黑云母溫度計能否用于估計花崗質侵入巖的結晶溫度?

徐鴻雪,汪 洋

(中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083)

巖漿結晶溫度是理解火成巖成因的重要物理參量,環境和巖漿自身溫度的變化控制了源巖部分熔融的發生、母巖漿的分離結晶以及巖體侵位后的固結過程(Milleretal., 2003; Andersonetal., 2008; Putirka, 2008)。對于特定成分的巖漿,溫度和壓力的變化對其平衡礦物組合起著決定性的作用,進而控制了巖漿巖的主量元素組成,影響巖漿巖的微量元素含量(Janousek and Moyen, 2020)。對于廣義的花崗質巖漿而言,其溫度范圍大致在650～950℃之間。對于花崗質侵入巖,估算其結晶溫度的主要方法包括兩大類地質溫度計。一類是(微量)元素飽和溫度計,主要有鋯飽和溫度計、磷飽和溫度計、鈦飽和溫度計、輕稀土元素飽和溫度計等(Watson and Harrison, 1983; Harrison and Watson, 1984; Beaetal., 1992; Pichavantetal., 1992; Montel, 1993; Wolf and London, 1994; Jung and Pf?nder, 2007; Stepanovetal., 2012; Boehnkeetal., 2013; Shaoetal., 2019, 2020),近年來發展起來的鋯石Ti溫度計等(Janousek and Moyen, 2020)也屬于此類。另一類是礦物溫度計,包括鈦鐵礦-磁鐵礦溫度計、二長石溫度計、輝石溫度計、角閃石溫度計、黑云母溫度計等(Fuhrman and Lindsley,1988; Beniseketal., 2004; Henryetal., 2005; Ghiorso and Evans, 2008; Putirka, 2008, 2016; Ridolfietal., 2010; Wangetal., 2021b; Li and Zhang, 2022)。由于黑云母在花崗質巖漿巖中廣泛存在,所以黑云母Ti溫度計(Henryetal., 2005)被不少學者用于估算花崗質侵入巖的結晶溫度(Cesareetal., 2008; Bayatietal., 2017; Moshefietal., 2018; Azadbakhtetal., 2020; Azeretal., 2020; Baidyaetal., 2021; Zhaoetal., 2023;王棟等, 2023; 鄒興志等, 2023)。然而,Henry等(2005)的黑云母Ti溫度計是基于泥質變質巖的研究確立的,能否應用于花崗巖尚存疑義,該溫度計估算的花崗質巖漿的溫度是否準確亦缺乏實質性檢驗,為此本文應用經驗性的方法檢驗了黑云母溫度計估算花崗質侵入巖形成溫度的可靠性。

1 估算花崗質侵入巖成巖溫度的常用方法概述

鋯元素在天然硅酸鹽熔體中以微量元素的形式存在,其物理化學行為受稀溶液定律(Henry定律)制約。Watson和Harrison(1983)基于實驗巖石學研究證明,鋯在熔體中的飽和度主要取決于熔體的成分和溫度。相較于其他元素飽和溫度計,鋯飽和溫度計的優勢在于：長英質巖漿體系中鋯石-熔體之間Zr分配系數的溫度敏感程度高,而且鋯石是花崗質巖漿的早期結晶相,化學穩定性高,結晶后不易被改造,因此研究者對巖漿體系的Zr飽和體系進行了大量實驗標定,積累了豐富的實驗數據(Dietrich, 1968; Watson, 1979; Dickinson and Hess, 1982; Harrison and Watson, 1983; Watson and Harrison, 1983; Ellison and Hess, 1986; Keppler, 1993; Bakeretal., 2002; Hanchar and Watson, 2003; Boehnkeetal., 2013; Zhang and Xu, 2016; Gervasonietal., 2016; Shaoetal., 2019, 2020)。同時,鋯石是花崗質巖漿中普遍存在的副礦物相,可以在中性-酸性成分的硅飽和熔體中結晶出來。對于含有殘留鋯石的花崗質侵入巖,鋯飽和溫度反映其巖漿溫度的上限值;對于不含殘留鋯石的花崗質侵入巖(如A型花崗巖),鋯飽和溫度可以代表其巖漿溫度的下限值。所以,鋯飽和溫度計是目前用于估算花崗質侵入巖成巖溫度的最常用方法,得到了廣泛應用(Milleretal., 2003; Collinsetal., 2016, 2020)。

相對于鋯飽和溫度計,其他的地質溫度計在花崗巖成巖溫度估算方面存在一些局限。對磷、鈦飽和溫度計的實驗標定研究較少(Harrison and Watson, 1984; Pichavantetal., 1992; Montel, 1993),應用實例也比較少。輕稀土元素飽和溫度計主要適用于含獨居石的S型花崗巖類的溫度估計(Montel, 1993; Stepanovetal., 2012),對于不含獨居石的I型和A型花崗巖,不能采用輕稀土元素飽和溫度計估算其成巖溫度。由于不少花崗巖不含輝石、角閃石,加之輝石溫度計的精度不高(Wieseretal., 2023),輝石、角閃石溫度計在對花崗質巖漿巖中的應用實例有限(Andersonetal., 2008)。例如,典型的S型花崗巖不含普通角閃石,無法采用涉及角閃石的地質溫度計估算S型花崗巖的溫度。同時,針對普通角閃石成分得到的溫度計不適用于堿性角閃石,所以,常見的角閃石溫度計無法用于含堿性角閃石的A型花崗巖。對于估算花崗質巖漿成巖溫度而言,鈦鐵礦-磁鐵礦溫度計受固相線溫度之下再平衡因素的影響(Fuhrman and Lindsley, 1988; Beniseketal., 2004; Ghiorso and Evans, 2008),在巖漿固結之后Fe、Ti離子仍然在鈦鐵礦-磁鐵礦之間發生擴散交換,導致計算的溫度值明顯低于巖漿的固相線溫度。二長石溫度計存在同樣的缺陷。所以,對估計花崗質侵入巖的成巖溫度而言,鈦鐵礦-磁鐵礦溫度計和二長石溫度計應用得比較少。

目前,鋯飽和溫度計已發表多個版本,主要有Watson和Harrison(1983)(簡稱WH83)、Boehnke等(2013)(簡稱B13)、Gervasoni等(2016)(簡稱G16)、Shao等(2020)(簡稱S20)等。S20在先前模型基礎上改進使其適用范圍擴展到所有過鋁質到過堿質成分的鎂鐵質到長英質熔體。Shao等(2020)的研究表明,在常見的巖漿溫度范圍內,不管是過鋁質還是過堿質熔體,S20模型的估算結果與WH83模型的偏差在±5%不確定性范圍內,而B13、G16模型對相同成分熔體的溫度估計值較WH83、S20模型系統偏低(圖1)。

綜合上述,本文采用Shao等(2020)鋯飽和溫度計模型作為計算花崗質侵入巖成巖溫度的參照值,以此評估黑云母溫度計對花崗質侵入巖的適用性。

圖 1 鋯飽和溫度計(S20)與其他版本鋯飽和溫度計(WH83、B13、G16)的估算結果對比[數據引自Shao等(2020)]Fig. 1 The results of zirconium saturation thermometer (S20) compared with those of other versions of zirconium saturation thermometer (WH83, B13, G16) (data from Shao et al., 2020)a—S20模型1與版本WH83、B13、G16對過鋁質流紋巖計算結果對比; b—S20模型1與版本WH83、B13、G16對過堿性正長巖計算結果對比; c—S20模型2與版本WH83、B13、G16對過鋁質流紋巖計算結果對比; d—S20模型2與版本WH83、B13、G16對過堿性正長巖計算結果對比a—comparison of S20 model 1 with other versions (WH83, B13, G16) on the calculation results of peraluminous rhyolite; b—comparison of S20 model 1 with other versions (WH83, B13, G16) on the calculation results of peralkaline syenite; c—comparison of S20 model 2 with other versions (WH83, B13, G16) on the calculation results of peraluminous rhyolite; d—comparison of S20 model 2 with other versions (WH83, B13, G16) on the calculation results of peralkaline syenite

本文的目的并非全面評估涉及花崗巖的地質溫度計,對其他地質溫度計的適用性等問題有待另文詳述。

2 黑云母溫度計的經驗性檢驗

2.1 黑云母溫度計概述

黑云母(包括狹義的黑云母和金云母)是地殼和地幔中廣泛存在的一種含揮發分硅酸鹽礦物,是大多數巖漿巖中的主要鎂鐵質造巖礦物之一,可在較大壓力和溫度范圍內保持穩定。由于黑云母晶體結構比較復雜,能夠大量地賦存多種陽離子和陰離子,其化學成分可以指示其形成的溫度、氧逸度、水活度等重要參數,被廣泛用于反演相關的巖漿性質和巖漿過程(Sahaetal., 2021; Samadietal., 2021; Gionetal., 2022; Li and Zhang, 2022)。

Henry等(2005)根據過鋁質變泥質巖體系黑云母Ti含量與其形成溫度的相關性,提出：

t=[ln(Ti)+2.359 4+1.728 3(XMg)3/b]0.333

(1)

式中,t為溫度(℃), Ti為按22個O原子為單位計算陽離子數后的原子數,XMg=Mg2+/(Mg2++Fe2++Fe3+),b=4.648 2×10-9,公式適用范圍為：XMg=0.275～1.000, Ti4+=0.04～0.60 a.p.f.u.,t=480～800℃。黑云母Ti溫度計的精度估計,在較低溫度范圍內為±24℃,在較高溫度下提高到±12℃。該溫度計被國內外許多學者應用于估計花崗質侵入體的結晶溫度(李勝榮等, 2006; Cesareetal., 2008; 郭耀宇等, 2015; Moshefietal., 2018; Azadbakhtetal., 2020; 王棟等, 2023; 解世雄等, 2023; Zhaoetal., 2023)。

Henry等(2005)指出,黑云母Ti溫度計適用條件是含石墨、至少一種(黑云母之外的)過鋁礦物、含鈦鐵礦或金紅石的過鋁質變質泥巖體系。雖然該溫度計可能適用于過鋁質成分的花崗巖,但對于其他成分的體系(例如準鋁質花崗巖)而言,其實際誤差可能十分顯著(Henry, 私人通訊,見Azadbakhtetal., 2020, p.13)。

由于黑云母的化學結構復雜性,基于恒定的元素分配系數Kd估計黑云母和熔體平衡溫度的傳統方法不可行,例如,平衡體系中黑云母和熔體之間的Mg/Fe分配系數在黑云母-熔體體系中通常不是一個恒定值。因此,Li 和 Zhang (2022)在高溫高壓實驗大數據的基礎上,運用機器學習方法對巖漿成因黑云母礦物主要氧化物組分進行了回歸訓練,得到黑云母全組分與其形成溫度、壓力值的統計預測模型,提出了基于黑云母全組分的巖漿體系溫壓計(https：//lixiaoyan.shinyapps.io/Biotite_thermobarometer/)。該文作者認為,黑云母全組分溫度計可以較好地復現已有的實驗標定溫度,而Henry等(2005)黑云母Ti溫度計則不能。

2.2 數據來源

本文匯編了來自全球不同區域的代表性花崗質侵入巖全巖和黑云母成分數據,根據原始文獻描述,巖石和礦物樣品新鮮,黑云母屬于巖漿成因。根據巖相學和巖石地球化學特征,將這些樣品分別歸為S型、I型和A型花崗巖類(表1)。以Shao 等(2020)的鋯飽和溫度計計算結果為參照值,同時采用Henry等(2005)黑云母Ti飽和溫度計、Li和Zhang(2022)黑云母全組分溫度計估計對應樣品的黑云母結晶溫度,將其結果與參照值相比較,判斷計算的黑云母結晶溫度能否代表巖漿的成巖溫度。

表 1 巖體名稱及來源文獻Table 1 Names and reference of pluton

2.3 結果與分析

(1) S型花崗巖

圖2a為黑云母Ti飽和溫度計(Henryetal., 2005)與鋯飽和溫度計(Shaoetal., 2020)估算的S型花崗巖成巖溫度對比;圖2b為黑云母全組分溫度計(Li and Zhang, 2022)與鋯飽和溫度計估算的S型花崗巖成巖溫度對比。結果顯示,黑云母Ti飽和溫度計估算結果較S20鋯飽和溫度計系統偏低50 ～ 250℃,甚至低500℃;黑云母全組分溫度計的估算結果與S20鋯飽和溫度計之間的偏差大多在±50℃以內。因此,即便是對過鋁質的S型花崗巖而言,黑云母Ti飽和溫度計(Henryetal., 2005)估算的溫度值也是明顯偏低的,因此該溫度計并不適用于估算S型花崗巖的成巖溫度。

(2) I型花崗巖

從圖3可知,大多數I型花崗巖樣本的黑云母Ti飽和溫度較S20鋯飽和溫度偏低50～200℃,有相當數量的樣品溫度估算值低于650℃(壓力大于100 MPa、飽和水條件下花崗巖的固相線溫度)(圖3a)。黑云母全組分溫度計的估算結果與S20鋯飽和溫度計之間的偏差絕大多數在±50℃以內(圖3b)。顯然,黑云母Ti飽和溫度計不適用于估算I型花崗巖的成巖溫度。

(3)A型花崗巖

圖4a為黑云母Ti飽和溫度計與S20鋯飽和溫度計估算的A型花崗巖成巖溫度對比。從圖中可以看出,黑云母Ti飽和溫度計與S20鋯飽和溫度計估算值之間具粗略的線性相關性,但黑云母Ti飽和溫度明顯低于鋯飽和溫度(約100～300℃)。

圖 2 鋯飽和溫度計(Shao et al., 2020)與黑云母Ti飽和溫度計(Henry et al., 2005)(a)、黑云母全組分溫度計(Li and Zhang, 2022)(b)計算S型花崗巖溫度結果對比圖Fig. 2 Comparison diagram of S-type granite temperature results calculated by zirconium saturation geothermometer (Shao et al., 2020) and biotite Ti saturation geothermometer (Henry et al., 2005) (a), biotite geothermometer (Li and Zhang, 2022) (b)1—峽江縣金灘(中國); 2—St. Austell (英國); 3—Dartmoor (英國); 4—Cligga (英國); 5—Land’s End (英國); 6—Carn Marth (英國); 7—Carnmenellis (英國); 8—Bodmin (英國); 9—Sattelspitze (Monte Sella)(意大利); 10—Mount Qomolangma-Masang Kang(喜馬拉雅山); 11—Seor de la Pea(阿根廷); 12—Mazán(阿根廷); 13—Capillitas(阿根廷); 14—Tuani(阿根廷); 15—Mitterteich(德國); 16—Nanuque(巴西)1—Jintan, Xiajiang County (China); 2—St. Austell (UK); 3—Dartmoor (UK); 4—Cligga (UK); 5—Land’s End (UK); 6—Carn Marth (UK); 7—Carnmenellis (UK); 8—Bodmin (UK); 9—Sattelspitze (Monte Sella) (Italy); 10—Mount Qomolangma-Masang Kang (Himalayas); 11—Seor de la Pea (Argentina); 12—Mazán (Argentina); 13—Capillitas (Argentina); 14—Tuani (Argentina); 15—Mitterteich (Germany); 16—Nanuque (Brazil)

圖 3 鋯飽和溫度計(Shao et al., 2020)與黑云母Ti飽和溫度計(Henry et al., 2005)(a)、黑云母全組分溫度計(Li and Zhang, 2022)(b)計算I型花崗巖溫度結果對比圖Fig. 3 Comparison diagram of I-type granite temperature results calculated by zirconium saturation geothermometer (Shao et al., 2020) and biotite Ti saturation geothermometer (Henry et al., 2005) (a), biotite geothermometer (Li and Zhang, 2022) (b)

圖 4 鋯飽和溫度計(Shao et al., 2020)與黑云母Ti飽和溫度計(Henry et al., 2005)(圖a)、黑云母全組分溫度計(Li and Zhang, 2022)(圖b)計算A型花崗巖溫度結果對比圖Fig. 4 Comparison diagram of A-type granite temperature results calculated by zirconium saturation geothermometer (Shao et al., 2020) and biotite Ti saturation geothermometer (Henry et al., 2005) (a), biotite geotermometer (Li and Zhang, 2022) (b)

黑云母全組分溫度計與S20鋯飽和溫度計估算的A型花崗巖成巖溫度之間則不存在明顯的相關性(圖4b)。鋯飽和溫度計估算的A型花崗巖成巖溫度在670～1 100℃之間變化,黑云母全組分溫度計得到的溫度值介于725～ 800℃之間。

A型花崗質巖漿堿質含量高、對Zr的溶解能力強(Gervasonietal., 2016; Shaoetal., 2020),因此A型花崗巖往往顯示高的鋯飽和溫度,在某些情況下(如無繼承鋯石)A型花崗質巖漿中Zr沒有飽和,故而鋯飽和溫度計估算的成巖溫度值偏低。對于準鋁質和部分過堿性A型花崗巖,黑云母可視為近固相線礦物,其結晶溫度低于液相線溫度、高于固相線溫度(Scailletetal., 2016)。所以黑云母全組分溫度計給出的是A型花崗巖中黑云母的結晶溫度,約束了相應巖漿體系固相線溫度的上限值。

3 結論

(1) 無論是S型、I型抑或A型花崗巖類,Henry等(2005)黑云母Ti飽和溫度計得到的成巖溫度估算值較鋯飽和溫度計和黑云母全組分溫度計的估算結果系統偏低50 ～ 200℃以上,這表明對于花崗巖體系而言,黑云母Ti飽和溫度計的估算結果地質意義不明確。因此Henry等(2005)黑云母Ti飽和溫度計不適用于估算花崗質侵入巖的結晶溫度。

(2) Li和Zhang(2022)發表的黑云母全組分溫度計可以較好地復現S型和I型花崗質類的鋯飽和溫度計估算結果。堿質含量高的A型花崗質巖漿對Zr的溶解能力很強,導致A型花崗巖具有變化幅度較大的高Zr含量,其Zr飽和溫度變化范圍較大。對于A型花崗巖類,黑云母全組分溫度計得到的溫度值是黑云母在富堿質的花崗質巖漿體系中的結晶溫度,在大多數情況下介于富堿質花崗質巖漿體系的液相線溫度與固相線溫度之間。

(3) Li和Zhang(2022)黑云母全組分溫壓計可作為一種獨立于鋯飽和溫度計的方法用于估算S型和I型花崗質侵入巖的成巖溫度,也可以用于約束A型花崗巖的固相線溫度。