孫 慧，陳丹玲*，任云飛，王海杰

(1. 西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2. 西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

0 引 言

金紅石主要化學(xué)成分是TiO2，以副礦物或碎屑礦物的形式廣泛分布于巖漿巖、中高級(jí)變質(zhì)巖和沉積巖中。金紅石中元素的類(lèi)質(zhì)同象替代非常普遍，和Ti4+離子價(jià)態(tài)及半徑相近的微量元素(如W6+、U6+、U4+、Nb5+、Sb5+、Ta5+、Zr4+、Hf4+、V3+、Cr3+、Fe3+、Fe2+、Y3+等)可以大量進(jìn)入金紅石晶格。由于這些元素的地球化學(xué)屬性不同，所以它們?cè)诮鸺t石中含量和價(jià)態(tài)的變化可以為寄主巖石的成分、變質(zhì)條件和地質(zhì)演化過(guò)程提供重要信息[1-4]。目前，金紅石的微量元素和同位素研究被廣泛用來(lái)探討板片俯沖和折返過(guò)程中熔體/流體性質(zhì)和活動(dòng)[5-11]、高Nb/Ta值地球化學(xué)儲(chǔ)庫(kù)[12-14]、Nb和Cr源區(qū)示蹤及原巖類(lèi)型[15-19]、Zr含量溫度計(jì)[20-25]、U-Pb和Lu-Hf同位素年代學(xué)[26-29]等，是一個(gè)具有廣泛應(yīng)用前景的地球化學(xué)“信息庫(kù)”[30]。

近年來(lái)，隨著超高壓變質(zhì)作用研究的深入，金紅石中Si含量與形成壓力的關(guān)系引起了關(guān)注[31-34]。最初，Schulze報(bào)道南非金伯利巖巖筒中的金紅石含有0.25%～0.29%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SiO2[31]；隨后，Yang等在中國(guó)西藏羅布莎蛇綠巖鉻鐵礦中首次發(fā)現(xiàn)硅-金紅石((Ti0.82Si0.18)O2)，其中SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為11%～15%[33]，據(jù)此推斷在地幔巖中可能存在SiO2類(lèi)質(zhì)同象替代TiO2的現(xiàn)象。但是，眾所周知，金紅石屬于四方晶系晶體，Ti4+在金紅石結(jié)構(gòu)中呈六次配位，與O2-構(gòu)成Ti—O四方雙錐。雖然Si4+和Ti4+化合價(jià)相同，但Si4+離子半徑(0.26×10-10m)遠(yuǎn)小于Ti4+(0.61×10-10m)，且以Si—O四次配位最為穩(wěn)定，因此，從理論上來(lái)說(shuō)，Si4+很難進(jìn)入六次配位陽(yáng)離子位置。然而在對(duì)超高壓變質(zhì)巖石的研究中發(fā)現(xiàn)，在極端高壓情況下，部分常見(jiàn)造巖礦物單位分子式中的Si含量明顯高于其理論值而出現(xiàn)超硅現(xiàn)象，如超硅石榴子石(Majorite)、超硅單斜輝石、超硅榍石和多硅白云母等[35-42]，表明在超高壓條件下，部分Si可以進(jìn)入六次配位陽(yáng)離子位置。

圖1 柴北緣構(gòu)造帶及魚(yú)卡河地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological Maps of the Northern Qaidam Orogenic Belt and Yukahe Area

天然超高壓變質(zhì)巖石中的含硅金紅石最早被報(bào)道于希臘Rhodope超高壓地體。Mposkos等發(fā)現(xiàn)在超高壓泥質(zhì)片麻巖的石榴子石中出溶針狀金紅石，且金紅石包體SiO2含量為0.43%，推測(cè)這可能是斯石英成分，并認(rèn)為這是高溫/超高壓(HT/UHP)的指示標(biāo)志[32]。但天然變質(zhì)巖石中斯石英稀缺，導(dǎo)致這一發(fā)現(xiàn)并未引起足夠重視。阿爾金含斯石英超高壓泥質(zhì)片麻巖和榴輝巖的發(fā)現(xiàn)表明，陸殼可以俯沖到斯石英穩(wěn)定域再折返地表[43-44]，金紅石中Si含量的問(wèn)題再次引起關(guān)注。朱柯等利用LA-ICP-MS方法測(cè)得大別—蘇魯超高壓榴輝巖中金紅石的Si含量普遍高于400×10-6，平均為874×10-6，并提出富硅金紅石可以作為超高壓變質(zhì)作用的礦物學(xué)標(biāo)志[34]。那么，超高壓變質(zhì)巖石中金紅石的Si含量是否與壓力有關(guān)？Si含量達(dá)到多少可以作為超高壓變質(zhì)的指標(biāo)？金紅石的Si含量與巖石類(lèi)型有無(wú)關(guān)系？為回答這些問(wèn)題，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇柴達(dá)木盆地北緣(簡(jiǎn)稱(chēng)“柴北緣”)魚(yú)卡河超高壓變質(zhì)地體的多硅白云母榴輝巖和共生的石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中的金紅石進(jìn)行詳細(xì)的礦物學(xué)和LA-ICP-MS原位微量元素研究，探討超高壓變質(zhì)金紅石中Si含量及其地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景和分析方法

1.1 地質(zhì)背景

柴北緣超高壓變質(zhì)帶呈NW向夾于柴達(dá)木板塊和祁連板塊之間(圖1)，主要由花崗片麻巖、長(zhǎng)英質(zhì)和泥質(zhì)副片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、大理巖以及呈透鏡狀或夾層狀產(chǎn)于圍巖片麻巖的高壓—超高壓變質(zhì)榴輝巖和石榴子石橄欖巖組成。魚(yú)卡河超高壓變質(zhì)地體位于柴北緣超高壓變質(zhì)帶的最西端，主要由花崗片麻巖、泥質(zhì)片麻巖、大理巖以及呈透鏡狀產(chǎn)于片麻巖中的榴輝巖組成。其中，榴輝巖以多硅白云母榴輝巖為主，另有少量細(xì)粒塊狀榴輝巖、滑石-藍(lán)晶石榴輝巖和硬柱石榴輝巖[45-47]。平衡礦物溫壓計(jì)和相平衡計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)榴輝巖和圍巖泥質(zhì)片麻巖以及大理巖都經(jīng)歷了順時(shí)針壓力(P)-溫度(T)演化軌跡，其中多種類(lèi)型榴輝巖的研究揭示峰期變質(zhì)條件達(dá)到柯石英穩(wěn)定域[45-52]，是大陸深俯沖作用的產(chǎn)物，峰期變質(zhì)時(shí)代為443～430 Ma的早古生代[46-49,53-56]。

本文研究的金紅石樣品采自柴北緣?mèng)~卡河超高壓變質(zhì)地體中的多硅白云母榴輝巖以及共生/伴生的石榴角閃鈉長(zhǎng)巖。在剖面上,兩者呈互層狀或穿插產(chǎn)出，共同構(gòu)成一個(gè)大透鏡體被包裹于花崗質(zhì)片麻巖中(圖2)。

圖2 多硅白云母榴輝巖和石榴角閃鈉長(zhǎng)巖的野外產(chǎn)狀Fig.2 Field Occurrences of Phengite Eclogite and Garnet Amphibole Albitite

多硅白云母榴輝巖的主要礦物組成為石榴子石(體積分?jǐn)?shù)為20%～40%)、綠輝石(30%～40%)、多硅白云母(約10%)、角閃石(5%～15%)、金紅石(<1%)和石英(<1%～5%)。變質(zhì)作用研究表明巖石經(jīng)歷了進(jìn)變質(zhì)→峰期變質(zhì)→退變質(zhì)的順時(shí)針P-T演化軌跡，其中峰期溫壓條件(壓力為3.0～3.4 GPa，溫度為620 ℃～680 ℃)達(dá)到柯石英穩(wěn)定域，之后又經(jīng)歷了升溫降壓(2.3～2.4 GPa、700 ℃～720 ℃)的退變質(zhì)疊加改造[45]。榴輝巖石榴子石中柯石英包體的發(fā)現(xiàn)[57]為該巖石經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用提供了更直接的礦物學(xué)證據(jù)。在該巖石的局部可見(jiàn)到由多硅白云母、石榴子石、石英、金紅石和少量角閃石組成的微細(xì)脈體，與榴輝巖呈過(guò)渡關(guān)系(圖3)。

Grt為石榴子石；Omp為綠輝石；Phn為多硅白云母；Amp為角閃石；Pl為斜長(zhǎng)石；Qtz為石英圖3 多硅白云母榴輝巖及其中的微細(xì)脈體Fig.3 Phengite Eclogite and Microveins in It

石榴角閃鈉長(zhǎng)巖主要由石榴子石(體積分?jǐn)?shù)為25%～30%)、鈉長(zhǎng)石(30%～35%)、角閃石(5%～10%)、多硅白云母(約10%)、黑云母(5%～10%)、石英(約15%)及少量副礦物(金紅石、綠簾石、磷灰石等)組成。該巖石的鋯石包體中石榴子石、綠輝石、多硅白云母和金紅石等礦物的出現(xiàn)，鋯石重稀土元素虧損、無(wú)Eu負(fù)異常的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式，以及年代學(xué)研究得到的和榴輝巖一致的峰期變質(zhì)年齡(431 Ma[53，58])等特征，共同指示該石榴角閃鈉長(zhǎng)巖至少經(jīng)歷了榴輝巖相變質(zhì)作用。最近，本課題組利用變質(zhì)相平衡計(jì)算方法，獲得了其順時(shí)針P-T演化軌跡，峰期變質(zhì)溫壓條件為2.85～2.95 GPa和653 ℃～686 ℃(未發(fā)表)，進(jìn)一步證實(shí)該巖石與鄰近的多硅白云母榴輝巖共同經(jīng)歷了早古生代超高壓變質(zhì)作用。

詳細(xì)的礦物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，多硅白云母榴輝巖中的金紅石多呈自形—半自形短柱狀或粒狀，粒度為50～1 200 μm。根據(jù)金紅石的產(chǎn)狀、礦物共生組合及前人對(duì)魚(yú)卡河超高壓變質(zhì)金紅石成因的研究成果[59-60]，可將巖石中的金紅石區(qū)分為4種類(lèi)型：第一類(lèi)(A類(lèi))金紅石為榴輝巖峰期礦物石榴子石、綠輝石和多硅白云母的核部包體[圖4(a)～(c)]；第二類(lèi)(B類(lèi))金紅石以粒間礦物的形式與石榴子石、綠輝石和多硅白云母共生[圖4(d)]或作為石榴子石幔部+邊部包體產(chǎn)出；第三類(lèi)(C類(lèi))金紅石與綠輝石退變質(zhì)形成的角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶共生，這類(lèi)金紅石顆粒的邊部常見(jiàn)榍石退變邊，部分顆粒中還含有角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶、黑云母、鈉長(zhǎng)石等顯微礦物包體[圖4(e)、(f)]；第四類(lèi)(D類(lèi))金紅石產(chǎn)于榴輝巖的多硅白云母+石英+斜長(zhǎng)石+角閃石+石榴子石微細(xì)脈體中，這類(lèi)金紅石粒度相對(duì)較大(200～1 000 μm)，呈自形—半自形短柱狀與石英、多硅白云母、角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶、角閃石共生[圖4(g)、(h)]。石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中的金紅石呈自形—半自形短柱狀，粒度普遍較小(約50 μm)，主要作為石榴子石、角閃石、多硅白云母和鈉長(zhǎng)石的包體產(chǎn)出(圖5)。

Ilm為鈦鐵礦；Rt為金紅石；Bt為黑云母；Ab為鈉長(zhǎng)石圖4 多硅白云母榴輝巖中金紅石的產(chǎn)出狀態(tài)Fig.4 Occurrences of Rutiles in Phengite Eclogite

圖5 石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中金紅石的產(chǎn)出狀態(tài)Fig.5 Occurrences of Rutiles in Garnet Amphibole Albitite

1.2 分析方法

金紅石微量元素分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的LA-ICP-MS儀上完成。儀器為Hewlett Packard公司的Agilent 7500a型ICP-MS、Lambda Physick公司的ComPex102準(zhǔn)分子激光器以及MicroLas公司的Geolas 200M光學(xué)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)。激光束斑直徑為48 μm，頻率為10 Hz，單個(gè)元素分析測(cè)試時(shí)間為20 ms，分析元素有Si、Ti、Ca、V、Cr、Fe、Zr、Nb、Hf、Ta、W、Pb、Th、U。

在LA-ICP-MS分析過(guò)程中，Si信號(hào)容易受空氣中N2、CO等其他氣體的干擾，因此，為確保金紅石Si含量的可信度，參考朱柯等的實(shí)驗(yàn)方法[34]，通過(guò)對(duì)樣品倉(cāng)進(jìn)行3～5次抽真空和氬氣吹掃等方法，降低本底29Si的信號(hào)計(jì)數(shù)。另外，為避免金紅石中可能含有的顯微硅酸鹽礦物包體(如鋯石、榍石、石榴子石、綠輝石等礦物)對(duì)金紅石Si含量的影響，在分析過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)控Ca、Si、Zr等元素。同時(shí)，為探討金紅石生長(zhǎng)過(guò)程中Si含量的變化，盡可能在每種產(chǎn)狀中挑選大顆粒金紅石進(jìn)行核部到邊部的多點(diǎn)分析。微量元素含量計(jì)算以硅酸鹽玻璃NIST610為外標(biāo)，以金紅石Ti含量(TiO2含量)為內(nèi)標(biāo)，數(shù)據(jù)處理采用GLITTER Ver4.0程序。詳細(xì)分析方法和實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)文獻(xiàn)[61]。

2 結(jié)果分析

本次對(duì)分離自多硅白云母榴輝巖和石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中不同產(chǎn)狀的金紅石進(jìn)行了系統(tǒng)的微量元素分析。為詳細(xì)探討金紅石中微量元素隨壓力的變化，在分析過(guò)程中，在粒度大小允許的條件下對(duì)同一金紅石顆粒進(jìn)行了從核部到邊部的多點(diǎn)分析。由于多硅白云母榴輝巖中石榴子石核部包體金紅石、石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中石榴子石及角閃石中包體金紅石的粒度過(guò)小，未得到有效數(shù)據(jù)。最終得到的153個(gè)分析結(jié)果中剔除Si、Ca含量過(guò)高的異常點(diǎn)之后，剩余有效分析點(diǎn)為102個(gè)，分析結(jié)果見(jiàn)表1、2。

2.1 多硅白云母榴輝巖

多硅白云母榴輝巖中金紅石的Si含量總體為(327～2 397)×10-6，但金紅石中Si絕對(duì)含量及單顆粒金紅石中Si成分環(huán)帶在不同類(lèi)型金紅石中存在規(guī)律變化(表1、圖6)。其中，A類(lèi)金紅石中Si含量相對(duì)較低，僅為(342～659)×10-6，平均為465×10-6，且從核部(A核)到邊部(A邊)，Si含量總體呈增加趨勢(shì)[圖6和圖7(a)、(b)]；B類(lèi)金紅石中Si含量在所有類(lèi)型中最高，為(450～2 397)×10-6，平均為952×10-6，而且從核部(B核)到邊部(B邊)，Si含量繼續(xù)保持增加趨勢(shì)，在邊部達(dá)到最高(2 397×10-6)[圖6和圖7(c)～(h)]；C類(lèi)金紅石中Si含量為(327～1 476)×10-6，平均為726×10-6，而且其核部(C核)Si含量低于B類(lèi)金紅石的邊部Si含量，并向邊部(C邊)繼續(xù)降低[圖6和圖8(a)～(f)]；D類(lèi)金紅石中Si含量為(426～1 203)×10-6，平均為674×10-6，其核部(D核)與C類(lèi)金紅石的邊部Si含量相似，向邊部(D邊)呈減少趨勢(shì)[圖6和圖8(g)～(l)]，但總體高于A類(lèi)金紅石。

2.2 石榴角閃鈉長(zhǎng)巖

石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中的金紅石主要以包體形式產(chǎn)于石榴子石、角閃石、鈉長(zhǎng)石和多硅白云母中(圖5)。由于石榴子石和角閃石中包體金紅石的粒度較小，在分析過(guò)程中很容易打到寄主礦物，所以未得到有效數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)主要來(lái)自于多硅白云母和鈉長(zhǎng)石中包體金紅石，且由于金紅石粒度普遍較小(約50 μm)，未進(jìn)行核部、邊部區(qū)分。從表2可以看出，石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中金紅石中Si含量((685～3 910)×10-6)明顯高于多硅白云母榴輝巖中的金紅石((327～2 397)×10-6)。其中，多硅白云母包體金紅石中Si含量相對(duì)穩(wěn)定，(1 018～2 741)×10-6，平均為1 924×10-6；鈉長(zhǎng)石包體金紅石中Si含量變化較大，最低只有685×10-6，最高可達(dá)3 910×10-6，平均為1 761×10-6。

表1 多硅白云母榴輝巖中金紅石的微量元素分析結(jié)果Tab.1 Analysis Results of Trace Elements of Rutiles in Phengite Eclogite

續(xù)表1

注：b.d.表示低于檢測(cè)下限。

3 討 論

3.1 金紅石中Si含量與壓力的關(guān)系

已有研究表明，柴北緣?mèng)~卡河超高壓變質(zhì)地體中多硅白云母榴輝巖經(jīng)歷了順時(shí)針P-T演化軌跡。其中石榴子石核部成分和核部包體形成于進(jìn)變質(zhì)角閃巖相階段；石榴子石幔部成分和幔部包體代表了早期榴輝巖相階段，峰期榴輝巖相以石榴子石邊部和基質(zhì)綠輝石及多硅白云母核部為代表，形成于超高壓變質(zhì)階段；之后進(jìn)入升溫降壓的早期退變質(zhì)階段，以石榴子石最邊部、基質(zhì)綠輝石及多硅白云母邊部和鎂紅閃石為代表，形成于角閃榴輝巖相條件[45]。從上述多硅白云母榴輝巖中4類(lèi)金紅石的產(chǎn)狀及其Si含量特征，以及每種類(lèi)型單顆粒金紅石的核部和邊部Si含量變化(圖6～8)可以看出，多硅白云母榴輝巖中金紅石的Si含量與壓力呈現(xiàn)了很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。A類(lèi)金紅石主要作為石榴子石、綠輝石和多硅白云母核部的包體產(chǎn)出，應(yīng)形成于進(jìn)變質(zhì)階段，該類(lèi)金紅石中Si含量最低，平均為465×10-6，其核部Si含量?jī)H為(342～360)×10-6，向邊部呈升高趨勢(shì)，個(gè)別分析點(diǎn)Si含量達(dá)到659×10-6；B類(lèi)金紅石與峰期礦物石榴子石、多硅白云母和綠輝石共生，或作為石榴子石幔部及邊部的包體產(chǎn)出，應(yīng)形成在峰期變質(zhì)階段，其Si含量在這4類(lèi)金紅石中最高，尤其是邊部分析點(diǎn)的Si含量可達(dá)2 397×10-6(圖6)，平均為1 008×10-6；C類(lèi)金紅石主要與綠輝石分解形成的角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶共生，在個(gè)別顆粒內(nèi)部可見(jiàn)角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶甚至鈉長(zhǎng)石的顯微包體[圖4(e)、(f)]，指示其應(yīng)形成于峰期之后的退變質(zhì)階段，而且C類(lèi)金紅石核部的Si含量低于B類(lèi)邊部，并向C類(lèi)邊部繼續(xù)降低(圖6)；D類(lèi)金紅石比較特殊，產(chǎn)于榴輝巖中的多硅白云母+石英的微細(xì)脈體，與石英、角閃石、角閃石+斜長(zhǎng)石后成合晶和多硅白云母共生[圖4(g)、(h)]。D類(lèi)金紅石中Ta含量相對(duì)較高((83.7～205.0)×10-6)，Nb/Ta值(6.66～12.60)明顯低于A～C類(lèi)金紅石中Nb/Ta值(15.10～23.40)(表1)，指示D類(lèi)金紅石的形成與變質(zhì)流體有關(guān)[62-64]；依據(jù)微細(xì)脈體中多硅白云母單位分子式的Si值(3.47～3.48，未發(fā)表)與寄主超高壓榴輝巖中多硅白云母的Si值(3.49～3.52[45])極為相近，暗示這些微細(xì)脈體形成于峰期或峰期稍后的早期變質(zhì)階段，與超高壓變質(zhì)階段的超臨界流體有關(guān)[65]；D類(lèi)金紅石核部的Si含量與C類(lèi)邊部相近，且從核部向邊部呈降低趨勢(shì)(圖6)。

表2 石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中金紅石的微量元素分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Trace Element of Rutiles in Garnet Amphibole Albitite

注：b.d.表示低于標(biāo)測(cè)下限

w(·)為元素含量；橫坐標(biāo)中，“A核”表示A類(lèi)金紅石核部，“A邊”表示A類(lèi)金紅石邊部，其他以此類(lèi)推圖6 多硅白云母榴輝巖中金紅石的Si含量分布Fig.6 Distribution of Si Contents of Rutiles in Phengite Eclogite

已有研究認(rèn)為，在Si飽和條件下(體系中含有石英和鋯石)，金紅石中Zr含量強(qiáng)烈受控于溫度，并由此提出了金紅石的Zr含量溫度計(jì)[20-23]。本文不同類(lèi)型金紅石中Zr含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)表明，從進(jìn)變質(zhì)的A類(lèi)到峰期變質(zhì)的B類(lèi)，再到早期退變質(zhì)的C類(lèi)+D類(lèi)，金紅石中對(duì)應(yīng)的Zr含量平均值依次為130×10-6、139×10-6、141×10-6和140×10-6，總體顯示升高趨勢(shì)，與各變質(zhì)階段溫度升高相吻合，也支持本文對(duì)金紅石不同變質(zhì)階段的劃分。也就是說(shuō)，超高壓變質(zhì)多硅白云母榴輝巖中金紅石的Si含量與變質(zhì)壓力成正相關(guān)關(guān)系：在進(jìn)變質(zhì)階段，隨著壓力的升高，金紅石中Si含量平均值從A類(lèi)的核部(351×10-6)到邊部(510×10-6)，再?gòu)腂類(lèi)的核部(773×10-6)到邊部(1 008×10-6)，持續(xù)升高；在B類(lèi)超高壓峰期金紅石的邊部達(dá)到最高之后，隨著變質(zhì)壓力的降低，形成于退變質(zhì)階段的C類(lèi)+D類(lèi)金紅石中，Si含量從核部(分別為805×10-6和766×10-6)向邊部(分別為667×10-6和638×10-6)又呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)(圖6)。

金紅石中Ti配位數(shù)是6。富硅金紅石中硅是否以六次配位的形式替代Ti的位置目前還存在不同認(rèn)識(shí)，但越來(lái)越多的高溫高壓實(shí)驗(yàn)揭示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力超過(guò)9～10 GPa范圍時(shí)，Si—O四面體會(huì)向Si—O八面體轉(zhuǎn)變，石英會(huì)從柯石英依次轉(zhuǎn)變?yōu)樗故ⅰaCl2型SiO2、α-PbO2型SiO2等高壓同質(zhì)多相體[66-68]。其中，斯石英的Si呈六次配位，具有金紅石型結(jié)構(gòu)。由于本文研究的魚(yú)卡河超高壓變質(zhì)多硅白云母榴輝巖的峰期變質(zhì)壓力(3.0～3.4 GPa[45])遠(yuǎn)低于9～10 GPa范圍的實(shí)驗(yàn)壓力，僅達(dá)到柯石英的穩(wěn)定域，所以不可能形成獨(dú)立的斯石英，但卻可以像大別—蘇魯超高壓榴輝巖一樣形成富硅金紅石[34]。朱柯等對(duì)大別—蘇魯超高壓榴輝巖中金紅石的Si含量進(jìn)行研究，提出富硅金紅石可以作為超高壓變質(zhì)作用的礦物學(xué)標(biāo)志，并將富硅金紅石中Si含量的下限定為400×10-6[34]，該結(jié)論與本文分析結(jié)果(表1)基本一致。但如果考慮到魚(yú)卡河超高壓變質(zhì)多硅白云母榴輝巖中4種類(lèi)型金紅石中只有B類(lèi)金紅石真正形成于超高壓峰期變質(zhì)階段，那么從本文及大別—蘇魯榴輝巖中超高壓變質(zhì)金紅石的Si含量(圖9)可以看出，除個(gè)別核部分析點(diǎn)的Si含量稍低(450×10-6)之外，B類(lèi)金紅石中Si含量均超過(guò)500×10-6，因此，500×10-6的Si含量可以作為多硅白云母榴輝巖中金紅石經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用的指標(biāo)。

3.2 金紅石中Si含量與巖石類(lèi)型的關(guān)系

本文研究的另一個(gè)樣品石榴角閃鈉長(zhǎng)巖在野外與多硅白云母榴輝巖呈互層狀或穿插產(chǎn)出。巖相學(xué)研究表明該巖石中的石榴子石也具有進(jìn)變質(zhì)成分環(huán)帶，且經(jīng)歷了順時(shí)針P-T演化軌跡。詳細(xì)的巖相學(xué)研究結(jié)合變質(zhì)相平衡計(jì)算，揭示該巖石的峰期礦物組合為石榴子石+綠輝石+多硅白云母+金紅石±柯石英，峰期變質(zhì)溫壓條件為2.85～2.95 GPa和653 ℃～686 ℃(未發(fā)表)，與鄰近的多硅白云母榴輝巖峰期變質(zhì)條件(3.0～3.4 GPa、620 ℃～680 ℃[45])在誤差范圍內(nèi)近乎一致。結(jié)合這兩種巖石一致的峰期變質(zhì)年齡(多硅白云母榴輝巖為436 Ma，石榴角閃鈉長(zhǎng)巖為431 Ma[53])，說(shuō)明它們共同經(jīng)歷了同一期超高壓變質(zhì)作用[53]。

橫坐標(biāo)中，“核”表示核部，“幔”表示幔部，“邊”表示邊部；實(shí)心點(diǎn)為核部Si含量，空心點(diǎn)為幔部或邊部Si含量；各子圖中的照片為L(zhǎng)A-ICP-MS原位微量元素分析點(diǎn)位置示意圖7 多硅白云母榴輝巖中A類(lèi)和B類(lèi)金紅石Si含量分布Fig.7 Distributions of Si Contents for Types A and B of Rutiles in Phengite Eclogite

雖然石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中也存在多種類(lèi)型的金紅石，但由于金紅石顆粒細(xì)小，目前僅在多硅白云母和鈉長(zhǎng)石包體金紅石中得到了有效數(shù)據(jù)(表2)。從表2可以看出，石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中金紅石的Si含量為(685～3 910)×10-6，平均為1 808×10-6，明顯高于相鄰的多硅白云母榴輝巖((327～2 397)×10-6，平均為762×10-6)。為了探討金紅石中Si含量是否受除壓力以外的其他因素影響，本文選擇兩種巖石中峰期階段的金紅石進(jìn)行對(duì)比討論。從巖石礦物組合可知，多硅白云母為石榴角閃鈉長(zhǎng)巖的峰期變質(zhì)礦物，其核部的金紅石包體可能形成于進(jìn)變質(zhì)階段，也可能形成于峰期變質(zhì)階段。運(yùn)用Tomkins等給出的金紅石Zr含量溫度計(jì)[23]，取寄主巖石石榴角閃鈉長(zhǎng)巖峰期變質(zhì)壓力(2.85～2.95 GPa，未發(fā)表)計(jì)算，得到多硅白云母包體金紅石的形成溫度為640 ℃～674 ℃，與利用相平衡計(jì)算得到的寄主巖石峰期變質(zhì)溫度(653 ℃～686 ℃，未發(fā)表)一致，說(shuō)明石榴角閃鈉長(zhǎng)巖的多硅白云母中包體金紅石應(yīng)該形成于峰期變質(zhì)條件。

橫坐標(biāo)中，“核”表示核部，“?！北硎踞２?，“邊”表示邊部；實(shí)心點(diǎn)為核部Si含量，空心點(diǎn)為幔部或邊部Si含量；各子圖中的照片為L(zhǎng)A-ICP-MS原位微量元素分析點(diǎn)位置示意圖8 多硅白云母榴輝巖中C類(lèi)和D類(lèi)金紅石Si含量分布Fig.8 Distributions of Si Contents for Types C and D of Rutiles in Phengite Eclogite

從表2可以看出，多硅白云母中包體金紅石的Si含量為(1 018～2 741)×10-6，也就是說(shuō)，石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中富硅金紅石的Si含量下限最低也應(yīng)該是1 000×10-6，明顯高于共生的多硅白云母榴輝巖中富硅金紅石的Si含量(主體大于500×10-6)。在變質(zhì)條件相同的情況下，能夠?qū)е聝煞N巖石中金紅石的Si含量出現(xiàn)明顯差異的原因應(yīng)該考慮全巖成分，尤其是全巖SiO2和TiO2含量。對(duì)比兩種巖石的全巖成分，多硅白云母榴輝巖的全巖SiO2含量為45.2%～46.7%，TiO2含量為2.19%～2.94%[52]，石榴角閃鈉長(zhǎng)巖的全巖SiO2含量為50.5%～60.4%，TiO2含量為1.01%～1.43%(未發(fā)表)，后者明顯高Si、低Ti。因此，本文認(rèn)為超高壓變質(zhì)巖石中金紅石的Si含量除受變質(zhì)壓力控制外，很可能還與全巖SiO2和TiO2含量有關(guān)。在相同的超高壓變質(zhì)壓力條件下，SiO2含量越高、TiO2含量越低的巖石，其金紅石中Si含量越高。這與劉良等依據(jù)高溫高壓實(shí)驗(yàn)得到的超高壓變質(zhì)巖石中超硅石榴子石所指示的形成壓力在不同類(lèi)型巖石中存在差異的結(jié)果[69]一致。在實(shí)驗(yàn)中，榴輝巖中超硅石榴子石的形成壓力不低于5 GPa，而超高壓長(zhǎng)英質(zhì)巖石中的壓力不低于9 GPa時(shí)，才會(huì)形成超硅石榴子石[69]。因此，在探討超高壓變質(zhì)巖石中金紅石的Si含量與壓力的關(guān)系時(shí)也需考慮寄主巖石的SiO2和TiO2含量。

大別—蘇魯榴輝巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[34]圖9 魚(yú)卡河及大別—蘇魯榴輝巖中超高壓變質(zhì)金紅石Si-Zr圖解Fig.9 Diagram of Si-Zr for UHPM Rutiles in Yukahe and Eclogites in Dabie-Sulu Orogenic Belt

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)應(yīng)用LA-ICP-MS原位微量元素分析技術(shù)對(duì)柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡河超高壓多硅白云母榴輝巖及共生的石榴角閃鈉長(zhǎng)巖中金紅石的Si含量進(jìn)行定量分析，結(jié)合寄主巖石的變質(zhì)作用研究，認(rèn)為多硅白云母榴輝巖中金紅石的Si含量與壓力有關(guān)，金紅石中Si含量大于500×10-6可作為寄主榴輝巖經(jīng)歷超高壓變質(zhì)作用的參考指標(biāo)。

(2)超高壓變質(zhì)金紅石中Si含量受全巖成分控制。在同等壓力條件下，全巖成分中SiO2含量越高、TiO2含量越低的巖石，其金紅石中Si含量越高。