Question

变质作用历史中的矿物组合和矿物演化

Answer 1

1.矿物组合演化规律的研究方法

变质岩中矿物、矿物组合的先后顺序及矿物组合的演化序列是建立变质作用P-T轨迹所要完成的最基本的工作。这项工作的大部分需要通过显微、亚微尺度上的观察和研究来完成，但详细地野外工作也是十分必要的，如稳定矿物共生组合与变形期和侵入事件之间的关系在薄片下就难以确定，因为大多数高级变质杂岩都是粗粒的。

图7-3-1 大青山—乌拉山地区孔兹岩系变质作用的P-T轨迹

M₁—石榴子石＋黑云母＋斜长石＋石英±蓝晶石；M₂—石榴子石＋矽线石＋斜长石＋条纹长石＋石英±黑云母和石榴子石＋紫苏辉石＋黑云母＋斜长石＋条纹长石＋石英；M₃—石榴子石＋堇青石＋黑云母＋石英＋斜长石＋钾长石；M₄—退变的黑云母＋绿泥石（围绕石榴子石）和钾长石＋绢云母＋黑云母＋绿泥石＋石英

这项工作通常是从两方面的研究进行的：

（1）变质与变形关系的研究。在变质作用历史上，可以形成多个世代的矿物组合，同时有多期（幕）变形构造形成，变形期次与矿物时代的多寡可能不会一一对应，但二者在时间上存在十分密切的成因联系，查明二者在时间上的成因关系，以变形构造为参照物，可以确定矿物组合的形成的先后顺序。前提是，这方面的研究应在变形构造序列基本查明的基础上进行，有关这一方面的内容在下文详细讨论。

（2）主要是通过矿物共生关系、各种反映矿物之间转变关系和先后顺序的结构（如反应残留和反应边结构、后成合晶、假象结构和矿物彼此穿切关系等）确定矿物、矿物组合的先后顺序。

2.高级变质区变质作用演化的基本规律

在高级变质地体变质作用历史中，岩石在递增变质到高峰条件的过程中，主要是通过脱水反应由无水矿物逐步代替岩石中含水矿物相表现出来的，而水则沿裂隙或剪切带挤向较高的地壳层位，或者被深熔作用形成的熔体所吸收，在峰期条件下，扩散速率比较高，递增变质过程中的矿物组合和结构通常被岩石中结构和化学的平衡所破坏。在退变质过程中，由于扩散速率随温度下降而降低，变质反应往往达不到真正意义上的平衡，峰期矿物组合和结构可能得到保存，而退变质反应结构多以后成合晶、反应边或冠状体的形式出现。但如果有水的加入，上述脱水反应是可逆的，在大量的深熔熔体存在的情况下，熔体结晶过程中释放出的游离水可以促使大量含水矿物的形成，许多高级变质地体中峰期矿物组合得以保存可能是游离水缺失的结果。在变质作用演化过程中，变质岩石的强烈变形也是一个十分重要的因素，它不仅可以增加变质反应的扩散速率（Bell and Guff，1989；Bell and Hayward，1991），初步研究结果表明，变形作用可能降低变质反应的温压条件（马瑞等，2005；李化启等，2005）。因此，高级变质岩石中的矿物、矿物组合并不都是峰期矿物组合，递增变质阶段的矿物、矿物组合可能少量保存，而峰期之后退变质阶段的矿物、矿物组合和变质反应结构则可以大量保存，这样就可以使变质作用演化的研究成为可能。而不同阶段矿物、矿物组合的保存程度取决于变质作用的温压条件、流体和变形作用等因素。

3.变质作用历史上的矿物组合、变质反应结构及产出特征

根据变质作用演化的基本规律，变质作用不同阶段的矿物、矿物组合和变质反应结构分别具有不同的产出特征和产出规律。

在高级变质岩石中，同类岩石中通常有一特定阶段的矿物组合占据主导地位。这一矿物组合中的变质矿物具有平直或轻微弯曲的边界而表现为规则的多边形形态，以无环带晶粒（对于石英、长石等大多数矿物而言）为特征，晶体边缘无反应边，彼此构成一种多边形花岗变晶结构。许多高级变质地体中，这一矿物组合反映了变质作用峰期的矿物组合（Passchier et al.，1990；卢良兆等，2004），但在一些高级变质地体中，也可以是峰期之后较早期退变质阶段形成的，如在内蒙古大青山-乌拉山高级变质地体的孔兹岩系中，多数富铝片麻岩中构成多边形花岗变晶结构的矿物组合是：石榴子石＋堇青石＋黑云母＋石英＋斜长石＋钾长石，石榴子石＋黑云母＋石英＋斜长石＋钾长石，部分岩石中含有矽线石、紫苏辉石，但它们或者呈自形-半自形晶体被石榴子石所包裹，或者呈残余被堇青石包裹，这说明，该区富铝片麻岩中的峰期矿物组合：石榴子石＋矽线石＋斜长石＋条纹长石＋石英±黑云母；石榴子石＋紫苏辉石＋黑云母＋斜长石＋条纹长石＋石英已被普遍改造，占主导地位的是峰期后等温降压阶段的富含堇青石的矿物组合，反映了该高级变质地体的大规模隆升。

进变质阶段的矿物、矿物组合往往随着递增变质而逐渐被峰期的矿物组合所取代，但其残余有时由于被其他矿物所包裹也可以保留下来，如内蒙古集宁、大青山—乌拉山一带孔兹岩系石榴子石变斑晶中比较普遍包含鳞片状绿色黑云母＋斜长石＋石英±蓝晶石组合（图7-3-2a，b，c），部分石榴子石除在核部包含该组合之外还在幔部包含矽线石＋斜长石＋石英（图7-3-2b，c），其中矽线石出现，并且粒度逐渐增大，由针状到针柱状，最后以粗粒柱状矽线石包围石榴子石，这代表了M₂峰期阶段的代表性矿物组合：石榴子石＋矽线石＋斜长石＋条纹长石＋石英±黑云母，在石榴子石和粗粒柱状矽线石之间的堇青石反应边则代表了M₃峰期后退变质阶段（图7-3-2a）；有些紫苏石榴黑云斜长片麻岩中，石榴子石内也含有紫苏辉石＋斜长石＋石英的矿物组合（图7-3-2d），也代表了M₂峰期阶段的矿物组合；另外变质锆石晶体中自内向外依次出现蓝晶石、矽线石、堇青石包裹体（刘福来等，2002），均可以反映进变质过程中的矿物变化序列。另外，麻粒岩中变质斜方辉石也常包含早期绿色角闪石和细粒斜长石（卢良兆等，1996，2004）。当然，在确定变质阶段的矿物组合或矿物演化序列时，需要对这些包体矿物的光性和成分特征进行详细研究，确定其成因，因为这些包裹体矿物形成于变斑晶之前，也可以同时形成。有时，进变质阶段的岩石也可能在弱变形的透镜体中见到，但此时需要通过野外和室内分析与峰期后退变质阶段的岩石相区别。

相对来说，高级变质岩石中退变质阶段的矿物变化和各种结构比较发育，通常所见到的现象有：①由一种以上后期矿物围绕早期矿物或在两种早期矿物之间构成的后成合晶，如石榴二辉麻粒岩中石榴子石周围的蠕虫状斜方辉石＋斜长石后成合晶（图7-3-3a），或角闪石＋斜长石后成合晶（图7-3-3b，c）；斜方辉石＋单斜辉石＋斜长石周围的石榴子石＋石英反应边（图7-3-3d）；富铝片麻岩中石榴子石周围的蠕虫状斜方辉石＋堇青石后成合晶或紫苏辉石＋斜长石反应边（图7-3-4d），石榴子石和矽线石之间的堇青石反应边（图7-3-4a），堇青石＋矽线石＋磁（钛）铁矿＋石英＋黑云母后成和晶（图7-3-4b），堇青石中的石榴子石残晶（图7-3-4c）；钙硅酸盐岩中方柱石退变而成的斜长石＋方解石＋石英合晶等；②早期无水矿物沿着颗粒边缘、解理面、裂隙被后期含水矿物取代或置换，如紫苏辉石周围和节理缝中的角闪石矿物；③一些矿物如石榴子石、辉石、角闪石、黑云母在降温过程中由于成分扩散而形成的成分环带；④由后成合晶或退变质矿物完全取代早期矿物而保留的早期矿物假象，如基性麻粒岩中斜方辉石＋斜长石或角闪石＋斜长石构成的石榴子石假象（图7-3-3c），这种假象在露头上表现为星散分布的等粒状白色斑点，又如角闪石取代辉石而保留的短柱状辉石假象；⑤高级变质杂岩中的低级变质矿物和矿物组合，如泥质岩石中可能会出现的绿泥石、绿帘石、钠长石和白云母；镁铁质岩石中的黑云母、绿泥石、绿帘石、榍石、钠长石、葡萄石、绿纤石；钙硅酸盐岩中出现的透闪石和滑石等。

图7-3-2 内蒙古大青山富铝片麻岩中递增变质阶段的矿物组合及演化

a—含堇青矽线石榴长英片麻岩，显示3个阶段的变质矿物组合：进变质阶段的矿物组合（M₁），细粒黑云母＋石榴子石＋斜长石＋石英±蓝晶石组合；峰期阶段的矿物组合（M₂），石榴子石＋矽线石＋条纹长石＋石英＋黑云母；峰期后等温降压阶段矿物组合（M₃），石榴子石＋堇青石＋黑云母＋石英＋斜长石＋钾长石±黑云母（D003-1，包谷公路大庙北10km处）；b—图a的放大，M₁阶段的矿物组合在白色断线圈定的范围内，被包含在石榴子石的核部，圈外为M₂矿物组合，注意石榴子石边部矽线石晶体由针状-针柱状-柱状逐渐生长的现象，说明矽线石与石榴子石是同时生长的，在石榴子石边缘，石榴子石和矽线石之间有堇青石反应边形成，反映了M₃阶段的开始；c—矽线堇青石榴黑云斜长片麻岩，石榴子石变斑晶中显示出与b图类似的包裹体矿物特征，核部白色断线圈内的细粒石英＋斜长石＋黑云母（M₁）边部大量的矽线石形成（B829，鸡灯湾）；d—紫苏石榴黑云斜长片麻岩中，石榴子石变斑晶中包含紫苏辉石＋斜长石＋石英集合体，边部有相同的矿物组合形成，但粒度较粗，说明这些矿物与石榴子石是同时的，都是峰期阶段结晶生长的产物（1p11b36-1，鸡灯湾）。Grt—石榴子石；Sil—矽线石；Crd—堇青石；Hy—紫苏辉石；Pl—斜长石；Qtz—石英