T a、N b 花岗岩的矿物平衡及岩石成因.pdf

南京大学学报 第32卷 第1期 1996年1月 JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSITY NA TURAL SC IENCES Vol132,No11 Jan1, 1996 Ta、N b花岗岩的矿物平衡及岩石成因 Ξ 熊小林 朱金初 饶 冰 南京大学地球科学系, 210093,南京 摘要 Ta、N b花岗岩是一种含黄玉和萤石的锂白云母钠长花岗岩,它的主要矿物与含F矿 物之间的平衡关系是理解其岩石成因的关键。 本文进行的有关反应热力学计算表明在等温等 压下 600 ℃, 1kb , 含F花岗岩体系中斜长石牌号随共存流体中fHF增高而减小,高fHF体系只能 形成钠质斜长石或钠长石;在含F花岗岩体系中,白云母的温压稳定域相对无F体系增大,使得 白云母可以在富F低熔花岗岩的固相线之上形成。 这些结果解释了Ta、N b花岗岩中钠长石、 锂 白云母岩浆成因的可能性。 关键词 Ta、N b花岗岩,矿物平衡,岩石成因 分类号 P5881121 有关高侵位Ta、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, Ta、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HF逸度不 同而变化的情况;也计算了在流体中HF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 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Ta、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XAn或aAn与其结晶时体系的F活度或HF逸度密切相 关,下面两个反应是斜长石中钙长石组分与HF之间的反应关系 CaA l2Si2O ss 8 4HF CaF2 A l2Si O4F2 Si O2 2H2O 钙长石组分An 萤石Flu 黄玉Top 石英Q 1 CaA l2Si2O ss 8 KA lSi3O8 2HF CaF2 KA l3Si3O10OH2 2Si O2 钙长石组分An 钾长石kf 萤石Flu 白云母M us 石英Q 2 上两式中,符号ss表示固溶体solid solution . 以反应1为例进行计算,平衡时 ∃G2R T lnk2R T ln aF luıaT opıaQıf 2 H2O aA nıf 4 H F 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 ∃H1,T-T∃STP- 1 ∃V固2R T ln aF luıaT opıaQıf 2 H 2O aA nıf 4 H F 4 上式中∃H1, T∃H1, 298∫ T 298∃CpdT ∃ST∃S298∫ T 298∃Cp T dT ∃V固为固相生成物与固相反应物体积之差,∃H1, 298、 ∃S298、 ∃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PH2O P体系,则fH2OP 为H2O的逸度 系数 , 式4变为 ∃H1,T-T∃STP- 1 V固2R T ln p 2 ΑA nıf 4 H F 5 在1000巴 1kb 、873K 600 ℃时 600℃时 H2O 0. 6358,计算得反应1以logaAn和logfHF 为变量的方程为 表1 有关物相的热力学性质 Table 1 The thermodynam ic properties of related phases 物相∃Hf, 298JmolS298Jkımol Cp3Jkımol abc VJbar资料来源 钙长石24229100199. 30516. 8320. 0924924. 18810- 510. 079Robie等, 1979 透长石23959560232 . 90693 . 3720 . 17174 . 918810- 510 . 905Robie等, 1979 白云母25976740306 . 40917 . 6720. 0811121. 034810414 . 071Robie等, 1979 石 英291070041 . 4644 . 600. 03775421. 00181062 . 2688Robie等, 1979 F2黄玉23084450105 . 40471 . 4120. 081651 . 26951065. 153Barton等, 1982 红柱石2258752593 . 22408 . 4320 . 11053 . 589710- 55. 153Robie等, 1979 萤 石2122926068 . 87224. 6920. 05809522. 87741062 . 4542Robie等, 1979 H2O理想气体2241814188 . 837 . 36800. 02746824. 811710- 62478. 92Robie等, 1979 HF理想气体2283613173. 7830. 35220. 00302-24793 3 3Cp a bT CT - 2 3 3∃Hf, 298和S298来源于Robie等, 1979; Cp和V来源于Stull等, 1971 4logfHF logaAn 4. 9 06 101第1期 熊小林等 Ta、N b花岗岩的矿物平衡及岩石成因 利用同样方法计算得反应2的方程为 2logfHF logΑAn 8. 14 07 图1 反应1和2的logaAn-logfHF图1kb, 600℃Top-黄玉, Flu-萤石,Q -石英, A n-钙长石组分斜长石中 ,M us-白云 母, Kf-钾长石,V -气体或流体相。 Fig. 1 The logaAn- logfHFdiagram of reactions 1and 2. 选择1Kb, 600℃的压力和温度条件来进行 计算是因为Ta、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logaAn- logfHF图 图 1 。 假定斜长石是钙长石和钠长石的理想固溶 体,即aAn xAn为斜长石中组分CaA l2Si2O8的 摩尔分数 , 那么斜长石牌号xAn与logaAn的对 应关系能在图1中表示出来。 图1说明花岗岩体 系中HF的存在会使斜长石中钙长石组分分解 成萤石、 黄玉和石英反应1,导致斜长石牌 号的减小,在HF逸度较高时,只能生成钠质斜 长石或钠长石。 斜长石中的这种分解反应在有 钾长石存在时变得尤为容易反应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 l3Si3O10OH2 Si O2 KA lSi3O8 A l2Si O5 H2O 白云母 石英 钾长石 红柱石 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 表示 KA l3Si3O10OH2 Si O2 2HF KA lSi3O8 A l2Si O4F2 2H2O 白云母 石英 钾长石 黄玉 9 为计算反应8和9的T- P图,我们假定反应9中的HF逸度由以下反应缓冲 A l2Si O5 2HF A l2Si O4F2 H2O 红柱石 黄玉 10 假定反应8、9和10中固相矿物均为纯相 , P H2O P体系,利用计算反应1时相同的 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Tut2 201 南京大学学报自然科学 第32卷 图2 花岗岩体系中白云母的温度压力稳定 域 为无F体系,②为含F体系HF逸度被 柱石黄玉流体所缓冲。 初熔曲线 和④引自王联魁和赵斌1979。 -诸广山黑云母花岗岩 -雅山含黄玉锂云母钠长花岗岩 物缩写符号同图1. Fig. 2 The temperature and Pressure stable field of muscovite in granite system tle, 1961; Glyuk和A nfilogov, 1973; Kovalenko, 1978;M anning, 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 A点到A 1点, 原生白云母结晶的最小压力点大大 降低。 3 Ta、N b花岗岩的岩石成因 Ta、N b花岗岩又称L i、F钠长花岗岩,主要由 钠长石、 石英、 锂白云母和钾长石组成,并以存 在含F矿物黄玉和萤石为特征,它的主要矿物和 含F矿物之间的平衡关系是理解其岩石成因的关 键。 在无F和低F的花岗岩中,斜长石一般为更长 石、 云母类矿物为黑鳞云母,不存在纯钠长石和 锂白云母,因此,长期以来,钠长石和锂白云母的 成因一直是Ta、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, Ta、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。 Ta、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Ta、N b矿化钠长花岗岩的主要矿物均为钠长石、 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F0. 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HF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、L i低熔残余熔体聚集于岩体顶部。 体 系中不断增高的fHF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 301第1期 熊小林等 Ta、N b花岗岩的矿物平衡及岩石成因 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, HF能缓冲斜长石结晶时钙长石组分活度,高HF 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Ta、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。 参 考 文 献 1 Robie R A , Hem ingway B S and Fisher J R.Thermodynam ic properties of m inerals and related sub2 stances at 298. 15K and 1 bar 10 5 Pascalspressure and at higher temperature. U. S. Geological Sur2 vey Bulletin, 1978, 1452 2 Barton M D.The thermodynam ic properties of topaz solid solitions and some petrologic applications . Am M ineral, 1982, 67 956～974 3 StullD R and prophet H. JANA F Thermochem ical Tables .2nd edition, N ational Standard Reference Data Series . N ationalBureau of StandardsU. S . 1971, 37 4 王联魁,赵斌.南岭花岗岩熔化实验的初步研究.中国科学, 1979,No. 2 185～194 5 Glyuk D S and A nfilogov V N. Phase relations in the system granite2H2O2HF at a pressure of 100kg cm. Geochem.Int.1973, 9 321～325 6 Kovalenko V I . The reactions between granite and aqueous hydrofluoric acid in relation to the origion of fluorine2bearing granites .Geochem.Int, 1978, 14 108～118 7 M anningD A C. The effect of fluorine on liquidusphase relationships in hte system Q z2A b2O rw ith ex2 cesswater at 1 Kb. ContribM ineral Petrol, 1981, 76 206～215 8 L uth R W.Fluorine in alum inosilicate system s phase relations in the system N aA lSi3O82CaA l2Si2O82 F2O- 1. Geochi m Cosmochi m A cta, 1988, 53 1937～1942 9 R iederM. Chem ical composition and physical properties of lithium2iron m icas from the Krusne Hory M tns . ErzgebirgePart A Chem ical composition. ContribM ineral Petrol, 1970, 27 131～138 10 顾雄飞,徐英年.华南某地含锂的云母类矿物初步探讨.地球化学, 1973, 2 61～75 401 南京大学学报自然科学 第32卷 M INERAL EQUI L IBRIA IN TA.NB GRANITE AND PETROLGIC APPL ICATI ONS X iong X iaolin Zhu J inchu R ao B ing Department of Earth Sciences, N anjing U niversity, N anjing 210093, PRC Abstract Ta, N b granite is usually the topaz andor fluorite2bearing lepidolite albite granite. The equilibrium relationship betw een itsmajorm inerals and F2bearing m inerals is the key for understanding its petrogenesis .The thermodynam ic calculated results of rele2 vant reactions are 1. A t constant temperatures and pressures 600 ℃, 1kb, the anor2 thite activity in plagioclase decreasesw ith the increase of fHFin coexisting fluid in F2bear2 ing granite system. Sodium plagioclase is compatiblew ith topaz and fluorite.2The sta2 ble field ofmuscovite in F2bearing system increases relative to that in F2free system. M us2 covite may be stable above the solidus of topaz granite at low pressure. These resultsmay be used to explain the possibility of ation of pri mary albite and muscovite2lepidolite in Ta, N b granite. Keywords Ta, N b granite, m ineral equilibria, petrogenesis 501第1期 熊小林等 Ta、N b花岗岩的矿物平衡及岩石成因