新疆西天山榴辉岩中石榴石的主量元素和结构水分析

新疆西天山榴辉岩中石榴石的主量元素和结构水分析

1有关成岩矿物水在岩石圈的形成和发育中，水起着非常重要的作用。无论是脉冲带还是地幔边界，水的分布、含量和发育不仅影响到化学的不平等，而且还限制了物理的不平等和各向异性。因而,人们在研究和揭示俯冲带演化过程的行为中,首先必然要定量地了解俯冲带内部水的分布和含量与演化。因此,俯冲带高压变质岩中主要造岩矿物水的分布和含量与演化是当前固体地球科学研究的前沿课题。近十几年来,国际地质学家通过对地球深部物质研究,发现许多“名义上无水”矿物(如石榴石、橄榄石、透辉石、绿辉石等)都可以含有微量的氢(Ingrinetal.,1989;Skogbyetal.,1990;Smythetal.,1991;BellandRossman,1992a;Rossman,1996;郭立鹤等,1998;苏文等,2001a,2001b;Suetal.,2002),并以OH-1的形式存在,而且这种形式的“水”可能构成了上地幔中重要的“水库”(BellandRossman,1992a)。本文利用西天山榴辉岩中石榴石主量元素和OH-1分析结果,对西天山石榴石中水的分布特征以及其演化进行初步探讨。2岩石学和政矿环境特征西天山榴辉岩主要出露在昭苏县以南的西天山一带、呈东西向、延伸约200km的高压变质带内(图1)。西天山高压变质带位于我国新疆南天山晚古生代缝合带内,其向东可能与天山东段库米什蓝片岩相变质带相连,向西与吉尔吉斯斯坦南天山Atbashi蓝片岩带相接壤(Dobretsovetal.,1987;Gaoetal.,1995;Tagirietal.,1995)。该高压变质带是一条由榴辉岩、蓝片岩、绿片岩和少量大理岩、蛇纹岩残片构成的古生代变质俯冲杂岩带(高俊,1997;Gaoetal.,1998,1999;高俊等,2000;张立飞等,2000),被认为是南天山洋向伊犁中天山板块下俯冲和塔里木与伊犁地块碰撞造山的产物。缝合带南侧为绿片岩相变质的透闪石大理岩夹绿泥石白云母片岩,北侧为角闪岩相变质的前寒武纪结晶基底;两者均以韧性剪切带为界(图1)。榴辉岩的峰期变质温压条件为T=520±80℃,P=1.4～2.lGPa(Klemdetal,2002;Weietal,2003),可能的超高压峰期变质作用(P>2.6GPa,Zhangetal.,2002)也被报道。峰期变质年龄345Ma,绿片岩相退变质年龄330～310Ma(GaoandKlemd,2003;Klemdetal.,2005)。蓝片岩和榴辉岩的岩相学和常量、微量、稀土元素地球化学研究表明其原岩有N-MORB、E-MORB、OIB、基性火山碎屑岩、硬砂岩等类型(GaoandKlemd,2003;艾永亮等,2005)。部分蓝片岩和榴辉岩中穿插有大量网络状榴辉质脉体,指示高压-超高压变质过程中有强烈的流体活动(GaoandKletmd,2001;黄德志等,2004,2006;熊贤明等,2006a,2006b;Johnetal.,2006)。3岩石学和红外光谱分析电子探针分析:石榴石的主量分析在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成,使用的仪器型号为CamecaSX-51型电子探针,工作条件:加速电压为15kV,电流为12nA。红外光谱分析:将样品切磨成厚为0.1mm双面抛光的光片。在显微镜下观察,从而在岩石中挑选出无包裹体、无微裂隙存在的石榴石晶体,其干净的区域至少为100～150μm。然后分别用丙酮和无水乙醇进行反复清洗,除去光片上的冷杉胶。红外光谱分析是在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成,使用的仪器型号为Nicolet公司的NICOLETImpact410andIR-Rlan型显微傅立叶变换红外光谱仪,工作条件为室温条件。红外光谱分析区通过可调镜头大小(20～100μm)严格控制在被测晶体内。扫描的范围是4000～3000cm-1,扫描次数为128次,分辨率为4cm-1。由于样品未进行定向,测定采用的是非偏振光束。4岩石学和矿物学特征西天山榴辉岩呈透镜状(2m～5m)、薄层状(10～20cm)或厚层状(约50m)产于蓝片岩带中。蓝片岩带近东西向,呈厚层状或薄层产于绿片岩中,带的宽度有时可达5km。榴辉岩和蓝片岩之间呈渐变过渡关系,非构造接触,表明两者经历了类似的变质演化历史(Gaoetal.,1999;GaoandKlemd,2000;高俊等,2000;张立飞等,2000)。榴辉岩具块状构造,斑状变晶结构;斑晶主要为石榴石、黝帘石和少量白云母;基质具细粒状变晶结构。代表性的矿物组合为:石榴石+绿辉石+黝帘石+角闪石+多硅白云母+钠云母+金红石±石英±方解石。本文分析的样品ws24-7采自昭苏县阿克牙孜河上游一带岩片中榴辉岩岩块,样品ws32-18和ws32-37采自昭苏县俄罗斯布拉克一带岩片中榴辉岩(图1),岩石由石榴石(30%)、绿辉石(55%)、金红石(3%)、黝帘石(3%)、多硅白云母+钠云母(2%)、石英(4%)、方解石(1%)和冻蓝闪石(2%)组成(图2)。其中ws32-37样品中富含石榴石。岩石中的石榴石+绿辉石+黝帘石+金红石矿物组合代表了榴辉岩相变质作用,因缺乏柯石英等超高压变质矿物,以及钠云母的广泛稳定存在,推断其峰期变质作用条件为:T=520±80℃,P=1.4～2.1GPa(Klemdetal.,2002;Weietal.,2003)。5结果与讨论5.1石榴石成分分析石榴石是榴辉岩中的主要矿物,多呈变斑晶,斑晶粒度为0.8～4.0mm,六边形断面晶形好,大多石榴石斑晶内含有黝帘石、钠云母、珍珠云母、冻蓝闪石、绿帘石、金红石、方解石和石英等包体,具有明显的核幔结构;石榴石与绿辉石、金红石、黝帘石、多硅白云母、石英等共生,其边缘有轻微的绿泥石化退变质现象。电子探针分析表明,石榴石主要为铁铝榴石组分(Alm:60.64%～70.79%),其次为钙铝榴石(Grs:14.40%～24.97%)、镁铝榴石(Pyr:4.32%～13.69%)、锰铝榴石(Sps:0.57%～17.44%)组分(表1),石榴石具有明显成分环带结构(表1,图3),核部富含锰铝榴石和铁铝榴石组分(Sps+Alm>70%),边部富含钙铝榴石和镁铝榴石组分(Grs和Pyr),从矿物的核部至边部:镁铝榴石组分增加,由4.32%变化至13.69%;锰铝榴石组分降低,由17.44%变化至0.57%(表1,图3)。表明其为生长环带。5.2oh-1吸收峰谱由于OH-1在矿物晶体中有一定的方位,一般均采取每个样品测定6～8个颗粒,并取其取平均值。3个榴辉岩样品共分析了26颗石榴石晶体,研究结果表明,西天山榴辉岩中大多石榴石颗粒不同程度地含有微量水组分。其主要研究结果见表2、图4。石榴石OH吸收峰谱大致可分为4组:3630～3640cm-1;3545～3550cm-1;3570～3580cm-1;3430～3440cm-1。而3745～3750c-1;3733～3740cm-1则不属于石榴石OH吸收峰谱。由于石榴石的成分复杂,OH吸收峰谱也较复杂,但是,普遍认为各种天然和合成石榴石结构中OH-1的吸收峰谱值通常出现在以上4个位置(AinesandRossman,1984;Rossmanetal.,1989;Geigeretal.,1991;RossmanandAines,1991;BellandRossman,1992b;Beranetal.,1993;Langeretal.,1993;Snyderetal.,1995;LuandKeppler,1997;Matsyuketal.,1998;Withersetal.,1998;章军锋等,2000;苏文等,2001a,2001b;Suetal.,2002)。并认为3630～3640cm-1;3545～3550cm-1;3570～3580cm-1峰谱值是由石榴石晶体本身结构OH-1引起的;而分子水则与吸收峰谱值3440～3450cm-1区域有关(Rossmanetal.,1989;RossmanandAines,1991;BellandRossman,1992b;Suetal.,2002)。所以,可以认为这里所测的石榴石晶体中存在有结构OH-1和分子水。5.3红外光谱特征本文中石榴石水含量的定量计算是以Lambert-Beer定律为基础的,其计算公式为:W(ppm)={17*Abs/(γ*ε*thick*d*103)}*106。这里Abs是积分吸收强度,γ是Paterson(1982)引入用以校正OH含量沿着不同极化方向变化的方向因子(这里γ=1/3,一般应用于非偏振光),ε为摩尔吸收系数(这里ε=81L/mol.cm(Thompson,1965)),d为石榴石的密度(3.15g/cm3)。通过对微区红外光谱详细分析发现,西天山榴辉岩中石榴石晶体内水的赋存和分布具有以下特征:1.所测样品中各石榴石晶体之间出现的OH-1吸收峰谱值基本一致,没有发生位移,表明OH在石榴石晶体中所占晶格一致(表2,图4);2.单个石榴石晶体内部出现的OH-1吸收峰谱值具有明显差异:在分析的样品中,石榴石晶体的边部以3630～3640cm-1;3545～3550cm-1;3570～3580cm-1的吸收峰谱值为主,核部则以3430～3440cm-1的吸收峰谱值为主。所有石榴石晶体的核部均出现了3430～3440cm-1的吸收峰谱值,而边部则没有出现(表2,图4)。OH吸收峰谱值的差异可能与石榴石成分差异有关;3.水分布及其含量发生明显的变化:从晶体的核部→边缘(ws32-37),其结构水OH-1逐步增加,即从核部的239ppm增加到中部的421ppm,最后到边部的658ppm;而分子水则从有到无(表2,图4)。5.4高压变质岩的地球化学特征上述研究数据表明,西天山高压石榴石中水的分布是有变化的,这种变化具有一定的规律性。而石榴石中OH吸收谱峰值的位置较为一致,这暗示了H在石榴石晶体内的替代机制可能是相同的。石榴石核部富锰铝榴石组分及边部富镁铝榴石组分成分环带的形成,表明石榴石及其岩石经历了一个进变质作用过程。与石榴石边部相比,石榴石的核部含有较低的OH,但却含有较高的H20和Mn含量。这表明石榴石核部的结晶是在富水和Mn的条件下。这与西天山高压变质岩的岩石学和地球化学研究结果是一致的。西天山高压变质岩主量元素、微量元素及稀土元素研究表明,西天山榴辉石及蓝片岩原岩主要为正常大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩(Gaoetal.,1995;GaoandKlemd,2003)。俯冲带中的洋壳和沉积物在俯冲过程中,随着温压的增加,岩石发生进变质反应,低压矿物脱水产生大量的水(Peacock,1993;Scambellurietal.,1998;Brunsmannetal.,2000)。本区高压变质岩岩相学研究(GaoandKlemd,2001)表明,西天山高压变质岩经历了蓝片岩相、榴辉岩相以及后期的退变质演化作用过程。蓝片岩相向榴辉岩相转变过程中,其代表的变质反应为:以上变质反应表明,由蓝片岩相岩石向榴辉岩相岩石进变质过程中,岩石发生