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华北克拉通西部陆块最广泛的岩石组合为孔兹岩系,主要分布在内蒙古凉城一集宁一带。这些孔兹岩中又发育有大量的富含石榴子石的花岗岩。前人对这些石榴子石花岗岩进行了大量的研究,总结起来,他们的研究包括对花岗岩构造侵位机制的探讨、对花岗岩岩相学和地球化学的研究以及对花岗岩年龄的测定等等。对于花岗岩中的石榴子石,以前的研究者都默认为是花岗岩岩浆结晶的产物,但是都没有从岩石学的角度加以证明。
从理论上讲,这些花岗岩中的石榴子石可以有三种成因方式。一种是在孔兹岩系发生深熔时由熔体从原岩孔兹岩系中带入花岗岩的,其本质是变质石榴子石的残留;另一种可能的成因是在深熔作用发生时,含水矿物黑云母发生了转熔反应生成了新的石榴子石,新生成的石榴子石随熔体一起侵位,形成富含石榴子石的花岗岩体。这种成因的石榴子石或者是形成独立的石榴子石,或者是原来孔兹岩系中的石榴子石残留相在周围有利于自身生长的条件下再生长,形成再生加大的石榴子石;第三种可能就是石榴子石在有利于自身结晶的温度、压力和组分条件下从花岗质岩浆中结晶出来的,这种岩浆结晶的石榴子石通常细小。
本文的研究目的就是通过对花岗岩中石榴子石的矿物化学研究和微量元素研究,确定这些石榴子石到底是在哪种机制下形成的;另外,通过共存的石榴子石和黑云母矿物对的研究,计算孔兹岩系发生深熔时的温度以及熔体形成后与石榴子石发生反应的温度;最后,结合全岩的主元素数据,探讨这些石榴子石花岗岩的成岩机制。
通过全岩的岩石化学分析可以看出,在A/NK vs.A/CNK判别图上样品点均落在了强过铝质区域,说明所研究的花岗岩是强过铝的;在SiO2-K2O图解上所研究的含石榴子石花岗岩主要属于高钾钙碱性系列和钙碱性系列;在ACF((Al2O3-Na2O-K2O)-FeO(T)-CaO)判别图解上样品点均落在了S型花岗岩区域,CaO/Na2O的比值指示石榴子石花岗岩的源区岩石主要为变质硬砂岩或成分上相当于变质硬砂岩的中酸性正片麻岩。
采用电子探针详细分析花岗岩中的石榴子石化学成分,发现花岗岩中的石榴子石化学成分均以铁铝榴石(Almandine)和镁铝榴石(Pyrope)为主,两种石榴子石约占所分析的石榴子石的92-96wt%,为典型的麻粒岩相石榴子石。其化学成分和花岗质岩浆结晶出的石榴子石的化学成分截然不同,而和典型的孔兹岩系中麻粒岩相的变质泥质岩以及典型的麻粒岩中的石榴子石的化学成分极其相近,说明这些石榴子石均为变质成因的。
此外,石榴子石的稀土元素分配型式和典型黑云母花岗岩以及典型过铝质花岗岩中的石榴子石的稀土元素分配型式完全不同,无论是LREE,还是HREE,都要明显低于这两类岩体的石榴子石中的含量;与典型角闪岩中石榴子石的稀土元素相比,本文所研究的石榴子石LREE含量明显偏高,而且HREE偏低。本文研究的花岗岩中的石榴子石的稀土元素分配型式,无论是HREE,还是LREE,都和典型的孔兹岩系中麻粒岩相变质泥质岩中的石榴子石的稀土元素分布完全重合,这再次证明所研究的石榴子石均为变质成因的。
黑云母在花岗岩中主要以包裹体和镶嵌边两种形式和石榴子石共存。应用石榴子石-黑云母温度计,由石榴子石和其内部包裹的黑云母计算出的温度为750-850℃,由石榴子石和其外部镶嵌的黑云母计算出的温度为660-750℃,这两个温度分别代表了孔兹岩系发生熔融时的反应Bt+P1+Qtz→Kfs+OpxGrt+melt和花岗岩在冷却过程中或结晶之后发生的变质反应Kfs+Grt+melt→Bt+P1+Qtz的温度。
综合上述研究,本文认为华北克拉通西部陆块中的石榴子石花岗岩是熔体和黑云母脱水熔融后形成的熔融残留相混合而成。残留相中的石榴子石主要是由孔兹岩中的变质硬砂岩黑云母发生脱水熔融反应所形成,还有一些是由熔体从孔兹岩中带出的。