（地球化学专业论文）石榴石成分环带及其动力学意义.pdf

内容摘要 通过对大别碰撞造山带榴辉岩为主的岩石中石榴石和其它矿物的主要和微量元素的微区 研究，揭示了玄武质原岩在经过俯冲、抬升不同阶段中石榴石等矿物所记录的信息，很好 地提供了陆陆碰撞造山带演化的化学地球动力学信息。主要一些研究结果是： ：黄土岭麻粒岩中石榴石环带并没有表现出后期升温的特征，这可能说明扬于板块广泛存 在的晋宁期热事件和燕山期事件并未对黄土岭麻粒岩产生显著的影响，它应当是未卷入 深俯冲的半原地单位。其变质时间应该是大于等于约20 g a 。石榴石h r e e 非晶形对称 分带反映了新生石榴石的不平衡生长，最终形成一边倒的微量元素分带特征的新生石榴 石。 石榴石主量元素环带模拟结果表明碧溪岭榴辉岩初期平均冷却速率约为2 0 m a ：重 结晶石榴石表现出的r e e 总量变化趋势反映了原石榴石分解造成的结晶环境r e e 含量 的变化：新生辉石高l i 含量指示了富l i 外来流体的加入。 黄尾河榴辉岩被麻粒岩相变质所彻底改造，由于高温下主量元素扩散速率较快，石榴石 不具有主量元素，也证明麻粒岩相变质持续时间不是很短暂。石榴石是从麻粒岩相变质 之后才开始再生长，并伴随着持续降温冷却呈现核高边低的r e e 含量特征。结合年代 学的工作，2 1 0 m a 的年龄代表的应该是麻粒岩相后，7 5 0 以前的一个时间。 铙钹寨榴辉岩石榴石边缘极窄的主量元素环带特征表明麻粒岩相的叠加之后是一个很快 速的冷却过程。石榴石r e e 整体显示核高边低，单方向增加的趋势，是后期麻粒岩相 变质，石榴石退变斜长石+ 角闪石后成台晶，含水矿物的出现和微尺度上不均衡的流体 作用使得原石榴石r e e 重新分配的结果。 百丈岩榴辉岩中石榴石未发现主量元素环带。微量元素呈中心均一边部略微上升的趋 势，反映的可能是石榴石溶解再吸收的结果或外来富r e e 流体的结果。 青龙山榴辉岩石榴石边部主量元素成分环带的模拟表明其冷却速率接近甚至大于 。2 0 m a 。石榴石具有典型的生长环带。说明石榴石和辉石r e e 含量完全受全岩和随 温度升高分配系数变化的控制。辉石具有高含量的l i 表明其原岩不可能是幔源的t 而 应是陆源的，且在深俯冲前发生过强烈的水一岩交换反应。 熊店榴辉岩中石榴石中心多包体，边部缺乏包体说明峰期变质持续了一定时间造成主量 元素不具环带。石榴石h r e e 含量呈一个方向单调阶梯性上升趋势，结合辉石和石榴 石相似的l r e e 组成，证明存在富l r e e 流体的加入。 黄镇榴辉岩中石榴石的主量元素表现出复杂的生长环带，指示了多阶段前进变质的历 程。模拟结果显示，该榴辉岩峰期变质之后的平均冷却速率小于1 0 m a 。不太可能受 过超高压变质作用。微量元素的环带特征受同期副矿物的影响而呈现复杂的环带。港湾 状的石榴石其中心为新生石榴石并非原石榴石残留相。 石榴石辉石分配系数的计算表明，尽管榴辉岩变质温度较低，但该温度范i 封下石榴石 和辉石仍然是近平衡分配的，巨分配系数与温度存在正相关关系。 o ：o 石榴石成分与结构的关系存在正相关的关系，具有较高含量的大离子半径元素的石榴石 结构亦较松散。石榴石结构与变质温压存在一定的相关性。 石榴石冷却速率计中的几个重要参数的误差分析表明：具体情况下需仔细选取那些实验 条件与所研究的具体地质情况最为相似的实验数据得到模拟结果才可能是合理的。只有 在合理的计算和选取参数以及可靠的测试技术的情况下得到的模拟结果才具有地质意 义。 关键字：石榴石； 环带；动力学；榴辉岩；大别 a b s t r a c t t h em a j o ra n dt r a c ee l e m e n t so fg a r n e t si ne c l o g i t e sf r o md a b i eh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l i n f o r m a t i o no fs u b d u e t i o na n de x h u m a t i o no ft h eb a s a l t i cp r o t o l i t hh a sb e e nr e v e a l e db yt h e c h a r a c t e r i s t i co f t h e s eg a r n e t s t h em a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya r e ： t h e r ei sn oe v i d e n c eo fh e a t i n ga f t e rt h ep e a kg r a n u l i t em e t a m o r p h i s mo nt h eg r a n u l i t e f r o mh u a n g t u l i n g i th a sn o tb e e ni n v o i v e di nu h pm e t a m o r p h i s mo fd a t , i e t h et r a c e e l e m e n t sc o m p o s i t i o ni n g a r n e tr e c o r d e dn e wg r o w t hg a r n e td u r i n gt h eg r a n u l i t e m e t a m o r p h i s m m o d e l i n gr e s u l to ft h em a j o re l e m e n t sz o n i n gi ng a r n e ts h o w st h a tt h ee c l o g i t ef r o m b i x i l i n gc o o l e dd o w na f t e rd e a km e t a m o r p h i s ma ta b e u t 一2 0 m a t h en e wg r o w t h g a r n e t ss h o ws y s t e m a t i cc h a n g eo f t r a c ee l e m e n t s l ie n r i c h e df l u i dh a si n f i l t r a t e dd u r i n g a n d o ra f t e rg a r n e tg r o w t h b e c a u s eo f t h ev e r yh i g hp e a km e t a m o r p h i ct e m p e r a t u r e ，n om a j o re l e m e n t sz o n i n gh a s b e e nf o u n di ng a m e t sf r o mh u a n g w e i h ee c l o g i t e g a r n e th a sb e e nt o t a l l ym o d i f i e db y g r a n u l i t em e t a m o r p h i s m t h et r a c ee l e m e n t so fg a r n e ta t s os h o wc o n t i n u o u sde l e r e a s e f r o mc o r et or i m 夺t h ec o o l i n gr a t eo fr a o b a z h a ie c l o g i t ei sv e r yh i g ha f t e ro e a l ( m e t a m o r p h i s m t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft r a c ee l e m e n t si ng a r n e tr e v e a l st h ee f f e c to fn o n e q u i l i b r i u m p a r t i t i o n i n gd u et om i c r o s c a l ef l u i d n om a j o re l e m e n t sz o n i n gh a sb e e nf o u n di ng a m e t sf r o mb a i z h a n g y a ne c l o g i t e t h e f l u i di n f i l t r a t i o np l a yak e yr o l ei nt h ed e v e l o p i n go f t r a c ee l e m e n t so f g a r n e t q i n g l o n g s h a ne c l o g i t eh a saf a s tc o o l i n gr a t ea f t e rp e a km e t a m o r p h i s ma ta b o u t 2 0 m a t h ew e l lp r e s e r v e dg r o w t h 订a g ee l e m e n t sz o n i n gi ng a r n e tr e v e a l st h ee q u i l i b r i u m p a r t i t i o n i n gd u r i n gg a r n e tg r o w t h w a t e r - r o c ki n t e r a c t i o nh a sb e e no c c u r r e db e f o r et h e s u b d u e t i o no f t h ep m t o l i t h ：t h ef a c to fi n c l u s i o ne n r i c h e dc o r oa n di n c l u s i o nf r e er i mo fg a r n e ts t a t e san o n - s h e r t d u r a t i o no f 血ep e a km e t a n l o m h i s m 脚狐e n r i c h e df l u i di n f i l t r a t i o ni st h ek e yr e a s o no f t h ez o n i n gp a t t e r no f t r a c ee l e m e n t si ng a r n e t g a r n e t sf r o mh u a n g z h e ne c l o 画t es h o wc o m p l e xm a j o re l e m e n t sz o n i n gw i t hs e v e r a l s t a g eg r o w t hz o n ea n da b s o r p t i o no f t h er i m t h ec o o l i n gr a t eo f t h ee c t o g i t ei sl e s st h a n 1 0 m aw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mu 肿e c l o g i r ef r o mo t h e rp l a c ei nd a b i e n l et r a c e e l e m e n t sd i s t r i b u t i o ni ng a r n e ti sm a i n l yc o n t r o l l e db vt l l em i n o rf a c eo fr e e - r i c h e d m i n e r a l sd u r i n gg r o w t h t h ea l l o tg a r n e ti sn e wg r o w t ho n en o tt h er e l i co f t h eo l dg a r n e t t h er e ep a r t i t i o n i n gb e t w e e ng a r n e ta n dc l i n o p y r o x e n ei sn e a r l ye q u i l i b r i u me v e nu n d e r s u c hl o wt e m p e r a t u r ea n da l s os h o wt e m p e r a t u r ed e p e n d e n tb e h a v i o r r r l n a ns p e c t r a la n dt h em a j o re l e m e n tc o m p o s i t i o no fg a r n e th a sag o o dr e l a t i o nw h i c h c a np o s s i b t yb eu s e dt oc o r r e l a t et h es t r u c t u r ea n dt h ep r e s s u r e e r r o ra l i a l y s i so fg e o s p e e d o m e t r ys h o w st h a tg r e a tc a r es h o u l d b et a k e nw h e n g e o s p e e d o m e l r ym e t h o di sa p p l i e dt or e v e a lt h ec o o l i n gh i s t o r yo fr o c k s s e l e c t i o no f s u i t a b l ep a r a m e t e r si sv e r yi m p o r t a n ti no r d e rt og e tg e o l o g i c a lm e a n i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：g a r n e t ；z o n i n g ；k i n c r i e s ；e c l o g i t e ；d a b i e 插图和附表清单 图1 1石榴石m n 成分环带 图1 2石榴石组成随稳压变化关系的等值线圈 图1 3石榴石成分环带度其p 1 演化 图1 4 矿物宏观扩散类型( a t t e rl a s a g a , 1 9 9 8 1 图1 5石榴石扩散环带 图1 6石榴石冠状环带覆成分分带 图1 7喜玛拉雅片麻岩c a 成分图 图1 8石榴石氧同位素生长环带 图1 9方解石氧同位素扩散环带 图1 1 0 石英氧同位素分布 图1 1 l 石榴石y 环带 图1 1 2 石英l i 环带 图1 1 3 矿物的溶解再沉淀 图1 1 4 石榴石s r 同位素组成 囤1 1 5 独居石2 噼p b 环带及冷却曲线 图1 1 6 独居石b s e 图 图1 1 7 晶体生长模式 图l ，1 8 一维扩散位移元内的流量变化 图1 1 9 三维扩散单元 图1 2 0 大别碰撞造山带地质简图及采样位置 图3 1 黄土岭麻拉岩显檄结构匿 图3 2 黄土岭石榴石x - r a y 成分分带( 3 0 0 0 1 u m ) 图3 3 平板扩散模型 图3 4 石榴子石成分剖面及数值模拟图 图3 5 石榴子b s e 图 图3 6 黄土岭麻粒岩石榴子r e e 配分图 困3 7 黄土岭麻粒岩石榴干微量元素环带 图3 8 碧溪岭榴辉岩显微照片( 单偏光5 1 0 ) 图3 9 a 碧溪岭石榴石x r a y 成分图( 8 0 0 p m ) 图3 9 b 碧溪岭石榴石x r a y 成分图( 7 0 0 m ) 图3 1 0 碧溪岭石榴石边缘b s e 及成分环带图 图3 1 1 扩散的集合体模型 图3 1 2 碧溪岭石榴石的成分分带及模拟曲线 图3 1 3 碧溪岭石榴石微量元素成分分带 图3 1 4 碧溪岭石榴石和辉石r e e 模式图解 囤3 1 5 黄尾河榴辉岩 图3 1 6 黄尾河石榴石x - r a y 成分图( 2 7 5 0 t a m ) 图3 1 7 黄尾河榴辉岩石榴石r e e 图解及微量元素环带 囤3 1 8 饶拔寨榴辉岩显微结构图 图3 1 9 饶拔寨石榴石x r a y 成分图( 2 5 0 0 1 t m ) 图3 2 0 饶拔寨石榴石主元素成分环带 困3 2 l 饶拔寨石榴石微量元素成分环带 图3 ，2 2 饶拔寨石榴石，辉石，长石r e e 图解 图3 2 3 百史岩榴辉岩 图3 2 4 百丈岩石榴石x r a y 成分图f 5 0 0 p m l 图3 2 5 百丈岩石榴石微量元素成分环带 图3 2 6 百丈岩石榴石，辉石t e 石r e e 图解 图3 2 7 青龙山榴辉岩x - r a y 成分图( 1 0 0 0 9 m ) 图32 8 青龙山石榴石b s e 及成分环带图( 探针分析沿固中黑线) 图3 2 9 青龙山石榴石成分分带厦模拟曲线 图3 3 0 青龙山石榴石( a ) 和辉石( b ) 微量元素成分环带 图3 3 1 青龙山石榴石和辉石r e e 图解 图3 3 2 熊店榴辉岩x r a y 成分固( 1 0 5 0 9 m ) 图3 33 熊店榴辉微量元素环带及r e e 固解 围3 3 4 黄镇榴辉岩石榴石x r a y 成分图f 15 0 0 9 m 1 围3 3 5 黄镇榴辉岩a l i o t 石榴石x r a y 成分图( 15 0 0 “m ) 圄3 3 6 黄镇不同粒径石榴石主量元素环带( g r s p r pt a l m s o s l 图3 3 7 图3 3 4 中石榴石r e e 图解及微量元素环带 圈3 3 8 图3 3 5 中石榴石r e e 图解及微量元素环带 图3 3 9 大别榴辉岩石榴石和绿辉石r e e 图解 圈3 4 0 大别榴辉岩石榴石和绿辉石r e e 分配系数 图3 4 1 大别榴辉岩石榴石和绿辉石l i ，y ，z r h f 分配系数 图4 1 石榴石b s e 图 图4 2 石榴石主量元素与半高宽关系 图5 1 数据误差对模拟结果的影响 图5 ，2 测试技术对模拟结果的影响 图5 3 温度估计误差对模拟结果的影响 图5 4 实验扩散数据对模柑结果的影响 表1 1 具化学成分分带的变质矿物 表1 2 不同几何形状的l a p l a c e 算符 袁3 1 黄土岭麻粒岩主量元素微量元素分析结果 表3 2 碧溪岭橱辉岩主量元素微量元素分析结果 袁3 3 黄尾河榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 4 饶拔寨榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 5 百丈岩榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 6 青龙山榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 7 熊店榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 8 黄镇榴辉岩主量元素微量元素分析结果 表3 9 大别榴辉岩石榴石和绿辉石微量元素分析结果 1 石榴石成分环带概述 1 1前言 在整个地球物质循环中，岩石扮演了及其重要的角色。地质学研究的基本 目的就是探讨各种地质过程的原因、过程和结果。岩石在其演化过程中相应地记 录了这些过程的信息。地球物质循环研究的一个重要领域是俯冲带变质岩的研 究。研究大陆碰撞造山带变质岩石的温度一压力一时间演化历程是了解地壳演化， 壳幔相互作用的重要手段，也是变质岩石学的一个重要课题。变质矿物广泛存在 着化学成分分带现象，这种成分分带或多或少地记录了矿物的不同演化阶段的历 程，研究矿物环带是定量化地详尽了解其变质过程的重要手段。石榴石作为一个 广泛存在的造岩矿物往往具有元素和同位素分带，碰撞造山带变质岩中石榴石的 成分环带记录了寄主岩石的俯冲、峰期和退变质过程，详细研究这类石榴石环带 无疑将提供碰撞造山过程更多，更细节的信息。本文拟以大别碰撞造山带中榴辉 岩的石榴石为主要研究对象，通过分析其主量和微量元素的组成来探讨大陆俯冲 和抬升的动力学信息。 1 2 矿物成分环带 许多变质矿物都具有一定的化学成分分带，如正交偏光镜下斜长石消光角随 成分的变化，石榴石普遍存在的f e ，m g ，c a ，m n 主量元素成分分带等等。具环带 特征的变质矿物可以被认为是一个化学磁带，它以元素变化的形式记录了寄主岩 石的化学演化历程。因此，研究具有环带的变质矿物是了解岩石样品化学演化， 从而变质岩的温压历史的重要手段。其常常被用于了解寄主岩石的温压轨迹 ( c f e n a m i19 9 8 ) ，变质时间持续的时间( c f l a s a g ae ta 1 1 9 9 5 ) ，晶体生长和 变质岩中的物质运移等的研究中( c f k o n r a d s c h m o l k ee ta 1 2 0 0 5 ) 。伴随高空 间分辨率，快速的电子探针的出现，越来越多的矿物被发现具有主量元素成分分 带。l a i c p m s 和s i m s 的出现，具有微量元素和同位素分带的矿物也陆续被发 现。下面以k o h n ( 2 0 0 3 ) 的综述为基础分别加以简单介绍。 1 2 1主量元素环带 2 0 世纪6 0 年代出现的电子探针，由于其具有高空间分辨率和快速的特点， 很快成为矿物主量元素成分环带研究中的利器。至今，大多数变质矿物或多或少 都被发现在一定条件下具有主量元素成分环带( 表1 1 ) 。矿物化学成分环带的形 表1 1 具化学成分分带的变质矿物 矿物元素矿物元素 石榴石 绿泥石 f e ，m g ，m n ，c a ，a 1 f e ，m g 十字石 兰晶石 f e ，m g ，t i ，a i ，s i f e ”，t i ，m n 锆石u ，p b ，t h ，h f电气石 f e ，m g 白云母 f e m g ，m n ，a l 黑云母 f e ，m g ，t i 辉石 f e ，m g ，s i ，a 1 ，c a ，n a闪石f e ，m g ，s i ，a 1 ，c a ，n a ，t i 长石c a ，n a ，a l ，s i堇青石f e ，m g 尖晶石f e ，m g ，c r ，a l菱铁矿f e ，m n ，m g 成原因有许多，下面简单地做一个总结。 1 2 。1 1 瑞利分馏 瑞利分馏描述的是两相中化学物质( 元素，分子团，同位素等) 在特定系统中的 分离现象( r a y l e i g h1 8 9 6 ) 。如果某化学物 质倾向于进入矿物相( 相容元素) ，那么在变 质过程中，矿物的持续生长必然使得基质和 矿物边部的该物质亏损。在一定物化条件 譬 下，该物质进入矿物相之后就不在返回基i ； 质，而基质始终保持该物质的均一性。这种 封闭体系中矿物一基质两相间的物质分配可 视为瑞利分馏过程。在这种情况下，相容元 素在矿物相中就会形成一个核部富集。边部 亏损的“钟”形成分环带，在基质中亏损；由 图1 1 石榴石m n 成分环带 于矿物相吸收其它相容元素，不相容元素则在基质中富集。h o l l i s t e r ( 19 6 6 ) 首 次提出石榴石中的m n 成分分带可以用瑞利分馏来解释。并得到m n 的平衡分馏 系数在l5 - 4 0 之问( 图1 1 ) 。这意味着具有瑞利分馏环带的石榴石完整地保留了 原始成分，没有受到后期变质作用的改造。但并非“钟”形环带就意味着石榴石 完整保留了原始成分，因为在其生长和生长后成分仍可能发生一定变化但m n 依 然保持核高边低的特点。事实上，在瑞利分馏计算中总是假定分馏系数是常数， 但元素的分配随温度而变化，温度的变化促使矿物生长。在矿物生长过程中，温 度从而分馏系数并非常数。在上述例子中，m n 的分馏系数从核到边逐渐降低， 反映了石榴石生长过程温度的升高。 1 2 。1 2 平衡分配和生长模型 变质岩可以视为不同化学组成的矿物在变质过程中同时改变组成和相对比 例的集合，整体而言其基质是比较恒定，均一的。如果矿物生长由温压的变化引 起，元素的分配就会随生长过程而变化。模拟这个过程需要同时对每种矿物的成 分，相对比例和温度，压力的进行估算。s p e a r ( 1 9 8 2 ) 首次提出运用热力学的 g i b b s 方法。该方法由一定初始化学、百分比组成和温压的条件，运用矿物的热 力学性质来模拟矿物化组成随温压变化的规律。通过不同温压条件下元素在矿物 相间的分配和反应的质量平衡关系，可以得到一系列的瞬时平衡反应方程。这样 在确定初始的温压和组成( p ，t ，x ，m ) 之后就可以预测一定a p 和t 的变化下矿 物组成的变化，从而可以获得矿物组成随温压变化关系的等值线图( 图1 2 ) 。由 于矿物化学环带取决于其所经历的温压变化轨迹，所以该等值线图仅仅适用于矿 物成分均一的平衡结晶情况。但近似的可以看出，m n ，m g 主要受瑞利平衡分馏 控制，因此，在图中没有出现最大或最小值；f e 显然不受瑞利平衡分馏控制， 而受端元相平衡控制。从而随温度的升高，由于相平衡的原因，m n 持续降低， m g 持续升高，f e 则在其端元反应附近达到最大值( w a n g e ta 1 9 1 ) 。 获取变质p t 轨迹是变质矿物环带研究的主要任务。在质量平衡的条件 下，如果矿物环带记录了生长的温压变化，那么根据该环带中每两个独立元素就 l 。 8 | 6 钆4 2 0 f a l 图1 2 石榴石组成随温压变化关系的等值线图 能够反演其所经历的温压轨迹。s e l v e r s t o n e ( 1 9 8 4 ) 首次作了该尝试。由于在石 榴石各端元中，f e ，m n 主要受温度控制，c a 则部分受控于压力。这样，通过运 用f e c a 和m n c a 元素对一颗石榴石环带的计算表明两者得到的p t 轨迹是一 致的。这说明该体系是平衡的，矿物成分变化记录了真实的温压演化( 图1 3 ) 。 图1 3 石榴石成分环带及其”演化 a ：p r o f i l eix a h n _ x g 忸；o ：p r o f i l ei ix a i i l l - x 丽d ：p r o f i l eix s x 函s ；：p r o f i l e1 1x a l i l l - x 舶 4 1 。2 1 3 扩散 扩散是一种热动力学过程，是分子团或同位素在化学势的差异驱动下沿低化 学势方向移动的过程。其速率取决于扩散系数d 。扩散作为一种传质机制，本身 具有许多扩散类型，大致可以分成分子扩散( t r a c e rd i f f u s i o n ) ，白扩散( s e l f - d i f f u s i o n ) 和互扩散( i n t e r d i f f u s i o n ) 三类( l a s a g a ，i 9 9 8 ) 。由于前两类对化学成 分影响很小，因此，地质上所讨论的多为互扩散。固态下的元素扩散，宏观上可 以粗略的分成三种情况( 图1 4 ) ：表面扩散( s u r f a c ed i f f u s i o n ) 、体扩散( v o l u m e d i f f u s i o n ) 和边界扩散( g r a i nb o u n d a r yd i f f u s i o n ) 。 表面扩散 体扩散 颗粒边界扩散 图1 4 矿物宏观扩散类型( a f t e r l a s a g e , 1 9 9 5 ) 考虑一种情况，温度升高，石榴石开始生长。分离结晶作用使得该石榴石m n 呈 现由核到边下降的趋势。然而，由于温度的升高，m n 扩散速率亦增加，扩散作 用使得整个石榴石m n 趋于均一。在这种 情况下，分离结晶和扩散互相消长。如果 温度足够的高，最终石榴石将呈组分均一 的状况。这种均一化程度于其经历的温度 ( t ) 一时间( t ) 相关，特别的，如果均一化 的石榴石开始降温冷却，其边部往往容易 形成比较单一的扩散环带，运用这种扩散 环带来模拟得到其冷却速率的方法就称为 图1 5 石榴石扩散环带 地质速率计( l a s a g a ，1 9 8 3 ) 。g a n g u l y ( 2 0 0 0 ) 成功地运用该方法对喜马拉雅变泥 质岩中石榴石扩散环带进行模拟。获得寄主岩石的冷却速率由8 0 0 的 l5 m a 到4 5 0 的 1 0 0 m a ( 图1 5 ) 。 但实际地质情况往往比较复杂。矿物边部环带同时取决于交换反应 ( e x c h a n g er e a c t i o n s ) 和尽传输反应( n e t t r a n s f e rr e a c t i o n s ) 。前者并不改变矿 物组成状态而后者包括矿物的产生和消耗。石榴石从核到边m g 含量降低和f e 含量增高可以是由石榴石，黑云母交换反应( e x c h a n g er e a c t i o n s ) 造成，也可以 是由于矿物间反应( n e t t r a n s f e rr e a c t i o n s ) 使得各元素都向个方向增加或减少 造成的。究竟哪个作用起着主导作用，一些情况下可以通过观察m n 的含量变化 来确定。由于石榴石强烈吸收m n ，那么生长过程将使m n 呈从核至边降低的趋 势，相反，尽传输反应，如溶蚀，将导致边部m n 升高。具有高m n 含量边部的 石榴石显然是后者起主导作用，反之则是交换反应占主导。但两者同时存在的情 况也是有的，如图1 6 中的石榴石。边部反应形成的冠状环带标记了原始颗粒的 边界。从核到边，f e 升高。m g 降低，为典型的冷却过程扩散调整的结果 ( e x c h a n g er e a c t i o n s ) 。然而，冠状环带及由核到边增加的m n 含量无疑证实了 尽传输反应的存在( c a r l s o n ，2 0 0 2 ) 。如果仅视该情况为扩散结果，采用地质速率 计模拟得到的冷却速率将远远大于真实情况。 癫了1 - ，。一1 图1 6 石榴石冠状环带及成分分带 1 。2 。1 4 溶解一再沉淀 一些矿物由于其中元素的扩散速率非常慢而无法在通常地质条件下发生再平 衡。一个典型的例子就是斜长石。斜长石存在两个混溶替代端元钙长石( a n ) 和 钠长石( a b ) 。这样x a 。的扩散再调整就要求四面体占位的a l 和s i 进行交换， 6 这个过程是非常缓慢的。因此，斜长石中x a 。 的环带不会是由扩散调整造成的，而是溶解老 斜长石组分后再沉淀的增生过程新生的。石榴 石和斜长石是硅酸岩中仅有的两个普遍存在含 c a 的矿物。石榴石的生长( c a 被消耗) 和溶蚀 ( c a 被释放) 都会对斜长石的a n 端元造成影 响。图1 7 是喜玛拉雅片麻岩c a 的x r a y 成分 图。可以看到，左上角的斜长石显示连续的x a 。图1 7 吾玛拉雅片麻岩c a 成分图 环带，而右上角的斜长石的x a n 则表现为在一个方向增生。这是因为石榴石在 退变质中释放的c a ，经斜长石发生连续和不连续吸收反应的结果( k o h ne ta 1 2 0 0 1 ) 。 1 。2 。2 稳定同位素环带 由于测试上的困难，变质矿物稳定同位素环带研究相对主量元素环带的研究还 很薄弱。但由于稳定同位素的变化能够提供矿物生长过程中水一岩交换反应、流 体的情况而使得该方向的研究愈发显得重要。目前的研究主要局限于氧同位素的 研究。下面进行简单的介绍。 1 2 。2 1生长环带 氧同位素在许多正硅酸岩矿物中的扩散速率是比较慢的，在一定条件下可以 形成生长环带：而在网状硅酸岩矿物中比较快，一般地质条件下难以形成生长环 带。生长过程中，矿物氧同位素组成主要受控于相问的氧同位素分馏平衡和质量 守恒。以变泥质岩为例：在随温度升高的石榴石生长过程中，由于氧同位素分馏 平衡作用，其中黑云母和绿泥石原来6 1 8 0 较全岩要低，随着温度升高，两者的 6 ”o 值都增加。当发生近不连续反应，如石榴石+ 绿泥石+ 白云母= 黑云母+ 十字 石+ 石英+ h 2 0 的时候，这时由于矿物组分变化太快，其氧同位索组成就主要受 控于质量守恒关系。但由于这样的反应很快消耗了反应物，因此所造成的氧同位 7 这个过程是非常缓慢的。因此，斜长石中x 。 的环带不会是由扩散调整造成的，而是溶解老 斜长石组分后再沉淀的增生过程新生的。石榴 石和斜长石是硅酸岩中仅有的两个普遍存在含 c a 的矿物。石榴石的生长( c a 被消耗) 和溶蚀 ( c a 被释放) 都会对斜长石的a n 端元造成影 响。图1 7 是喜玛拉雅片麻岩c a 的x r a y 成分 图，可以看到，左上角的斜长石显示连续的x a 。图1 7 喜玛拉雅片麻岩c a 成分囤 环带，而右上角的斜长石的x a n 则表现为在一个方向增生。这是因为石榴石在 退变质中释放的c a ，经斜长石发生连续和不连续吸收反应的结果( k o h ne t a 1 2 0 0j ) 。 1 。2 2 稳定同位素环带 由于测试上的困难，变质矿物稳定同位素环带研究相对主量元素环带的研究还 很薄弱。但由于稳定同位素的变化能够提供矿物生长过程中水一岩交换反应、流 体的情况而使得该方向的研究愈发显得重要。目前的研究主要局限于氧同位索的 研究。下面进行简单的介绍。 1 。2 2 1生长环带 氧同位索在许多正硅酸岩矿物中的扩散速率是比较慢的- 在一定条件下可以 形成生跃环带：而在网状硅酸岩矿物中比较快，一般地质条件下难以形成生长环 带。生长过程中，矿物氧同位素组成主要受控于相间的氧同位紊分馏平衡和质量 守恒。以变泥质岩为例：在随温度升高的石榴石生长过程中，由于氧同位素分馏 平衡作用，其中黑云母和绿泥石原来6 ”o 较全岩要低，随着温度升高，两者的 6 18 0 值都增加。当发生近不连续反应，如石榴石+ 绿泥石+ 白云母= 黑云母 十字 石+ 石英+ h 2 0 的时候，这时由于矿物组分变化太快，其氧同位索组成就主要受 控于质量守恒关系。但由于这样的反应很快消耗了反应物，因此所造成的氧同位 控于质量守恒关系。但由于这样的反应很快消耗了反应物，因此所造成的氧同位 7 素变化通常都不大。一般而言，封闭体系中最显著的生长型同位素环带由相对跨 越较大温度范围的连续反应所制约。 k o h n ( 1 9 9 3 ) 发现了第一个单一的同位素 生长环带( 图1 8 ) 。氧同位素组成从核到 宅 边单调变化了约5 9 6 0 ，这与由该石榴石颗 粒的主元素环带得到的其生长温度跨度 在7 5 的结果是一致的。同一样品中的 十字石并没有相应的环带，这也提供了 该体系可视为封闭系统的证据。 图1 g 石榴石氧同住素生长环带 1 2 2 2 扩散环带 氧同位素在不同的矿物中具有截然不同的扩散速率。氧同位素扩散一个重要 的特点是其扩散速率不仅受控于温度，而且受约于氧逸度。这就给研究氧同位素 扩散环带带来了不便，加上地质条件下所形成的扩散环带往往仅1 0 0 i _ t m ，这使 得分析上愈发困难。但随着s i m s 和微量 取样技术的进步，研究小范围扩散环带也 将成为可能。氧同位素扩散环带亦有报 道。日本h i d a 变质带中麻粒岩相的方解石 被认为是最具可能的氧同位素扩散环带( 图 1 9 ) 。该大理岩中仅含有方解石和石墨， 排除了方解石与其它相间的同位素交换发 生。从边部降低的6 1 8 0 与误差函数吻合得 图1 9 方解石氧同位素扩散环带 很好，说明是可以用单一的扩散控制同位素平衡交换来解释的。这意味着该岩石 可能与不一致氧同位素组成的渗透流体发生过交换反应( c f g r a h a me t a 1 19 9 8 ) 。 1 。2 2 3 溶解一再沉淀 流体不论是在热液或较深的变质环境下都很容易溶解和传递物质。如果该流 体具有与之不同的同位素组成，那么稳定同位素 组成就可以记录这种水一岩交换的信息。由于深 部变质的温度较高，持续时闻较长，不同储库的 氧同位素组成差别并不很大，可以预见这种情况 下的同位素分馏效应不会很明显。一个比较合适 的研究对象是接触变质的热液体系。对第三纪 s k y e 杂岩中侵入体的石英研究发现：c l 揭示出 该石英具有许多微裂隙，最低的6 1 8 0 值都位于 这些裂隙周围。这是由于石英发生破裂之后，低 图1 1 0 石英氧同住素分布 6 ”o 值流体的渗入与裂隙附近部分发生氧同位素交换的结果。这就预示在强变 形低温条件下，溶解在沉淀很可能是造成同位素不均一的重要因素之一( v a l l e y e ta i 1 9 9 6 ) 。 1 2 3 微量元素环带 主量元素环带可以在高温通过简单的互扩散或与基质矿物交换而均一化。与 之不同的是，微量元素往往具有不同的电价。这种差异极大地阻碍了扩散的进 行。比如为了保持电价平衡，1 ”p _ l v s iv i i n av i i i m gv i i i y - v i l l m g 和t i w a l 的 交换都需要成对替换其它占位的离子，如“a 1 w s i 。这样就可能造成不具主成 分环带的矿物也可能具有微量元素成分环带。 1 。2 3 1生长环带 研究微量元素生长环带个令人感兴趣的是对石榴石y 环带和磷钇矿关系的研 究。石榴石生长过程中磷钇矿起着y 缓冲剂的作用，但同时石榴石亦消耗磷钇 矿。如果磷钇矿不是足够多，其最终会消失，之后石榴石快速的消耗基质中的 y ，而后形成的石榴石就亏损y 。这就是造成石榴石核部高y 含量同时含有磷钇 图1 1 1 石榴石y 环带 矿，边部低y 而缺少磷钇矿的一个重要原因( p y l e ，2 0 0 3 ) ( 图1 1 1 ) 。 1 2 。3 。2 扩散环带 由于微量元素在石榴石中的扩散速率很慢 ( e g t i r o n ee ta 1 2 0 0 5 ) ，要获取通常地质条 件下的微量元素环带信息需要同时具有很高空 间分辨率和精确度的分析手段，这使得目前还 没有很确定的石榴石微量元素扩散环带的报 道。h e r v i g ( 1 9 8 9 ) 在研究加洲糜棱岩的时 候，发现其中石英具有很清晰的扩散环带。如 图1 1 2 所示，核高变低的l i 成分环带反应了石 英生长初期l i 的富集和后期低l i 流体扩散交换的过程。 1 。2 3 。3 溶解一再沉淀 微量元素能很好的提供矿物溶解、增生 的信息。如图1 13 所示，溶解一再沉淀将使 得相容元素在矿物边部富集，之后的持续生 长将形成一个成分突变的带状区域。同样 的，溶解一再沉淀也将使得不相容元素在矿 物边部亏损，之后再继续的生长亦会形成一 个成分突变的带状区域。这种带状异常取决 1 0 图1 1 2 石英l i 环带 d l s t t n c e 图1 1 3 矿物的溶解一再沉淀 一裳叁蛾矽掣理| m04990 于元素分配系数，溶解一再沉淀的量以及元素的扩散能力。如果元素扩散速率很 慢以致可以忽略，那么异常的带状内侧将呈陡立的突变；反之，如果元素扩散速 率不能忽视，扩散作用将使得带呈现缓和的样子( y a n ge ta 1 2 0 0 2 ) 。 1 。2 4 放射性同位素环带 放射性同位素在变质岩的研究中通常被用来定年。常规定年方法都需大量的 颗粒，无法辨认单颗粒中放射性同位素是否存在环带，这有时给年龄的解释带来 了一系列的不确定性。 1 ，2 4 1 生长环带 大多数放射性子母同位素都是微量元素或者是具有大的离子半径的元素，这 意味着它们在矿物中的扩散速率是很慢的，因此容易保留生长环带。母体同位素 在一些情况下很恨容易被发现具有生长环带的，如独居石中的t h 。以石榴石为 例，其中母体同位素r b 的含量很0 7 1 1 2 低，子体同位素s r 的扩散速率很低 ( b m t o ne ta 1 1 9 9 5 ) ，如果在生榴a s 石生长期间，基质与石榴石之间的o sr 同位素是平衡分配的，基质的 8 7 s r 8 6 s r 变化信息就可能被石榴石 记录下来。高8 7 s r 8 6 s r 比值的基质 和平衡的分配会使得生长的石榴石呈 、 。广 n 弋 ” l - ，气 图1 1 4 石榴石s r 同位素组成 向边部增高的8 7 s r 8 6 s r 比值。这种变化反应了基质8 7 r b 8 6 s r 比值的变化和石榴 石生长持续的时间。这样，基质和石榴石的生长曲线的交点则取定了石榴石生长 的持续时间。c h r i s t e n s e n ( 1 9 9 4 ) 对一单颗粒石榴石不同部分的s r 同位素变化进 行了研究，发现石榴石的s r 同位素变化很小，通过其演化曲线与基质的演化曲 线的相交年龄值获得了石榴石生长持续的时间( 图1 1 4 ) 。 1 。2 。4 。2 扩散环带 由于大多数放射性同位索具很低的扩散速率，可以预测，地质条件下形成这 种环带将很窄且变化不大，这就给测试上带来了很多困难。一个成功的例子是运 用s i m s 的深度剖析( d e p t hp r o f i l i n g ) 技术来研究独居石的2 ”p b 环带( g r o v ee t a 1 19 9 9 ) 。由此获得的一条单调向核部增加的表面年龄曲线，从而获取了其冷 却的温度一时间历史信息( 图1 15 ) 。与通过主量元素环带获取冷却t t 不同的 是，由于衰变方程的形式，放射性同位素获取的时间参数t 与温度、冷却速率和 扩散参数等不是线性相关，而是对数性相关联。这意味着，由放射性同位素环带 获得的冷却速率要比由主量元素环带获得的要精确的多。 t 1 m o ( m a l 图1 1 5 独居石p b 环带及冷却曲线 1 。2 。3 。3 溶解一再沉淀 岩石中的副矿物往往含有很高含量的放射性同 位素，从而使之成为定年的主