Ta Nb花岗岩的矿物平衡及岩石成因
南京大学学报
第32卷 第1期JOU RNAL O F NAN J I N G U N I V ER S IT Y V o l 132, N o 11
(NA TU RAL SC IEN CES ) 1996年1月J an 1, 1996
T a 、N b 花岗岩的矿物平衡及岩石成因
熊小林 朱金初 饶 冰
(南京大学地球科学系, 210093, 南京)
Ξ
摘要 T a 、N b 花岗岩是一种含黄玉和萤石的锂(白) , F 矿物之间的平衡关系是理解其岩石成因的关键。:压下(600℃, 1kb ) , 含HF , 高f HF 体系只能; F 体系增大, 使得。这些结果解释了T a 、锂N b 花岗岩中钠长石、
(白) 。
关键词 T a 、N b 花岗岩, 矿物平衡, 岩石成因分类号 P 5881121
有关高侵位T a 、N b 含黄玉锂云母钠长花岗岩的成因和形成机制的争论已延续数十年, 近十余年来国内外学者对富F 花岗岩体系的研究已经取得了重要进展, 大量的地质地球化学和流体—熔融包裹体信息及相平衡实验研究已雄辩证明, T a 、N b 矿化钠长花岗岩既非单一的热液交代成因, 亦非单一的岩浆成因, 其形成过程以晶体—溶体—流体三相并存为特点, 包括富F 熔体的结晶作用和与共存超临介流体的相互作用。
在含有一组矿物的岩石中, 通常能写出包括岩石中各种组分的许多质量平衡反应式, 原则上, 根据反应中各矿物相的组成(活度) 或平衡常数可以计算这些反应中平衡共存矿物形成的温度和压力条件; 反之, 可以在已知的温度、压力条件和某些其它特定条件下来预测反应中某一矿物的组成。本文以矿物平衡为基础, 利用有关矿物和流体的热力学性质, 预测了等温等压(1kb , 600℃) 下流体饱和含F 花岗岩体系中斜长石牌号随共存流体中H
F 逸度不同而变化的情况; 也计算了在流体中H F 逸度由红柱石+黄玉+流体缓冲条件下, 白云母+石英组合的温度、压力稳定域相对于无F 体系的变化情况, 结合前人无F 和含F 水饱和花
Ξ本文由高等学校博士学科点专项科研基金资助
收稿日期:1994-11-09
第一作者简介:熊小林, 男, 1963年3月生, 博士生, 地球化学专业, 已发表“花岗岩浆—热液过渡阶段稀土元素的分异”等论文
第1期 熊小林等:T a 、N b 花岗岩的矿物平衡及岩石成因 ・101・
岗岩熔化实验结果及我们近年来对华南富F 花岗岩的研究, 作者们讨论了T a 、N b 稀有矿化钠长花岗岩的成因。
1 斜长石与萤石、黄玉之间的平衡关系
含F 花岗岩中, 斜长石的牌号(X A n 或a A n ) 与其结晶时体系的F 活度或H F 逸度密切相关, 下面两个反应是斜长石中钙长石组分与H F 之间的反应关系:
ss
CaA l 2Si 2O 8+4H F=CaF 2+A l 2Si O 4F 2+Si O 2+2H 2O
钙长石组分(A n ) 萤石(F lu ) 黄玉(Top ) 石英(Q )
ss CaA l 2Si 2O 8+KA lSi 3O 8+2H F=CaF 2+KA l 3Si 3O 10(O H ) 2+2Si O 2
(1) (2)
钙长石组分(A n ) 钾长石(kf ) 萤石(F lu ) 白云母(M us ) 石英(Q )
上两式中, 符号ss 表示固溶体(so lid so lu ti on ) . 以反应(1) 为例进行计算, 平衡时:
∃G =2R T lnk =2R T ln
a F lu a T op a Q f
a A n f
H F
H O
2
4
(3)
把反应中各组分(矿物相) 的标准态定为所要研究的压力、温度时的纯相, 则式(3) 变为:
2
lu a T op a Q (4) (P -1) ∃V ° ∃H °T ∃S °T ln 1, T -T +固=4
a n H 上式中:∃H °1, T T
∃V °固, ∃H °1, 298、∃S °298、∃Cp 和∃V °固均可根据反应方程式用表1中数据求得。
除斜长石外, 设所有固相矿物均为纯相, 并设P H 2O =P 体系, 则f H 2O =•P (•为H 2O 的逸度系数) , 式(4) 变为:
2
(P -1) V °(5) ∃H °T ∃S °R T ln 1, T -T +固=24
ΑA n f H F
873K (600℃) 时(600℃时•H 2O =0. 6358) , 计算得反应(1) 以loga A n 和logf HF 在1000巴(1kb ) 、
为变量的方程为:
表1 有关物相的热力学性质
T ab le 1 T he thermodynam ic p roperties of related phases
物相钙长石
透长石白云母石 英F 2黄玉红柱石萤 石H 2O (理想气体)
∃H °mo l ) f, 298(J
S °k mo l ) 298(J
∃C =S +°dT
T
p
298
T
24229100
[***********][***********][***********]
199. 30
232. 90306. 4041. 46105. 4093. 2268. 87188. 83
516. 83
693. 37917. 6744. 60471. 41408. 43
20. 0924924. 188×10-20. 171720. 081110. 03775420. 0816520. 11050. 0580950. 027468
4. 9188×10-
55
()
10. 079Robie 等, 1979
10. 90514. 0712. 26885. 1535. 1532. 4542
Robie 等, 1979Robie 等, 1979Robie 等, 1979B arton 等, 1982Robie 等, 1979Robie 等, 1979
224. 692
7. 3680
21.
21. 0018×1061. 2695×1063. 5897×10-522. 8774×10624. 8117×10-6
0348×104
() 2
2478. 92Robie 等, 1979
3Cp =a +bT +CT -
33:∃H °f, 298和S °298来源于Rob ie 等, 1979; Cp 和V 来源于Stu ll 等, 1971
4logf H F +loga A n +4. 9=0(6)
・102・ 南京大学学报(自然科学) 第32
卷
利用同样方法计算得反应(2) 的方程为:
2logf HF +log Α. 14=0A n +8
(7)
选择1Kb , 600℃的压力和温度条件来进行
计算是因为T a 、N b 花岗岩大多属高侵位(低压) 花岗岩, 且其在1Kb 时的初熔温度略低于600℃(王联魁和赵斌, 1979) , 利用直线方程(6) 和(7) 可作出反应(1) 和(2) 的loga A n -logf H F 图(图1) 。
图1 反应(1) 和(2) 的loga A n -logf HF 图(1kb ,
600℃) Top -黄玉, F lu -萤石, Q -石英,
假定斜长石是钙长石和钠长石的理想固溶体, 即a A n =x A n (为斜长石中组分CaA l 2Si 2O 8的摩尔分数) , 那么斜长石牌号(x A n ) 与loga A n 的对
应关系能在图1中表示出来。图1A n -钙长石组分(斜长石中) , M u s -白云系中) , 母, Kf -钾长石, V -气体或流体相。
F ig . 1 T he loga A n -s , 只能生成钠质斜
((。斜长石中的这种分解反应在有(反应(2) ) 。
2 白云母与钾长石、黄玉之间的平衡关系
在无F 的水饱和过铝花岗岩体系中, 白云母与钾长石、红柱石之间的平衡关系由以下反应表示:
KA l 3Si 3O 10(O H ) 2+Si O 2=KA lSi 3O 8+A l 2Si O 5+H 2O
白云母 石英 钾长石 红柱石 表示:
KA l 3Si 3O 10(O H ) 2+Si O 2+2H F=KA lSi 3O 8+A l 2Si O 4F 2+2H 2O
(8)
相应的含F 体系中, 红柱石转变为黄玉, 白云母与钾长石、黄玉之间的平衡关系由下式
白云母 石英 钾长石 黄玉
为计算反应(8) 和(9) 的T -P 图, 我们假定反应(9) 中的H F 逸度由以下反应缓冲:A l 2Si O 5+2H F=A l 2Si O 4F 2+H 2O
(9)
红柱石 黄玉
(10)
(9) 和(10) 中固相矿物均为纯相, P H 2O =P 体系, 利用计算反应(1) 时相同的假定反应(8) 、
原理和表1中有关物相的热力学性质, 可以计算出反应(8) 和(9) 的T -P 图(图2中曲线①和
②) , 计算时先设定一个温度, 然后求出相应的压力, 一系列温度—压力值对即可绘制出相应反应的T -P 曲线, 图2表明, 在等压下, 含F 花岗岩体系的白云母热稳定性较之无F 体系要增大20°~40℃。
大量实验表明, 加F 到花岗岩体系可以大大降低花岗岩的固相线温度(W yllie 和T u t 2
第1期 熊小林等:T a 、N b 花岗岩的矿物平衡及岩石成因 ・103・
tle , 1961; Glyuk 和A nfilogov , 1973; Kovalenko , 1978; M ann ing , 1981) , 王联魁和赵斌(1979) 所进
行的花岗岩熔化实验亦表明, 含黄玉的锂云母钠长花岗岩(雅山) 比低F 含量的黑云母花岗岩(诸广山) 初熔温度低得多, 将这两种花岗岩的初熔曲线亦投绘进图2(曲线③和④) , 反应曲线①和②与初熔曲线③和④相交, 得到岩石学中具有重要意义的一个交点的变化, 从无F 体系到含F 体系, 由
1
A 点到A 点, 原生白云母结晶的最小压力点大大降低。
3 T a 、N b 花岗岩的岩石成因
图2 花岗岩体系中白云母的温度压力稳定域
T a 、N b 花岗岩又称L i 、F 钠长花岗岩, 主要由为无F 体系, ②为含F 体系(H F 逸度被
钠长石、石英、锂(白) 云母和钾长石组成, 并以存柱石+黄玉+流体所缓冲) 。
在含F 矿物黄玉和萤石为特征, (含F -键。在无F 和低F 1.
石、() F ig . 2T he temperatu re and P ressu re stab le
, 钠长石和锂白云母的field of m u scovite in gran ite system 成因一直是T a 、N b 花岗岩成因争论的焦点之一, 不少学者从热液交代成矿的观点出发, 认为钠长石和锂白云母是典型的热液矿物, 这种传统观点一直束缚着矿床地质工作者的思想。近年来越来越多的事实和实验依据及我们对该类富F 花岗岩的研究表明, T a 、N b 花岗岩是由一种富F 、L i 、N a 的低熔残余岩浆形成的, 其形成过程以熔体、晶体和流体三相并存为特点, 包括岩浆的结晶作用和与共存超临介流体的相互作用。
T a 、N b 花岗岩在我国华南分布广泛, 典型的例子如江西宜春雅山414, 石城海螺岭, 湖
南香花铺430及广西栗木水溪庙等, 这些T a 、石N b 矿化钠长花岗岩的主要矿物均为钠长石、英、锂(白) 云母和钾长石, 并含黄玉和少量萤石。几乎毫无例外, 它们均作为黑鳞云母花岗岩的顶部岩相带产出, 其形成与黑鳞云母花岗岩的分异演化和残余熔体F 的富集密不可分, 黑鳞云母花岗岩通常含F 0. 1%~0. 5%, 而其顶部钠长花岗岩含F 达1%~2%。当黑鳞云母花岗岩浆侵位后, 缓慢的冷却和更长石、钾长石、石英和黑鳞云母的结晶作用使残余熔体中F 、L i 含量越来越高, 固相线温度不断下降, 岩浆结晶作用的温度区间和时间区间扩大, “寿命”延长, 至晚期出现含H F 的超临介流体相, 同时熔体的粘度、密度不断减小, 扩散速度加快, 大大促进了岩浆的分离结晶作用。充满气液的富F 、体L i 低熔残余熔体聚集于岩体顶部。系中不断增高的
f HF 对斜长石中钙长石组分活度产生缓冲作用, 使残余熔体中只能结晶出钠质斜长石或钠长石。黄玉的晶出, 标志着残余熔体中F 得到较大的富集, 白云母的热稳定性增大(图2) , 在白云母中, L i 与F 呈正相关关系(R ieder , 1970; 顾雄飞等, 1973) , 在L i 、F 花岗岩中, L i 进入白云母中可进一步增大其热稳定性, 伴随残余熔体L i 、F 含量的增加和固相线
温度的不断下降, 原生白云母结晶的最小压力亦大大下降(图2) 。锂白云母热稳定性的增加和残余熔体固相线温度的不断下降, 使得锂白云母可以在高侵位的L i 、F 钠长花岗岩的固相线温度之上由岩浆结晶作用形成。
综上所述, 在含F 的花岗岩体系中, H F 能缓冲斜长石结晶时钙长石组分活度, 高H F 体系中只能稳定钠质斜长石或钠长石; 锂白云母可以在高侵位的含黄玉花岗岩固相线之上由结晶作用形成。因此, 富F 、L i 、N a 的T a 、N b 花岗岩可以在岩浆—热液体系中由结晶作用和与共存超临介流体的相互作用而形成。
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X iong X iaolin Z hu J inchu R ao B ing
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Abstract T a , N b gran ite is u sually the top az and o r fluo rite 2bearing lep ido lite alb ite gran ite . T he equ ilib rium relati on sh i p betw een its m aj o r m inerals and F 2bearing m inerals is . T he therm odynam ic calcu lated resu lts of rele 2the key fo r understanding its p etrogenesis
van t reacti on s are :(1) . A t con stan t tem p eratu res and p ressu res (600℃, 1kb ) , the ano r 2th ite activity in p lagi oclase decreases w ith the increase of f HF in coex isting flu id in F 2bear 2ing gran ite system . Sodium p lagi oclase is com p atib le w ith top az and fluo (2) T he sta 2b le field of m u scovite in F 2bearing system to . M u s 2covite m ay be stab le above the so s at p . T lts m ay be u sed to exp po of fo and m u scovite 2lep ido lite in T a , N .
T a , N b gran ite , m ineral equ ilib ria , p etrogenesis