东南极拉斯曼丘陵硼硅酸盐矿物组合硅硼镁铝矿-硼柱晶石-电气石的形成过程及其岩石学意义*

2021-04-17任留东宗师王彦斌刘平

岩石学报 2021年2期

任留东宗师王彦斌刘平

1. 中国地质科学院地质研究所，北京 1000372. 江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，徐州 221006

硅硼镁铝矿或硅硼镁铝石(Grandidierite, Gdd)-柱晶石(Kornerupine, Krn)-电气石(Tourmaline, Trn)是一套富含挥发分组成(主要为B、F、Cl、OH-或H2O等)的硼铝硅酸盐矿物组合，其产出较为罕见，一般出现在经历过高级变质-深熔作用的副片麻岩中。根据柱晶石类矿物的成分和分类命名原则(Grewetal., 1996)，南极拉斯曼丘陵地区(图1)柱晶石属于分子式中B>0.5的种属，该名称尚未有汉译名，作者建议将其称为硼柱晶石(Prismatine, Prs)，以区别于少硼(B<0.5)或不含硼(B=0)的柱晶石(任留东和赵越, 2004)。本文矿物缩写采用沈其韩(2009)推荐的方案：Ap-磷灰石；Brs-boralsilite(无中文译名)；Bt-黑云母；Crd-堇青石；Crn-刚玉；Dis-硬水铝石；Fsp-长石；Gdd-硅硼镁铝矿；Grt-石榴石；Hem-赤铁矿；Ilm-钛铁矿；Kfs-钾长石；Mgt-磁铁矿；Mnz-独居石；Op-不透明矿物；Opx-斜方辉石；Pl-斜长石；Prs-硼柱晶石；Qtz-石英；Rt-金红石；Sil-夕线石；Spl-尖晶石；Spr-假蓝宝石；Trn-电气石；Wag-氟磷镁石；Xnt-磷钇矿；Zrn-锆石。

Grewetal. (1990, 1998)多次指出，硼硅酸盐矿物组合的形成与深熔作用关系密切，但未能给出具体的联系。因此，对于富含B, F, Cl和OH-的矿物组合的研究可以了解高级变质-深熔作用的发生和发展过程。Carsonetal. (1995)认为，南极拉斯曼丘陵硅硼镁铝矿-硼柱晶石是变质峰期形成的稳定组合。而通过我们的研究，它们与电气石共三种硼硅酸盐矿物之间明确呈现出交代、转化关系，所有这些硼硅酸盐矿物组合均交代、切割变质峰期矿物如紫苏辉石等，硼硅酸盐矿物的出现与长英质矿物以及伟晶岩脉等关系密切；从野外及镜下观察得知这些特殊的富含挥发分的矿物组合与变质晚期长英质岩石中大量出现浅色体的时期相对应，显示其与深熔作用的密切联系。

一般认为，随着变质程度的升高，岩石中硼含量逐渐降低(Moranetal., 1992)。而本区在麻粒岩相高级变质过程中却有硼的大量富集，也是值得探讨的问题。

因此，针对区内出现的硼铝硅酸盐特殊矿物组合，可以有效分析其形成与高级变质作用、深熔作用过程的关系，探讨硼等挥发性组分在深熔作用、熔体结晶过程中的富集机制，从而对变质-深熔作用过程有一个更好的了解。

1 区域地质

中山站所在的南极拉斯曼丘陵出露一套以副片麻岩为主的麻粒岩相变质岩石，约1000Ma前的Grenville构造和550Ma前的泛非构造-热事件在本区影响强烈(Zhaoetal., 1992; Wangetal., 2008; Liuetal., 2013)。麻粒岩相矿物组合有二辉石-斜长石-普通角闪石、石榴子石-紫苏辉石-长石-黑云母±堇青石-石英(Stüweetal., 1989; Tongetal., 2014)、石榴石-夕线石-堇青石-尖晶石-长石-石英等。区内深熔作用强烈发育，形成大量基本沿区域构造延伸的花岗岩体(脉)(Stüweetal., 1989; Carsonetal., 1997)。

关于本区变质作用，通常认为，具有明显不同的早期Grenville构造和晚期泛非事件两次高级变质作用(Wangetal., 2008; Tongetal., 2014, 2019; Zongetal., 2020)。早期变质作用达麻粒岩相，晚期出现花岗质侵入体(Wangetal., 2008; Grewetal., 2012)；晚期变质为高角闪岩相-麻粒岩相，伴随强烈的深熔作用和一些花岗质侵入体(Carsonetal., 1997; 任留东等, 2009; Tongetal., 2014, 2019)。

在中山站区，含硼铝硅酸盐矿物组合的岩石呈薄层状、透镜状与含榴长英质片麻岩互层产出(图2、图3)。三种硼铝硅酸盐矿物均可单独富集，形成单矿物岩；亦可同时出现，但是其相对含量变化较大(Grewetal., 2013)：总体来说，硼柱晶石最为丰富，硅硼镁铝矿(或硅硼镁铝石)、电气石一般含量较少，个别部位出露为电气石石英岩，电气石含量较高(图3c)，硅硼镁铝矿和硼柱晶石在夕线堇青片麻岩中亦可有少量产出；伟晶岩中可见电气石-石英球产出。在局部层位，除形成硅硼镁铝矿、硼柱晶石外，还有werdingite、boralsilite(Grewetal., 1998)等。硅硼镁铝矿、硼柱晶石形成于变质过程中，其温压条件为5.2～5.5kbar、～750℃(Carsonetal., 1995)。在Stornes半岛北部硼柱晶石较为发育的部位附近，还可产出磷酸盐矿物组合磷灰石-氟磷镁石等(Renetal., 2003)。

图1 硼硅酸盐、磷酸盐矿物在拉斯曼丘陵的空间分布(据Carson et al., 1995修改)B-硼硅酸盐矿物露头;P-磷酸盐矿物露头Fig.1 Distribution of the borosilicate and phosphorate minerals in the Larsemann Hills (revised after Carson et al., 1995)B-outcrops of borosilicate minerals; P-outcrops of phosphorate minerals

地貌上，硼硅酸盐矿物较多的部位系较富黑云母的片麻岩，容易风化、剥蚀，呈低洼地形(图2a)，可能伴随剪切带或断裂部位，如中山站区以南的Seal Cove和Stornes半岛的富硼柱晶石部位，均呈低洼地势。与硼硅酸盐矿物层相伴，常出现为混合岩、伟晶岩脉(图2c, d)，附近为正长花岗岩，再向外为高级复合片麻岩，即所谓的基底(Wangetal., 2008; Grewetal., 2012; Zongetal., 2020)。

从硼含量上可以区分出富硼、含硼岩石或建造。原岩恢复表明(任留东等, 2007)，含硼岩石层位所对应的原岩多为杂砂岩等碎屑岩以及少量的火山(沉积)岩。

2 岩相关系

2.1 一般变质矿物的变质演化

首先考虑硼硅酸盐矿物围岩即普通硅酸盐岩石的情形。由于硼硅酸盐矿物组合仅出现于长英质片麻岩中(图2)，下面讨论其与区域变质岩的关系时也只涉及长英质片麻岩。在拉斯曼丘陵长英质片麻岩经历高角闪岩相-麻粒岩相变质过程中，变质成因的氧化物和硅酸盐矿物的演化关系为(任留东等, 2009及图4)：

Bt1-Pl1-Qtz→Sil±Qtz-Op→Grt-Pl-Kfs→Spl-Crd→Bt2

(1)

在长英质岩石中，随着变质作用的进行和深熔作用的出现，除转熔残留物石榴子石、斜方辉石等(图5a, c, d；图6a)以外，岩石中往往有金属氧化物如磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、刚玉以及夕线石呈不均匀分布的残留体(图4; 任留东等, 2009)。

2.2 硼硅酸盐矿物晶体化学

电气石以(Tourmaline)的分子式为(X)(Y3)(Z6)T6O18(BO3)3(W)4，其中：

X=Na, Ca, K, □;

Y=Li1+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Al3+, Cr3+, V3+, Fe3+, Ti4+;

Z=Al, Fe3+, Cr3+, V3+, Mg2+, Fe2+;

T=Si, Al, B, Ti?

W=OH1-, F1-, O2-;

本区电气石以镁电气石(dravite)为主，其中X位置一般富Ca，个别样品富Na(表1、图7)，分子式中Mg、Ca、Ti两两正相关，而Si与之负相关；Fe与Ti正相关；对于有环带结构的电气石，自核部至边缘：TiO2、CaO、K2O增加，而SiO2、MgO、Na2O降低。电气石的成分主要是在有一定的B含量的基础上，Na～Ca、Mg～Fe～Al、Al～Si、OH～F、Cl之间的代换变化所引起。

表1 电气石、硼柱晶石、硅硼镁铝矿和黑云母的电子探针成分含量(wt%)变化范围

硼柱晶石(Prismatine)，分子式为X(Fe, Mg)M1, 2, 4(Mg, Al, Fe)5M3, 5Al4T1Si2T2(Si, Al)2T3(B, Si, Al)(O, OH, F)22，硼柱晶石成分的改变主要在于2AlSi+Mg, 2(Al, Fe)Si+(Mg, Fe)代换导致硼柱晶石成分中Mg、Fe、Al、B、Si、F的含量均可有相当程度的变化，而且其中Fe与Ti正相关、Si与Mg正相关，而Mg与Fe、Ti负相关。

硅硼镁铝矿(Grandidierite)，分子式为(Mg, Fe)Al3BSiO9，其成分变化主要表现为Mg和Fe间的代换，因此Mg与Fe负相关；根据其成分特点，硅硼镁铝矿是在介质具相当浓度的B、Al组分、且Si较少时形成。

从成分上看，电气石变化范围最宽广，硼柱晶石次之，硅硼镁铝矿的组分变量最少，而且，这三种矿物形成的困难程度依次增大。

图3 硼硅酸盐矿物的野外产出(露头尺度)(a)含榴斜长片麻岩中的富硼柱晶石层，并可见石榴子石和堇青石；(b)层控硼柱晶石；(c)电气石岩局部转化为硼柱晶石；(d)沿富夕线石片麻理依次出现硼柱晶石、堇青石和电气石Fig.3 Occurrence of borosilicate minerals in the Larsemann Hills, East Antarctica(a) prismatine-rich layer in the garnet- and cordierite-bearing plagiogneiss; (b) strata-bound prismatine layer in the biotite-plagiogneiss; (c) tourmalinite locally transformed into prismatine; (d) prismatine after sillimanite and subsequent cordierite and tourmaline

图4 长英质片麻岩深熔作用中的熔融残留左-残留黑云斜长片麻岩与堇青石；右-浅色脉体夕线石、金属氧化物石榴子石残余Fig.4 Residuals in anataxis of the quartzofeldspathic gneiss on the outcropsLeft-residual biotite gneiss with cordierite; Right-residual sillimanite, opaque minerals and garnet in the leucocratic pegmatitic rocks

2.3 硼硅酸盐矿物的演化

一般造岩矿物中B组分很少(Grewetal., 1996)，若岩石中B组分较多，往往有硼酸盐或硼硅酸盐矿物的出现。Carsonetal. (1995)和Grewetal. (1990, 2013)对该区硼硅酸盐矿物的轻元素B等进行了分析。在本区，至少从早期电气石之后的不同阶段(图6、图8)，硼组分的主要载体乃硼硅酸盐矿物本身，因此，硼硅酸盐矿物之间的转化，即“链条”效应则很重要。

呈脉状、团块状的电气石石英岩(Trn-Qtz)，基本由共生的电气石、石英两种矿物组成(图3c)，偶尔有少量黑云母。电气石可转化为夕线石、硅硼镁铝矿或硼柱晶石(图3c, d)及相关的副矿物，也说明夕线石的形成与泥质岩没有必然的联系(任留东等, 2009)：

Trn-Qtz→Sil+Rt+Ap+Mnz±Op→Gdd+Qtz

(2)

Trn+Qtz→Sil-Op(Mgt)→Ap+Rt±Mnz→Gdd-Prs

(3)

电气石亦可不经过夕线石而直接转化为硅硼镁铝矿：

Trn-Qtz→Gdd+Qtz+Rt±Op+Ap+Mnz

(4)

Trn+Qtz→Gdd-Prs-Qtz→Kfs-Pl-Qtz→Bt-Trn

(5)

初期组合Trn+Qtz进一步变质改造形成Gdd-Prs，并伴随Ap, Rt，但Ap往往较少。Trn直接转化为Gdd-Prs时，可有Trn的残留，形成Gdd-Prs±Trn聚集体，这里的B(硼)源于电气石，而不是黑云母，即B组分近原地结晶。

有人认为，硼柱晶石与硅硼镁铝矿之间呈共生关系(Carsonetal., 1995; Grewetal., 1996; Grew, 1996)，而据本次研究，这三种硼铝硅酸盐矿物之间明确呈现出明显的先后或交代、转化关系，如硅硼镁铝矿周围生长硼柱晶石环边(E. S. Grew, 私人通讯)，即硅硼镁铝矿转化为硼柱晶石(Gdd→Prs)；更常见的是Prs中包裹电气石和硅硼镁铝矿：Trn1→Gdd→Prs→Trn2，反映了其间的转化关系；Gdd可呈先存Sil之假象或单独存在(图6c)，其后均可出现退变电气石(图8d)。硅硼镁铝石和硼柱晶石这两种矿物的边缘又可生长电气石-石英±黑云母组合。硼铝硅酸盐矿物的出现与黑云母、钾长石、斜长石和石英以及伟晶岩脉等关系密切。而且，各种硼铝硅酸盐矿物呈递进关系：电气石可多次出现，对于硅硼镁铝矿和硼柱晶石而言，前者先形成，后者晚出现，很少见到两种以上的硼铝硅酸盐矿物同时形成，即硼铝硅酸盐矿物可以共存但不共生，这些矿物之间有先后关系，而不是同时形成：

图5 与硼硅酸盐矿物有关的显微结构(I)(a)早期电气石包裹于石榴子石中；(b)石榴子石裂隙中的黑云母转化为硅硼镁铝矿；(c)石榴子石转化为硼柱晶石与斜长石；(d)斜方辉石溶蚀而出现硅硼镁铝矿；(e)夕线石之后依次形成硅硼镁铝矿、硼柱晶石和长石；(f)假蓝宝石和尖晶石之后依次形成硼柱晶石和堇青石Fig.5 Microphotographs of the borosilicate minerals and related textures (I)(a) earlier tourmaline included in garnet, plane polarized; (b) biotite transformed into grandidierite, along fracture in garnet, BSE image; (c) garnet transformed into prismatine and plagioclase, plane polarized; (d) orthopyroxene corroded, then formed grandidierite, plane polarized; (e) sequential formation of grandidierite, prismatine and feldspar after sillimanite, cross polarized; (f) prismatine and cordierite after saphirine and hercynite, plane polarized

图6 与硼硅酸盐矿物有关的显微结构(II)(a)斜方辉石之后出现硼柱晶石、黑云母；(b)磁铁矿之后依次出现尖晶石、硅硼镁铝矿和堇青石；(c)夕线石转化为硅硼镁铝矿，并包裹于堇青石之中；(d)硅硼镁铝矿围以石英，并被堇青石溶蚀Fig.6 Microphotographs of the borosilicate minerals and related textures (II)(a) grandidierite and biotite after orthopyroxene; (b) successive spinel, grandidierite and cordierite after magnetite; (c) sillimanite transforming into grandidierite, enclosed in cordierite; (d) grandidierite mantled with quartz, the latter corroded in cordierite

图7 硼硅酸盐及相关矿物在Al2O3-FeO-MgO成分图上的相对关系Fig.7 The composition relations of the borosilicate and related minerals on the AFM diagram

图8 与硼硅酸盐矿物有关的显微结构(III)(a)不透明金属氧化物转化为刚玉、金红石、硅硼镁铝矿、硼柱晶石、磷钇矿和黑云母；(b)刚玉转化为硬水铝石，围以硅硼镁铝矿、堇青石和黑云母；(c)金红石沿裂隙出现硅硼镁铝矿，围以硼柱晶石和黑云母；(d)不透明金属氧化物依次转化为硼柱晶石、黑云母-电气石Fig.8 Microphotographs of the borosilicate and related textures (III)(a) opaque metal oxides transformed into corundum, rutile, grandidierite, xenotime and biotite; (b) corundum changed into diaspore, within grandidierite, cordierite and biotite; (c) grandidierite along fissure in the rutile, mantled with prismatine and biotite; (d) metal oxides changed into prismatine and biotite-tourmaline

(6)

所有这些硼硅酸盐矿物组合均交代、切割变质峰期的石榴子石、紫苏辉石和夕线石(图5c, d; 图6a)，与前人提到的硼铝硅酸盐矿物组合形成于变质峰期之后(Carsonetal., 1995)相一致。

与不同硼硅酸盐矿物相伴的副矿物有所不同：与硅硼镁铝矿相伴的主要是磷灰石、金红石和磁铁矿，偶见独居石、磷钇矿；与硼柱晶石的形成往往同时伴有HIM(赤铁矿-钛铁矿-磁铁矿)，常有独居石、磷钇矿；与电气石相伴的副矿物为磷灰石。此外，金红石的颜色与先期矿物的种类有关：若是由电气石转化为硅硼镁铝矿，金红石为铜褐色，含少量的Nb、Ta组分(定性分析)；若硅硼镁铝矿是由黑云母派生而来，相伴的金红石呈红黄色。

2.4 硼硅酸盐矿物与硅酸盐矿物、磷酸盐矿物的关系

通过野外及镜下观察得知硼硅酸盐矿物矿物组合与变质晚期长英质岩石中大量出现浅色体的时期相对应(图2)，即与深熔作用关系密切。Gdd、Prs既可由电气石直接形成(如图3c)，亦可经由黑云母转化而成，如沿黑云母解理缝产出(图5b)，黑云母可呈残留包裹体。硅硼镁铝矿可沿石榴子石裂缝形成(图5b)。硼柱晶石可包裹尖晶石和假蓝宝石(图5f)。而且，含Prs的岩石常常缺失Grt，偶见粗大Grt颗粒较被Prs-Pl溶蚀，显示Prs对Grt的切割(反应)关系(图5c)。最后出现的是黑云母、电气石和石英(图3d)，在Gdd、Prs周围均可出现石英(图5d)，所不同的是，当有石英时，Prs多被溶蚀，而Gdd没有变化。

Prs产出位置附近，有氟磷镁石(Wagnerite)出现，但是氟磷镁石较多的地方没有硼硅酸盐矿物，同样，硼硅酸盐富集之处也没有显著的镁质磷酸盐矿物出现，表明了硼硅酸盐矿物和这些磷酸盐矿物之间的分异作用。通过二者之间有限的接触关系判断，镁质磷酸盐矿物的出现比硼硅酸盐矿物要早一些(任留东等, 2004)。

在拉斯曼丘陵长英质片麻岩中，各种变质矿物之间的演化顺序如下：

Bt1-Pl-Qtz-Trn1→Sil-HIM-Crn→Grt-Op±Opx→Melt→Spl-Spr±Crn→Wag-Op-Ap-Mnz-Xnt±Zrn～Gdd-Prs±Qtz→Crd±Spl～Kfs-Pl-Qtz→Trn2-Bt2-Pl-Qtz±Op

(7)

3 硼硅酸盐矿物形成的过程讨论

3.1 一般情况

本区深熔作用强烈发育，由于原岩成分的继承性影响以及熔体优先吸收挥发分组分(Olsen, 1985)，促使熔体中含有大量的挥发分。研究证明，H2O、OH-、B、F、P均可存在于熔体中，其中硼组分(B)不但能够降低硅酸盐熔融体系的固、液相温度，还能改变低共熔组成，硼的存在使得熔体更容易(提前)对H2O饱和，随着Ab-Or-Qtz体系中B2O3的增加，低熔点向着Ab增加的方向移动(Pichavant, 1987)。当然，F、H2O的介入亦会降低熔体的粘度和密度(朱永峰和张传清, 1996)。水在岩浆熔体中以两种形式存在：分子水和羟基水(Stopler, 1982; 转引自朱永峰和张传清, 1996)，F、B2O3和P2O5的含量越高，熔体中水的溶解度越高，各种挥发分组分溶解度相互促进。随着温度的降低，酸性熔体所含H2O的浓度增大(Stopler, 1989; 转引自朱永峰和张传清, 1996)。

3.2 组分的活动性

硼硅酸盐矿物的递进演化及其相关的变质-深熔作用中矿物组合的形成也可以从氧化物的活性差异方面来考虑。在相关矿物的结晶过程中，组分Fe、Ti、Al、Mg和部分的Ca、P、B、F基本原地沉淀，而K2O、Na2O、H2O和部分Ca、P、B、F、SiO2迁移，使得特定组合的形成与氧化物之间的明显分异有关，突出表现为：

MgO-FeO(TiO2)分异、富集形成Mt、Ilm、Hem和Spl、Spr、Gdd、Prs-Crd；

Al2O3-SiO2分异形成Qtz、Fsp和Crn、Spr、Crd；

B-H2O的分异、聚集形成Gdd-Bt、Prs，而且需要富MgO、Al2O3但贫SiO2的成分条件，其中B2O3的介入可促使SiO2迁移，即活动性加强。

与区域内矿物的结晶顺序(见式(7))相对应，主要结晶(沉淀)的金属阳离子组分也有相应的阶段性结晶：

Al,Si→Al,Na(Ca),Si→Fe,Ti→Fe(Mg),Al→Mg(Fe),Al,Si→(K,Al,Mg)→Na(Ca)→K→H2O

(8)

即结晶的主要金属阳离子种类可有阶段性变化。由于假蓝宝石(Spr)的成分特征，多认为其产出的变质岩原岩成分富Mg、Al、Fe、且贫硅(SiO2)组分(Harley, 1998; Tong and Wilson, 2006)，含硼铝硅酸盐矿物多与夕线石相伴，体系富Mg、Al组分，因为夕线石中BSi代换与MgAl的代换呈耦合关系，这种耦合代换可出现在高温、少水麻粒岩相条件下，在角闪岩相条件下则难以发生(Grew and Hinthorne, 1983)。

该区夕线石片麻岩中Crn、Sil、Op、Spl、Crd的先后关系，可以理解为与铝组分(Al)相伴组分的差异，先后富Al±Si、Fe(Mg)和Mg，说明了成分分异作用的存在。

中山站区部分熔融残留组分可形成Fe-Ti氧化物(图4)、刚玉、假蓝宝石等，并可伴随相邻部位长石、石英的聚集，可能是组分的分异或分离结晶所致。也就是说，高级变质作用中刚玉、尖晶石等矿物的形成未必是简单的原岩贫硅造成，变质作用过程中组分的迁移、调整也可以达成同样的效果。此时，体系在化学上不再封闭、而是开放的(任留东等, 2009)。

对于拉斯曼丘陵与假蓝宝石形成有关的矿物组合，随着矿物阶段的不断更替，XMg数值递增顺序为：Op

如果考虑由黑云母向硼硅酸盐矿物的时间转变，组分上的变化主要显示为FeO基本不变，MgO减少，而Al2O3增加的过程(图7)；硼硅酸盐矿物之间的变化表现为(MgO+FeO)减少，XMg增大和Al2O3增加的过程。对于XMg的变化，不同矿物之间有如下顺序：

(9)

可以看出，除了黑云母(Bt)具多阶段外，其它矿物的XMg变化顺序大致与生成顺序一致。对于暗色矿物的种类变化，如石榴子石→堇青石，除了压力降低的影响外，不排除深熔作用过程中，介质的性质或组成发生改变的可能，使得结晶的矿物组分逐渐富镁。

此外，挥发分硼对其它常量组分的活动性及含量亦具影响，因为铁、镁、铝、铍、锰都可以成为硼的沉淀剂(刘英俊等, 1984)。硼硅酸盐矿物的大量产出，是SiO2活度受到抑制、B2O3和Al2O3活动相对加强的结果，硅硼镁铝矿和硼柱晶石(B-Al±Si)之后可出现长石、堇青石等铝硅酸盐矿物和石英(Si-Al±B)，说明硼硅酸盐矿物形成时SiO2组分发生了显著的分异，或者SiO2的活度受到了明显的抑制，尤其是假蓝宝石和硅硼镁铝矿等SiO2含量很低矿物的形成，同时表明了B活度的相对提高，这些矿物之后石英的出现则标志着SiO2活度的恢复。

至于岩石中贫硅，除了原岩成分的影响外，Kriegsman and Hensen (1998)提出，随着黑云母的不断脱水熔融，变泥质岩深熔中可发生石英的逐渐减少，促使变泥质岩中SiO2含量降低、而Al2O3含量相对升高。通过接触变质的观察和成岩格子的研究，Riescoetal. (2004)对变泥质岩提出两阶段深熔机制，认为早期熔融形成富含石英的脉迁移出去，而残留组分贫石英，说明去硅效应的发生：其他组分抑制了SiO2的结晶并替代其位置，再转熔形成熔体并不断迁出，使得剩余组分成分不断变化，残留组分中硅不饱和，形成矿物如刚玉、尖晶石、假蓝宝石等。

另外，络阴离子的活动具有波动性。通常，斜长石难以溶蚀石榴子石，但是若同时有B组分，溶蚀较易发生，先形成斜长石，紧接着硼柱晶石出现，并伴随少量的Qtz形成。

3.3 挥发分的分离与聚合

硼硅酸盐矿物的一个重要特征是含有相当数量的挥发分组分(B、F、Cl、OH)，且不同的矿物所含挥发分的种类不同，其中(因黑云母与硼硅酸盐矿物的密切关系，也一同作比较)：

Bt：F、Cl均有，且以F为主，挥发分组分H2O+Cl, F or Cl, F, H2O±B

Trn：B及少量的F，基本无Cl，含H2O；B+H2O±Cl, F(P)

Prs：B及少量的F，基本无Cl，而H2O活动较弱，B±H2O±Cl, F

Gdd：B及微量的P，无F、Cl，硅硼镁铝矿属“干”矿物，B±P

不同硼硅酸盐矿物的硼、水含量有显著区别，变质过程中B组分浓度及水含量的显著变化控制了各种硼硅酸盐矿物的先后形成。

硼硅酸盐矿物能够结晶的一个重要因素在于B组分必须达到相当的浓度，即前期B组分有相当的富集过程。早期的电气石石英岩提供了最佳的成分前提：如硅硼镁铝矿、硼柱晶石由电气石进变质改造形成，即Gdd、Prs、Brs、Trn2-3系在早期富硼矿物基础上形成新的硼硅酸盐矿物，这时B(F)组分基本不迁移，保持近封闭体系。即当Gdd-Prs组合矿物含量较多时可能为富含电气石原岩变质改造而成，并伴随脱水反应：Bt+Trn→Sil+Ap+Gdd，流体活动明显，迁出H2O、Na、K，这里Gdd-Prs组合相当于残留。Werding and Schreyer (1978)的实验表明：在柱晶石-共存的含水流体之间，B2O3优先富集于固相中，即使F、Cl迁移也不远，沉淀、结晶于磷灰石之中，导致伴生的磷灰石。从晶体化学特征可知，硼硅酸盐矿物形成时环境可能较富Al2O3组分，Werding and Schreyer (1996)指出，铝(尤其在六配位时)对硼有化学亲和性，B2O3不全表现为挥发性组份，至少在硼硅酸盐矿物形成时如此。也就是说，形成Gdd-Prs时，挥发分(包括B、P)较为惰性，体系基本是封闭的。

本区还有另外一种情形，未见早期电气石石英岩，仅有少量硼硅酸盐矿物Prs±Gdd呈团块状、透镜状出现(图2c, d)。因无早期电气石相伴，可能反映了B(F)组分的迁移、富集过程，或含B组分经一定距离迁移之后对其它矿物的交代作用，如石榴子石附近极少量的黑云母转变为硅硼镁铝矿。

通过对日本西南部高级变质岩的研究，Kawakami and Ikeda (2003)指出，麻粒岩岩相变质过程中，若少水或无水，很可能会影响到一些挥发分以合适载体的迁移，如高温峰期假蓝宝石(Spr)体系中基本无水，Spr中可含有相当量的硼(B)组分，随着体系中水含量的逐渐增加，先后形成柱晶石(Krn或Prs)和电气石(Trn)。其矿物形成顺序与中山站区完全一致，假蓝宝石含B意味着体系硼组分较低，尚未形成硼矿物，随着B含量进一步增加、达到足够的浓度时形成硼铝硅酸盐矿物。

不同的矿物组合大致反映了不同的挥发分迁移-聚集形式，如硼柱晶石之后出现的黑云母±电气石是深熔作用之后降温水化的产物，此时发生了B、F(Cl)、P、H2O等挥发分的聚集。

Bt-Trn：B(F)-H2O结合，H2O趋于固结；

Ap-Gdd：B(F-P)沉淀，趋于脱水，H2O扩散，B(F-P)封闭、聚集；

Prs：B(F)-H2O(P)分异，仅有少量H2O沉淀，总体趋于脱水；

Trn：B(F)-H2O结合，H2O趋于(冷却)固结；

Gdd→Prs→Trn的递进演化，一方面表明，不同的硼硅酸盐矿物组成反映了不同的温压条件和流体组成，如B±F沉淀，使得B和部分H2O结晶形成硼柱晶石；另一方面，硼组分的聚集，也相当于深熔作用之后的体系冷却即挥发分凝固过程。用组分B2O3-H2O活度变化可较好解释硼硅酸盐矿物组合的变化：峰期变质之后温度的降低使得P2O5、B2O3等挥发分优先凝聚或形成残留，其中P2O5较早、B2O3较晚；水的增加或降温降压，使得这两种组分有效分异，之后才是H2O的凝聚：先是析出P2O5形成氟磷镁石，涉及到P、F共同沉淀(任留东等, 2004; Renetal., 2005)，并有磷(P)从邻近迁移过来的过程，随后则是是B2O3活度的逐渐减小造成Gdd→Krn或Prs，随着H2O含量的增加形成Prs、Trn，即硼硅酸盐矿物结晶过程中，环境先是B2O3-H2O之间变化，组分为B2O3±H2O、B2O3+H2O时分别形成Gdd、Prs，转化以CO2±H2O为主时出现Crd，然后H2O±CO2形成Bt、Trn，出现Gdd→Prs→Crd→Trn的递进演化。因此，不同矿物组合的形成也是各种挥发分或易迁移组分分离或聚合的过程。

当熔体或其所派生的溶液中含较多的H2O、CO2、B、F、Cl等挥发分组分时，由于降压/升温的影响，其中压力是主导因素，导致熔体中挥发分的逸出(Holtz and Johannes, 1994)；若隆升幅度较小，H2O基本不逸出，即H2O“原地循环”(Konnetal., 1997)。

3.4 与变质作用-深熔作用的关系

南极拉斯曼丘陵片麻岩中，早期电气石很少有残留，即使出现也是包裹于石榴子石等矿物中，若与其他硼硅酸盐矿物相伴时可以出现于斜长石中，或是以退变的形式存在。电气石在麻粒岩相变质条件下不稳定，其残留体的存在可能是由硼铝硅酸盐矿物之间硼的缓冲作用造成的(任留东和刘小汉, 1994)，少量退变质电气石的形成反映在晚期冷却过程中发生了挥发分组分一定程度的再集中，同时说明，与挥发分组分B有关的变质反应发生不彻底。

不论是硅硼镁铝矿，还是硼柱晶石，二者派生于之的富硼矿物基本为电气石(见前述)，实际上也见到了这种转化关系。电气石主要在角闪岩相变质条件下稳定，而硅硼镁铝矿和硼柱晶石往往在高角闪岩相-麻粒岩相环境中形成(Grewetal., 1990)，硼铝硅酸盐矿物组合的形成与深熔作用关系密切(Grewetal., 1990, 1998; Dingwelletal., 1996)。

在深熔作用中，部分常量组分可有残留，如Al、Fe、Ti，甚至Mg组分，因难以迁移，而发生(近)原地熔体冷凝、聚集，形成夕线石、金属氧化物、石榴子石、斜方辉石等，以及一些副矿物的聚集，如在中山站区，锆石、独居石、磷钇矿等副矿物在夕线石、堇青石附近的局部集中，形成串珠状或多个颗粒的集合体，可能就是这种残留的一种体现。

挥发分B、F的存在使得岩浆熔点降低、熔融成分调整，即挥发分的存在使可移动的熔体偏离正常的低共熔组成(Dingwelletal., 1996)，特别是熔体携带这些挥发分之后，粘度有所降低，更容易沿构造裂隙或剪切带运移。

之后挥发分散失导致熔体熔点降低，或熔体直接降温，均可促使熔体结晶，类似于岩浆体系的结晶演化过程，首先结晶的是镁铁质矿物，如尖晶石、假蓝宝石等，如东南极Lützow-Holm湾区高级变质区麻粒岩中的含假蓝宝石、堇青石的组合认为属于麻粒岩相变质作用、部分熔融经熔体汲出后的残留体(Yoshimuraetal., 2008)，但是，更可能是熔体结晶时的产物，因为，这些矿物往往溶蚀、改造熔融残留体如石榴子石、磁铁矿等。

就我们的观察，Gdd和Prs比一般的硅酸盐矿物结晶峰期如石榴子石、斜方辉石略晚(图5c, d、图6a)，反映了硼硅酸盐矿物的结晶晚于变质峰期阶段，考虑到其间的溶蚀关系，可能的情况是：石榴子石、斜方辉石及一些氧化物等高温“干”矿物形成于深熔作用阶段，即不一致熔融(incongruent melting)的结果，属于熔体形成阶段；而硼硅酸盐矿物的出现，一方面，与变质峰期矿物呈反应关系，另一方面，Gdd-Prs形成时钾长石具有自形晶面，表明是从熔体中结晶出来的(Vernon and Collins, 1988)，而硼硅酸盐矿物的结晶极少伴有熔体(图2b、图3a, b)，说明富硼组分与熔体有显著的分异，但仍与熔体有着密切的联系。参考造岩矿物及主要组分之间的联系，可能对应熔体的结晶阶段。这也是本文与以往研究的不同之处。熔体中所溶解的惰性组分(如Al、Fe、Zr、REE等)、活动组分(如Mg、Ca)和各种挥发分，先后被沉淀、结晶出来，并对早期熔融阶段的难熔矿物(如石榴子石、不透明金属氧化物)有所溶蚀、改造(图5c, d、图6a, c)。即深熔作用的熔融阶段，经转熔形成残留体和熔体；降温过程中，熔体结晶出两种组合：原地、近原地的富镁矿物，如假蓝宝石、堇青石等(图4、图5f)，以及半原地的硼硅酸盐矿物，可能缘于挥发分的参与，其结晶位置与浅色体有一定的偏离(图2b, d)。

Gdd-Prs等硼硅酸盐矿物形成于麻粒岩相变质条件，可能与熔体整体温度较高、水含量较低有关。早期熔融残留组合被后期硼硅酸盐组合叠加改造，而且，熔体和挥发分组分的结晶产物分异彻底：熔体直接结晶形成的花岗岩、伟晶岩中除少量电气石外，很少有其它硼硅酸盐矿物。

在熔体结晶过程中，可形成磷酸盐矿物(如磷灰石、氟磷镁石)(Renetal., 2003; 任留东等, 2004; Grewetal., 1990, 1996)和硼硅酸盐矿物(Renetal., 1992; Carsonetal., 1995; Grewetal., 1996)的局部聚集，并有部分挥发分以溶液或汽相的方式逸出，迁移至低压或较浅的构造层次。变质晚期水化形成自形黑云母、电气石，或刚玉周边的黑云母，即熔体结晶导致黑云母、电气石等含水矿物的形成，当然，这也是B、F等组分迁移-聚集的过程，说明了深熔过程的整体封闭性。自熔体析出的挥发分组分则迁移至合适的部位凝聚、结晶，磷酸盐、硼硅酸盐矿物可能就是这样形成的。变质矿物组合的形成与变化，不仅受温压条件的控制，相关的深熔作用、熔体及流体挥发分组分，同样具有重大影响。

3.5 介质酸碱度分析

矿物组合的多期次、阶段的演化既有温压变化，也有流体介质组成的变化，而不是简单的温压路径变化所致。而且，不同的矿物组合可能大致反映了不同的流体介质组成。对于亚固相条件，除流体中硼的含量外，H/OH比值或pH值则是一个重要的变量(Morgan and London, 1989)：

(10)

(1)电气石具有多期次且成分多变(任留东和刘小汉, 1994)。实验得知，电气石只在介质pH<6.0的溶液中稳定(刘英俊等, 1984)，根据共生矿物组成，最主要的组合为电气石-石英共生：介质中应含SiO2，电气石形成于富钙的弱酸性溶液环境。

(3)硼柱晶石形成时电气石溶解、消失较为明显，偶尔可见到电气石→硼柱晶石转化关系，发生分解转化反应：

Bt+Trn→Prs+(K2,Na2,Ca)O+H2O

(11)

含硼组分的熔体或溶液可溶蚀围岩，对先期矿物有溶蚀、改造作用(图5a, b, d、图6a, c)。较高温硼硅酸盐矿物(Gdd-Prs)之后是少量长石(Kfs-Pl)的结晶(图3b、图5e)，硼柱晶石可被后期出现的长石、堇青石和石英溶蚀，而硅硼镁铝矿保持稳定，也说明二者形成的介质条件的差异。

最后是电气石±黑云母+石英组合(图8d)。Morgan and London (1989)实验认为，碱性流体中B的介入可增大Al、Si的溶解度，容易迁移和集中，其时组分大规模活动，硼柱晶石可大量、集中的产出。三种硼硅酸盐矿物中，电气石形成于酸性环境，硅硼镁铝矿和硼柱晶石形成于碱性环境，且碱性程度依次增强。流体介质组成的不断变化，导致硼硅酸盐矿物的递进演化。

4 关于硼组分的丰度及其成因

一般变质岩中硼的含量比其原岩沉积岩或岩浆岩中的硼含量要低，这是由于变质作用过程中，矿物中赋存的硼会逐渐释出(Moranetal., 1992; Acosta-Vigiletal., 2001; Kawakami and Ikeda, 2003)。麻粒岩相变质的特征是高温、少或无水，随着变质程度的加深，硼的释放愈加明显。一般麻粒岩相变质岩石亏损硼，其中硼的含量很少超过5×10-6。

本区部分片麻岩中硼硅酸盐矿物含量很高，换算成B2O3可达～n%的浓度(Grewetal., 1990, 2013)，远远高于一般沉积岩或岩浆岩中的含量。对于如此高的硼浓度，Grewetal. (2012)认为是原岩成分继承而来，即一种特殊的富硼岩石如蒸发盐岩类等。通过同位素比值分析，Grewetal. (2013)和MacGregoretal. (2013)认为这里富硼成分起因于原岩，即变质前的B聚集，并归因于c. 1000Ma前大陆弧内侧裂谷或海相盆地或泥火山环境下的水热蚀变(Slacketal., 1998)，类似的岩石包括东南极的Windmill群岛、Wilkes地，以及澳大利亚Broken丘陵Willyama超群中含电气石石英岩的铁建造(Slacketal., 1993)。Kawakamietal. (2008)则提到，Lützow-Holm 湾区变质前海水对基性岩的蚀变作用可以富集B组分。

本区中-高级长英质片麻岩中电气石或其他硼硅酸盐矿物要么缺失，要么含量很高成为造岩矿物，多处可见硼硅酸盐矿物以透镜或似薄层状产出。还有一些片麻岩，没有电气石出现，硼铝硅酸盐矿物含量很少，岩石中B2O3含量难以达到形成Gdd、Prs所需要的量。本区长英质片麻岩的原岩恢复(任留东等, 2007)表明，变质岩的原岩主要为杂砂岩类以及少量的火山(沉积)岩，富硼岩石原岩可能为电气石石英岩，即相对活动环境下的沉积，似乎没有蒸发盐形成的机制。因此，硼铝硅酸盐矿物组合的形成不在于岩石多么富集B组分，关键要有B的局部富集机制。除原岩继承外，本区岩石存在变质-深熔作用、熔体结晶，进而晚期高温流体或溶液中硼的再富集过程，而这与变质级别增高时变质岩中硼含量的变化趋势恰好相反。

碎屑岩通常含有副矿物电气石，低-中级变质时亦可由云母释放出B形成粗粒电气石(Kawakami and Ikeda, 2003)，高温麻粒岩相变质时电气石不再稳定而发生分解(Grewetal., 1996, 2002)，在变质条件下，11B(相对于10B而言)优先进入流体相中(Palmeretal., 1992; Palmer and Swihart, 1996)，数据表明，电气石的11B含量较高(作者未发表资料)，而硼柱晶石和硼镁铝矿的11B较低(王彦斌等, 2004)，挥发组分B发生了一定程度的同位素分馏过程，反映了电气石的形成与流体有关。

另外，本区硅硼镁铝矿、电气石周围常有石英附生，而硼柱晶石周围石英较少，而是具有一定量的(钾)长石，多有堇青石(图5e)，反映了它们形成时介质成分的差别。硼柱晶石聚集时硼组分浓度应该较高，却无硅硼镁铝矿伴生，二者不同时形成，说明硼组分浓度不是控制硼铝硅酸盐矿物出现的唯一因素，如介质的其它环境因素如酸碱性、伴随挥发分组分的差异，可能影响到元素B、Al配位数(B-三、四配位，Al-四、六配位)的变化，进而可决定硼铝硅酸盐矿物的种类。

因此，一种可能的解释是：大部分沉积岩在递进变质时硼组分趋于减少，熔体强烈吸收体系中本来就不多的H2O等流体挥发分，即流体挥发分优先进入熔体(Thompson, 1983; Vilzeuf and Holloway, 1988)，逸出的硼组分经深熔形成的熔体或衍生的流体溶液迁移，降温或熔体结晶时，其中的挥发分组分析出，在浅色体聚集区或花岗岩岩体附近的富黑云斜长片麻岩内或分散或集中，初期温度较高时形成多种硼硅酸盐矿物，如柱晶石或其他硼铝硅酸盐矿物的透镜体(图2)，之后形成堇青石。仝来喜等(1997)注意到，本区的堇青石形成于高温变质作用及缓慢冷却的条件。温度较低时仍以溶液或汽相短距离迁移的B组分形成Trn-Qtz团块或脉体。这种情况下，B、F、P的局部聚集应与深熔作用时熔体的整体吸收及随后熔体结晶阶段的再富集有关，而与原岩是否富含这些组分关系不大，对于硼，如原岩中少量碎屑电气石的存在即可造成这种效果。

与浅色体/淡色花岗岩相比，B趋于在暗色体或残留体中结晶富集(Acosta-Vigiletal., 2001)，而且，与一般硅酸盐矿物深熔作用时的残留有所不同，硼铝硅酸盐矿物主要为熔体冷却结晶时的残留。也就是说，对硼组分来说，局部体系不封闭，而在较大尺度和范围内则基本封闭，难以形成大尺度的循环(如俯冲)，挥发分组分的迁移和富集局限在一定的尺度和范围内，这既有原岩层位的限制，又有构造或岩浆聚集作用。在拉斯曼丘陵，宏观上，出露硼硅酸盐矿物的层位大致集中于一个大的剪切带(宽度达4km)的两侧，即挥发分的集中与分布具有非均一性：与片麻理一致的含硼柱晶石富黑云母片麻岩呈长扁豆或小透镜往往沿片麻理方向出现浅色体团块，邻近出现较多的伟晶岩脉和花岗岩(图2)，可能就是这种硼富集的体现。

关于硼硅酸盐矿物组合的形成时代，到目前为止，还没有这些矿物形成年龄的直接数据。考虑到其出现与区内的正长花岗岩、含榴花岗岩及伟晶岩脉密切的联系，而这些花岗岩及伟晶岩形成于泛非期(Carsonetal., 1997)，因此，这些挥发分组合可能也形成于泛非期变质作用。

5 岩石学意义

通过以上分析和讨论，本区硼硅酸盐矿物的产出伴随着特定的岩石学过程，总结如下：

(1)硼硅酸盐矿物(电气石除外)与一般的硅酸盐矿物结晶峰期的时期不同；各种硼硅酸盐矿物在同一期、甚至同一阶段内呈递进关系：电气石可多次出现，对于硅硼镁铝矿和硼柱晶石而言，前者先形成，后者晚出现，很少见到两种以上的硼硅酸盐矿物同时形成，即硼硅酸盐矿物之间共存但一般不共生；

(3)在深熔作用中，挥发分B、F更容易进入熔体(硼的第一次富集)，其存在影响了熔体的组成，使得岩浆熔点降低、熔融成分调整，粘度有所降低，更容易运移；另外，熔体可以携带这些挥发分，当熔体结晶时挥发分析出、结晶，局部富集硼硅酸盐矿物(硼的第二次富集)；说明岩石中的B组分可经由变质-深熔作用造成，有深熔作用时熔体的优先吸收及随后熔体结晶阶段的再富集过程，而与原岩是否富集这些组分关系不大，这时组分(尤其是挥发分组分)在露头尺度上体系可能属于开放性质，而在更大尺度和范围内则基本封闭；

(4)硼硅酸盐矿物的递进演化可能主要受介质控制，不同的硼硅酸盐矿物形成的介质条件有所差异，根据分析，电气石形成于富钙的弱酸性溶液，可含SiO2，硅硼镁铝矿应为近中-碱性溶液介质，而硼柱晶石的形成条件应为含少量氟的偏碱性介质环境，后两者伴随的SiO2较少见。除温压因素外，矿物的多期次、阶段的变化可能同时受介质条件的控制；

(5)硼硅酸盐矿物组合存在，表明发生了以脱水为主的高级变质作用，同时伴随强烈的深熔作用，正是深熔作用的存在，使得硼组分在前期原岩有一定含量的基础上，由于熔体结晶而发生局部富集，尤其是沿着一些构造薄弱部位发生显著的聚集。