地球科学中火成岩矿物温压计研究进展

冉亚洲

摘要：火成岩结晶的温度、压力对于研究火成岩形成时的岩浆结晶环境、熔体演化过程具有重要意义。岩浆结晶过程中某些元素在成岩矿物中的含量与岩浆结晶的温度、压力有很好的相关性，通过矿物压力计获得岩浆结晶时的压力，可以计算出岩浆侵位冷凝结晶时的深度。通过矿物温度计获得岩浆冷凝结晶时的温度，根据地温梯度推演结晶深度，并能进一步验证通过压力计获得的成岩深度的准确性。研究者通过低温热年代学手段获得岩浆剥露到地表的时间，结合岩浆侵位结晶的年龄、侵位的深度，可以获得岩浆隆升剥蚀的速率。对比区域不同花岗岩隆升剥蚀过程，解释造山带演化过程。本文综述了矿物温度压力计的研究进展，包括角闪石-斜长石温度压力计、绿帘石温度计。

关键词：矿物温度计、矿物压力计、岩体隆升

1角闪石、斜长石矿物温度压力计

1.1角闪石全铝压力计

Hammarstrom and Zen（1986）通过电子探针分析高压和低压钙碱性侵入体中角闪石Al^T和Al^ⅳ之间的线性拟合关系：Al^ⅳ=0.15+0.69 Al^T，r²=0.97，而角闪石中的Al^T含量又与角闪石结晶时的压力和温度有很好的对应关系，即角闪石的全铝含量随着压力升高而增大。所以角闪石便成为探究火成岩结晶温压条件的可靠矿物（Bluandy and Holland , 1990），而角闪石全铝压力计对于角闪石的种类又有要求，通常闪长岩类岩石中的普通角闪石、浅闪石、韭闪石、钙镁闪石比较适用。研究中通过对比前人文章中火成岩侵入体和自然岩石的矿物相平衡实验得到在特定矿物组合（斜长石、角闪石、黑云母、钾长石、石英、榍石、磁铁矿或钛铁矿±绿帘石）下，角闪石全铝压力计的计算公式。

Schmidt et al.（1992）在压力2.5~13 Kbar，温度在700~655℃水饱和线条件下，同时超过湿的固相线温度15~20℃条件下完成角闪石-斜长石-钾长石-石英-榍石-铁钛氧化物-熔体之间的再平衡，获得非常标准的实验公式：P₁（±0.3 Kbar）=-3.01+4.76 Al^T，r²=0.99

Anderson and Smith（1995）认为压力计对温度和氧逸度比较敏感，低氧逸度会导致压力增高，温度每升高100℃压力增大2 Kbar，因此通过实验模拟以及应用对比，将温度和氧逸度相结合获得计算公式：

P₂（±0.6Kbar）=4.76Al^T-3.01-{[T(℃)-675]/85}×{0.530 Al^T +0.005294[T(℃)-675]}，r²=0.99

该公式中的温度使用Schmidt（1992）建议的~675℃以及Johnson and Rutherford（1989）建议的~760℃。他的研究认为在应用压力计之前必须先对温度和氧逸度做岩石学的评估，升高温度可以显著的增加角闪石中铝的含量，如果不限制温度的影响，角闪石全铝压力计获得的结果将会变的异常大，因此这些样品获取的压力需要与其他方法获得的压力进行严格的对比。同时温度、氧逸度也起着比较关键的作用，要求相应的缓冲矿物组合在限制条件内，Fe³⁺/（Fe³⁺+Fe²⁺）的比值最低为~0.25（或~0.2，Schmidt et al., 1992），角闪石中Fe³⁺含量太低时不能应用于角闪石压力计。同时，角闪石中Fe_tot/（Fe_tot+Mg）比值应该在0.40~0.65范围之内。由于角闪石中Ai、Si、Ti之间的替代受到温度的影响，因此在角闪石全铝压力计应用之前应先对结晶压力进行估算，压力应当在压力计可控范围之内应用。Anderson and Smith（1995）将温度和氧逸度考虑在内，并进一步通过实验模拟加以验证，对压力计的应用进行了严格的限制。Schmidt（1992）通过实验模拟获得计算方法，准确度提高。这两个压力计已经得到相当多研究者的实例验证并获得了比较好的效果（艾晓玲等, 2000; Stein and Dietl, 2001; 龚松林等, 2004; Zhang et al., 2006; 曾令森等, 2007; Hossain et al., 2009; 陆丽娜等, 2011; 刘春花等, 2013; 杨可, 2014）。

使用角闪石全铝压力计注意事项：

1.共生组合为：石英+碱性长石+斜长石+角闪石+黑云母+磁铁矿或钛铁矿+榍石+熔体+流体（Johnson and Rutherford , 1989；Schmidt，1992），特别是榍石的出现指示氧逸度较高，而在高氧逸度条件下，该压力计更可靠（Stein and Dietl, 2001）。

2.共生组合中斜长石成分范围为An=25~35，超出这个范围可能导致全铝对压力的指示变弱（Anderson and Smith，1995）。

3.选取与石英或者钾长石接触的且没有经过后期改造的角闪石边部的成分（Stein and Dietl, 2001）。

4.有效压力范围为0.1~1.3GPa（Johnson and Rutherford , 1989；Bluandy and Holland , 1990；Schmidt，1992）。

5.选取合适成分的角闪石，即要求（Fe²⁺_t/ Fe²⁺_t+ Mg²⁺）_mol（Fe²⁺_t = Fe²⁺+ Fe³⁺）比值范围为0.4~0.65（Anderson and Smith，1995），且（Fe³⁺/（Fe²⁺+ Fe³⁺））_mol比值为~0.25（Anderson and Smith，1995）或~0.3 （Schmidt，1992）；另外，要求Si≤7.5，Ca≥1.6（Leake et al.,1971），以排除发生后期改造的角闪石参与计算。

1.2角闪石-斜长石温度计

Blundy and Holland（1990）通过角闪石-斜长石平衡矿物对实验模拟获得了角闪石中Al^Ⅳ的含量与伴生的斜长石之间某种对应关系，而角闪石Al^Ⅳ=0.133+0.82 Al^T，r²=0.96。并通过浅闪石以及韭角闪石和石英的两个平衡反应推导出一个全新的地质温度计T ，K= ，Si是角闪石每单位化学式中的原子数，P的单位是kbar，T是K，Y代表斜长石的非理想性，X_ab＞0.5，Y=0；X_ab＜0.5，Y=-8.06+25.5（1-X_ab）²。该温度计只能被应用于斜长石An＜92，角闪石Si＜7.8 pfu，压力变化在1~23 kbar，温度在400℃~1150℃范围内。

Holland and Blundy（1994）对比前人的研究，补充了92个角闪石-斜长石矿物对和215个火成岩和变质岩中的角闪石-斜长石矿物对，该火成岩和变质岩的温度和压力可以通过其他方法很好的限制，在此基础上提出了2个地质温度计（温度计A和B）。并且Stein and Dietl（2001）的研究中发现，应用Holland and Blundy（1994）提出的角闪石—斜长石地质温度计获得的矿物结晶温度与通过其他独立方法获得的矿物变质温度吻合度很高，并且该温度计在400~1000℃和1~15 Kbar的条件范围内均有效。角闪石、斜长石以23个氧原子（电子探针数据以22个氧原子）和15个阳离子为基准。

温度计A基于浅闪石-透长石的平衡反应，适用于含石英的岩浆岩，温度变化区间在400~900℃，角闪石中Na^A＞0.02 pfu，Al^Ⅵ＜1.8 pfu,Si变化范围6.0~7.7 pfu，斜长石X_an＜0.9：

X_ab＞0.5时，Y_ab=0；否则 Y_ab=12.0（1-X_ab）²-3.0（KJ）

温度计B基于浅闪石-钠透闪石的平衡反应，适用于含石英的和无石英的岩浆，温度变化区间在500~900℃，斜长石0.1＜X_an＜0.9，角闪石X^M4_Na＞0.3，Al^vi＜1.8 pfu，Si变化范围6.0~7.7 pfu：

X_ab＞0.5时，Y_ab-an=3.0KJ；否则 Yab=12.0（2Xab-1）+3（KJ）

Anderson（1996）表明，相对于其它岩浆岩温度计，角闪石-斜长石温度计估算岩浆结晶温度具有相当高的可信度，得到了很多研究者的实践论证（艾晓玲等, 2000; Wang et al., 2008; Watson et al., 2006; 刘春花等, 2013）。

2绿帘石温度计

2.1岩浆绿帘石的特征

绿帘石的化学成分特征通常以Ps值表示，即100Fe³⁺/（Fe³⁺+Al）。岩浆绿帘石Ps值与氧逸度相关并变化与19~33之间（Liou et al.,1973;Zen et al.,1986），与次生绿帘石略有重叠，但明显不同于次生绿帘石的Ps值，如斜长石蚀变而成的通常在0~24，黑云母蚀变的为36~48（Zen et al.,1986）。另外，岩浆绿帘石化学成分中，TiO2含量通常小于0.2％（Liou et al.,1973;Zen et al.,1986）。

Zen等曾提出①岩浆绿帘石通常为自形半自形，具成分环带，核部为自形的褐帘石，但岩浆绿帘石也可以不出现褐帘石为核的环带结构；②填间结构是典型的岩浆结构：在英云闪长岩中绿帘石晚于角闪石结晶，早于或同时与黑云母结晶，绿帘石与斜长石程蠕虫状交生体；③如果钙碱性岩浆岩石中黑云母没有后期交代作用（通常被蚀变成绿泥石），长石表面洁净无后期绿片岩相叠加作用等现象能够排除岩浆期后热液交代作用的存在，从而可以毫无争议的指示绿帘石的岩浆成因。

2.2实验岩石学成果

众多实验都表明绿帘石的稳定与岩浆温度、压力、水逸度和氧逸度关系甚密，而且绿帘石的稳定温度上限不超过800℃，压力上限在20×10

⁸Pa左右，下限则受到氧逸度的直接影响而有所不同。Naney（1983）的人工花岗闪长岩和花岗岩熔融实验首次揭示了绿帘石稳定于固相线之上的矿物，是后来提出绿帘石压力计的重要基础。该实验结果表明（在NNO＜fO₂＜HM的情况下）绿帘石的稳定与岩浆体系中水含量关系密切。2×10⁸Pa下，没有绿帘石出现，而角闪石出现需要岩浆中的最小水质量的含量为4％。8×10⁸Pa下，饱和水的情况下，绿帘石能够稳定出现的温度上限为700℃，当水不饱和情况下，绿帘石的消失线降低20℃。该实验结果揭示出绿帘石为近固相线结晶矿物，岩浆水含量对它的稳定起着重要的控制作用，同时角闪石的出现能够指示中酸性岩浆中最小的水含量。另外，该实验能够解释花岗闪长岩中岩浆绿帘石与黑云母、角闪石之间的相互结构关系。然而该实验是在2×10⁸Pa和8×10⁸Pa的条件下开展的，缺乏对中间不同压力情况下绿帘石的稳定条件表述，因此尚无法准确确定该矿物的压力稳定下线。

2.3地质压力计

岩浆绿帘石的结晶与岩浆物理化学性质关系密切，不同的水含量和氧逸度可能造成与其他主要矿物间的结晶顺序及其结晶压力、温度的不同，因此，岩浆绿帘石的出现不能轻率的作为地质压力计。Zen等（1986）曾经强调约束条件为：①成分上为英云闪长岩或花岗闪长岩中的岩浆绿帘石；②绿帘石是晚期结晶的矿物相，必须存在岩浆绿帘石对角闪石的吸收反应。张华锋等（2005）认为早期结晶的岩浆绿帘石不能作为压力计反映岩体侵位深度，但作为晚期近固相线晶出的绿帘石（晚于黑云母）可以作为压力计反映岩体侵位深度，而有绿帘石对角闪石吸收反应则暗示岩体侵位压力较高（＞5×10⁸Pa）。根据熔融实验结果，能够应用为压力计的岩浆绿帘石其稳定压力受氧逸度影响。氧逸度低的情况下（fO₂=NNO），晚期结晶的绿帘石结晶压力下限从原来的6×10⁸~8×10⁸Pa下调至5×10⁸Pa。这一压力反映出的岩体侵位深度在17~20km左右。当氧逸度高时（fO₂=HM），压力下限为3×10⁸Pa,，相当于侵入于10~12km左右的深度。

3结语

随着元素分析测试技术的发展，矿物温度、压力计更加广泛的应用于探究岩浆结晶演化过程，结合低温热年代学、测年技术，成为探究火成岩结晶成岩作用、岩体隆升剥蚀作用过程的中要手段。

参考文献

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