石榴石对高压超高压变质带中榴辉岩研究的指示意义

王福睿

摘  要：石榴石是榴辉岩中一种重要的矿物。在榴辉岩复杂的变质作用过程中，因为大部分石榴石都保留有复杂的化学成分环带，所以可以作为榴辉岩常用温压计。石榴石中的主微量元素、稳定同位素和放射性同位素以及包裹体类型等都可以作为示踪元素，对研究其本身成因和所在变质岩的变质演化历史提供重要信息。但对于温压计的适用范围、传统定年方法及微量元素的研究方面还存在若干问题。对石榴石环带信息进行整合研究，能将其成因和寄主岩石的演化过程限制在一定的范围内;石榴石与其同生锆石的结合研究，无论是从原岩性质还是到变质作用过程，也都可以对榴辉岩进行更为有效的制约，这为未来石榴石研究提供了一个更明确而且重要的方向。

关键词：石榴石;榴辉岩;变质带

引言

石榴石是一种常见矿物，无论是从地壳到地幔，或是三大岩类，抑或从自然到工业工艺领域，甚至包括陨石中都广泛存在。石榴石是Ca-Mg-Fe-Mn固溶体矿物，熔点高，溶解力低，受各种地质作用的影响小，容易形成生长成分环带和扩散环带，这能反映石榴石在不同的变质阶段生长过程中温压条件的变化，使其成为解释变质岩所经历的变质演化过程和各种重要的岩石学和地球化学信息的“活化石”。所以石榴石对分析研究榴辉岩的形成以及探讨构造运动过程具有重要意义。

1研究现状

1.1石榴石地质特征简述

石榴石是岛状结构硅酸盐矿物的总称，属等轴晶系，晶体形态一般呈菱形十二面体或四角三八面体，粒度大小不等，颜色从暗红色到红褐色到黄绿色等，玻璃光泽，断口油脂光泽，化学通式为A3B2[Si04]3，化学组分较为复杂，不同元素能构成不同的组合，一般按照元素在其中的晶体位置和丰度，大致分为32个种属，其中钙铝榴石、铁铝榴石、镁铝榴石、锰铝榴石等最为常见。

1.2 变质岩中石榴石的地质意义

1.2.1 温压计测算及P-T条件

榴辉岩温压计很多，如石榴石-单斜辉石温度计、石榴石-多硅白云母压力计等，在温压计的选择上，应考虑其合理性和有效性，这是测算榴辉岩P-T条件的前提。很多学者的研究表明，石榴石中的Ca-Mg含量分别与其经历的温压条件有很好的相关性，因此据成分变化可恢复寄主岩石所经历的P-T轨迹。

图1-2榴辉岩变质作用P-T轨迹片断

（张泽明、杨勇、张建新等，1999年）

1.2.2 变质作用过程的时间测算

石榴石中镧系元素HREE离子半径较大，从 La到Lu的相容性逐漸增加。而Hf的分配系数介于Sm和Eu之间，所以石榴石的Sm/Nd比值和Lu/Hf比值呈现为高值，这为其Sm-Nd定年和Lu-Hf定年带来了极大的便捷。

通过对单颗粒石榴石的剖面做详细分析，分辨出具体环带特征，然后再针对各成分环带做平面取样，做等时线定年测算时利用此方法，得出的年轮状的石榴石生长历程呈现出很高的精度。将这一结果与石榴石的生成演化以及P-T历史相结合，能够为其所在岩石乃至区域构造演化提供更为详细的制约。

1.2.3石榴石的微量元素研究

各种研究表明石榴石中微量元素的分带的原因主要有：富集微量元素的流体的介入，石榴石生长过程中矿物稳定场内矿物组合的变化，石榴石生长速率的变化，石榴石主要成分和温压条件的改变造成石榴石与基质之间的微量元素分配系数发生改变，相邻富集微量元素的矿物与石榴石竞争，石榴石变质生长过程中的分馏效应等等。

2存在问题

2.1温压计的应用

传统的温压计对温压的估测并不是很理想，于是他们又开发出一种称为视剖面图温压计的方法，依据内部一致性热力学数据库，计算了所观测矿物固溶体相组分的活度，利用计算程序求解了某一共生矿物组合中所有相组分之间的独立变质反应，用来限定岩石的P-T条件。魏春景等（2009）对这种温压计与传统温压计的适用性做了系统对比，认为这种温压计要优于传统方法。但这些数据库的得出主要是以基性岩和变泥质岩或者片岩为基础，因此这些数据参数是否适用于所有岩类，还需要做进一步的探讨和研究。

2.2传统的定年方法问题

传统的石榴石Sm-Nd、Lu-Hf同位素定年，主要应用于全颗粒石榴石与绿辉石/全岩等时线方法。这需要满足三个前提条件：一是二者必须同源;二是二者形成时间也必须相同，且形成的时间只能作为一个点来处理;三是在石榴石和绿辉石形成之后，Sm-Nd、Lu-Hf体系必须保持封闭。但是，在复杂的自然环境中，天然产出的石榴石大部分不能满足这三个条件，一定的热扰动也极有可能破坏Sm-Nd、Lu-Hf体系的封闭性，这将会导致石榴石Sm-Nd等时线年龄在某种程度上没有地质意义。

2.3石榴石中微量元素的意义

很早就有研究者认识到，对于变质过程中的物理化学条件变化，石榴石中所含的微量元素可以进行很好的记录。但是目前对于石榴石的研究一直还是侧重在两个方面，一个是主量元素，一个是其温压计。作者认为，在今后的研究中，应该将石榴石中微量元素的分布极其所体现的意义重视起来，或许会提供许多新的研究思路，能够回答更多的地质问题。

3发展方向

3.1石榴石的环带信息整合

石榴石中的微量元素，MREE和HREE离子半径较大，粒内扩散速率比主量元素更慢，因而能够更准确地记录石榴石的

结晶过程信息，尤其是对那些曾经历过高温变质的岩石。该区域榴辉岩中的石榴石经历过四个不同的反应：

a）绿泥石+绿帘石+石英=石榴石+角闪石+水

b）绿帘石+角闪石=石榴石+单斜辉石+蓝晶石+石英+水

c）绿帘石+单斜辉石（i）=石榴石+单斜辉石（ii）+石英+水

d）单斜辉石（ii）+蓝晶石=石榴石+单斜辉石（iii）+石英

在上述反应中石榴石的主微量元素和包裹体变化保持同步。因此，而对这些环带信息加以整合，将会对石榴石成因和其所在榴辉岩的变质条件给予更窄范围的限定，将是研究石榴石的一个重要方面。

3.2石榴石对变质锆石的影响

锆石物化稳定，作为一种定年矿物，在地质年代学上具有极其重要的地位。另一方面，锆石的Lu-Hf体系有一个突出特征，即Lu/Hf比值很低，在变质演化中，放射成因Hf同位素几乎为零，利用这一特征研究其所在岩石的原岩性质具有一定优势。

在榴辉岩中，大量石榴石的存在和对HREE的亲和能力，所以石榴石的共生锆石也会呈明显富集或者亏损，使得具有异常MREE-HREE配分模式的锆石区域可以同石榴石的溶解和结晶/残留有机地藕合起来，这对研究石榴石形成的变质环境和条件具有一定参考意义。

4结语

榴辉岩中的石榴石是超高压变质作用的主要特征矿物。对石榴石成分环带信息整合研究将是今后研究的重点。作为一种超高压变质矿物，石榴石的指示意义很重要，归根结底在于成因矿物学及实验矿物学的研究成果。今后应随时关注新的成因矿物学及实验矿物学成果并加以应用，以期有更多新的发现。

参考文献

[1]  朱柯，梁金龙，沈骥，等. 大别—苏鲁超高压榴辉岩中富Si金红石的地球化学意义[J].地学前缘，2017，24（3）：288-300.