混合岩脉体中的石榴石及其地质意义

喻磊 周新 李江力 何海林

摘 要：混合岩化作用是介于变质作用和典型的岩浆作用的之间的地质作用，其形成的混合巖有基体和脉体两部分组成；脉体的形成机制有四种；石榴石作为脉体的常见变质矿物，只出现在深熔作用形成的脉体中。深熔作用形成的脉体中的石榴石则分为两种，这两种不同的石榴石具有不同的地质特征，对其寄主的岩石具有不同的地质意义。

关键词：石榴石 脉体 混合岩 深熔作用

中图分类号：P578 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0240-02

石榴石作为变质岩中常见的变质矿物，前人对其物理性质、晶体结构、化学成分、成因及其原岩各个阶段的温压计算的研究得到很多资料，但是对混合岩脉体中的石榴石的研究很少。本文拟先介绍混合岩脉体的四种机制及形成的脉体中哪些出现石榴石，然后对其出现的石榴石及其地质意义进行剖析并讨论混合岩脉体中的石榴石对其寄主的岩石的意义。

1 脉体的形成机制

混合岩由脉体和基体两部分组成。在混合岩化作用过程中，由于地质构造、物理化学条件不同，地质学家认为混合岩化作用中脉体的认识也有差别。Sederholm最初认为脉体是指顺层或沿裂隙分布的花岗质组分，P.J.Holmguist把脉体描述为混合岩的活动物质，并认为这种活动物质是在超变质作用下由基体本身分泌出来再后期温度改变下离子固体状态下扩散形成的。1960年在哥本哈根国际地质学会议上认为“脉体”是地球化学上活动的部分，即后来侵入的或原地产生的花岗质物质，主要强调了“脉体”是外来还是原地的。按照Mehnert的意见，在混合岩中一般能区分出古成体和新成体，新成体中的浅色体，混合岩中浅色部分，以长英质矿物为主体（过去泛称为脉体）。应思维等在地震地质发表的“混合岩化的发生与发展”一文把“脉体”描述为混合部分：主要由浅色矿物、微斜长石、斜长石、条纹长石等组成，这些矿物在混合岩化过程中表示为活动组份，在混合岩化后期常常形成混合部分，并具有很大的流动性和迁移性，也称其为流动体。2007年统一研究把混合岩中的浅色部分正式定义为脉体。

关于混合岩脉体的形成机制目前存在不同的认识，一般认为有如下四种方式：（1）岩浆注入作用：指外来物质沿变质岩的叶理或裂隙等注入，并同岩石发生交代反应的作用。（2）交代作用：是富含K、Na、Si等组分的岩汁对原岩进行交代作用，使原岩的一部分变成新生矿物成为脉体。（3）深熔作用，又称重熔作用，指在区域变质作用后期在没有外来物质的参与下，固体岩石发生选择性熔融，其中熔点低的长石和石英首先开始融化成为液相的作用，形成浅色的脉体。（4）变质分异作用：是变质作用的物化条件下，原岩本身的某些矿物组分经扩散作用而不均匀聚集的过程，从而形成浅色矿物和暗色矿物的集合体。以上四种混合岩脉体的成因可以大题归纳为“外来交代说”和“原地熔融说”。

2 混合岩脉体中的石榴石

2.1 岩浆注入作用形成的脉体

这种以注入作用方式形成的脉体只要依靠岩浆的压力挤入变质岩的页理或裂隙中形成长石化斑晶和各种不规则的脉体，常见于中、低变质区。脉体成分主要是石英质、伟晶质等。单纯的从脉体成分来看，无论是在理论上还是在现实中都可以形成石榴石（主要是锰铝榴石）；Green和Miller的实验显示：随着岩浆中Mn含量的增加，富Mn石榴子石（Mn>4%）可以在很低的压力下（≤0.3 GPa）从酸性岩浆中结晶。于津海等[在闽东南沿海晚中生代变质岩内出露的I型花岗岩、细晶岩、伟晶岩中发现的石榴石也证明了这一点，而且这种石榴石成分具有明显的反环带。但就目前所观察和研究的这种方式形成的脉体中基本没有石榴石，仅在其与基体接触带上见到少量石榴石，不过可以确定是原岩中的石榴石。

2.2 交代作用形成的脉体

交代作用形成的脉体是是富含K、Na、Si等组分的岩汁对原岩进行交代作用，带入K、Na、Si等，带出Fe、Mg、Ca、Al、Ti、P、Mn等元素在另一空间富集，使原岩的一部分变成新生矿物成为脉体，这种岩汁对原岩进行交代作用的驱动力来自于岩汁间的压力差。由于交代作用是在固态作用下进行的，只有通过岩石裂隙发生和演化，因此交代作用形成的脉体无论是规模还是范围都不会太大，常见于碳酸盐地区，即混合岩化矽卡岩地区（长出现重大的金属矿床，因此受到众多学者的重视）。这种成因形成的脉体中几乎见不到石榴石，石榴石绝大部分都出现于矽卡岩之中。这类矽卡岩中一般会形成钙质系列石榴子石，但其成因却是两种，一种是岩浆成因的石榴石，晶形不完整、环带结构发育，在其内部常见熔融包裹体，其稀土配分模式呈现出两个显著特点：（1）LREE富集的右倾分布模式；（2）具有Eu正异常现象，例如大冶Fe矿床。另一种是接触交代成因的石榴石，成分呈现急剧变化，通常表现为规则的震荡环带，具非均质性，正交偏光下呈深蓝、橘黄等干涉色，其稀土元素配分曲线有两种特征：（1）LREE富集、Eu负异常的直线型分布；（2）HREE富集、Eu负异常的平缓曲线。

2.3 变质分异作用形成的脉体

变质分异作用最早由F.L.Stillwell提出，原指成分均匀的原岩经变质作用后，出现矿物成分不均匀现象的各种作用。目前一般认为变质分异作用是在变质作用的物化条件下，原岩本身的某些矿物组分经扩散作用而不均匀聚集的过程，这种组分仅仅是在一定的空间范围上的迁移而非重结晶。由于这一作用是在变质作用的物化条件（即是在岩石保持固态）下进行的组分一定范围上的迁移，因此组分的迁移只能是通过固态离子的扩散或间隙溶液的流动，影响这种组分迁移的动力主要是离子半径、电价及其他们在间隙溶液中的相对浓度。这种脉体的物化条件和动力决定了其形成时的温压条件都不会很高，而石榴石作为高压条件下的稳定矿物是不会出现的。这种作用下形成的脉体不具有火成岩矿物的特征，与变质岩的矿物具有相容性，且形成温度相似；浅色矿物与暗色矿物在成分上具有明显的互补性。脉体具高的K/Rb和Ba/K值，与花岗岩成因的伟晶岩脉完全不同。

2.4 深溶作用形成的脉体

深溶作用成因下的脉体中石榴石分为二种：（1）原变质岩中的石榴石残留体；（2）熔融的长英质脉体结晶形成的石榴石。

2.4.1 原变质岩中的残余石榴石

深熔作用下，固体岩石发生选择性熔融，其中具低熔点的长石和石英首先开始融化成为液相，然后才是其他艰难熔融的组分，而由于石榴石本身具有难熔和流体中低溶解能力的特点，所以通常可以很好地保存下来，特别是在深熔作用不彻底的情况下，会较多的保留原变质岩中的石榴石，被保留下来的石榴石多集中分布，呈集合体的形态，石榴石裂隙中多为长英质物质充填，反应深熔作用下流体的流动性，边部被长石、石英交代，后期多蚀变为绢云母。如在河北地区发现深溶作用下长英质脉体中石榴石的裂隙中见后期蚀变的绢云母和绿泥石。

由于石榴石可以在很宽的化学成分和温压条件下存在，因此在深熔作用下作为原变质岩的残余能够较多的保留原岩的信息（以下称残余石榴石）。残余石榴石一般都保存了原来的化学成分环带，即从核部到边部主要元素和微量元素的逐步变化：从核部到边部Mn元素逐步降低，而Fe元素逐步升，即中心富集锰铝榴石，边部以铁铝榴石为主，这种锰铝榴石的哑铃型环带称为正环带。对石榴石成分环带的研究表明：石榴石中Mg元素与温度呈正相关，Mn元素与温度呈负相关；而Ca与压力呈正相关。但是在深熔作用下，随着温度的升高，石榴石中阳离子的扩散也会加快。当温度T<650 ℃时，石榴石中Mn的扩散速率几乎可以忽略；当温度T>700 ℃时，Mn元素的扩散速率会迅速加快，甚至使原来的环带均一化。因此常把微量元素作为研究岩石形成的化学动力学、温压条件和构造环境的重要原因。

2.4.2 长英质结晶（岩浆结晶）形成的石榴石

岩浆结晶形成的石榴石在自然界中很少，多数出现在伟晶岩和细晶岩中，也有少量出现在长英质的过铝质花岗岩中和I型、A型花岗岩中。

花岗岩中的石榴石也具有环带结构：核部为铁铝榴石，边缘为锰铝榴石，形成反环带。在岩浆冷却结晶过程中，Mn/（Fe+ Mg）比值是逐渐升高的，结果导致晚期结晶石榴石的Mn元素相对于Fe和Mg元素富集，最后生长的石榴石边部Mn元素最为集。由于是在冷却条件下结晶形成的，因此阳离子的扩散速率大大降低，一般不会出现均一化现象，能很好的保留反环带特征，这是鉴别岩浆结晶形成石榴石的主要特征[8，14]。

岩浆结晶的石榴石一般形成于富Mn的岩浆，但是有些S型花岗岩可以在较宽的P-T-fH2O范围内产生贫Mn石榴石，其压力范围为200～600 MPa。因此在不同地质环境下发生的深熔作用，由于原变质岩的化学组分不同形成的长英质组分也有很大差别，特别是深熔作用较彻底的情况下可能演化出不同的花岗质岩浆，所以形成的石榴石也有很大差别。

（1）当深熔作用发生在上地壳硅铝层时，可形成类似S型花岗岩的长英质组分，这种组分在0.7 GPa以上的压力中能够直接结晶出富铁低锰的石榴石，如王金丽等在位于青藏高原班公湖-怒江蛇绿岩带与印度-雅鲁藏布江蛇绿岩带之间的拉萨地体东南缘前寒武纪结晶基底中富石榴石斜长石花岗岩脉体的研究。

（2）当深熔作用发生在下地壳硅镁层时，可形成类似I型花岗岩的长英质组分，这类长英质组分通过结晶分异作用，最后可形成富铁锰低钙镁的石榴石。在这一过程中，结晶分异作用是很重要的，它使得残余岩浆的ASI增加。通过计算得出，当岩浆中有50%的长石结晶时，初始岩浆的ASI由1.05变为1.13，当有75%的长石结晶时，ASI将增加到1.22。因此，以长英质为主而没有相应的铁镁质富铝矿物的早期结晶时，将会使Fe、Mg、Mn等元素在残余岩浆中更加富集，同时也使岩浆的ASI增加，从而有利于石榴石等富铝矿物的形成。Clemens等的实验也表明长英质富铝岩浆岩在低压下（0.1 GPa）斜长石和石英将早于石榴石结晶，而在高压下（0.5 GPa）黑云母和石榴石先于长石和石英结晶。于津海等[在闽东南地区报道的含石榴子石I型花岗岩就具有以富FeO（19.88%～32.88%）、MnO（8.91%～20.94%）和贫MgO（0.79%～1.22，）、CaO （0.38%～2.26%），且Mn/（Fe+Mn）的比值较大（0.41～0.55）的特征。

石榴石可以作为有效的地质温压计如石榴石-黑云母地质温度计和石榴石-白云母地质温度计以及石榴石-黑云母-斜长石-石英地质压力计，估算花岗岩结晶时的温度压力，推断深熔作用发生的位置。

3 结论

（1）脉体的形成机制有四种：岩浆注入作用、交代作用、变质分异作用、深熔作用，只有在深溶作用形成的脉体中出现石榴石，其他三种机制形成的脉体不出现石榴石。

（2）深熔作用下的石榴石有两种：①原变质岩中石榴石的残余；②长英质组分结晶生成的石榴石。

（3）原变质岩中的石榴石在成分上具有正环带，而长英质组分结晶生成的石榴石往往具有反环带，是鉴别两者的主要特征。

（4）长英质组分结晶生成的石榴石，可以作为地质温压计，如石榴石-黑云母地质温度计和石榴石-白云母地质温度计，以及石榴石-黑云母-斜长石-石英地质压力计，估算长英质组分结晶时的温压。

（5）根据深溶作用下长英质结晶的石榴石成分的不同，可以推测深熔作用发生的地质环境。

参考文献

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