西南天山东德沟异剥钙榴岩化斜长角闪岩中假蓝宝石和富铝尖晶石特征及其地质意义

吴苏, 李旭平, 孔凡梅

山东科技大学地质科学与工程学院，山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛, 266590

内容提要：西南天山昭苏县东德沟中异剥钙榴岩化斜长角闪岩中发现过铝质的假蓝宝石和富铝尖晶石，假蓝宝石的Al2O3含量在64.82%～66.36%之间，富铝尖晶石的Al2O3含量在65.24%～68.54%之间。根据含假蓝宝石和尖晶石的矿物组合和矿物反应结构，利用Theriak—Domino软件，对岩石的变质条件进行模拟，结果表明形成假蓝宝石的峰期温压为700～780℃，0.65～0.75 GPa，达到了麻粒岩相的变质条件，峰期变质反应为：角闪石(Am)+尖晶石(Spl)+钙长石(An)=绿泥石(Chl)+透辉石(Di)+假蓝宝石(Spr)，岩石在异剥钙榴岩化之前经历了一次高温富Al(熔)流体的交代进变质作用。含假蓝宝石麻粒岩相变质作用的出现为西南天山俯冲上板片岩石复杂的变质作用过程又增添了新的内容，具有重要的地质意义。

笔者等在西南天山东德沟俯冲上板片环境，与超基性地幔岩接触部位的异剥钙榴岩化斜长角闪岩中发现有过铝质的假蓝宝石和富铝的尖晶石。本文研究了假蓝宝石和尖晶石的矿物学特征和形成温压条件，并探讨了其地质意义。

图 1 研究区地质简图(a) (据Gao Jun et al.，1999) 及采样点图 (b) (据孔凡梅等，2011)Fig. 1 Simplified geological map (a) ( after Gao Jun et al., 1999) and samples localities of the study area (b) ( after Kong Fanmei et al.，2011)

1 地质概况

中国新疆西南天山为西起中亚乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯坦诸国的南天山在中国境内的东延部分，该造山带位于塔里木板块和伊犁—中天山板块之间。沿着两个板块的缝合带展布有一条高压—超高压变质带，东西延长超过200km，出露一套以榴辉岩、蓝片岩为代表的高压—超高压变质岩系(Gao Jun et al.，1999；Zhang Lifei et al.，2007；李旭平等，2008)。本文研究的含角闪石和假蓝宝石的异剥钙榴岩化斜长角闪岩出露于昭苏县夏塔乡东德沟，位于中天山南缝合带、西天山高压变质带北侧，俯冲带上板片环境 (图1) (李旭平等❷；Li Xuping et al., 2011)，前人研究认为该地区是高角闪岩相变质的前寒武纪的基底，主要由角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩和夕线石片麻岩等组成(王宝瑜等，1994；Gao Jun et al，1999；张立飞等，2000)，构成了中天山复合弧地体南侧古生代增生楔的主体，夹持于南北两条大型韧性剪切带之间。工作区出露的岩石类型有蛇纹岩化橄榄岩、辉橄岩、绿泥石片岩和不同程度异剥钙榴岩化的斜长角闪岩等 (孔凡梅等，2011；吴苏等，2013)，各类岩石之间呈构造接触关系。

2 矿物学特征

西南天山东德沟俯冲带上板片环境异剥钙榴岩化岩石类型分为三类：斜长角闪岩，异剥钙榴岩化斜长角闪岩，异剥钙榴岩。其矿物组合分别为：镁普通角闪石+中长石+石英+榍石+磷灰石±次透辉石；镁普通角闪石+钙长石+透辉石+斜黝帘石+绿泥石+(方解石)；斜黝帘石+钙铝榴石+透辉石+绿泥石+方解石。吴苏等 (2013)对这些岩石的岩石矿物学特征和主量元素特征进行了详细的描述。在进一步的研究过程中发现，个别异剥钙榴岩化斜长角闪岩样品中含有假蓝宝石和尖晶石，其矿物组合为：假蓝宝石±尖晶石+镁普通角闪石+钙长石+透辉石+绿泥石，这些样品取自超基性岩和异剥钙榴岩化斜长角闪岩的接触部位。含假蓝宝石异剥钙榴岩化斜长角闪岩的存在预示着原岩斜长角闪岩经历的变质过程更复杂。下面对异剥钙榴岩化斜长角闪岩的假蓝宝石和尖晶石的矿物学特征及其与主要矿物之间的关系进行描述。

矿物的电子探针分析数据是在北京大学地质系探针室完成，仪器型号JXA-8100；分析条件：加速电压15kV；束流10nA；束斑1μm；标准样品用美国SPI公司的天然矿物，数据通过PHRZ程序校正。

图 2 西南天山昭苏县东德沟中假蓝宝石在MgSiAlAl固溶体替代图上的成分投图Fig.2 Sapphirine compositions and the MgSiAlAl solid solution substitution graph in the Dongdegou, Zhaosu county, Southwestern Tianshan Mountains

2.1 假蓝宝石

2.2 尖晶石

2.3 异剥钙榴岩化斜长角闪岩的假蓝宝石和尖晶石与主要矿物的关系

在吴苏等(2013)中已经介绍到，异剥钙榴岩化斜长角闪岩由斜长角闪岩交代变质而来，斜长角闪岩主要由镁普通角闪石、中长石、少量石英和一些单斜辉石组成(图3a)，交代变质过程中，角闪石中的镁、钙和铝的成分增加，有些被透辉石交代，中长石变为钙长石，石英消失，钙长石斜黝帘石化，形成异剥钙榴岩化斜长角闪岩的主要矿物组合：镁普通角闪石+钙长石+透辉石+斜黝帘石+绿泥石(图3b)，岩石基本仍保留原斜长角闪岩的粒状变晶结构，但各种交代结构也很常见，到异剥钙榴岩阶段，角闪石和斜长石消失，斜黝帘石和新生矿物石榴子石成为主要矿物。

在此过程中，角闪石经历了从成分上向富镁、钙和铝的方向改变，到变质为透辉石并进一步变质为石榴子石的变化，斜长石经历了从成分上由中长石变为钙长石，再到变质为斜黝帘石的变化，即角闪石和斜长石渐渐的从成分改变直至消失。结合上述关于假蓝宝石和尖晶石的描述，假蓝宝石和尖晶石是在角闪石和长石被交代改变后进一步变质而成。

图 3 西南天山昭苏县东德沟中岩石矿物组合及特殊矿物：(a)斜长角闪岩；(b)异剥钙榴岩化斜长角闪岩；(c) 无色乳滴状、针状尖晶石；(d)、(e) 假蓝宝石； (f) 淡粉色粒状尖晶石；(g) 蠕虫状尖晶石；(h) 淡绿色尖晶石。 (a) — (c)、(f) — (h) 为单偏光照片; (d)、(e) 为背散射图片。矿物代号根据 Kretz (1983)： Am—角闪石；An—钙长石；Chl—绿泥石；Czo—斜黝帘石；Di—透辉石；Pl—斜长石；Spl—尖晶石；Spr—假蓝宝石Fig. 3 Mineral assemblage and special minerals in the Dongdegou, Zhaosu county, Southwestern Tianshan Mountains: (a) amphibolite；(b) rodingitized amphibolite；(c) colorless emulsional, acicular spinels；(d), (e) sapphirines；(f) light pink granulous spinels；(g) wormlike spinels；(h) light green spinels. (a)—(c), (f)—(h) were taken under plane-polarized light, (d), (e) are BSE images. Mineral abbreviations after Kretz (1983)： Am—amphibole；An—anorthite；Chl—chlorite；Czo—clinozoisite；Di—diopside；Pl—plagioclase；Spl—spinel；Spr—sapphirine

注：Cr#为n(Cr)/[n(Cr)+n(Al)]，Mg#为n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]

图 4 西南天山昭苏县东德沟含假蓝宝石异剥钙榴岩化斜长角闪岩P—T视剖面图Fig. 4 The P—T pseudosection of sapphrine-containing rodingitized amphibolite in the Dongdegou, Zhaosu County, Southwestern Tianshan MountainsCpx—单斜辉石； Crn—刚玉； H2O—水； Opx—斜方辉石； Zo—黝帘石。余同图3Cpx—clinopyroxene; Crn—corundum; H2O—water； Opx—orhopyroxene； Zo—zoisite. Other miniral abbreviations are the same as in Figure 3

3 变质反应及温压条件

采用Schmidt (1992)的角闪石压力计和Holland等(1994) 角闪石—斜长石温度计对斜长角闪岩的形成温压进行估算，计算得出斜长角闪岩的形成压力平均为0.46GPa，平均温度为570℃，以此温压作为变质反应的起点。采用Theriak—Domino (版本01.08.09) 软件和Holland等(1998)的内部一致热力学数据库，绘出图4中的P—T视剖面图。计算用的全岩成分为含有假蓝宝石的10D-17号岩石样品：SiO245.37%，Al2O322.41%，CaO 14.04%，MgO 13.03%，Fe2O31.75%，Na2O 0.69%，K2O 0.09%，MnO 0.05%，TiO20.01%，由于异剥钙榴岩化斜长角闪岩中的矿物主要为含Ca、Mg、Al的硅酸盐矿物，如镁普通角闪石、钙长石、透辉石、过铝质假蓝宝石、富铝尖晶石、斜黝帘石等，因此计算时仅采用含Si、Al、Ca、Mg四种主要元素的体系，换算后的有效全岩数据为：BULK=SI(68)AL(44)MG(32.3)CA(25.0)O(?)H(20)，其中氧含量系统自动计算，由于流体有限(吴苏等，2013)，如果水过量会使模拟结果产生较大偏差，事实上笔者研究发现在适量水的条件下对含有假蓝宝石的10D-17号样品和含有尖晶石的10D-19号样品进行模拟的结果几乎是完全一致的，因此计算中选取适量的水，结合实际观察到的矿物组合，水含量在一定范围内时，模拟结果是稳定的。在Holland等(1998)的内部一致热力学数据库中，镁铝假蓝宝石有两个端元，即spr4(Mg4Al8Si2O20)和spr7(Mg3.5Al9Si1.5O20)，图4中计算出的假蓝宝石均为spr7，这与实际观察到的假蓝宝石是过铝质的是一致的。结合实际观察到的矿物组合，即Chl + Am + An + Spr (10D-17，图4中蓝色区域) 和Chl+Di+Am+An+Spl (10D-19，图4中绿色区域)，得出假蓝宝石和尖晶石形成的温压范围大致是700～780℃，0.65～0.75 GPa ，即图4中假蓝宝石生成反应式 Am + Spl + An = Chl + Di + Spr 代表的温压范围。在低于700℃的范围，会出现刚玉 (Crn)，而在高于780℃的范围，绿泥石 (Chl) 消失。因此该变质反应就代表了进变质峰期反应。孔凡梅等(2012)在对东德沟斜长角闪岩的围岩橄榄岩进行研究的过程中发现，橄榄岩普遍经历了复杂多期的含水流体(熔体)交代作用，先后经历了地幔交代、麻粒岩相—角闪岩相退变质作用和蛇纹石化等阶段的演化，其发生地幔交代时的温压条件约为770～900℃，1.0～1.8 GPa，与本文研究结果是一致的，生成假蓝宝石的麻粒岩相进变质过程与橄榄岩的退变质过程具有密切的相关性。

Okay (1994)在中国大别山的斜方辉石岩的石榴石中发现含有假蓝宝石的包体，假蓝宝石的成分接近MgO∶Al2O3∶SiO2=7∶9∶3端元，部分为过铝质的假蓝宝石，XMg{n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]为0.95～0.98，与东德沟中假蓝宝石的成分特征比较相似。Okay (1994) 指出斜绿泥石与假蓝宝石共存的温度范围在压力为0.2～2.2 GPa的条件下只有40℃，他得出含有假蓝宝石的岩石经历的峰期温度范围为730±30℃，与本文估算的岩石经历的变质温度大体一致。

4 讨论

东德沟中发现的假蓝宝石和尖晶石有其特殊性。从成分上而言，二者都极度富铝，刘建忠等(2000)在内蒙古大青山造山带中发现的极富铝的尖晶石和假蓝宝石的Al2O3的含量最高为66.35%和65.07%，而东德沟中尖晶石和假蓝宝石的Al2O3的含量却高达68.39%和66.36%。从矿物组合上而言，东德沟中含假蓝宝石的岩石中没有发现紫苏辉石、石英、夕线石、石榴子石等典型麻粒岩相的矿物，很难与其他地区发现的含假蓝宝石的麻粒岩相对比。下面分别讨论尖晶石和假蓝宝石的矿物学成因特征。

富铝尖晶石的成因，除贾大成等(2006)认为是岩浆分异结晶的外，大部分研究者都认为是交代成因的。贾大成等(2006)在伊通上地幔剪切带辉石岩中发现有岩浆分异结晶成因的铝尖晶石，Al2O3为63.76%～64.66%，其尖晶石内部干净且没有变形、交代及重结晶现象，其作者认为由于Cr、Al地球化学行为不同，Al易进入熔体，在岩浆结晶堆积体(辉石岩) 中富集，形成这些富铝的绿色尖晶石。苏本勋等(2011)在纯橄岩体上部发现的镁铝尖晶石，其成分与纯橄岩和二辉橄榄岩的铬铁尖晶石成分明显不同，镁铝尖晶石的Al2O3为66.4%，是由岩石—熔体(流体)的反应形成的。Ender等(2010)在zmeir—Ankara—Erzincan缝合带中的异剥橄榄岩、辉石岩中发现的绿色尖晶石也是变质成因，Al2O3的含量为59.05%～63.39%。孔凡梅等(2011)在对本文研究区内的围岩橄榄岩进行研究时，发现其中有绿色富铝的尖晶石，Al2O3含量为47.68%～66.85%，对其进行成分投图时，发现橄榄岩中富铝尖晶石在Cr#—Mg#图上不落入任何橄榄石成分区环境，且未与橄榄石在地幔中达到平衡，成因上显然与橄榄岩中原生铬尖晶石不同，具有变质成因特征。本文发现的铝尖晶石，Al2O3的含量高达65.24%～68.54%，沿着角闪石解理缝呈细针状、线状分布或呈不规则粒状结构，显然是角闪石在进变质作用过程中形成的尖晶石。与孔凡梅等(2011)中的尖晶石成分最为接近，且产出位置与超基性岩相邻。

前面已经列举了许多国内外学者对假蓝宝石的相关研究，在此不再重复。总结起来可以发现这样的一般规律：与高温超高温变质作用相关的假蓝宝石大多数产于麻粒岩相岩石中，其矿物组合或多或少都有：假蓝宝石+石英，尖晶石+石英，大隅石+石榴子石，斜方辉石+夕线石+石英，刚玉+石英等超高温—高温矿物组合，还可能含有石榴子石和蓝晶石等矿物残留。相对而言比较低温的麻粒岩相条件下形成的假蓝宝石往往有其特殊条件，如n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)]值越高，假蓝宝石的稳定温度越低(Christy，1989)；岩石富水贫硅会使假蓝宝石形成温度降低(Friend et al.，1993)；化学体系不平衡，矿物组合不确定会改变假蓝宝石的形成温度(Sãbãu et al.，2012；Ren Liudong et al.，2008)等。东德沟中发现假蓝宝石的样品中n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe)]为0.96，假蓝宝石与角闪石大量共生，说明岩石富水，没有发现与假蓝宝石共生的典型的超高温变质作用的矿物组合，如假蓝宝石+石英，尖晶石+石英，刚玉+石英等，另外矿物产出的不均一性和各样品全岩成分的差异表明全岩化学体系的不平衡，这些条件使得假蓝宝石在较低温度的麻粒岩相条件下形成成为可能。

孔凡梅等(2011, 2012)在通过对东德沟中的橄榄岩的岩石矿物学和地球化学的研究发现东德沟橄榄岩经历了源于俯冲板片含水熔体或流体的多期交代作用，并且受到地壳物质的混染，向着富铝和富钙两个方向发展。东德沟异剥钙榴岩化斜长角闪岩中过铝质假蓝宝石和富铝尖晶石的发现，说明斜长角闪岩在经历后期异剥钙榴岩化作用之前首先经历了一次富铝熔(流)体的交代进变质作用，可能代表了一次热事件，其性质还有待进一步的探讨。结论与孔凡梅等(2011, 2012)的研究成果相互呼应，与大地构造背景属于SSZ俯冲带的岛弧或地幔楔环境的东德沟橄榄岩经历了共同的变质过程。

5 结论

(1) 西南天山东德沟中的异剥钙榴岩化斜长角闪岩中有过铝质的假蓝宝石和富铝的尖晶石，其矿物组合为：假蓝宝石±尖晶石+镁普通角闪石+钙长石+透辉石+斜黝帘石+绿泥石。

(2) 结合假蓝宝石和富Al-尖晶石的矿物组合和变质条件的热力学模拟，结果表明岩石经历过高温富铝(熔)流体交代进变质作用，峰期变质温度为700～780℃，达到了麻粒岩相的变质条件。

(3) 热力学模拟结果和矿物反应结构表明，在交代进变质作用过程中，假蓝宝石及其麻粒岩相矿物组合通过反应：角闪石(Am)+尖晶石(Spl)+钙长石(An)=绿泥石(Chl)+透辉石(Di)+假蓝宝石(Spr)转变形成。

致谢：感谢北京大学电子探针室舒桂明先生帮助进行电子探针分析，感谢苟龙龙和申婷婷博士在野外工作中给予的帮助，感谢评审专家提出的宝贵意见。

注 释 / Notes

❶ 郭敬辉，陈意，彭澎，刘富，陈亮，张履桥．2006．内蒙古大青山假蓝宝石麻粒岩——1.8Ga的超高温(UHT)变质作用．见：邱检生，肖娥，胡建，李真．主编．2006年全国岩石学与地球动力学研讨会论文摘要集，215～218．

❷ 李旭平，孔凡梅，张立飞．2011．南天山地幔楔尖晶石橄榄岩的地球化学特征及交代过程．见： 地质构造(全国岩石学与地球动力学研讨会 (西安) 摘要集上集), 18页．