35～1.40GPa;榍石與金紅石共生區域較窄;金紅石與鈦鐵礦共生區域較大,壓力低于0.75GPa,溫度高于475℃,但溫度高于570℃時壓力范圍變小;只有鈦鐵礦時,其穩定溫度高于570℃,壓力低于0.55GPa。

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

致謝：核工業北京地質研究院分析測試實驗室的于阿朋工程師對樣品電子探針分析工作給予了極大的幫助,在此謹表示誠摯的謝意。

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