石榴石對(duì)高壓超高壓變質(zhì)帶中榴輝巖研究的指示意義

王福睿

摘 ?要：石榴石是榴輝巖中一種重要的礦物。在榴輝巖復(fù)雜的變質(zhì)作用過程中，因?yàn)榇蟛糠质袷急Ａ粲袕?fù)雜的化學(xué)成分環(huán)帶，所以可以作為榴輝巖常用溫壓計(jì)。石榴石中的主微量元素、穩(wěn)定同位素和放射性同位素以及包裹體類型等都可以作為示蹤元素，對(duì)研究其本身成因和所在變質(zhì)巖的變質(zhì)演化歷史提供重要信息。但對(duì)于溫壓計(jì)的適用范圍、傳統(tǒng)定年方法及微量元素的研究方面還存在若干問題。對(duì)石榴石環(huán)帶信息進(jìn)行整合研究，能將其成因和寄主巖石的演化過程限制在一定的范圍內(nèi);石榴石與其同生鋯石的結(jié)合研究，無論是從原巖性質(zhì)還是到變質(zhì)作用過程，也都可以對(duì)榴輝巖進(jìn)行更為有效的制約，這為未來石榴石研究提供了一個(gè)更明確而且重要的方向。

關(guān)鍵詞：石榴石;榴輝巖;變質(zhì)帶

引言

石榴石是一種常見礦物，無論是從地殼到地幔，或是三大巖類，抑或從自然到工業(yè)工藝領(lǐng)域，甚至包括隕石中都廣泛存在。石榴石是Ca-Mg-Fe-Mn固溶體礦物，熔點(diǎn)高，溶解力低，受各種地質(zhì)作用的影響小，容易形成生長(zhǎng)成分環(huán)帶和擴(kuò)散環(huán)帶，這能反映石榴石在不同的變質(zhì)階段生長(zhǎng)過程中溫壓條件的變化，使其成為解釋變質(zhì)巖所經(jīng)歷的變質(zhì)演化過程和各種重要的巖石學(xué)和地球化學(xué)信息的“活化石”。所以石榴石對(duì)分析研究榴輝巖的形成以及探討構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程具有重要意義。

1研究現(xiàn)狀

1.1石榴石地質(zhì)特征簡(jiǎn)述

石榴石是島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物的總稱，屬等軸晶系，晶體形態(tài)一般呈菱形十二面體或四角三八面體，粒度大小不等，顏色從暗紅色到紅褐色到黃綠色等，玻璃光澤，斷口油脂光澤，化學(xué)通式為A3B2[Si04]3，化學(xué)組分較為復(fù)雜，不同元素能構(gòu)成不同的組合，一般按照元素在其中的晶體位置和豐度，大致分為32個(gè)種屬，其中鈣鋁榴石、鐵鋁榴石、鎂鋁榴石、錳鋁榴石等最為常見。

1.2 變質(zhì)巖中石榴石的地質(zhì)意義

1.2.1 溫壓計(jì)測(cè)算及P-T條件

榴輝巖溫壓計(jì)很多，如石榴石-單斜輝石溫度計(jì)、石榴石-多硅白云母壓力計(jì)等，在溫壓計(jì)的選擇上，應(yīng)考慮其合理性和有效性，這是測(cè)算榴輝巖P-T條件的前提。很多學(xué)者的研究表明，石榴石中的Ca-Mg含量分別與其經(jīng)歷的溫壓條件有很好的相關(guān)性，因此據(jù)成分變化可恢復(fù)寄主巖石所經(jīng)歷的P-T軌跡。

圖1-2榴輝巖變質(zhì)作用P-T軌跡片斷

（張澤明、楊勇、張建新等，1999年）

1.2.2 變質(zhì)作用過程的時(shí)間測(cè)算

石榴石中鑭系元素HREE離子半徑較大，從 La到Lu的相容性逐漸增加。而Hf的分配系數(shù)介于Sm和Eu之間，所以石榴石的Sm/Nd比值和Lu/Hf比值呈現(xiàn)為高值，這為其Sm-Nd定年和Lu-Hf定年帶來了極大的便捷。

通過對(duì)單顆粒石榴石的剖面做詳細(xì)分析，分辨出具體環(huán)帶特征，然后再針對(duì)各成分環(huán)帶做平面取樣，做等時(shí)線定年測(cè)算時(shí)利用此方法，得出的年輪狀的石榴石生長(zhǎng)歷程呈現(xiàn)出很高的精度。將這一結(jié)果與石榴石的生成演化以及P-T歷史相結(jié)合，能夠?yàn)槠渌趲r石乃至區(qū)域構(gòu)造演化提供更為詳細(xì)的制約。

1.2.3石榴石的微量元素研究

各種研究表明石榴石中微量元素的分帶的原因主要有：富集微量元素的流體的介入，石榴石生長(zhǎng)過程中礦物穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)礦物組合的變化，石榴石生長(zhǎng)速率的變化，石榴石主要成分和溫壓條件的改變?cè)斐墒袷c基質(zhì)之間的微量元素分配系數(shù)發(fā)生改變，相鄰富集微量元素的礦物與石榴石競(jìng)爭(zhēng)，石榴石變質(zhì)生長(zhǎng)過程中的分餾效應(yīng)等等。

2存在問題

2.1溫壓計(jì)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的溫壓計(jì)對(duì)溫壓的估測(cè)并不是很理想，于是他們又開發(fā)出一種稱為視剖面圖溫壓計(jì)的方法，依據(jù)內(nèi)部一致性熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算了所觀測(cè)礦物固溶體相組分的活度，利用計(jì)算程序求解了某一共生礦物組合中所有相組分之間的獨(dú)立變質(zhì)反應(yīng)，用來限定巖石的P-T條件。魏春景等（2009）對(duì)這種溫壓計(jì)與傳統(tǒng)溫壓計(jì)的適用性做了系統(tǒng)對(duì)比，認(rèn)為這種溫壓計(jì)要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。但這些數(shù)據(jù)庫(kù)的得出主要是以基性巖和變泥質(zhì)巖或者片巖為基礎(chǔ)，因此這些數(shù)據(jù)參數(shù)是否適用于所有巖類，還需要做進(jìn)一步的探討和研究。

2.2傳統(tǒng)的定年方法問題

傳統(tǒng)的石榴石Sm-Nd、Lu-Hf同位素定年，主要應(yīng)用于全顆粒石榴石與綠輝石/全巖等時(shí)線方法。這需要滿足三個(gè)前提條件：一是二者必須同源;二是二者形成時(shí)間也必須相同，且形成的時(shí)間只能作為一個(gè)點(diǎn)來處理;三是在石榴石和綠輝石形成之后，Sm-Nd、Lu-Hf體系必須保持封閉。但是，在復(fù)雜的自然環(huán)境中，天然產(chǎn)出的石榴石大部分不能滿足這三個(gè)條件，一定的熱擾動(dòng)也極有可能破壞Sm-Nd、Lu-Hf體系的封閉性，這將會(huì)導(dǎo)致石榴石Sm-Nd等時(shí)線年齡在某種程度上沒有地質(zhì)意義。

2.3石榴石中微量元素的意義

很早就有研究者認(rèn)識(shí)到，對(duì)于變質(zhì)過程中的物理化學(xué)條件變化，石榴石中所含的微量元素可以進(jìn)行很好的記錄。但是目前對(duì)于石榴石的研究一直還是側(cè)重在兩個(gè)方面，一個(gè)是主量元素，一個(gè)是其溫壓計(jì)。作者認(rèn)為，在今后的研究中，應(yīng)該將石榴石中微量元素的分布極其所體現(xiàn)的意義重視起來，或許會(huì)提供許多新的研究思路，能夠回答更多的地質(zhì)問題。

3發(fā)展方向

3.1石榴石的環(huán)帶信息整合

石榴石中的微量元素，MREE和HREE離子半徑較大，粒內(nèi)擴(kuò)散速率比主量元素更慢，因而能夠更準(zhǔn)確地記錄石榴石的

結(jié)晶過程信息，尤其是對(duì)那些曾經(jīng)歷過高溫變質(zhì)的巖石。該區(qū)域榴輝巖中的石榴石經(jīng)歷過四個(gè)不同的反應(yīng)：

a）綠泥石+綠簾石+石英=石榴石+角閃石+水

b）綠簾石+角閃石=石榴石+單斜輝石+藍(lán)晶石+石英+水

c）綠簾石+單斜輝石（i）=石榴石+單斜輝石（ii）+石英+水

d）單斜輝石（ii）+藍(lán)晶石=石榴石+單斜輝石（iii）+石英

在上述反應(yīng)中石榴石的主微量元素和包裹體變化保持同步。因此，而對(duì)這些環(huán)帶信息加以整合，將會(huì)對(duì)石榴石成因和其所在榴輝巖的變質(zhì)條件給予更窄范圍的限定，將是研究石榴石的一個(gè)重要方面。

3.2石榴石對(duì)變質(zhì)鋯石的影響

鋯石物化穩(wěn)定，作為一種定年礦物，在地質(zhì)年代學(xué)上具有極其重要的地位。另一方面，鋯石的Lu-Hf體系有一個(gè)突出特征，即Lu/Hf比值很低，在變質(zhì)演化中，放射成因Hf同位素幾乎為零，利用這一特征研究其所在巖石的原巖性質(zhì)具有一定優(yōu)勢(shì)。

在榴輝巖中，大量石榴石的存在和對(duì)HREE的親和能力，所以石榴石的共生鋯石也會(huì)呈明顯富集或者虧損，使得具有異常MREE-HREE配分模式的鋯石區(qū)域可以同石榴石的溶解和結(jié)晶/殘留有機(jī)地藕合起來，這對(duì)研究石榴石形成的變質(zhì)環(huán)境和條件具有一定參考意義。

4結(jié)語(yǔ)

榴輝巖中的石榴石是超高壓變質(zhì)作用的主要特征礦物。對(duì)石榴石成分環(huán)帶信息整合研究將是今后研究的重點(diǎn)。作為一種超高壓變質(zhì)礦物，石榴石的指示意義很重要，歸根結(jié)底在于成因礦物學(xué)及實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)的研究成果。今后應(yīng)隨時(shí)關(guān)注新的成因礦物學(xué)及實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)成果并加以應(yīng)用，以期有更多新的發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] ?朱柯，梁金龍，沈驥，等. 大別—蘇魯超高壓榴輝巖中富Si金紅石的地球化學(xué)意義[J].地學(xué)前緣，2017，24（3）：288-300.