張景森，周俊杰，張 靜

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)河北省資源勘測研究實驗室，河北邯鄲056038;3.河北工程大學(xué)圖書館，河北邯鄲056038)

電氣石是一種具環(huán)狀結(jié)構(gòu)、成分復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定的含硼硅酸鹽礦物，具有許多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如熱電性、壓電性、天然電極性、紅外輻射、釋放負離子等，因而其在環(huán)境保護、醫(yī)療保健、電磁屏蔽等應(yīng)用領(lǐng)域的研究受到人們的普遍重視［1－6］。電氣石是地殼各類巖石中普遍存在的副礦物，其寄主巖石的化學(xué)成分變化范圍很大，包括花崗質(zhì)巖、熱液交代蝕變巖、各類變質(zhì)巖和沉積巖，電氣石的物理化學(xué)穩(wěn)定性使之成為沉積巖中常見的重砂礦物之一。電氣石具有十分寬廣的溫度－壓力穩(wěn)定范圍，可以在從低溫低壓到超高溫超高壓的條件下保持穩(wěn)定［7］。電氣石的晶體結(jié)構(gòu)還可以容納各種電荷和半徑的微量元素和稀土元素離子，也可以反映其形成環(huán)境。電氣石還常常形成電氣石巖和礦床，以及與許多礦床具有成因聯(lián)系［8－13］。因此，電氣石被許多學(xué)者認為是非常適合作為成巖成礦環(huán)境條件的指示礦物［7，14］，在利用變質(zhì)巖中電氣石的成分確定其變質(zhì)溫度條件方面也有所嘗試［15］。

大別山造山帶是我國華北板塊與揚子板塊之間的碰撞縫合帶的一部分，發(fā)育了大量的高壓和超高壓變質(zhì)巖石，作為研究板塊碰撞、陸殼深俯沖和折返地球動力學(xué)問題的重要場所，近二十幾年來受到中外地質(zhì)學(xué)家的重視和廣泛而深入的研究，取得了大量重要成果。許多研究者都注意到大別山高壓與超高壓變質(zhì)巖中普遍存在副礦物電氣石，除了對大別山地區(qū)現(xiàn)代河流沉積物及沉積盆地侏羅紀地層中電氣石碎屑進行的成分分析和論證沉積物的源區(qū)特征［16］外，至今未見有關(guān)大別山高壓和超高壓變質(zhì)巖中原生電氣石分析資料的報道。本文研究了大別山西段高壓－超高壓片麻巖中原生電氣石的化學(xué)特征，并分析其對高壓和超高壓變質(zhì)作用的指示意義及存在的問題。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

位于我國中東部的秦嶺－大別－蘇魯造山帶由高壓－超高壓變質(zhì)帶組成，是華北板塊和揚子板塊兩大陸在晚三疊紀發(fā)生的板塊碰撞和陸殼俯沖作用中形成的。大別山西段作為這一高壓－超高壓變質(zhì)帶的一部分，分布于河南省南部和湖北省北部，其西側(cè)由大悟斷裂與桐柏山地區(qū)分隔、東側(cè)由商－麻斷裂與東大別接壤，呈一相對獨立的塊體，文獻中通常稱其為紅安地塊。這一地區(qū)以新縣高壓－超高壓變質(zhì)地體為核心呈一構(gòu)造穹隆，南北兩翼由高壓至中低壓變質(zhì)帶組成。巖石構(gòu)造單元從北到南可以劃分為五個部分:南灣變質(zhì)復(fù)理石單元(I)、八里畈構(gòu)造混雜巖單元(II)、滸灣－紅安高壓榴輝巖單元(III1、III2)、新縣高壓－超高壓榴輝巖單元(IV)和木蘭山藍片巖－綠片巖單元(V)，各單元之間大多由碰撞造山后伸展作用形成的多層拆離帶所分隔［17］(圖1)。其中新縣高壓－超高壓榴輝巖單元主要由花崗質(zhì)到花崗閃長質(zhì)片麻巖和少量的副片麻巖和白云母片巖等組成，富含超高壓榴輝巖透鏡體或布丁塊體;紅安高壓榴輝巖單元主要巖石類型除了花崗質(zhì)到花崗閃長質(zhì)片麻巖類外，還有大量淺粒巖和白云母片巖夾層，高壓榴輝巖呈透鏡體、夾層狀或布丁產(chǎn)出。區(qū)內(nèi)花崗巖類巖石主要是在白堊紀侵入形成的。

2 含電氣石片麻巖產(chǎn)狀

含電氣石的片麻巖見于樣品X074和X122。樣品X074采自紅安高壓單元內(nèi)，地點位于七里坪鎮(zhèn)東南側(cè)的石灰山采石場，附近巖石主要是呈層狀產(chǎn)出的淺灰色白云鈉長片麻巖，夾有白云母片巖、斜長角閃巖等，原有的透鏡體大理巖業(yè)已開采殆盡;含電氣石的片麻巖為石榴黑云斜長片麻巖，呈夾層狀或透鏡狀產(chǎn)于淺色片麻巖中，顏色較暗，與淺色片麻巖界限明顯。樣品X122采自新縣超高壓單元內(nèi)，取樣點位于西張店東南G45大廣高速公路穿山隧道處，周圍巖石以淺灰色白云斜長片麻巖為主，樣品則為暗色的石榴角閃黑云斜長片麻巖，呈夾層狀產(chǎn)于淺色片麻巖中。取樣位置見圖1所示。另外，圖1中還標注了大別山南緣現(xiàn)代河流重砂樣XH9的位置［16］。

圖A－大別山西段在秦嶺－大別－蘇魯造山帶中的位置;圖B－西大別區(qū)域地質(zhì)簡圖，圖中:I－南灣變質(zhì)復(fù)理石單元，II－八里畈構(gòu)造混雜巖單元，III1和III2－高壓榴輝巖單元，IV－高壓－超高壓榴輝巖單元，V－藍片巖－綠片巖單元?，F(xiàn)代河流沉積砂樣XH9取樣點見文獻［16］。

為敘述方便，樣品X074和X122將根據(jù)其產(chǎn)出的高壓和超高壓巖石構(gòu)造單元分別稱其為高壓片麻巖和超高壓片麻巖。實際上，它們和其它產(chǎn)于高壓、超高壓變質(zhì)帶中的片麻巖一樣，由于后期的退變質(zhì)作用改造，巖石中已經(jīng)難以見到直接的高壓或超高壓指示礦物證明它們經(jīng)歷過高壓或超高壓變質(zhì)作用。相反，這些片麻巖圍限的榴輝巖塊體則存在巖石經(jīng)歷高壓或超高壓變質(zhì)作用的證據(jù)。當(dāng)然，也有學(xué)者在一些片麻巖的鋯石中發(fā)現(xiàn)了高壓或超高壓礦物的超微包裹體?，F(xiàn)在一般認為這些片麻巖和它們所包圍的榴輝巖一起經(jīng)歷了高壓或超高壓變質(zhì)作用。

3 含電氣石片麻巖巖相學(xué)特征

高壓片麻巖樣品X074手標本呈灰黑色，具不等粒粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。在偏光顯微鏡下進行詳細觀察，巖石的礦物組成主要有石榴石(12%)、斜長石(40%)、石英(20%)和黑云母(15%)，還含有少量多硅白云母(3%)、綠泥石(3%)、綠簾石(2%)、角閃石(2%)、鈦鐵礦(2%)、金紅石(1%)、磷灰石(＜1%)和電氣石(＜1%)，如圖2－a、b所示。電氣石呈短柱狀，長寬尺寸約0.4×0.6 mm2，發(fā)育有垂直長軸方向的裂紋，共生礦物有斜長石和黑云母，晶體內(nèi)部包裹有斜長石(圖2a)。

(a)X074樣品電氣石顯微圖像(單偏光)顯示其與斜長石、黑云母的共生關(guān)系;(b)X074樣品電子背散射(BSE)圖像顯示片麻巖石榴石、斜長石(部分鈉長石)、黑云母、多硅白云母、綠泥石、綠簾石、石英的組合關(guān)系;(c)X122樣品電氣石顯微圖像(單偏光)，礦物組合為石榴石、斜長石、黑云母、鈦鐵礦、角閃石和電氣石;(d)X122樣品與圖(c)對應(yīng)的電子背散射(BSE)圖像。圖中礦物縮寫代號［18－19］:ab－鈉長石，amp－角閃石，bt－黑云母，ep－綠簾石，grt－石榴石，ilm－鈦鐵礦，phg－多硅白云母，pl－斜長石，qtz－石英，tur－電氣石。

超高壓片麻巖樣品X122手標本呈深灰色，不等粒粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。顯微鏡下觀察表明，巖石的主要礦物組成為石榴石(10%)、斜長石(40%)、黑云母(15%)、石英(12%)、角閃石(15%)、綠泥石(3%)、鈦鐵礦(5%)、磷灰石(＜1%)和電氣石(＜1%)，石榴石變斑晶中包裹的少量礦物有鈉云母、角閃石、綠泥石、石英(圖2c、d)。電氣石呈柱狀變晶，晶粒大小不等，長寬尺寸從0.1 ×0.4 mm2到0.2 ×0.7 mm2，共生礦物有石榴石、斜長石、黑云母、鈦鐵礦，斑晶內(nèi)包裹體礦物有斜長石、角閃石和鈦鐵礦，晶體沿垂直長軸方向發(fā)育裂紋(圖2－c、d)。

4 電氣石化學(xué)特征

電氣石具有復(fù)雜的化學(xué)成分變化?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)式通常記為XY3Z6(T6O18)(BO3)3V3W，其中各離子位置的配位情況及常見離子為IXX:Na+、K+、Ca2+和 □(空位);VIY:Ti4+、Al3+、Fe3+、Cr3+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Li+;VIZ:Al3+、Fe3+、Cr3+、Mg2+、Fe2+;IVT:Si4+、B3+、Al3+;IIIB:B3+;IVV:OH－、O2－;IIIW:OH－、F－、O2－［20］。不同位置的離子替代以及離子有序無序排列形成了電氣石復(fù)雜的化學(xué)特征。

對片麻巖中電氣石化學(xué)成分進行了電子探針測試。分析工作在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試實驗室完成。所用電子探針分析儀器型號為JEOL JXA－8100，分析條件為加速電壓15 kV，束流為10 nA，束斑直徑為1 μm，標準樣品使用美國SPI公司的標準礦物。

電氣石電子探針數(shù)據(jù)標準化處理使用Win-Clastour程序［21］進行，標準化條件為 Si=6、B=3，并估算Li含量。標準化后電氣石分子中未出現(xiàn)Fe3+。電氣石成分分析結(jié)果如表1所示。

電氣石族礦物的分類首先是根據(jù)其標準分子式中X位置(Na++K+)、Ca2+和空位的占位情況區(qū)分為堿質(zhì)組、鈣質(zhì)組和X位置空位組;其次根據(jù)W位置OH－、F－和O2－的占位情況區(qū)分為羥基亞組、氟亞組和氧亞組［22］。由表1可以看出，電氣石屬于堿質(zhì)組;本例中未測定F元素，電氣石只能屬于羥基亞組。

表1電氣石電子探針分析及標準化結(jié)果Tab.1 Electronic microprobe analysis of Tourmalines and their normalization

根據(jù)表1分析結(jié)果，電氣石分子式中T位置為6個Si占據(jù)，Z位置幾乎全被Al占據(jù)，Y位置以Fe2+和Mg2+為主，對于高壓片麻巖X074中的電氣石Y位置估計含有少量Li。電氣石Fe/(Fe+Mg)比值為0.28～0.33，屬于黑電氣石 －鎂電氣石系列中富鎂的成員，應(yīng)定名為鎂電氣石(Dravite)［22］。

根據(jù)電氣石的成分與測試點在礦物晶體中的位置關(guān)系顯示(圖3):電氣石晶體從核部到邊緣顯示出具有弱的成分環(huán)帶特征，最明顯的變化是Ca2+呈增加趨勢、Na+呈減少趨勢。

總的來看，片麻巖中電氣石具有貧鋁、貧鈣、富鎂的特點，但兩類片麻巖中的電氣石成分略有差異。高壓片麻巖中電氣石Mg、Fe2+、Na、Ca含量較低，Li較多，但Fe/(Fe+Mg)比值較低;超高壓片麻巖中電氣石不含 Li，Mg、Fe2+、Na、Ca 含量較高，但Fe/(Fe+Mg)比值較高(圖3、表1)。

5 電氣石對變質(zhì)成巖指示意義的討論

5.1 電氣石的成巖環(huán)境

電氣石成分中的FeO/(FeO+MgO)比值能靈敏地反映其寄主巖石類型及其成因:與花崗巖類有關(guān)的電氣石 FeO/(FeO+MgO)值最高，大于0.7;與變泥、砂質(zhì)巖石有關(guān)的電氣石 FeO/(Fe+MgO)值中等，約0.4－0.7;塊狀硫化物礦床中電氣石 FeO/(FeO+MgO)值最低，只有 0.2 左右［9］。本文電氣石 FeO/(FeO+MgO)比值為 0.41～0.47，反映了其成因與變泥、砂質(zhì)沉積巖形成的片麻巖、片巖有關(guān)，這與含電氣石片麻巖產(chǎn)出的地質(zhì)條件是一致的。

判斷電氣石與其寄主巖石成因類型的關(guān)系最常用的方法是根據(jù)Henry等［23］對電氣石成分數(shù)據(jù)統(tǒng)計后制作的Al－Al50Fe50－Al50Mg50三元圖解和Ca－Fe－Mg三元圖解。在 Al－Al50Fe50－Al50Mg50三元圖解(圖4－a、b)中，高壓片麻巖中的電氣石成分點分布于5區(qū)，其寄主巖石屬于不含鋁飽和礦物的變泥質(zhì)巖和變砂質(zhì)巖;超高壓片麻巖中電氣石分布于6區(qū)，其寄主巖石屬于變質(zhì)泥巖。在Ca－Fe－Mg三元圖解(圖4－c)中，兩種片麻巖中的電氣石均分布于10區(qū)，其寄主巖石為貧鈣的變泥質(zhì)巖、變砂質(zhì)巖。因此，結(jié)合與電氣石共生礦物的巖相學(xué)觀察，電氣石應(yīng)該經(jīng)歷了寄主巖石的高壓或超高壓變質(zhì)作用過程。

(a)片麻巖電氣石成分與現(xiàn)代河流碎屑電氣石成分比較圖，BY－大別山北緣河流、DY－東緣河流、NY－南緣河流［16］，UHP樣品為超高壓電氣石［15］;(b)片麻巖電氣石成分與侏羅紀地層碎屑電氣石成分比較圖，SC－商城盆地、FX－肥西盆地、HF－合肥盆地［16］;(c)電氣石Ca－Fe－Mg三元圖解。圖中Fe為總鐵。電氣石成分與形成環(huán)境關(guān)系分區(qū)圖［23］:1－富鋰花崗質(zhì)偉晶巖和細晶巖，2－貧鋰花崗質(zhì)偉晶巖和細晶巖，3－富高鐵石英電氣石巖(熱液交代花崗巖)，4－含鋁飽和礦物的變泥質(zhì)巖和變砂質(zhì)巖，5－不含鋁飽和礦物的變泥質(zhì)巖和變砂質(zhì)巖，6－富高鐵石英電氣石巖、鈣硅質(zhì)巖和變泥質(zhì)巖，7－低鈣變質(zhì)超基性巖和富鉻、釩變沉積巖，8－變質(zhì)碳酸鹽巖和變質(zhì)輝石巖，9－富鈣變泥質(zhì)巖、變砂質(zhì)巖和鈣硅質(zhì)巖，10－貧鈣變泥質(zhì)巖、變砂質(zhì)巖和石英電氣石巖，11－變質(zhì)碳酸鹽巖，12－變質(zhì)超基性巖;7和8區(qū)與4、5、6區(qū)有重疊。

從圖4中可以看到，與片麻巖中電氣石成分相近的電氣石碎屑幾乎在大別山北緣、東緣和南緣所有現(xiàn)代河流沉積物中都有出現(xiàn)，也出現(xiàn)在大別山北側(cè)的商城盆地、肥西盆地和合肥盆地的侏羅紀地層中。與片麻巖電氣石成分最相似的沉積碎屑電氣石集中分布于東大別的現(xiàn)代河流沉積物和肥西盆地侏羅紀地層中。東大別出露大面積的高壓、超高壓變質(zhì)巖石，與東緣河流沉積物中電氣石成分相一致。南大別河流流域內(nèi)主要出露高壓變質(zhì)巖，電氣石碎屑成分分布趨勢明顯有別于大別東緣河流沉積電氣石成分特征。大別北緣的河流和合肥、商城盆地侏羅紀地層中的電氣石碎屑成分分布范圍更大，它們除了來源于高壓和超高壓變質(zhì)巖外，還具有其他來源如花崗質(zhì)偉晶巖、富鋁的變泥質(zhì)巖和砂巖等。侏羅紀地層中電氣石碎屑也進行比較，是因為在晚侏羅世之前大別山高壓－超高壓巖石已經(jīng)折返抬升到地表、成為侏羅紀時期盆地沉積物的物源剝蝕區(qū)［24］。

5.2 電氣石形成的P－T條件

電氣石穩(wěn)定的P－T范圍非常寬廣，電氣石的成分特征能夠反映其形成的P－T條件，如有學(xué)者提出超高壓變質(zhì)巖石中電氣石的VIAl含量(電氣石分子Y和Z位置的Al)與其形成的最高溫度具有良好的相關(guān)關(guān)系［15］。

目前根據(jù)電氣石化學(xué)成分確定其形成的PT條件仍然是困難的，但如果對電氣石寄主巖石的變質(zhì)作用研究很深入，將有可能找到電氣石化學(xué)成分與其形成的P－T條件之間的內(nèi)在聯(lián)系。對大別山西段變質(zhì)作用P－T條件的研究，目前已經(jīng)取得了許多重要的進展，主要體現(xiàn)在對榴輝巖變質(zhì)作用的研究方面［25］。如在七里坪附近、與高壓片麻巖X074取樣地點相距僅2 km的高壓榴輝巖變質(zhì)峰期P－T條件為2.4 GPa～2.6 GPa和570～585℃，同時榴輝巖中石榴石成分環(huán)帶還記錄了從1.8 GPa～1.9 GPa和500～510 ℃開始升溫升壓的進變質(zhì)過程［26］。又如，與超高壓片麻巖X122取樣點距離約9 km的超高壓榴輝巖也獲得了2.8～2.9 GPa和610 ～614℃的變質(zhì)峰期P－T條件，同樣石榴石成分環(huán)帶記錄的進變質(zhì)P－T軌跡從1.8 GPa和520℃到2.2 GPa和580℃具有顯著的升溫和稍有升壓、再到峰期的顯著升壓過程［27］。有關(guān)大別山西段片麻巖的變質(zhì)作用研究成果不多。對本文同一高壓片麻巖樣品所進行的金紅石與鈦鐵礦的退變質(zhì)演化關(guān)系分析未能很好地約束片麻巖的退變質(zhì)P－T條件［28］;對同一地點高壓片麻巖樣品所進行的相平衡模擬表明，片麻巖中的石榴石成分環(huán)帶記錄了巖石從1.8 GPa和496℃到2.2 GPa～2.3 GPa和555～561 ℃的高壓進變質(zhì)過程，以及巖石在1.0 GPa～1.1 GPa和608～611℃的角閃巖相的退變質(zhì)改造作用，同時也給出了壓力和溫度各有±0.15 GPa和±15℃的誤差估計［29］。目前學(xué)者們普遍認為在大別山高壓和超高壓變質(zhì)帶內(nèi)，廣泛存在的片麻巖和其中的榴輝巖塊體一起經(jīng)歷了高壓或超高壓變質(zhì)作用。因此，電氣石的變質(zhì)P－T條件與其寄主巖石片麻巖的變質(zhì)P－T條件是相當(dāng)?shù)摹?/p>

根據(jù)對超高壓電氣石的研究，電氣石中VIAl與其變質(zhì)峰期溫度具有正相關(guān)關(guān)系［15］。把本文片麻巖中電氣石成分的VIAl含量與巖石變質(zhì)最高溫度的關(guān)系進行投影，如圖5所示。高壓與超高壓片麻巖中電氣石VIAl含量相近，兩處巖石也有十分接近的最高變質(zhì)溫度(高壓榴輝巖溫度較低可能是由于巖石沒有明確的記錄或方法原因)，它們在圖5中投影位置較接近超高壓電氣石的VIAl－T關(guān)系曲線，當(dāng)然也存在一定的偏離。這說明，一方面如果電氣石的VIAl－T相關(guān)性正確，則可能并不限于超高壓形成的電氣石，而是可以推廣到高壓電氣石的情況;另一方面，電氣石成分與形成溫度的確切關(guān)系仍然需要更多數(shù)據(jù)資料的佐證。另外需要注意的是，本文的片麻巖如果都經(jīng)歷了從約500℃到610℃升溫的高壓進變質(zhì)過程，則電氣石成分環(huán)帶顯然沒有對這一溫度變化有所顯示。

圖中:HP－高壓榴輝巖［26］，UHP－超高壓榴輝巖［27］，HPG－高壓片麻巖［29］;超高壓電氣石VIAl－T關(guān)系曲線［15］。

至于電氣石形成的壓力條件，從Al－Al50Fe50－Al50Mg50三元圖解(圖4a、b)來看，高壓片麻巖的電氣石成分點落入5區(qū)，超高壓片麻巖中電氣石成分落入6區(qū)，高壓和超高壓變質(zhì)巖分布區(qū)現(xiàn)代河流沉積碎屑電氣石也分布于5區(qū)和6區(qū)、且電氣石與變質(zhì)巖分布特征具有明顯的相關(guān)性。因此可以推論，5區(qū)可能代表高壓變質(zhì)條件、6區(qū)代表超高壓條件。然而根據(jù)文獻［15］，超高壓電氣石成分可以分布于6區(qū)、5區(qū)(或7區(qū))和2區(qū)(圖4a)，不符合上述推論。因此，有關(guān)電氣石成分與其形成壓力的關(guān)系仍然是不明確的。

6 結(jié)論

1)大別山西段高壓－超高壓變質(zhì)帶中，所研究的含電氣石片麻巖野外呈深灰色夾層或透鏡體分布于淺色片麻巖中;片麻巖主要由石榴石、黑云母、斜長石、石英、角閃石、鈦鐵礦組成，少量礦物可見多硅白云母、金紅石、綠泥石、綠簾石、磷灰石，電氣石零星分散其中。電氣石具有貧鋁、貧鈣、富鎂的特征，F(xiàn)e/(Fe+Mg)比值 0.28 ～0.33，為黑電氣石－鎂電氣石混溶系列中的鎂電氣石。電氣石晶體具有弱成分環(huán)帶，從核部到邊緣，鈣略增加、鈉略減少。

2)根據(jù)電氣石成分與其成巖環(huán)境分區(qū)圖解判別，電氣石形成于變泥質(zhì)巖和變砂質(zhì)巖環(huán)境，它們應(yīng)該經(jīng)歷了其寄主片麻巖的高壓或超高壓變質(zhì)作用過程。

3)超高壓電氣石VIAl含量與其形成溫度的相關(guān)關(guān)系可以推廣到高壓電氣石的情況，但確切的相關(guān)性仍然需要更多數(shù)據(jù)加以佐證;電氣石成分與其形成壓力之間的關(guān)系目前仍不明確。

致謝:核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試實驗室的于阿朋工程師對樣品電子探針分析工作給予了極大的幫助，在此謹表示誠摯的感謝。

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