石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成.pdf
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1、书书书 ():岩石学报 :朱丽群,秦克章,赵俊兴等 石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成 岩石学报,():,:石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成朱丽群,秦克章,赵俊兴,李俊瑜何畅通赵永能,刘宇超,中国科学院矿产资源研究重点实验室,中国科学院地质与地球物理研究所,北京 中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 ,收稿,改回 ,():,:,(),();摘要东西向延伸近 的高喜马拉雅淡色花岗岩带不仅是新生代印度 欧亚板块碰撞的产物,同时也与多种稀有金属矿床密切相关。近期,在高喜马拉雅中部的错热地区发现了多条锂辉石伟晶岩脉,为研究该地区岩浆分异演化过程、探索错热地区
2、锂辉石伟晶岩成岩成矿时限提供了新材料。本文对该地区各类型淡色花岗岩及锂辉石伟晶岩中的石榴子石进行电子探针和傅里叶变换红外光谱分析,研究表明:错热地区花岗岩 伟晶岩体系中石榴子石属于岩浆成因的铁铝榴石 锰铝榴石系列,且可能存在多种 取代机制;石榴子石主量元素及水含量记录了岩浆演化历程,水含量受 、影响;伴随岩性从石榴子石白云母花岗岩向锂辉石伟晶岩分异演化,石榴子石逐渐富锰、富水;在伟晶岩侵位后,还可能与围岩发生了混染本文受第二次青藏高原综合科学考察(、)、国家重点研发计划()和国家自然科学基金项目()联合资助第一作者简介:朱丽群,女,年,博士生,矿床学专业,:通讯作者:秦克章,男,年生,研究员,
3、从事造山带演化与成矿作用研究,:并发生了流体丢失,导致石榴子石边部贫锰、贫水。此外,石榴子石氢扩散模拟可用于限定伟晶岩形成时限,热模拟结果显示 宽的错热锂辉石伟晶岩脉自 侵位温度冷却至岩体中心温度低于 仅需 天,表明错热锂辉石伟晶岩冷却迅速,具有快速的形成速率。另外,石榴子石水含量与 ()值呈正相关关系,高水含量()的锰铝榴石可能是喜马拉雅伟晶岩 矿化的潜在指示标志。关键词石榴子石;水;扩散模型;错热锂辉石伟晶岩;高喜马拉雅淡色花岗岩中图法分类号 ;稀有金属是发展航空航天和新能源产业的紧缺关键金属,而锂更是被誉为“白色石油”。随着我国对稀有金属资源的需求持续增长,开展稀有金属富集 成矿机制和找
4、矿勘查尤为重要。在东西向延伸近 的喜马拉雅造山带中,广泛发育不同时代和不同矿物组合的淡色花岗岩,这些淡色花岗岩具有巨大的稀有金属成矿潜力。近年来矿产地质调查取得了重要突破,例如发现了错那洞铍 锡大型矿床(,;,;李光明等,)、夏如穹窿的 矿化(谢磊等,)、琼嘉岗超大型伟晶岩型锂矿床(秦克章等,;赵俊兴等,)、库曲伟晶岩型锂矿床(周起凤等,)、热曲锂辉石伟晶岩(刘小驰等,)、嘎波伟晶岩型锂矿床(李光明等,;付建刚等 ;郭伟康等,)等。之前学者先后在错热地区发现锂辉石伟晶岩转石(,;吴福元等,)。年秦克章研究员团队在琼嘉岗首次发现超大型伟晶岩型锂矿床(秦克章等,;赵俊兴等,),年该团队在琼嘉岗西南
5、方向的错热地区发现多条锂辉石伟晶岩脉。错热地区岩浆分异演化过程和锂辉石伟晶岩的成岩成矿时限亟待研究。花岗伟晶岩作为稀有金属的重要载体,通常发育有粗大的晶体,因此伟晶岩的结晶被认为是平衡状态下的缓慢冷却过程(,;,),但前人的热模拟计算结果表明伟晶岩的形成时间仅需要几天到几百年的时间(,;,;,;,;,),这么短的时限难以用常规的定年手段来限制。石榴子石作为广泛分布在各类伟晶岩和淡色花岗岩之中的副矿物,是记录岩浆演化过程中元素地球化学行为的重要载体矿物(,;,;,;,;,;,;秦克章等,;姜鹏飞等,),可以有效记录淡色花岗岩 伟晶岩体系岩浆演化过程中物理化学条件变化信息(,;,),反映物质来源和
6、矿床成因等信息(,;,;,)。此外,石榴子石的元素扩散还可用于限定地质事件的时间尺度和速率(,;,;程昊,;邹屹等,)。错热地区露头完好,出露有从二云母花岗岩到锂辉石伟晶岩一系列岩体,石榴子石在其中广泛分布。因此本文针对不同演化程度的淡色花岗岩及伟晶岩中石榴子石开展主量元素及水含量的变化规律的研究,旨在揭示石榴子石中主量元素成分及水含量变化对淡色花岗岩及伟晶岩分异演化程度的指示作用,并尝试使用石榴子石中氢扩散剖面来限定成矿时限。地质背景喜马拉雅造山带位于青藏高原南部,北侧以雅鲁藏布江缝合线为界与拉萨地块相邻,南侧与印度板块之间由主前缘逆冲断裂分割(,)。依据藏南拆离系、主中央逆冲断层和主边界逆
7、冲断层,喜马拉雅地区自北向南依次划分为特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和次喜马拉雅(,;潘桂棠等,)。新生代喜马拉雅淡色花岗岩总体沿着喜马拉雅造山带的走向分布(图 ),由北侧的特提斯喜马拉雅花岗岩带与南侧的高喜马拉雅花岗岩带组成(,;,;,;吴福元等,)。()在 ()的构造演化格架基础上,将喜马拉雅淡色花岗岩划分为三个阶段:始喜马拉雅()、新喜马拉雅()和后喜马拉雅()。()认为始新世早期()和始新世晚期()的岩浆岩类型和产状具有较大差异,构造背景不一致,因此将喜马拉雅淡色花岗岩进一步细分为 个阶段:始新世早期()、始新世晚期 渐新世早期()、渐新世晚期 中新世中期()、中新世晚期()和
8、中新世晚期 上新世 更新世()。除东西构造结外,特提斯喜马拉雅淡色花岗岩年龄跨度在 之间(,;吴福元等,;,),高喜马拉雅淡色花岗岩年龄集中分布在 之间(吴福元等,;,;,)。本次研究的错热地区位于高喜马拉雅的中部,距离琼嘉岗超大型伟晶岩锂矿西南约 (秦克章等,;赵俊兴等,)。区域内,淡色花岗岩体侵位于藏南拆离系下盘的高喜马拉雅结晶岩系中(图 ),主要为电气石白云母花岗岩,也可见二云母花岗岩、电气石二云母花岗岩和石榴子石白云母花岗岩,局部可见电气石二云母花岗岩穿切电气石白云母花岗岩(图 );伟晶岩或呈囊状体侵位于高喜马拉雅结晶岩系中(图 ),或呈岩脉穿切淡色花岗岩,或与淡色花岗岩呈渐变过渡关系
9、,伟晶岩类型多样,单个伟晶岩脉呈现 岩石学报 ,():图 喜马拉雅淡色花岗岩分布示意图(据王汝成等,;刘志超等,;刘小驰等,;赵俊兴等,修改)(,;,;,)图 珠峰地区地质简图(据 ,;刘小驰等,修改)(,)多个结构分带(图 ),也有的为弱分带或无分带(图 )。在海拔 处,数十条锂辉石伟晶岩呈透镜状侵位于钙质千枚岩地层中(图 ),最宽可达 。样品描述及研究方法 样品描述本次研究针对错热地区不同类型的花岗岩和伟晶岩样朱丽群等:石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成表 错热地区花岗岩和伟晶岩样品特征及石榴子石产状 样品号岩性矿物比例石榴子石形态特征二云母花岗岩石英()、碱性长石()
10、、斜长石()、白云母()、黑云母(),副矿物有电气石、磷灰石、锆石、独居石等石榴子石罕见电气石二云母花岗岩石英()、碱性长石()、斜长石()、白云母()、黑云母()、电气石(),副矿物有石榴子石、磷灰石、锆石、独居石等石榴子石多为半自形,粒径介于 ,裂隙发育,多见包裹体电气石白云母花岗岩石英()、碱性长石()、斜长石()、白云母()、电气石(),副矿物有石榴子石、磷灰石、锆石、独居石等石榴子石多为半自形,裂隙发育,包裹体较多 石榴子石白云母花岗岩石英()、碱性长石()、斜长石()、白云母()、石榴子石(),副矿物有电气石、磷灰石、绿柱石、锆石、铌钽铁锰矿、独居石等石榴子石数量相对较多,较为自形
11、,粒径在 左右,偶见包裹体 含石榴子石电气石条纹长石钠长石伟晶岩石英()、碱性长石()、钠长石()、白云母()、电气石(),副矿物有石榴子石()、磷灰石、绿柱石、锆石、铌钽铁锰矿、独居石等石榴子石较为自形,零星分布于白云母和造岩矿物之间,极少石榴子石具环带结构 含石榴子石绿柱石条纹长石钠长石伟晶岩石英()、碱性长石()、钠长石()、白云母()、绿柱石(),副矿物有电气石、石榴子石()、磷灰石、绿柱石、锆石、铌钽铁锰矿、独居石等石榴子石较为自形,粒径在 左右,裂隙较为发育 含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩石英()、碱性长石()、钠长石()、锂辉石()、透锂长石(),副矿物有电气石、石榴子石()、磷
12、灰石、锆石、铌钽铁锰矿、独居石、烧绿石等石榴子石较为自形,粒径在 左右,多见裂隙和包裹体,部分石榴子石具有环带结构 含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩石英()、碱性长石()、钠长石()、锂辉石()、透锂长石(),副矿物有电气石、石榴子石()、磷灰石、白云母、锆石、铌钽铁锰矿、独居石、烧绿石等石榴子石较为自形,粒径在 ,多见包裹体和裂隙,部分石榴子石具有环带结构品,包括石榴子石白云母花岗岩()和含石榴子石绿柱石条纹长石 钠长石伟晶岩(,样品来自于图 采样点 ),含 石 榴 子 石 电 气 石 条 纹 长 石 钠 长 石 伟 晶 岩()和含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩(、,样品来自于图 采样点 ,详细
13、特征见表 )。石榴子石白云母花岗岩主要矿物组成为石英()碱性长石()斜长石()石榴子石()白云母(),石榴子石多为半自形 自形,包裹体较少,粒径介于 (图 )。含绿柱石条纹长石 钠长石伟晶岩主要矿物组成为石英()碱性长石()斜长石()绿柱石()白云母(),副矿物包括电气石、石榴子石、磷灰石、锆石、独居石、铌钽铁锰矿、锡石等(图 ),石榴子石多为半自形 自形,包裹体较少,石榴子石偶见有环带结构。含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩主要矿物组成为石英()钾长石()斜 长 石()锂 辉 石()透锂长石(),副矿物包括电气石、石榴子石、磷灰石、锆石、独居石、锡石、铌钽铁锰矿、烧绿石等(图 ),石榴子石较为自
14、形,部分石榴子石可见环带结构。电子探针测试与分析电子探针成分分析在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室利用配备有 道波谱仪 电子探针完成。样品在上机测试之前先镀上尽量均匀的厚度约 的碳膜。详细的电子探针分析流程见(,)。测试工作条件为:加速电压 ,加速电流 ,束斑直径 。使用天然矿物或合成氧化物作为标样,石榴子石各元素具体标准物如下:硬玉(、)、硅灰石()、金红石()、赤铁矿()、氧化锰()、镁橄榄石()和磷灰石()。所有测试数据均进行了 校正处理。傅里叶变换红外光谱测试与分析石榴子石中水的测定在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室利用傅里叶变换
15、红外光谱分析。分析使用装配有 型红外显微镜的德国布鲁克 傅里叶变换红外光谱仪进行,测量时使用溴化钾分束器和液氮冷却的 检测器。使用非偏振光测量,检测的波数范围为 ,每分析 次样品前检测 次背景,样品及背景的扫描次数均为 次,分辨率为 ,挑选无包裹体和裂隙的干净区域进行测量,束斑大小为 。获取光谱后,利用 软件进行大气补偿,利用 软件进行红外图谱的校正,为减小人为误差,校正时保持积分区间一致。石榴子石水含量的计算使用 定律:岩石学报 ,():图 错热淡色花岗岩及伟晶岩野外露头照片()电气石二云母花岗岩穿切电气石白云母花岗岩中;()含绿柱石伟晶岩侵位于矽卡岩化钙质千枚岩中;()具多个结构分带的贫矿
16、伟晶岩;()锂辉石伟晶岩侵位于钙质千枚岩中 ();();();()(),其中 为水含量,单位为 ;代表吸收度,单位 ;代表样品厚度,由螺旋测微器测得,单位为 ;代表样品密度,单位为 ,取锰铝榴石密度 进行估算(,;,);代表石榴子石红外光谱积分摩尔吸收系数,来源于 ()。应用该公式的计算误差来自于样品厚度、吸收系数、积分面积和基线扣除。由于 、石榴子石基线容易确定,通过对少数代表性光谱进行若干次合理的基线拟合评估得到基线扣除测量水含量的不确定度 ;对于 和 石榴子石来说基线信号干扰严重,评估得到的基线扣除水含量的不确定度 ,因此没有进行更进一步的分析。石榴子石吸收系数受石榴子石成分和红外吸收峰
17、的位置影响存在一定的变化范围,根据最新的研究,富 石榴子石和富 石榴子石与其他组分的石榴子石的吸收系数存在数量级的差异(,),且本文计算水含量的石榴子石较为靠近锰铝榴石端元,因此选择富 石榴子石的吸收系数 进行估算。每个光谱测量得到的水含量总相对误差为 。热力学模拟及扩散模拟热力学模拟使用有限元程序 ,使用热传导冷却模型模拟伟晶岩侵位后的热力史(,)。由于错热地区伟晶岩大多呈透镜体侵位于钙质千枚岩地层中,根据图 绘进行热传导模拟,伟晶岩初始温度设置为 ,对应的热传导率为 ,热容为 ,密度为 (,),压 力 设 置 为 (,;,),对应的深度为 ,地温梯度设置为 ,则围岩温度约为 ,围岩热传导率
18、为 ,密度为 ,热容为 (,)。设置 的网格,单元长度为 ,计算时间朱丽群等:石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成图 错热淡色花岗岩及伟晶岩镜下显微照片特征()电气石白云母花岗岩;()含石榴子石绿柱石条纹长石 钠长石伟晶岩;()石榴子石白云母花岗岩;()含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩 钠长石;绿柱石 石榴子石;钾长石;白云母;斜长石;透锂长石;石英;锂辉石;电气石 ();();();();图 错热地区各类型花岗岩和伟晶岩中石榴子石三角分类图解 锰铝榴石;铁铝榴石;镁铝榴石;钙铝榴石 ;步长为 。扩散剖 面 使 用 软 件 进 行 拟 合(,),扩散系数选择 ()通过天然石榴子
19、石的氢扩散实验得到的阿伦尼乌斯关系式:()()其中,是通用气体常数,是扩散的起始温度(),为扩散速率。估算扩散时限时,初始温度设置为 ,根据热模拟结果(结果见下文)将冷却速率设置为 。结果 石榴子石主量元素特征错热花岗岩及伟晶岩中的石榴子石具有类似的 岩石学报 ,():图 错热地区花岗岩和伟晶岩中石榴子石端元组分变化特征 朱丽群等:石榴子石中的“水”揭示喜马拉雅错热锂辉石伟晶岩快速形成表 错热地区花岗岩及伟晶岩石榴子石主量元素分析结果()()测点号 测点数 均值均值均值均值均值均值均值均值 注:含量根据傅里叶变换红外光谱分析结果得到图 错热地区花岗岩和伟晶岩中石榴子石代表性红外吸收光谱(吸收度
20、归一化至 厚度)()()、()和 (),端元组分以铁铝榴石()和锰铝榴石()为主(表),属于铁铝榴石 锰铝榴石固溶体系列(图 ),还有少量钙铝榴石()和镁铝榴石()组分。石榴子石中 含量此消彼长且具有一定演化规律:从石榴子石白云母花岗岩、条纹长石钠长石伟晶岩到锂辉石伟晶岩,石榴子石中铁铝榴石组分下降,锰铝榴石组分上升(图 )。石榴子石中 含量较少,变化较小,无明显规律,石榴子石白云母花岗岩和条纹长石 钠长石伟晶岩中石榴子石的铁铝榴石、锰铝榴石、钙铝榴石组分显示出明显的成分分带,锰铝榴石含量从核部到边部逐渐下降,而钙铝榴石和铁铝榴石组分则相反(图 ),其中含石榴子石电气石条纹长石 钠长石伟晶岩中
21、的石榴子石组分呈明显的阶段性变化,核部具有更高的 含量()和更低的 含 量()和 含 量(),而边部具有较低的 含量()和较 高 的 含 量()和 含 量 岩石学报 ,():图 错热伟晶岩石榴子石 吸收光谱(所有光谱基线校正后归一化至 样品厚度)蓝色点是实测光谱数据;单个洛伦兹波峰用绿线细线表示;峰的波数用紫色虚线表示;总洛伦兹波峰用红线粗线表示 (),()。含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩中石榴子石核部 、和 含量变化较小,在边部出现 含量的剧减和 、含量的骤增。石榴子石红外光谱特征和水含量错热各类型花岗岩和伟晶岩的代表性红外吸收光谱见图 ,所分析的石榴子石红外光谱吸收峰均落于 范围内。远离锂
22、辉石伟晶岩的石榴子石白云母花岗岩、含石榴子石绿柱石条纹长石 钠长石伟晶岩中石榴子石在 范围内未显示明显的羟基红外吸收峰。含石榴子石透锂长石锂辉石伟晶岩和含石榴子石电气石条纹长石 钠长石伟晶岩石榴子石核部有类似的红外吸收光谱,石榴子石中有 个羟基吸收峰,均落于 范围内(图 )。波数最高的是一个三连峰,由 、和 组 成,在 位置的峰位是最强峰,在 位置的峰为最弱的吸收峰(图 )。而含石榴子石电气石条纹长石钠长石伟晶岩石榴子石边部与前者具有类似的红外吸收光谱,同样具有个羟基吸收峰,且峰的位置类似,在 和 存在一个双连峰,在 、和 存在一个三连峰,但峰强略有不同,最强峰的位置在 ,最弱峰在 。这些石榴
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