电气石的特征及其电气石中硼同位素示踪研究

2019-08-02

福建质量管理 2019年14期

(成都理工大学四川成都 610059)

一、电气石

(一)电气石的特征

电气石常见于热液矿床,晶体呈复三方单锥,柱状,柱面上纵纹发育,横断面呈球面三角形,集合体呈放射状、束状。其化学成分复杂,通用化学式XY3Z6B3Si6O27(OH,F)4,其结构中存在着两类八面体位置，分别为Z 和稍大一点但有些扭曲的Y 八面体位置；X位可由Ca 或N a 占据；Y 位由M g 和Fe2+,(Al+ L i)或Fe3+(还包括M n,Cr,V 和T i)占据； Al3+，Fe3+或Cr3+则可占据Z位，B为三次配位，没有明显替代； Si位于四面体位置，可有部分Al3+替代Si。电气石形成的温度和压力范围很广，不仅能在地壳的温度压力范围内稳定存在，并且与多种地质流体保持平衡。电气石能保持这种稳定性的部分原因是电气石的结构能够根据化学组成与温度—压力条件的改变发生一定的弹性变化，并且电气石结构内主微量元素的扩散速率极低，使得电气石在相对高温条件下仍然能够保持稳定。

(二)电气石命名方式

电气石的化学成分复杂，同一位置类质同像替代较多，为了研究的方便，前人一般利用其化学组成作为命名的依据，特别是以某些晶格位置的特殊化学组成来命名，如常用的镁电气石(Y=Mg)、黑电气石(Y=Fe)、锂电气石(Y=Li+Al)和钠锰电气石(Y=Mn)都是以Y位置上的不同类质同像划分的4个端元成分。

我们利用电气石晶格内X位置上主要占位元素，将电气石分为三大类：碱性电气石(X位置主要是Na+K)、钙质电气石(X位置主要是Ca)和X 空位电气石(X位置主要是空位)。

(三)与电气石相关的典型矿床及地质环境

电气石既可作宝石，又可作为一些金属矿床找矿的指示矿物。就目前已有资料,可将自然界中电气石的成因归纳为如下几种：①花岗岩成因(包括伟晶岩中的电气石)；②与花岗岩有关的热液交代成因；③变质成因；④热水沉积成因；⑤蒸发沉积成因；⑥碎屑沉积成因。从电气石矿物的成分可以反映矿床形成的环境，矿床中电气石的出现通常与交代作用有关，其中的硼或者来自外部来源(花岗岩浆)，或者来自原地物质(如泥质岩、蒸发沉积岩)的淋滤。Slack等认为,世界一些矿床中电气石岩和石榴石石英岩的共生是硼喷气成因的证据，这种共生的电气石岩和石榴石石英岩是以含较高的Fe，Mn，Zn和P为特征的，这种化学特征可作为一种找矿指示，形成的电气石岩也可作为时间-地层标志，可在勘查层状Pb-Zn-Ag 矿床时使用，如澳大利亚布洛肯希尔的多金属矿床就属此类。

二、硼同位素地球化学

(一)硼的化学性质及其自然界硼同位素组成特征

硼：元素符号B,原子序数5,原子量10.81,位于第二周期第ⅢA族。是稳定同位素地球化学家族中较轻的元素。硼在地壳中的含量为0.001%。天然硼有2种同位素:B10和B11,其自然丰度分别为19.82%和80.18%。硼同位素组成通常以δ11B表示：

δ11B(‰)=[(11B/10B)样品/(11B/10B)标准-1]×103。

其中,标准为美国国家标准局(NIST)的SRM951 硼酸样品。

硼是易溶元素,主要赋存在地球表层，尤其是海水、海相沉积物及海水交代岩石中。而在地幔及地壳中含量甚微，其同位素组成δ11B 值按顺序变化，目前已发现的硼酸盐矿物约120多种。自然界含硼的主要矿物有:硼砂,钠硼解石,硼镁石,硼镁铁矿，方硼石，电气石等。

(二)硼同位素的分馏机理

三、利用电气石B同位素追溯流体来源

不同地质环境产出的电气石具有不同的特征，其主量元素特别是Fe/Mg和Na/Ca，REE 总量及配分模式，硼、锂、锶、钕同位素的值都各有差异。

电气石产出于各种地质环境，比较特别的是B同位素，在自然界矿物和流体中，B最常与O形成四面体或三面体含氧盐。前期的B同位素研究发现自然界大部分电气石的δ11B值位于-30%～+20%之间，其在自然界岩石中的变化达到55‰，而自然样品与矿床中的B同位素差异甚至可达到80‰，这使得B可作为一种灵敏的岩石起源示踪剂。

对于花岗岩中电气石的B 来源问题，大多数人认为部分或完全为岩浆来源，电气石是岩浆流体结晶形成的。然而，并不是所有的电气石都来源于富B岩浆，电气石也可以形成于岩浆期后，δ11B也会显示高或低11B值。有些地方的δ11B值特别低，如澳大利亚布罗肯山为-27‰～-23‰。由于非海相蒸发岩是目前已知的唯一一种δ11B 值低于-20‰的B源，因此，有些学者把这些异常低的δ11B值解释为：在源区沉积物中有非海相蒸发岩，且其参与了成岩过程。这些由非海相蒸发岩形成的沉积岩再熔时，就可以形成低δ11B值的花岗岩浆。

在俯冲背景超高压—高温条件下形成的变质岩石中B同位素显著富集11B，这为调查俯冲过程与板片脱水过程提供了新方法。这些电气石是由来自俯冲板片的流体形成，即在俯冲之前经历过海水的侵蚀，说明俯冲过程中的重硼同位素的最终来源还是海水，而俯冲导致这些高δ11B流体进入地幔，并且溶解了那些高压岩石。相反，与花岗岩侵入体有关的电气石一般显示低的δ11B值，代表平均的大陆壳硼同位素组成。