CCSD主孔榴辉岩中磷灰石的矿物_省略_l_Sr等元素地球化学行为的影响_陈振宇
注:本文为国家重点基础研究发展规划“973”项目(编号2003CB 716507,2003CB 716504)和中国大陆科学钻探(CCSD )工程项目资助成果。收稿日期:2006-09-27;改回日期:2006-10-30;责任编辑:周健。
作者简介:陈振宇,男,1978年生,在读博士,助理研究员,主要从事微束分析与矿物岩石矿床学研究。电话:010-********;E mail:czy7803@https://www.wendangku.net/doc/a215071165.html, 。
CCSD 主孔榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征
及对榴辉岩中F 、Cl 、Sr 等元素地球
化学行为的影响
陈振宇1)
,曾令森2)
,梁凤华2)
,张泽明
2)
1)中国地质科学院矿产资源研究所,北京,100037
2)中国地质科学院地质研究所大陆动力学重点实验室,北京,100037
内容提要:为探讨榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征及榴辉岩中某些相关元素的地球化学行为,对中国大陆科学钻探(CCSD )主孔500～540m 深度的榴辉岩样品进行了岩石化学及磷灰石的矿物化学分析。这些榴辉岩具有不同的矿物组成和化学成分,并可据此分为上下两段,上段500～530m 为正常榴辉岩,下段530～540m 为高T i 榴辉岩和高T i-Fe 榴辉岩,其原岩可能为类似于辉长质和苦橄质的基性—超基性岩石。其中的磷灰石成分没有明显差别,均为氟—磷灰石,其富F 贫Cl 的特征可能是造成榴辉岩中高盐度流体包裹体和全岩高F 低Cl 的主要原因。磷灰石普遍含有一定的Sr 、S 、F e 元素,多数还含有Cu 、Pb 、Zn 等元素。榴辉岩中P 2O 5含量与其F 、Cl 、Sr 、S 元素的相关程度表明,磷灰石是榴辉岩中F 元素的最主要储存库,也是Sr 元素的重要储存库之一,而对于Cl 元素则只是部分控制,与S 元素则没有相关性。榴辉岩中F 、Sr 及Cl 元素的地球化学行为主要受控于磷灰石,因此,在榴辉岩从进变质—退变质过程中,这些元素的活动性直接受控于磷灰石的稳定性。
关键词:榴辉岩;磷灰石;矿物化学;F 、Cl 、Sr 元素;CCSD 主孔
磷灰石在各种类型岩浆岩及变质岩、沉积岩中普遍存在,其稳定存在的温压范围很宽,在常见水溶液中的溶解度极低(Ayers and Watson,1991,1993),一旦形成,尤其是颗粒大于0.5mm 的磷灰石,可经历风化作用、变质作用和水岩作用而保存下来,成为地质过程的一种重要的见证矿物,其结构、元素和同位素地球化学特征对于岩石成因、岩浆分异演化及成岩成矿过程具有重要的指示意义(如Gromet and Silver,1983;Patino and Roden,2006;
Zeng et al .,2005a 、
2005b 、2005c )。在超高压榴辉岩中,磷灰石也是重要的副矿物之一。榴辉岩的原岩一般为相当于玄武质或辉长质的基性岩石,在基性岩浆中,P 的溶解度随SiO 2含量的降低而升高(Green and Watson,1982;Harrison and Watson,1984)。在CCSD 主孔榴辉岩中,不少榴辉岩具有很高的P 2O 5,可高达4%(张泽明等,2004),磷灰石矿物很常见。李一良等(1999)、郑永飞等(2001)曾对大别—苏鲁榴辉岩中磷灰石的结构碳酸根及碳同位素进行研究,并对榴辉岩原岩性质及其地球动力学过程进行了探
讨;近年来有许多研究者报道了在大别—苏鲁超高压榴辉岩的磷灰石中发现有独居石、硫化物等出溶体结构(Zhang and Liou,1999;洪吉安等,2003;朱永峰和M assonne,2005;梁凤华等,2006;陈晶等,
2006;Zeng et al .,2006),并分别对其出溶机理和地质意义进行了探讨。这些研究显示出磷灰石矿物在超高压变质岩石研究中具有重要价值。
磷灰石是晶格孔隙度较高的一种矿物(White et al .,2005),其晶体化学通式为A 5[PO 4]3Z ,其中A
位置除了Ca 2+外,还可容纳Sr 2+、Mg 2+、Fe 2+
、
M n 2+、Pb 2+、Zn 2+等金属元素离子,稀土元素离子以及碱金属离子Na +、K +也可进入A 位,形成耦合类
质同像替换;[PO 4]
3-
通常可被[SiO 4]
4-
、[SO 4]
2-
和
[CO 3]2-
等络阴离子团替代;Z 主要由F -、Cl -
、OH -
组成,并可据此分出氟-磷灰石、氯-磷灰石和羟-磷灰石(刘羽等,2003)。作为超高压变质作用过程中一种重要的参与和见证矿物,了解磷灰石的矿物化学特征及磷灰石如何控制榴辉岩中与磷灰石相容元素的地球化学组成是理解榴辉岩在进变质和退变质过
第80卷 第12期
2006年12月 地
质 学 报 ACTA GEOLOGICA SINICA V ol.80 N o.12
D ec . 2006
程中这些元素的地球化学行为的重要前提。然而,对于榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征这一重要性质及其意义,目前还没有人进行过研究。实际上,相对于磷灰石的其他研究,涉及变质岩中磷灰石成分的研究的文献一直都比较少(Spear and Pyle,2002)。本文选取CCSD主孔的部分榴辉岩样品,拟通过榴辉岩的岩石化学及磷灰石的矿物化学分析,探讨磷灰石矿物对寄主榴辉岩中与磷灰石相容的主要元素如F、Cl、Sr等地球化学行为的影响。
1 样品概况
中国大陆科学钻探工程(CCSD)主孔位于苏鲁超高压变质带南部的东海县毛北村,岩心全长5158m,主要由榴辉岩、斜长角闪岩、副片麻岩、正片麻岩及少量的超基性岩组成,各种岩石的锆石中普遍保存有以柯石英为代表的超高压矿物包体,表明这些岩石均经历了深俯冲超高压变质作用(刘福来等,2005)。榴辉岩主要出现在0～2000m岩心段内,累积厚度超过1000m,2000m以下岩心段只出现少量榴辉岩,以薄层形式夹于片麻岩中。张泽明等(2004,2005)对主孔中榴辉岩的岩石学和岩石化学进行过详细的研究,根据不同矿物组合和全岩化学成分将榴辉岩分成富Si的石英榴辉岩、富Ti的金红石榴辉岩、富Al的多硅白云母和蓝晶石榴辉岩、富M g的双矿物榴辉岩和具有正常玄武岩成分的普通榴辉岩。基于具成分生长环带变斑晶石榴子石的幔部成分和相邻的绿辉石包体成分,张泽明等(2005)估算的峰期变质温度达940℃,并推测超高压变质作用的压力应大于4.5GPa。
本文研究的样品为主孔500～540m的榴辉岩,按照其矿物组成特点,恰好可以530m左右为界分为两段,500～530m为角闪石化含黄铁矿(多硅白云母)金红石榴辉岩,矿物组成为石榴子石、绿辉石、角闪石、多硅白云母等,含少量黄铁矿以及金红石、磷灰石等副矿物;而530～540m为富金红石榴辉岩,除了石榴子石、绿辉石外,含有较高的金红石,磷灰石的含量也比上段榴辉岩高,个别含黄铁矿。据岩相学观察,不同榴辉岩中磷灰石的含量差别较大,体积百分数可以从<1%至接近10%。磷灰石在榴辉岩中主要以3种形式存在:以矿物包体形式存在于石榴子石、绿辉石等峰期变质矿物中;以粒间颗粒形式存在于石榴子石、绿辉石等峰期变质矿物之间;以及存在于由透辉石、角闪石、斜长石等组成的后成合晶中。本次分析的榴辉岩中磷灰石为前两种赋存方式,即石榴子石、绿辉石中的包体或石榴子石、绿辉石等矿物的粒间颗粒。磷灰石颗粒大小一般为200～600 m,个别可达毫米级。
2 分析方法
样品的全岩化学成分分析在国家地质测试分析中心完成。主元素用X萤光光谱方法分析,误差≤0.5%;微量元素Zr、Nb、V、Cr、Sr、Ba、Cl、Zn、Ni、Rb 和Y用X萤光光谱分析,误差分别为Ba≤5%,Cl≤14%,其他元素≤3%;其他微量元素使用ICP-MS 分析,当元素含量>1×10-6时,误差为≤5%,当元素含量<1×10-6时,为≤10%。
磷灰石矿物化学分析在中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室完成,仪器型号为JXA-8800R,加速电压20kV,电流20nA,束斑大小5 m。使用标样:Na、Cl—NaCl,Fe、Si—石榴子石,P、Ca、F—磷灰石,M n—MnO,Al—Al2O3,Cr—Cr2O3,K—钾长石,Mg—橄榄石,Ni—NiO,S—BaSO4,Sn—SnO2,Sr—BaSrNb4O12,Cu—黄铜矿,Pb—PbTe, Zn—ZnO,T i—金红石,W—CaWO4白钨矿。分析时间:P、Ca—峰位和背景处各10s,其他元素—峰位和背景处各15s。未分析Si和稀土元素。
3 分析结果
榴辉岩全岩化学分析结果见表1。从表中可以看到,两段榴辉岩样品的岩石化学具有一定的差别,主元素方面,500～530m段比530～540m段的榴辉岩具有相对较高的SiO2(前者平均49.37%,后者平均41.20%)、Na2O+K2O(前者平均4.02%,后者平均2.13%),以及相对较低的T iO2(前者平均2.76%,后者平均4.40%)、FeO T(前者平均15.04%,后者平均16.87%)、M gO(前者平均4.28%,后者平均6.69%)和CaO(前者平均8.39%,后者平均11.47%),微量元素方面,前者比后者具有相对较高的T a、Nb、Zr、Hf、Th和U等高场强元素及Pb元素含量。其他元素则没有明显差别。在球粒陨石标准化的稀土元素配方模式图(图1)上,上段榴辉岩显示出比较一致的轻稀土(LREE)富集型,下段榴辉岩中的3个样品也呈现LREE富集型特征,两者的LREE 富集程度相当[(La/Yb)N平均分别为3.67和3.96],但两段榴辉岩的MREE特征有差别,上段的(La/ Nd)N平均为1.31,而下段的(La/Nd)N平均为0.85,表现在REE模式图上,下段3个榴辉岩样品的M REE轻微上拱,注意到这3个样品具有
1843
第12期陈振宇等:CCSD主孔榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征及对榴辉岩中F、Cl、Sr等元素地球化学行为的影响
表1 CC SD主孔500～540m榴辉岩样品的全岩化学分析成分
Table1 Chemical composition of eclogites from C CSD main hol e(500～540m)
样品B243R2
09P1b
B244R2
09P1g
B245R2
10P2b
B250R2
12P1cA
B254R2
14P3p
B259R2
18P1h
B260R2
19P1
B261R2
22P1a
B262R2
22P1f
B264R2
23P1
B265R2
23P6
深度(m)502.2503.5504.8511.2517.9526.4528.0531.5532.6535.2537.3
岩性角闪石化含
黄铁矿金红
石榴辉岩
角闪石化含
黄铁矿金红
石榴辉岩
角闪石化含
黄铁矿金红
石榴辉岩
含黄铁矿多
硅白云母金
红石榴辉岩
金红石
榴辉岩
角闪石化含
黄铁矿金红
石榴辉岩
角闪石化含
黄铁矿金红
石榴辉岩
富金红石
榴辉岩
富金红石
榴辉岩
含黄铁矿
富金红石
榴辉岩
富金红石
榴辉岩
SiO251.3149.7749.3447.3050.8948.6448.3542.2542.2038.5539.45 T iO2 2.87 3.00 2.76 2.96 3.01 1.99 2.74 4.44 4.18 5.72 4.88 Al2O313.0712.9814.0913.1312.7715.2714.9214.3714.4612.2212.53 Fe2O3 3.23 4.46 3.99 4.58 3.86 3.56 3.60 4.79 3.90 4.51 4.59 FeO9.6810.8110.4412.6810.8010.2513.3315.7911.8412.9412.69 M nO0.350.340.320.310.330.280.330.360.420.450.34 M gO 3.49 3.94 3.71 4.69 4.29 5.13 4.70 5.25 5.68 6.56 6.67 CaO7.708.077.869.148.038.889.069.9810.9511.8912.23 Na2O 3.10 3.08 3.66 3.72 3.16 3.32 2.66 2.00 2.72 1.76 2.16 K2O 1.400.68 1.120.010.99 1.280.010.020.360.010.02 P2O5 2.21 1.75 1.350.42 1.230.490.440.24 2.67 4.06 3.56 H2O p 1.120.340.440.040.480.740.100.420.260.380.52 T S*0.140.330.180.360.320.160.140.010.010.420.15 F0.220.170.150.060.150.120.080.060.220.300.27 T otal100.1699.9099.7499.75100.39100.44100.6499.9799.96100.01100.39 Cl32.9028.9022.0020.5024.5038.90103.0020.0055.80168.00273.00 Ba734.00402.00836.009.50334.001174.0055.0086.00294.007.1026.40 Rb41.0020.7031.600.9932.2034.20 1.20 1.608.05 1.22 1.36 S r495.00386.00278.00219.00274.00222.00103.0091.90357.00493.00455.00 Ga17.9016.9017.1017.7017.3016.9017.9017.6016.8016.3015.90 Ta0.530.440.370.430.390.250.270.230.250.390.16 Nb8.28 6.53 5.61 6.27 6.20 3.90 4.00 3.04 3.56 5.20 1.97 Hf 4.92 5.53 4.52 4.28 4.94 4.79 3.92 2.70 1.87 1.99 1.39 Zr169.00181.00147.00157.00161.00163.00136.0085.0051.7054.1035.20 Y65.7062.7050.6038.2051.0035.2034.5027.6056.2065.3041.80 T h 5.51 3.74 2.97 2.09 4.66 2.64 2.110.61 1.26 1.750.47 U0.960.690.560.490.760.410.380.170.220.380.27 Cr 2.16 2.99 1.609.73 4.9767.80 2.16 2.69 3.06 3.66 2.79 Ni 1.48 2.10 1.67 6.54 2.5336.40 5.07 3.12 3.56 4.77 3.10 Co21.3034.7028.9044.2034.9037.2031.7044.3023.4032.3027.40 S c25.9030.1029.8039.5033.0032.0037.1048.0033.2034.0035.60 V138.00257.00216.00457.00245.00246.00311.00505.00192.00200.00229.00 Cu17.7022.6016.5047.8019.5047.1039.5027.5018.5074.5021.00 Pb8.61 5.54 4.18 3.23 4.78 3.81 2.45 1.59 3.72 2.10 2.27 Zn160.00164.00160.00168.00159.00158.00162.00190.00165.00183.00142.00 Sn 2.02 1.73 1.56 1.87 1.62 1.37 1.28 1.070.79 1.000.61 M o0.680.700.590.770.660.460.490.31bd bd bd La44.0036.8025.4017.1034.5026.9013.40 5.9024.7033.1018.90 Ce100.0087.3060.3041.0076.6050.6034.9012.8064.2094.7050.80 Pr14.3012.508.78 5.7610.40 6.56 5.15 1.8710.3014.308.24 Nd66.9058.2040.9026.0046.9028.8023.909.2754.5076.6044.20 Sm17.0014.9010.90 6.8811.607.26 6.44 3.0615.0020.7012.20 Eu 6.02 5.18 4.14 2.22 3.97 2.96 2.68 1.61 6.207.51 4.84 Gd18.0015.6011.907.5312.507.707.21 4.7116.7021.9013.50 T b 2.75 2.42 1.94 1.34 2.00 1.31 1.290.90 2.48 3.23 1.93 Dy15.8013.6011.408.2911.607.837.87 6.2413.8017.2010.40 Ho 3.12 2.69 2.35 1.81 2.37 1.69 1.63 1.36 2.71 3.17 1.99 Er8.217.09 6.25 5.16 6.53 4.74 4.53 3.77 6.867.60 4.88 T m 1.090.950.860.750.900.660.660.530.840.900.57 Yb 6.70 5.75 5.28 4.77 5.59 4.23 4.03 3.29 4.79 5.09 3.19 Lu 1.000.860.790.740.840.640.620.500.670.710.44
注:TS为全硫含量。主元素单位%,微量元素单位×10-6。bd:低于检测限。由国家地质分析测试中心测定。
1844地 质 学 报2006年
图1 CCSD主孔500～530m(a)和530～540m(b)
榴辉岩的稀土元素配分模式
Fig.1 Chondrite-normalized REE patter ns of eclogite from CCSD main hole500～530m(a)
and530～540m(b)
较高含量的P2O5和磷灰石,暗示其REE特征有可能受磷灰石的影响较大。另一个样品B261R222P1a 的REE总量较低且呈平坦型外,还具有轻微Eu正异常。按照张泽明等(2004)的成分类型分类,500～530m段的榴辉岩属于正常型榴辉岩,其原岩可能为相当于辉长质的基性岩石。530～540m段的榴辉岩除样品B261R222P1a外,应属于高Ti榴辉岩,其原岩也相当于辉长质岩石。而样品B261R222P1a属于高T i-Fe榴辉岩,该样品具有最高的FeO T (20.58%)、V(505×10-6)、Co(44.3×10-6)及Sc (48×10-6),以及最低的P2O5(0.24%)、F (0.06%)、U(0.17×10-6)、Pb(1.59×10-6)及稀土元素含量,其原岩可能为相当于苦橄质的超基性岩石。
除样品B261R222P1a外,530～540m段的榴辉岩比500～530m段的榴辉岩富P2O5(平均分别为3.43%和1.13%),另外,还可以看到,下段榴辉岩的F(平均0.26%)、Cl(平均165.6×10-6)和Sr(平均435×10-6)也均比上段榴辉岩的F(平均0.14%)、Cl(平均38.67×10-6)和Sr(平均282.43×10-6)高,岩相学观察也显示,下段榴辉岩中磷灰石的含量明显较上段榴辉岩的多。样品B261R222P1a的P2O5和F含量最低,所观察到的磷灰石也最少。这些现象给我们启示:榴辉岩中的P2O5可能和F、Cl、Sr等元素具有某种相关性。用榴辉岩的P2O5含量与其F、Cl、Sr和S元素含量作二元相关性图解(见图2),可以看到,榴辉岩中的P2O5与F的相关系数最高,其次是Sr,而与Cl的相关系数则相对较低,与S则几乎没有相关性。
磷灰石矿物化学的代表性分析结果见表2。这些榴辉岩中的磷灰石成分在不同样品、不同颗粒及颗粒内部不同部位之间没有明显差别。从分析结果可以看到,磷灰石中F的含量大大高于Cl的含量, X F/(X F+X Cl)接近于1,因此这些磷灰石应该为氟—磷灰石。磷灰石中Sr的含量较稳定,平均0.235%。此外,磷灰石中还普遍含有一定的S、Fe 元素(分别平均为0.144%、0.072%),多数还含有Cu、Pb、Zn等元素。
4 讨论
4.1 榴辉岩中磷灰石的F、Cl元素含量及与变质流
体演化的可能关系
研究表明,磷灰石可以出现在各个级别的变质相中,不同变质级别岩石中的磷灰石的F-Cl-OH 端元组分有所不同,从绿片岩相—角闪岩相—麻粒岩相,磷灰石中的Cl、OH端元组分逐渐降低,而F 端元组分逐渐增加,到麻粒岩相中就基本上是氟—磷灰石了(Kapustin,1987)。据统计,变质岩中的磷灰石的Cl含量一般都很低,OH的含量一般也不高,X F/(X F+X O H)一般平均在0.85左右(Spear and Pyle,2002)。变质岩中磷灰石强烈富氟贫氯可以从以下两个方面给予解释: 从晶体学的角度来看, Cl离子半径(0.167nm)大于F离子的半径(0.121nm),Cl离子进入磷灰石的Z位将使其晶胞参数增大,因此F离子比Cl离子更容易结合进Z位(刘羽等,2001),而且在高压—超高压条件下,晶体晶胞参数趋于变小,也更适合F离子进入Z位; 从F、Cl在磷灰石与流体之间的配分规律来看,F在磷灰石中的分配系数要比Cl大得多(Brenan, 1993),Smith等(1999)经过计算发现,若磷灰石中
1845
第12期陈振宇等:CCSD主孔榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征及对榴辉岩中F、Cl、Sr等元素地球化学行为的影响
图2 CCSD主孔榴辉岩中P2O5与F、Sr、Cl、S元素的相关图解
Fig.2 Corr elation diagr ams betw een P2O5and F、Sr、Cl and S in eclo gites from CCSD main hole
含有相同原子比的F和Cl,则要求此时流体中的Cl 必须比F大2个数量级以上。
超高压变质过程的流体活动研究表明,从超高压变质峰期后变质岩开始折返到高压变质重结晶阶段,榴辉岩内部发生早期流体包裹体的爆裂、含水矿物的分解以及名义上无水矿物羟基的释放等作用产生水流体(郑永飞,2004),早期磷灰石可能在此阶段也会释放出OH及Cl进入到流体相中以保持磷灰石和流体间的元素配分平衡,从而产生富Cl的流体。榴辉岩的流体包裹体研究发现,此阶段榴辉岩中的流体包裹体主要为高—中高盐度的流体包裹体,即使是在开始有外来流体加入的角闪岩相退变质阶段,依然形成了中等盐度的流体包裹体(沈昆等, 2005),可见榴辉岩内部的流体确实是相对富Cl的流体;此外,从榴辉岩全岩成分来看,F的含量(平均0.16%)要大大高于Cl的含量(平均72.3×10-6),这些可能都与榴辉岩中磷灰石对F、Cl元素的控制作用不同有关。因为榴辉岩中氟-磷灰石可能有两种成因: 如果磷灰石形成于超高压变质作用阶段,那么在超高压变质条件下,由于压力的升高,磷灰石结构趋向于更加致密,而由于F比Cl在磷灰石中更相容,因而更容易形成的是氟-磷灰石; 如果磷灰石形成于超高压变质作用之前,即原来是含Cl较高的岩浆磷灰石,那么在超高压变质作用下,与上述原因相同,磷灰石保留或者可能吸收了更多的F,同时释放出Cl,导致产生富Cl的流体,同时形成氟-磷灰石。如上文所述,由于磷灰石稳定存在的温压范围很宽,大颗粒的磷灰石更可以在经受各种地质作用后保存下来,而榴辉岩中的很多磷灰石颗粒都大于0.5mm,因此,榴辉岩中的磷灰石更可能是继承性的,即形成于超高压变质作用之前。由此也可以解释榴辉岩相变质峰期后到角闪岩相退变质阶段的流体包裹体高—中高盐度的成因以及榴辉岩全岩中F 的含量大大高于Cl的含量的成因。
4.2 磷灰石中的Sr、S、Fe、Cu、Pb、Zn等元素
磷灰石中含有较稳定的Sr元素,平均0.235%。由于Sr2+与Ca2+之间具地球化学相似性,Sr是磷灰石中最常见的Ca位替换元素之一(刘羽等,2003)。Krenn等(2004)曾在捷克波希米亚地块的一个高压(约26kbar,830℃)富石榴子石岩石中发现SrO含量高达33%的锶-磷灰石及SrO含量达2%的独居石。斜长石和方解石中通常也可以容纳较多的Sr,但在榴辉岩中通常缺少这两种矿物。Nagasaki等(1998)曾报道在苏鲁超高压变质带的榴辉岩及其副片麻岩围岩中,黝帘石和绿帘石矿物可含有较高的SrO(核部可达3.2%,到边部逐渐减少到<0.1%),而
1846地 质 学 报2006年
表2 榴辉岩中磷灰石的代表性电子探针分析结果(%)
Table2 Typical composition(%)resul t of apatites in ecl ogites analyzed by electron probe
样品FeO M nO M gO SrO C aO Na2O K2O P2O5SO3CuO PbO ZnO F Cl O=F=Cl CTotal
X F
X F+X Cl
Ap1-10.020.030.010.2456.330.110.0039.950.200.000.000.00 1.490.050.6497.780.984 Ap1-20.020.000.010.2256.180.110.0141.670.140.030.010.02 1.610.050.6999.370.984 Ap1-30.050.000.000.2156.650.110.0140.130.160.000.060.00 1.650.040.7098.370.987 Ap1-40.090.000.000.1956.570.120.0041.060.160.060.000.00 1.500.050.6499.160.983 Ap2-10.040.000.010.2357.830.060.0140.320.140.000.000.00 1.400.030.6099.470.988 Ap2-20.050.030.010.2357.230.040.0039.690.120.010.000.00 1.990.040.8598.600.990 Ap2-30.020.000.000.2557.290.090.0340.960.160.040.060.04 1.320.050.5699.740.981 Ap2-40.010.000.010.2456.520.040.0040.890.150.030.050.00 1.320.040.5798.740.986 Ap2-50.040.020.010.2456.810.060.0041.890.120.020.010.00 1.560.040.67100.150.986 Ap3-10.050.000.000.3056.260.080.0040.570.110.040.020.02 1.740.040.7498.460.989 Ap3-20.030.030.000.2656.300.120.0040.770.140.030.000.00 1.770.040.7598.720.989 Ap3-30.030.020.020.2556.420.110.0140.130.140.030.000.00 1.790.030.7698.220.990 Ap3-40.040.000.010.2656.380.070.0040.190.100.000.000.00 1.590.040.6898.000.987 Ap3-50.070.030.000.2556.500.070.0140.570.100.030.030.00 1.590.050.6898.610.983 Ap3-60.110.000.000.2354.940.080.0240.160.110.000.010.01 1.570.040.6796.630.986 Ap3-70.180.020.030.2456.100.100.0141.740.150.000.000.00 1.930.040.8299.730.989 Ap3-80.240.030.010.2556.070.050.0041.740.120.000.000.00 2.000.040.8599.690.989 Ap4-10.100.030.000.2055.170.070.0040.020.130.020.010.00 1.980.040.8496.920.990 Ap4-20.050.010.010.2055.370.090.0040.240.150.040.000.00 1.950.030.8397.310.991 Ap4-30.000.000.000.2155.330.070.0040.370.140.000.040.00 1.890.030.8097.280.992 Ap4-40.030.030.020.2055.290.080.0139.620.140.000.030.00 1.620.050.6996.420.984 Ap4-50.020.080.010.2555.190.080.0039.500.160.000.000.01 2.480.05 1.0696.760.989 Ap4-60.060.020.010.2255.780.100.0040.220.130.010.030.02 1.680.040.7297.600.986 Ap5-10.230.000.000.2656.040.070.0040.750.120.000.000.00 1.700.030.7298.480.990 Ap5-20.110.010.020.2356.070.090.0041.110.150.000.000.00 1.790.030.7698.830.991 Ap5-30.100.000.010.2656.090.070.0040.520.150.020.000.02 1.840.030.7898.320.991 Ap5-40.080.000.020.2755.680.140.0040.390.130.000.030.00 1.750.040.7497.790.988 Ap5-50.170.050.010.2656.000.100.0041.480.160.010.000.00 1.730.030.7399.250.992 Ap6-10.130.070.030.2455.810.080.0040.760.150.000.020.00 2.540.05 1.0898.780.990 Ap6-20.020.010.000.2255.570.100.0139.790.160.010.060.01 2.430.05 1.0397.390.989 Ap6-30.030.000.010.2455.140.090.0040.830.160.050.050.02 1.890.040.8197.740.989 Ap6-40.050.000.000.2455.370.130.0040.780.190.040.080.00 2.470.05 1.0598.340.990 Ap6-50.150.030.070.2254.900.110.0139.540.230.010.010.00 2.120.050.9096.550.987注:由中国地质科学院矿产资源研究所电子探针实验室测定。
与其共生的磷灰石中的SrO含量为0.10%～0. 59%,与我们的分析结果相近,说明在超高压榴辉岩俯冲—折返过程中,除了黝帘石和绿帘石矿物外,磷灰石也是Sr元素的主要储存库。
磷灰石中还普遍含有一定的S、Fe及Cu、Pb、Zn等元素。Fe、Cu、Pb、Zn等元素可与Ca元素形成等价替代,S可能以[SO4]2-形式替代[PO4]3-,由于是不等价替代,产生的电荷不平衡主要由[SiO4]4-来补偿,[PO4]3-、[SiO4]4-、[SO4]2-三者在磷灰石结构中可以形成连续的类质同像系列(刘羽等, 2003)。遗憾的是此次没有分析Si的含量。这是以后应该注意的。Zeng等(2006)在这些榴辉岩的磷灰石中发现了Fe、Cu、Pb、Zn等金属硫化物的出溶结构。我们在电子探针分析磷灰石时已尽量避开含出溶体结构的部位,仍然普遍检测出了这些元素,因此说明这些元素在磷灰石中是以类质同像方式存在的。出溶前即超高压(高温)变质条件下的磷灰石中可能含有更多的S、Fe、Cu、Pb、Zn等元素,在变质岩折返减压及降温过程中,这些元素结合成硫化物的形式出溶。因此,这些元素在磷灰石中的溶解度可能与温压条件有一定的函数关系,有可能是指示变质温压条件的另一种新的指标,值得进一步进行包括高温高压实验在内的深入研究。
4.3 磷灰石矿物对榴辉岩中相关元素的影响
据岩相学观察,在这些榴辉岩中除了磷灰石及极少量在磷灰石中出溶的独居石外,基本未发现有
1847
第12期陈振宇等:CCSD主孔榴辉岩中磷灰石的矿物化学特征及对榴辉岩中F、Cl、Sr等元素地球化学行为的影响
其他磷酸盐矿物。P2O5在其他矿物中的含量一般也很低,所以,我们可以近似地认为榴辉岩中的P2O5几乎全部来自于磷灰石,P2O5含量可以作为这些榴辉岩中磷灰石含量多少的一个指示,而P2O5与其他元素的相关关系就可以代表磷灰石与这些元素的相关关系。从榴辉岩的P2O5含量与其F、Cl、Sr和S元素含量的二元图解(图2)上可以看到,榴辉岩中的P2O5与F的相关系数最高,其次是Sr,而与Cl的相关系数则相对较低,与S则几乎没有相关性。P2O5与F的高相关性说明,榴辉岩中的F元素主要赋存在磷灰石中;而P2O5与Sr元素的良好相关性也说明,在这些榴辉岩中,磷灰石应该是Sr元素的重要载体矿物;P2O5与Cl元素的弱相关性则说明,Cl元素只有部分受控于磷灰石外,可能主要还受其他矿物如云母和角闪石的控制,而且相当一部分Cl元素可能溶于流体中,以流体包裹体形式存在。由于这些榴辉岩中不同程度地存在黄铁矿等硫化物矿物,S元素主要赋存在这些硫化物中,而在磷灰石中只是极少一部分,所以P2O5与S元素不存在相关性也就不足为奇了。注意到尽管这些榴辉岩可以分为矿物组成和化学成分有差别的上下两段,但在P2O5与其F、Sr 和Cl元素,尤其是和前两者的相关关系上是一致的,说明榴辉岩中这些元素的地球化学行为主要受磷灰石矿物影响。
5 结论
对中国大陆科学钻探(CCSD)主孔岩心500～540m段榴辉岩岩石化学分析显示,这些榴辉岩可以分为矿物组成和化学成分有差别的上下两段,上段为正常榴辉岩,下段为高Ti榴辉岩和高Ti-Fe榴辉岩,其原岩可能分别为辉长质和苦橄质的基性—超基性岩石。
榴辉岩中磷灰石的矿物化学分析表明,磷灰石中X F/(X F+X Cl)接近于1,为氟-磷灰石,磷灰石富F贫Cl可能也是造成超高压变质峰期后到角闪岩相退变质阶段的流体包裹体盐度较高以及榴辉岩全岩中F的含量大大高于Cl的含量的主要原因;磷灰石中含有含量较为稳定的Sr元素,还普遍含有一定的S、Fe元素,多数还含有Cu、Pb、Zn等元素,与前人在磷灰石中发现Fe、Cu、Pb、Zn等元素的硫化物出溶体现象相印证。
尽管这些榴辉岩在矿物组成和化学成分有所差别,但在P2O5与其F、Cl和Sr元素含量的相关关系上是一致的。榴辉岩中P2O5含量与其F、Cl、Sr和S 元素的相关程度表明,磷灰石是榴辉岩中F元素的最主要储存库,也是Sr元素的重要储存库之一,磷灰石只是部分控制了榴辉岩中的Cl元素,而与榴辉岩中的S则不存在相关性。榴辉岩中的F、Sr及Cl 元素的地球化学行为主要受磷灰石矿物影响。
致谢:杨天南研究员认真审阅了全文并提出建设性修改意见,在此深表感谢!
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2)K ey labor atory of Continental D ynamics,I nstitute of Geology,Chines e A cademy of Geological Sciences,Beij ing,100037
Abstract
The100～600m m afic and ultramafic rocks(eclog ites and g arnet pyrox enites)recovered from the Chinese Continental Scientific Drilling(CCSD)main hole have been shown to have highly variable w hole rock geochemistry and P2O5contents by2orders of m agnitude.T o address the role of apatite in shaping the apatite-compatible element g eochemistry of the CCSD eclogites,w e have performed whole rock major and trace element analyses on a suite of11eclogites from500to540m deep,and measurements on apatite mineral chemical compositions.In conjunction w ith petrography observations,these data demonstrate that(1)T hese eclog ites can be divided into two groups by their mineral assem blages and bulk rock geochem istry,the eclogites from500～530m are ordinary eclog ites,and those from530～540m are hig h T i or hig h T i-Fe eclogites;(2)apatites from these eclogites are exclusively fluor-apatites,rich in F and poor in Cl;(3)these apatites contain fair am ounts of Sr,S and Fe,and trace amount of Cu,Pb and Zn;(4)g ood correlations betw een w hole rock P2O5 and apatite-host elements(e.g.F,Sr,and Cl)in these eclogites,regardless of their significant differences in mineral assemblages and w hole-rock geochemistry.Presence of F-apatites in these eclogitesmay be the major factor that cause high salinity fluid inclusion and elevated F/Cl ratios in eclogites.Apatite is the most im portant reservoir for F,also is an important reservoir for Sr,but just partly control Cl in eclogite.It seems that apatites from these eclogites are not a major host for S.These data also imply that the geochem ical behaviors of F,Sr and Cl in eclogites are m ainly controlled by apatites,and their mobility during prog rade to retrog rade metamorphic reactions is limited by the stabilities of apatite.
Key words:apatite;eclogite;mineral chem istry;F,Cl,Sr;CCSD
龙泉关韧性剪切带同变形花岗岩的构造特征及其独居石测年
张进江,赵兰,刘树文
北京大学地球与空间科学学院,100871
龙泉关韧性剪切带(L QG SZ)为华北克拉通内一条重要构造带,并将下伏阜平杂岩与上覆五台杂岩分割开来。该带经历了3期变形,第一期为主期变形,变形性质为韧性剪切,上盘沿W NW缓倾的面理向ESE运动,其他两期为后期垮塌滑动。剪切带内强变形部位发育一系列平行剪切面理展布的花岗岩,并构成剪切带的一个主要组分。这些花岗岩在其侵位时经受剪切带主期变形作用,形成糜棱状岩石。变形特征及其与围岩接触关系证明这些花岗岩可能是剪切作用下的原地部分重熔产物,即同变形花岗岩。花岗岩内独居石为岩浆成因矿物,所以独居石结晶年龄可代表岩浆事件年龄,也即龙泉关韧性剪切带主期变形年龄。两个样品的独居石电子探针定年得出了L QG SZ同变形花岗岩的多峰值年龄,其中1846M a和1877M a为两样品的主峰值年龄,代表龙泉关韧性剪切带的主期变形年龄。这与华北地区1850M a左右的区域地质事件年龄完全一致,该事件被认为是华北东、西部地块的碰撞所致,证明了龙泉关韧性剪切带的发育是这次拼合事件同期的韧性剪切带。
1850地 质 学 报2006年