变质相平衡在研究深熔岩石中的应用

下地壳岩石的深熔作用不仅与麻粒岩和花岗岩的形成具有紧密关联,而且在某些构造环境下会对地球动力学演化过程造成影响,因此,对深熔岩石的变质P-T条件的准确估算及对其熔融机制的限定具有重要意义。基于内洽性热力学数据库、THERMOCALC/Perple_X等程序以及适当的固溶体活度模型,变质相平衡模拟已逐渐成为变质岩石学的常规研究方法,广泛应用于推断天然岩石的矿物共生序列、估算岩石的变质P-T条件等。不仅如此,如果有适当的熔体活度模型,变质相平衡模拟还能估算深熔岩石的熔融温度、压力及熔体比例,以及限定其涉及的熔融反应,并计算熔体、转熔矿物及残余矿物的成分等。针对不同成分岩石,包括花岗质岩石、变泥质岩、变基性岩及橄榄岩在不同压力下产生的熔体,前人陆续提出了对应的活度模型,并且其有效性得到了相关实验数据的验证。随着近年来熔体活度模型的不断更新和完善,变质相平衡模拟有望成为研究自然界深熔岩石的常规方法,为相关的麻粒岩和花岗岩成因研究、相关地球动力学演化研究提供新的思路。

麻粒岩相变质作用与花岗岩成因-Ⅰ:变质泥质岩/杂砂岩高温-超高温变质相平衡

麻粒岩相岩石作为洞察下地壳的窗口一直备受重视。二十世纪九十年代以来麻粒岩研究的一个重要进展是利用变质相平衡的定量研究方法模拟岩石中所发生的深熔变质反应、熔体成分变化、及熔体丢失对变质矿物组合的影响等。本文利用KASH、NKASH和KFMASH等简单体系的相平衡关系,做出P-T投影图、组分共生图解和基于固定全岩成分的P-T视剖面图解,并结合有关实验岩石学结果,讨论了高温和超高温条件下变质泥质岩和杂砂岩中的变质熔融反应、矿物组合、全岩成分与P-T条件之间的相互关系。多数变质泥质岩和杂砂岩中饱和流体固相线熔融反应可利用NKASH体系中有水流体参与的熔融反应模拟,在没有外来流体注入时,这些反应可形成＆lt;3mol%熔体。在不同体系中白云母脱水熔融反应型式及其P-T条件不同,如在NKASH和KFMASH体系中模拟计算的白云母脱水熔融反应与相应的实验结果相似,分别控制了白云母分解熔融的温度下限和上限;白云母的分解温度会随着其中Fe、Mg和Ti含量的增加而升高,也随着共生斜长石中钙长石组分增加而升高,泥质岩中白云母脱水熔融可以形成-10mol%熔体。在KFMASH体系中黑云母脱水熔融反应表现为4条单变反应,其理论计算的温度比实验模拟的结果低一些。在NCKFMASH体系或实际岩石中黑云母脱水熔融反应为滑动反应,如NCKFMASH体系中黑云母从其开始熔融到最后消失在泥质岩中可跨越-100℃,在杂砂岩中可跨越30-50℃。黑云母的稳定温度随着镁值升高而升高,其稳定上限受钛影响更大,黑云母脱水熔融可以形成超过30mol%-40mol%熔体。KFMASH体系中的相平衡模拟表明以出现斜方辉石＋夕线石和假蓝宝石为特征的超高温组合易于出现于富镁泥质岩中,而对正常成分泥质岩在达到1000℃的超高温条件下,主要出现石榴石＋夕线石（即夕线榴）,该组合在更高温度反应形成假蓝宝石＋尖晶石。利用饱和水固相线反应和白云母与黑云母分解反应可以更好地限定不同的变质相。如中压和低压条件下低角闪岩相和高角闪岩相的界限可利用NKASH体系中有水流体和白云母参与的熔融反应和亚固相线条件下的白云母分解反应限定;实验确定的泥质岩中黑云母开始熔融与消失的反应可分别用于限定高角闪岩相与（正常）麻粒岩相的界限,以及（正常）麻粒岩相和超高温麻粒岩相的界限。因此,从矿物组合角度,正常麻粒岩相可限定在黑云母开始熔融到完全消失的温度范围,超高温麻粒岩相可限定在黑云母消失（有石英存在）之后的温度范围。

变质相平衡的研究进展

变质相平衡是变质岩石学中最核心的问题之一,20世纪90年代以来,国外在这一领域取得了重要进展,即利用内洽性热力学数据库、THERMOCALC程序以及合理的矿物相活度模型定量计算模式体系中的岩石成因格子(P-T投影图)和有关的各种剖面图,如共生图解和针对特定岩石组分的p-T、p-x和T-x视剖面图等。尤其是在p-T视剖面图解上,可以定量计算矿物成分、矿物摩尔含量及岩石饱和水含量等值线,从而可以定量地阐述天然岩石在p-T-x空间内的相平衡关系、确定岩石形成的p-T条件和p-T-t轨迹。

胶北地块高压与低压泥质麻粒岩的相平衡关系与p-T演化轨迹

利用最新的内洽性热力学数据库和THERMOCALC3．21程序对胶北地块高压与低压泥质麻粒岩的相平衡关系进行了定量分析。计算了胶北地块高压泥质麻粒岩、低压泥质麻粒岩和夕线石榴黑云片岩等代表性富铝岩石KFMASH（K2O-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O）体系的p-T视剖面图，再现了这些岩石随温压条件变化可能出现的各种矿物组合与矿物成分变化，发现原岩成分不同的变质岩石，尽管变质演化过程有所差异，但在麻粒岩相变质条件下所形成的矿物组合一致。通过计算泥质岩石在高压（p=1．0GPa）和低压（p=0．5GPa）条件下的T-X视剖面图，发现极度富铁、贫镁的岩石，在高压麻粒岩相条件下并不会生成含蓝晶石的特征矿物组合，在低压麻粒岩相条件下也不会生成含堇青石的特征矿物组合。将样品实际观测结果与p-T视剖面图的计算结果对比，确定胶北地块高压泥质麻粒岩变质峰期的温压条件为830～860℃，1．25～1．4GPa,峰期后呈现顺时针样式的p-T演化轨迹，反映陆壳先碰撞增厚、后又快速减薄的地质动力学过程；确定胶北地块低压泥质麻粒岩变质峰期的温压条件为790-820℃，0．62～0．68GPa，峰期后呈现近等压冷却的p-T演化轨迹。

固相线以下变质过程中水的行为

在p–T视剖面上定量计算全岩饱和水含量等值线可以更有效地讨论变质矿物组合的演化。Guiraud等认为在封闭体系中发生的变质作用通过递进脱水作用使岩石向水含量降低方向演化,脱出的水离开岩石体系。当变质过程向水含量增加方向演化时,岩石会很快变成流体缺失状态,不利于变质矿物组合的进一步演化。因此,从岩石中的实际矿物组合所得到的"变质峰期"应该理解为脱水反应结束,并可能发生少量水化反应的位置,并不一定对应p–T轨迹所经历的实际峰期温度或压力。利用p–T视剖面图和饱和水含量等值线的行为研究阿尔泰造山带泥质岩石的中低压变质作用发现,阿尔泰地区红柱石型变质带的发生与蓝晶石型变质带的抬升有关,主要发生铝硅酸盐矿物之间的同质多相转变,低压变质矿物组合未能达到热力学平衡状态。与泥质岩中低压变质演化明显不同的是超高压榴辉岩在峰期以后的减压过程中仍然发生递进脱水作用。

西藏新达多地区榴辉岩的变质过程研究及其对古特提斯俯冲带演化的限定意义

位于拉萨地块中部松多榴辉岩带西端的新达多地区出露两种类型榴辉岩:含蓝闪石榴辉岩和双矿物榴辉岩。含蓝闪石榴辉岩主要矿物组合为石榴石、绿辉石、蓝闪石、多硅白云母及少量的绿帘石、角闪石、石英、金红石。石榴石不具有成分环带结构,蓝闪石存在于基质中,边部大多退变为冻蓝闪石并普遍发育有角闪石和石英的后成合晶。双矿物榴辉岩的主要矿物组合为石榴石、绿辉石、石英及少量的绿帘石、角闪石、金红石、钛铁矿、榍石。石榴石具有典型的进变质环带特征,从核部到边部镁铝榴石和钙铝榴石组分先升高后降低,铁铝榴石组分变化与之耦合,石榴石边部发育角闪石和钠长石的冠状体,推断石榴石记录了进变质的生长过程后又受到了退变质改造。结合传统温压计和变质相平衡模拟两种温压计算方法对榴辉岩的峰期变质条件进行限定,得到含蓝闪石榴辉岩的峰期温压条件为:615±5℃,33±0.5kbar;双矿物榴辉岩的峰期变质温度为630±10℃,压力不超过27kbar。变质相平衡模拟计算结果显示:(1)含蓝闪石榴辉岩经历了退变初期近等温减压过程,这一过程以硬柱石和少量滑石的脱水反应生成蓝闪石和绿帘石为主要特征;中晚期退变质阶段以大范围硬柱石消失后局部富余流体的消耗在蓝闪石边部形成冻蓝闪石以及蓝闪石边部发育后成合晶为特征,部分石榴石边部的韭闪石冠状体大致也发生在这一过程;(2)双矿物榴辉岩则记录了从进变质生长阶段到峰期变质阶段,最后再到退变质演化阶段的完整变质过程。结合前人对松多榴辉岩的工作,对新达多地区新近发现的两类榴辉岩的岩石学研究表明:拉萨地块内部的榴辉岩为典型的大洋俯冲带产物,代表了古特提斯洋盆的存在。俯冲折返过程中复杂的构造机制使得不同类型榴辉岩在同一地区出露共生。

新疆阿尔泰高级变质带中淡色花岗质脉体的特征及成因模拟

在新疆阿尔泰地区的高级变质带中广泛发育着一系列规模不等的透镜状和条带状的浅色脉体，主要有含Al2SiO5的淡色花岗岩脉、白云母斜长花岗岩脉和白云母二长花岗岩脉。主量元素分析表明这3类脉体的A／CNK=1．1～2．14，属于S型花岗岩。从白云母二长花岗岩脉→白云母斜长花岗岩脉→含Al2SiO5的淡色花岗岩脉，SiO2的含量增高，Al2O3、Na2O、K2O的含量降低。在NKFMASH体系中的pT视剖面图上进行相平衡分析和熔体成分计算表明，含A12Si05的浅色花岗岩脉和白云母斜长花岗岩脉的熔体形成与蓝晶石型变质带的抬升降压过程有关，其熔融温度没有超过白云母脱水熔融反应，并且含Al2SiO5的淡色花岗岩脉不是由生成的熔体直接结晶形成的，而需要经历一定的碱性组分随流体迁移丢失；白云母二长花岗岩脉的熔体形成主要以增温为主，并与白云母脱水熔融反应有关。十字石的脱水熔融反应对熔体形成有明显贡献。

21世纪最初十年变质岩石学研究进展

21世纪以来变质岩石学发展迅猛。对大型俯冲带和造山带综合数值模拟研究,所得到的变质作用p-T-t与以往一维热模拟结果很不相同;利用内部一致性热力学数据库,进行变质相平衡的定量研究,改变了人们对变质反应和相平衡关系的理解,开辟了定量研究变质作用的新阶段;超高压变质作用的深入研究,发现了更多超高压变质作用的标志及地体,指示陆壳俯冲深度可能达300～350km,并对地壳岩石深俯冲的机理及变质作用演化进行了进一步探讨;对麻粒岩尤其是高压和超高温麻粒岩的研究,进一步了解了麻粒岩相条件下的深熔作用与熔体演化机理,为认识早前寒武纪的板块作用与造山过程提供了新的窗口;利用多种方法对俯冲带变质流体的研究,为深刻认识俯冲带的岩浆作用及地幔演化提供了更为广阔的视野。

拉萨地块松多高压变质带不同类型榴辉岩的变质演化过程及其限定方法探讨

拉萨地块中东部松多高压变质带是揭示拉萨地体形成与演化过程的重要研究对象。松多变质带记录了古特提斯洋的俯冲和闭合过程。前人对松多地区出露的榴辉岩及围岩开展了大量的岩石学工作,但变质峰期温压条件没有得到很好的限定,温压分布范围较广,且变质演化过程仍存争议。笔者等总结了松多变质带不同地区榴辉岩的岩石学和矿物学特征,汇总了不同计算方法得到的温压条件。通过对比发现,松多高压变质带内榴辉岩的峰期温压条件处于465~880℃,2.5~3.9 GPa的范围,其宽泛的峰期温压条件是由于不同计算方法和折返机制造成的。与传统矿物对温压计相比,变质相平衡模拟方法更适合低温榴辉岩的峰期温压条件及变质过程的限定。

多硅白云母地质压力计的研究进展

白云母是变质岩中分布最广泛的矿物之一,在大多数矿物组合中白云母的Si含量随着变质作用压力的增加而增加,可作为地质压力计。对KMASH体系3个有限组合中多硅白云母的Si含量与温压条件关系的实验研究结果表明,多硅白云母Si含量地质压力计明显与矿物组合有关。因此,不能把这些实验结果简单地外延到矿物组合不同的天然岩石中。在KMASH体系的温压视剖面图上模拟白云母的Si含量等值线与质量较好的实验结果非常接近,由此可以把这种方法推广到KFMASH或更复杂的体系中。在利用多硅白云母Si的含量确定天然矿物组合的变质作用压力时,最好利用视剖面图的方法。

拉萨地块吉朗榴辉岩的岩石学研究及其对古特提斯洋壳俯冲折返过程的限定

拉萨地块东部松多(超)高压榴辉岩记录了古特提斯洋俯冲及折返过程。松多榴辉岩带已发现松多、新达多、白朗和吉朗4个榴辉岩出露区,它们的峰期温压条件及变质p-T轨迹的研究对揭示拉萨地块古特提斯时期的俯冲及折返过程有重要意义。松多榴辉岩带东段吉朗榴辉岩的主要矿物为石榴子石、绿辉石、多硅白云母、角闪石、金红石、绿帘石、石英以及退变形成的后成合晶结构(透辉石+角闪石+斜长石)和少量的黑云母。石榴子石具有含丰富矿物包裹体的"脏"核和极少包裹体的"净"边,具有典型的进变质成分环带特征,从核部到边部镁铝榴石组分升高,锰铝榴石和钙铝榴石组分降低。石榴子石边部发育窄的角闪石+斜长石(An=28)组成的冠状体,表明石榴子石边部发生了后期角闪岩相退变质作用。通过变质相平衡模拟计算得到石榴子石以及多硅白云母记录的峰期温压条件为563℃、2. 4 GPa。结合岩相学特征,确定吉朗榴辉岩经历了4期变质演化阶段:(1)进变质阶段以石榴子石核部及其包裹体为代表性矿物组合;(2)峰期变质阶段矿物组合为石榴子石边部、绿辉石、多硅白云母、蓝闪石、硬柱石、金红石和石英;(3)早期退变质阶段以硬柱石分解产生绿帘石为特征;(4)晚期退变质阶段以绿辉石发育后成合晶和石榴子石生长冠状体为特征。认为吉朗榴辉岩为典型的低温高压榴辉岩,经历了顺时针p-T演化轨迹,折返过程为近等温降压过程。与松多带内其他(超)高压岩石相比,吉朗榴辉岩峰期温压条件较低,其围岩为变石英岩,区别于区内其他(超)高压榴辉岩的石榴子石白云母片岩及蛇纹岩围岩。推测吉朗榴辉岩来自于俯冲带浅部,由俯冲隧道中低密度沉积物裹挟折返。

中国变质岩研究近十年新进展

变质岩是组成硅酸盐地球的三大岩石之一,对了解深部地壳的组成和地壳演化、研究地壳热结构历史记录、恢复变质岩原岩建造和指导找矿都具有重要意义。本文综述了近十年来我国变质岩学科在超高压/高温变质作用、相平衡、变质流体以及变质岩地球化学等几方面的研究进展。在已有研究基础上,近十年来我国学者又相继在柴北缘野马滩、南阿尔金、东昆仑、北秦岭及西南天山的不同类型岩石中发现了柯石英、斯石英假象(副象)以及其他一些特征的超高压变质指示矿物和结构,确定了这些超高压变质带的野外分布特征。在超高温变质作用研究方面,识别并确定了华北克拉通孔兹岩带超高温变质岩石的出露规模,准确的变质时代和时间尺度的限定以及P-T-t轨迹的构建,尤其是在进变质阶段的确定方面取得了一系列进展。在变质相平衡研究方面,在热力学数据库和矿物相及熔体活度模型进一步完善的基础上,开发了新的模拟计算软件GeoPS,建立了基于ACF组分分析的变质基性岩完整相平衡关系;同时在深熔作用与花岗质岩石成因的定量模拟方面也有重要进展。在矿物温压计研究方面,首次建立了与斜长石无关的GBAQ压力计、二云母压力计和白云母Ti温度计。在元素地球化学方面,高场强元素(如Ti、Nb、Ta、Zr、Hf等)和卤族元素(如F、Cl、Br和I)在变质脱水过程中的迁移和分异,以及变价元素(如V、Fe、W和Mo等)对指示氧逸度的变化研究方面都取得了一系列进展。在变质流体研究方面,对俯冲带高压-超高压流体活动的证据、流体成分的确定及流体活动时限等方面的研究也取得了明显进展。