黑云母温度计能否用于估计花岗质侵入岩的结晶温度?

徐鸿雪,汪 洋

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083)

岩浆结晶温度是理解火成岩成因的重要物理参量,环境和岩浆自身温度的变化控制了源岩部分熔融的发生、母岩浆的分离结晶以及岩体侵位后的固结过程(Milleretal., 2003; Andersonetal., 2008; Putirka, 2008)。对于特定成分的岩浆,温度和压力的变化对其平衡矿物组合起着决定性的作用,进而控制了岩浆岩的主量元素组成,影响岩浆岩的微量元素含量(Janousek and Moyen, 2020)。对于广义的花岗质岩浆而言,其温度范围大致在650～950℃之间。对于花岗质侵入岩,估算其结晶温度的主要方法包括两大类地质温度计。一类是(微量)元素饱和温度计,主要有锆饱和温度计、磷饱和温度计、钛饱和温度计、轻稀土元素饱和温度计等(Watson and Harrison, 1983; Harrison and Watson, 1984; Beaetal., 1992; Pichavantetal., 1992; Montel, 1993; Wolf and London, 1994; Jung and Pfänder, 2007; Stepanovetal., 2012; Boehnkeetal., 2013; Shaoetal., 2019, 2020),近年来发展起来的锆石Ti温度计等(Janousek and Moyen, 2020)也属于此类。另一类是矿物温度计,包括钛铁矿-磁铁矿温度计、二长石温度计、辉石温度计、角闪石温度计、黑云母温度计等(Fuhrman and Lindsley,1988; Beniseketal., 2004; Henryetal., 2005; Ghiorso and Evans, 2008; Putirka, 2008, 2016; Ridolfietal., 2010; Wangetal., 2021b; Li and Zhang, 2022)。由于黑云母在花岗质岩浆岩中广泛存在,所以黑云母Ti温度计(Henryetal., 2005)被不少学者用于估算花岗质侵入岩的结晶温度(Cesareetal., 2008; Bayatietal., 2017; Moshefietal., 2018; Azadbakhtetal., 2020; Azeretal., 2020; Baidyaetal., 2021; Zhaoetal., 2023;王栋等, 2023; 邹兴志等, 2023)。然而,Henry等(2005)的黑云母Ti温度计是基于泥质变质岩的研究确立的,能否应用于花岗岩尚存疑义,该温度计估算的花岗质岩浆的温度是否准确亦缺乏实质性检验,为此本文应用经验性的方法检验了黑云母温度计估算花岗质侵入岩形成温度的可靠性。

1 估算花岗质侵入岩成岩温度的常用方法概述

锆元素在天然硅酸盐熔体中以微量元素的形式存在,其物理化学行为受稀溶液定律(Henry定律)制约。Watson和Harrison(1983)基于实验岩石学研究证明,锆在熔体中的饱和度主要取决于熔体的成分和温度。相较于其他元素饱和温度计,锆饱和温度计的优势在于：长英质岩浆体系中锆石-熔体之间Zr分配系数的温度敏感程度高,而且锆石是花岗质岩浆的早期结晶相,化学稳定性高,结晶后不易被改造,因此研究者对岩浆体系的Zr饱和体系进行了大量实验标定,积累了丰富的实验数据(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)。同时,锆石是花岗质岩浆中普遍存在的副矿物相,可以在中性-酸性成分的硅饱和熔体中结晶出来。对于含有残留锆石的花岗质侵入岩,锆饱和温度反映其岩浆温度的上限值;对于不含残留锆石的花岗质侵入岩(如A型花岗岩),锆饱和温度可以代表其岩浆温度的下限值。所以,锆饱和温度计是目前用于估算花岗质侵入岩成岩温度的最常用方法,得到了广泛应用(Milleretal., 2003; Collinsetal., 2016, 2020)。

相对于锆饱和温度计,其他的地质温度计在花岗岩成岩温度估算方面存在一些局限。对磷、钛饱和温度计的实验标定研究较少(Harrison and Watson, 1984; Pichavantetal., 1992; Montel, 1993),应用实例也比较少。轻稀土元素饱和温度计主要适用于含独居石的S型花岗岩类的温度估计(Montel, 1993; Stepanovetal., 2012),对于不含独居石的I型和A型花岗岩,不能采用轻稀土元素饱和温度计估算其成岩温度。由于不少花岗岩不含辉石、角闪石,加之辉石温度计的精度不高(Wieseretal., 2023),辉石、角闪石温度计在对花岗质岩浆岩中的应用实例有限(Andersonetal., 2008)。例如,典型的S型花岗岩不含普通角闪石,无法采用涉及角闪石的地质温度计估算S型花岗岩的温度。同时,针对普通角闪石成分得到的温度计不适用于碱性角闪石,所以,常见的角闪石温度计无法用于含碱性角闪石的A型花岗岩。对于估算花岗质岩浆成岩温度而言,钛铁矿-磁铁矿温度计受固相线温度之下再平衡因素的影响(Fuhrman and Lindsley, 1988; Beniseketal., 2004; Ghiorso and Evans, 2008),在岩浆固结之后Fe、Ti离子仍然在钛铁矿-磁铁矿之间发生扩散交换,导致计算的温度值明显低于岩浆的固相线温度。二长石温度计存在同样的缺陷。所以,对估计花岗质侵入岩的成岩温度而言,钛铁矿-磁铁矿温度计和二长石温度计应用得比较少。

目前,锆饱和温度计已发表多个版本,主要有Watson和Harrison(1983)(简称WH83)、Boehnke等(2013)(简称B13)、Gervasoni等(2016)(简称G16)、Shao等(2020)(简称S20)等。S20在先前模型基础上改进使其适用范围扩展到所有过铝质到过碱质成分的镁铁质到长英质熔体。Shao等(2020)的研究表明,在常见的岩浆温度范围内,不管是过铝质还是过碱质熔体,S20模型的估算结果与WH83模型的偏差在±5%不确定性范围内,而B13、G16模型对相同成分熔体的温度估计值较WH83、S20模型系统偏低(图1)。

综合上述,本文采用Shao等(2020)锆饱和温度计模型作为计算花岗质侵入岩成岩温度的参照值,以此评估黑云母温度计对花岗质侵入岩的适用性。

图 1 锆饱和温度计(S20)与其他版本锆饱和温度计(WH83、B13、G16)的估算结果对比[数据引自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与版本WH83、B13、G16对过铝质流纹岩计算结果对比; b—S20模型1与版本WH83、B13、G16对过碱性正长岩计算结果对比; c—S20模型2与版本WH83、B13、G16对过铝质流纹岩计算结果对比; d—S20模型2与版本WH83、B13、G16对过碱性正长岩计算结果对比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评估涉及花岗岩的地质温度计,对其他地质温度计的适用性等问题有待另文详述。

2 黑云母温度计的经验性检验

2.1 黑云母温度计概述

黑云母(包括狭义的黑云母和金云母)是地壳和地幔中广泛存在的一种含挥发分硅酸盐矿物,是大多数岩浆岩中的主要镁铁质造岩矿物之一,可在较大压力和温度范围内保持稳定。由于黑云母晶体结构比较复杂,能够大量地赋存多种阳离子和阴离子,其化学成分可以指示其形成的温度、氧逸度、水活度等重要参数,被广泛用于反演相关的岩浆性质和岩浆过程(Sahaetal., 2021; Samadietal., 2021; Gionetal., 2022; Li and Zhang, 2022)。

Henry等(2005)根据过铝质变泥质岩体系黑云母Ti含量与其形成温度的相关性,提出：

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

(1)

式中,t为温度(℃), Ti为按22个O原子为单位计算阳离子数后的原子数,XMg=Mg2+/(Mg2++Fe2++Fe3+),b=4.648 2×10-9,公式适用范围为：XMg=0.275～1.000, Ti4+=0.04～0.60 a.p.f.u.,t=480～800℃。黑云母Ti温度计的精度估计,在较低温度范围内为±24℃,在较高温度下提高到±12℃。该温度计被国内外许多学者应用于估计花岗质侵入体的结晶温度(李胜荣等, 2006; Cesareetal., 2008; 郭耀宇等, 2015; Moshefietal., 2018; Azadbakhtetal., 2020; 王栋等, 2023; 解世雄等, 2023; Zhaoetal., 2023)。

Henry等(2005)指出,黑云母Ti温度计适用条件是含石墨、至少一种(黑云母之外的)过铝矿物、含钛铁矿或金红石的过铝质变质泥岩体系。虽然该温度计可能适用于过铝质成分的花岗岩,但对于其他成分的体系(例如准铝质花岗岩)而言,其实际误差可能十分显著(Henry, 私人通讯,见Azadbakhtetal., 2020, p.13)。

由于黑云母的化学结构复杂性,基于恒定的元素分配系数Kd估计黑云母和熔体平衡温度的传统方法不可行,例如,平衡体系中黑云母和熔体之间的Mg/Fe分配系数在黑云母-熔体体系中通常不是一个恒定值。因此,Li 和 Zhang (2022)在高温高压实验大数据的基础上,运用机器学习方法对岩浆成因黑云母矿物主要氧化物组分进行了回归训练,得到黑云母全组分与其形成温度、压力值的统计预测模型,提出了基于黑云母全组分的岩浆体系温压计(https：//lixiaoyan.shinyapps.io/Biotite_thermobarometer/)。该文作者认为,黑云母全组分温度计可以较好地复现已有的实验标定温度,而Henry等(2005)黑云母Ti温度计则不能。

2.2 数据来源

本文汇编了来自全球不同区域的代表性花岗质侵入岩全岩和黑云母成分数据,根据原始文献描述,岩石和矿物样品新鲜,黑云母属于岩浆成因。根据岩相学和岩石地球化学特征,将这些样品分别归为S型、I型和A型花岗岩类(表1)。以Shao 等(2020)的锆饱和温度计计算结果为参照值,同时采用Henry等(2005)黑云母Ti饱和温度计、Li和Zhang(2022)黑云母全组分温度计估计对应样品的黑云母结晶温度,将其结果与参照值相比较,判断计算的黑云母结晶温度能否代表岩浆的成岩温度。

表 1 岩体名称及来源文献Table 1 Names and reference of pluton

2.3 结果与分析

(1) S型花岗岩

图2a为黑云母Ti饱和温度计(Henryetal., 2005)与锆饱和温度计(Shaoetal., 2020)估算的S型花岗岩成岩温度对比;图2b为黑云母全组分温度计(Li and Zhang, 2022)与锆饱和温度计估算的S型花岗岩成岩温度对比。结果显示,黑云母Ti饱和温度计估算结果较S20锆饱和温度计系统偏低50 ～ 250℃,甚至低500℃;黑云母全组分温度计的估算结果与S20锆饱和温度计之间的偏差大多在±50℃以内。因此,即便是对过铝质的S型花岗岩而言,黑云母Ti饱和温度计(Henryetal., 2005)估算的温度值也是明显偏低的,因此该温度计并不适用于估算S型花岗岩的成岩温度。

(2) I型花岗岩

从图3可知,大多数I型花岗岩样本的黑云母Ti饱和温度较S20锆饱和温度偏低50～200℃,有相当数量的样品温度估算值低于650℃(压力大于100 MPa、饱和水条件下花岗岩的固相线温度)(图3a)。黑云母全组分温度计的估算结果与S20锆饱和温度计之间的偏差绝大多数在±50℃以内(图3b)。显然,黑云母Ti饱和温度计不适用于估算I型花岗岩的成岩温度。

(3)A型花岗岩

图4a为黑云母Ti饱和温度计与S20锆饱和温度计估算的A型花岗岩成岩温度对比。从图中可以看出,黑云母Ti饱和温度计与S20锆饱和温度计估算值之间具粗略的线性相关性,但黑云母Ti饱和温度明显低于锆饱和温度(约100～300℃)。

图 2 锆饱和温度计(Shao et al., 2020)与黑云母Ti饱和温度计(Henry et al., 2005)(a)、黑云母全组分温度计(Li and Zhang, 2022)(b)计算S型花岗岩温度结果对比图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—峡江县金滩(中国); 2—St. Austell (英国); 3—Dartmoor (英国); 4—Cligga (英国); 5—Land’s End (英国); 6—Carn Marth (英国); 7—Carnmenellis (英国); 8—Bodmin (英国); 9—Sattelspitze (Monte Sella)(意大利); 10—Mount Qomolangma-Masang Kang(喜马拉雅山); 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(德国); 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)

图 3 锆饱和温度计(Shao et al., 2020)与黑云母Ti饱和温度计(Henry et al., 2005)(a)、黑云母全组分温度计(Li and Zhang, 2022)(b)计算I型花岗岩温度结果对比图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)

图 4 锆饱和温度计(Shao et al., 2020)与黑云母Ti饱和温度计(Henry et al., 2005)(图a)、黑云母全组分温度计(Li and Zhang, 2022)(图b)计算A型花岗岩温度结果对比图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)

黑云母全组分温度计与S20锆饱和温度计估算的A型花岗岩成岩温度之间则不存在明显的相关性(图4b)。锆饱和温度计估算的A型花岗岩成岩温度在670～1 100℃之间变化,黑云母全组分温度计得到的温度值介于725～ 800℃之间。

A型花岗质岩浆碱质含量高、对Zr的溶解能力强(Gervasonietal., 2016; Shaoetal., 2020),因此A型花岗岩往往显示高的锆饱和温度,在某些情况下(如无继承锆石)A型花岗质岩浆中Zr没有饱和,故而锆饱和温度计估算的成岩温度值偏低。对于准铝质和部分过碱性A型花岗岩,黑云母可视为近固相线矿物,其结晶温度低于液相线温度、高于固相线温度(Scailletetal., 2016)。所以黑云母全组分温度计给出的是A型花岗岩中黑云母的结晶温度,约束了相应岩浆体系固相线温度的上限值。

3 结论

(1) 无论是S型、I型抑或A型花岗岩类,Henry等(2005)黑云母Ti饱和温度计得到的成岩温度估算值较锆饱和温度计和黑云母全组分温度计的估算结果系统偏低50 ～ 200℃以上,这表明对于花岗岩体系而言,黑云母Ti饱和温度计的估算结果地质意义不明确。因此Henry等(2005)黑云母Ti饱和温度计不适用于估算花岗质侵入岩的结晶温度。

(2) Li和Zhang(2022)发表的黑云母全组分温度计可以较好地复现S型和I型花岗质类的锆饱和温度计估算结果。碱质含量高的A型花岗质岩浆对Zr的溶解能力很强,导致A型花岗岩具有变化幅度较大的高Zr含量,其Zr饱和温度变化范围较大。对于A型花岗岩类,黑云母全组分温度计得到的温度值是黑云母在富碱质的花岗质岩浆体系中的结晶温度,在大多数情况下介于富碱质花岗质岩浆体系的液相线温度与固相线温度之间。

(3) Li和Zhang(2022)黑云母全组分温压计可作为一种独立于锆饱和温度计的方法用于估算S型和I型花岗质侵入岩的成岩温度,也可以用于约束A型花岗岩的固相线温度。