內蒙古中部太古界烏拉山巖群礦物學和結晶P-T條件

摘要：內蒙古中部太古界烏拉山巖群變質作用峰期變質的溫度為830~948℃，壓力為0.942GPa。是麻粒巖相變質作用發生于地殼大幅度增厚的環境，強烈的構造變動和區域性高熱流共同作用的結果。從第二階段峰期變質到第三階段近等溫減壓過程為區域性地殼減薄的開始，直至第四期角閃巖相的退變質階段顯示出地殼大幅度減薄和抬升剝蝕的特點。

關鍵詞：麻粒巖 變質作用 烏拉山巖群 內蒙古中部

太古界烏拉山巖群變質巖系分布于大青山地區，西起包頭，向東延至呼和浩特市一帶，構成了陰山地區太古界麻粒巖相變質巖系的主體。近年來，許多地質學家對該套巖系進行了較詳細的研究，取得了不少新的認識[1]，[2]；作者曾在大青山地區呼和浩特市以北進行了不同比例尺的區域地質調查，對烏拉山巖群變質巖系的變質溫壓條件研究取得了一些認識，供參考。

1 區域地質特征

內蒙古烏拉山地區位于華北陸臺北緣西段，主要包括包頭一白云鄂博鐵路線以西至烏拉特前旗西山咀一帶。變質地質單元屬華北太古一早元古變質地區，是華北陸臺北緣麻粒巖相區的一部分。太古界烏拉山巖群由一套深變質巖系組成，其麻粒巖和各種片麻巖系位于烏拉山巖群的下部層位，而大理巖位于上部層位。麻粒巖和片麻巖是烏拉山巖群的主要巖石類型， 巖石類型為榴石黑云斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖。斜長片麻巖系主要為角閃斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、透輝斜長片麻巖和含榴石角閃紫蘇斜長片麻巖。該類巖石在烏拉山巖群中呈薄層狀與其他巖系互層產出。

1.1角閃斜長片麻巖：廣泛分布于烏拉山巖群中。巖石呈灰白色，鱗片粒狀變晶結構，交代假象結構，片麻狀構造，斜長石65%，粒徑0.3mm—2mm；石英25%，粒徑達2mm以下；其他由假象角閃石和黑云母、少量反條紋長石組成。斜長石雙晶消光普遍不均勻，強烈絹云母化，少數斜長石被鉀長石交代形成條紋長石。石英活化明顯，集合體長軸大致定向排列，并且交代斜長石，形成交代港灣結構，交代縫合線構造。角閃石被0.5mm—1.0mm細粒石英集合體及綠泥石取代，黑云母被細小鱗片狀綠泥石取代，保留各自晶形，零星弱定向分布。

1.2角閃透輝斜長片麻巖：巖石呈灰白色，柱粒狀變晶結構，片麻狀構造。巖石由變晶粒狀斜長石、透輝石、角閃石組成，偶見石榴石。礦物粒度多在0.5mm—1.0mm之間，2.0mm者少量。晶體間緊密相嵌，接觸界線較規則。斜長石含量40%，具綠泥石化；角閃石含量25%，新鮮無蝕變；透輝石含量35%，普遍發生次閃石化，被藍綠色長柱狀、針狀陽起石交代。暗色礦物呈集合體斷續定向排列，形成片麻狀構造。

1.3透輝斜長片麻巖：巖石具柱粒狀變晶結構，弱片麻狀構造。巖石由斜長石、透輝石、石英、角閃石及磁鐵礦等組成。斜長石呈變晶粒狀（晶體裂紋被綠泥石充填）含量為50％，粒徑在0.3mm—2.0mm之間；石英呈透鏡狀、豆莢狀集合體，含量為25％，單晶粒徑為0.25mm—1.0mm；透輝石含量20％，粒徑為0.3mm—0.8mm，強烈次閃石化，保留其晶形及解理特征；角閃石呈變晶柱狀，含量在5％左右，多色性顯著，輕陽起石化。暗色礦物呈集合體弱定向分布于巖石之中。

1.4含榴石角閃紫蘇斜長片麻巖：巖石呈柱粒狀變晶結構，交代假象結構，弱片麻狀構造。由斜長石、石英、紫蘇輝石、角閃石和石榴石等組成。斜長石、石英呈變晶粒狀，斜長石含量為65％，粒徑多在0.3mm—2.0mm之間，少數在2mm—4mm。斜長石輕泥化，雙晶清晰，石英普遍具波狀消光現象，且呈豆莢狀集合體定向分布；紫蘇輝石含量為5％，呈假象無殘留晶體，被細粒黑云母、磁鐵礦和石英集合體交代；角閃石含量在3％左右，呈假象無殘留晶體，被石英、斜長石、綠泥石集合體交代；石榴石少量，并且被黑云母集合體取代，保留等軸粒狀晶體。上述暗色礦物呈集合體斷續定向分布。

烏拉山巖群高級變質巖系特征變質礦物共生組合為紫蘇輝石+透輝石+斜長石+石英；紫蘇輝石+透輝石+角閃石(棕色)+斜長石+石英；紫蘇輝石+鉀長石+石榴石+石英；角閃石(棕色)+斜長石+石榴石+石英等[3]。

2 特征變質礦物

烏拉山巖群高級變質巖系特征變質礦物為斜方輝石、單斜輝石、石榴石、角閃石(棕色)、黑云母及斜長石等。

2.1斜方輝石(Opx)：主要是紫蘇輝石，可分為峰期變質作用形成的紫蘇輝石和峰期后形成的紫蘇輝石。前者與單斜輝石和石榴石共生，多數自形程度高，沿片麻理廣泛分布。后者受應力拉長而發生細頸化或形成輝石鏈。該類紫蘇輝石分布于新生構造葉理帶內。峰期變質的紫蘇輝石顯微鏡下多具淺綠色(Ng′)、淺紅色(Np′)多色性，變晶粒狀半自形—它形晶，具輝石式解理。粒度變化較大，一般0.2~1.0mm，個別2.0~5.0mm大小。多數平行消光，有時為斜消光，但消光角不超過10°。

2.2單斜輝石(Cpx)：以透輝石和普通輝石為主。普通輝石賦存于暗色麻粒巖中，常與斜方輝石共生。透輝石常賦存于二輝斜長麻粒巖中。單斜輝石多呈淺綠色，粒度0.5~2 mm不等。單斜輝石SiO2為50%~54%，Al2O3在2.41%~6.3%之間，TiO2在0.11%~0.54%之間，CaO在20%~22%之間。其含鐵度在不同的巖石中存在較大的差異，低者為15，高者可達90，變化趨勢有從超基性巖→中性巖→變質沉積巖逐漸增加的趨勢。

2.3角閃石(Hb)：角閃石主要分布在斜長角閃巖中，此外在麻粒巖、角閃斜長片麻巖和變質基性脈巖中也有出現。按角閃石變質世代分為：殘留于石榴石晶體中的角閃石呈淡綠色，晶體呈不規則狀，粒晶在1~2mm；與紫蘇輝石共生的角閃石呈棕紅色，粒徑多數在2~3mm，是區域性片麻理構造的主要暗色礦物；由紫蘇輝石退變質形成的角閃石多數分布于后期的構造破碎帶內，角閃石呈淡綠色，粒徑在1~2mm，長軸定向形成葉理，切割了早期的片麻理。

另外在少數薄片中可見到另一種藍綠色角閃石，常在輝石或原生角閃石的邊部形成反應邊，或者為無色—淺綠色的角閃石集合體，是退化變質的產物。

2.4黑云母(Bi)：黑云母常出現在酸性麻粒巖中，與角閃石類似。黑云母也可以分為兩個時代，早期的黑云母粒度較大，粒徑為0.5~1mm，具棕紅色—棕黃色多色性。內部長有瘤狀、櫛狀的不透明礦物包體。這種黑云母與輝石之間的界線模糊。晚期的黑云母常為細小鱗片狀的集合體，具棕褐色—棕黃色多色性，分布于輝石或石榴石的邊緣、裂隙中，或呈輝石和石榴石的假象存在，因此這種黑云母為晚期退變質作用的產物。在多數情況下，黑云母定向排列，構成片理、片麻理及糜棱葉理。

2.5石榴石：石榴石廣泛分布于烏拉山巖群的各類巖石之中。二輝麻粒巖、石榴黑云片麻巖內都有石榴石的出現。其顏色多呈淡紅色，呈等軸變晶狀和粗大的變斑晶兩種形態出現。一般情況在變質基性巖中呈等軸變晶粒狀。在變質泥巖中，某種粗大的石榴石變斑晶中含有硅線石、黑云母、斜長石和石英的包體。與二輝石共生的石榴石，其粒徑粗大，晶體中含有角閃石、斜長石包裹體。該類石榴石分布相對廣泛，是變質峰期的特征礦物。而分布于輝石邊部呈晶芽細粒的石榴石是峰期變質后的特征礦物。

3 烏拉山巖群變質階段的劃分

第一階段礦物共生組合：早期變質階段記錄了麻粒巖相變質作用的開始，在大量石榴石晶體中分布的角閃石和斜長石、石英和硅線石、黑云母、斜長石、石英的包裹體，是早期的礦物組合。

峰期階段礦物共生組合：石榴石與單斜輝石共生和石榴石與斜方輝石共生，是變質作用進入了高角閃巖相-麻粒巖相的溫壓條件形成的礦物組合。

恒溫降壓的變質階段。巖相標志是石榴石的反應邊結構，反應邊為斜長石和角閃石的后成合晶。這是等溫降壓階段的礦物轉變，在石榴黑云片麻巖內，也存在另一種典型的反應邊結構，它們是圍繞石榴石分布的和紫蘇輝石+斜長石的后成合晶環邊。變質反應為石榴石+石英→紫蘇輝石+斜長石。

晚期變質階段具有降溫降壓退化變質的特點，薄片中可見輝石出現綠色角閃石退變反應邊。

4 變質作用熱力學條件及變質作用動力學分析

4.1 變質作用熱力學條件

結合鄰區最新取得的巖石化學數據及礦物電子探針分析結果，對烏拉山巖群的變質作用的溫壓條件進行詳細描述，探討變質作用的軌跡（見圖1）。

烏拉山巖群變質巖相標志較清楚，在鐵鎂質巖石中，可以找到早期階段至中晚階段變質溫壓轉化的一系列巖相記錄。石榴透輝石巖或斜長角閃透輝石巖中可區分三個世代的礦物共生組合，其共生礦物為二輝石對、石榴石-斜方輝石對、角閃石-斜長石對。

斜長角閃石榴透輝石巖中三個不同時代的角閃石-斜長石溫度變化，早期石榴石中包晶斜長石角閃石礦物對溫度計和結合鄰區資料推測的壓力，確定早期變質的溫度為690℃，壓力為0.7GPa。

共生二輝石溫度計(高角閃巖相-麻粒巖相的變質階段)：在大青山一帶的烏拉山巖群斜長角閃石榴透輝石巖的二輝石礦物對，石榴石與單斜輝石共生，是變質作用進入高角閃巖相-麻粒巖相下限的溫壓條件下開始形成的礦物共生。該組合中有角閃石的存在，斜長角閃石榴透輝石巖與石榴石平衡共生的斜長石-角閃石溫度為830℃；而石榴石-斜方輝石溫度為948.698℃壓力為0.941GPa。其變質反應為：角閃石+斜長石+黝簾石→石榴石+單斜輝石+石英。

結合烏拉山巖群峰期礦物共生組合特征，采用與石榴石平衡共生的角閃石-斜長石溫度計和石榴石-斜方輝石溫度壓力計，確定峰期變質的溫度為830~948℃，壓力為0.942GPa。

恒溫降壓的變質階段是峰期后的一次變質作用，斜長角閃石榴透輝石巖中石榴石周圍后成合晶中的斜長石-角閃石溫度為740℃，計算的壓力為0.78~0.82GPa，是峰期后近等溫減壓階段的溫度和壓力條件。

晚期變質階段具有降溫降壓退變質的特點，代表性的變質反應為Opx+Cpx+Pl→Hb+Pl+Q，結合區域資料和變質反應的臨界溫度和壓力，估算本階段變質溫度為650~700℃，壓力為0.55GPa[4]。

4.2 變質作用動力學分析

4.2.1烏拉山地區的麻粒巖相變質作用經歷了初期、主期、峰期和晚期四個變質階段。各階段具有特定的礦物組合和形成的溫壓條件。各變質階段之間具有特征的臨界變質反應和礦物學標志。

4.2.2麻粒巖相變質作用的不同變質階段代表了變質過程的演化序列。變質作用隨時間變化的演化特點，具有反映變質作用與地殼演化之間關系的重要意義。

4.2.3變質流體以CO2為主和高密度是麻粒巖相變質流體的特點。低H2O逸度和高CO2含量的干化條件是麻粒巖形成的重要機制。變質流體的演化特點同樣反映了變質作用的演化過程和趨勢。

4.2.4變質作用演化的P一T一t軌跡是特定大地構造環境下的地熱體制的記錄，具有反映地殼演化及其與變質作用關系和動力學機制的意義。順時針的P一T一t軌跡和四個變質階段記錄了本區麻粒巖相變質作用的動力學過程和全部演化歷史[5]。

參考文獻：

[1] 甘盛非.內蒙古烏拉山群麻粒巖相巖石的變質溫壓條件[J].礦物巖石，1991，11(2)：10-18.

[2] 盧良兆，靳是琴，徐學純，等.內蒙古東南部早前寒武紀孔茲巖系成因及含礦性[M].長春：吉林科學技術出版社，1992.

[3] 賀高品，盧良兆.冀東和內蒙古東南部早前寒武紀變質作用演化[M].長春：吉林大學出版社，1991.

[4] 賈和義，內蒙古中部太古界烏拉山巖群變質作用特征， 成都理工大學學報.

[5] 徐學純，內蒙古烏拉山地區變質作用演化及其動力學研究， 長春地質學院學報.