有关孕震介质演化的若干岩矿名词辨析.pdf

23第 2 期（总第 187 期）2023 年 6月No.2Jun.2023收稿日期：2023-03-02；修回日期：2023-03-10基金项目：国家自然科学基金项目（41373059）资助作者简介：郭贵娟（1990-），女，内蒙古呼和浩特人，编辑，主要从事地质学书籍出版工作 E-mail：guo1guijuan 163 com天然地震震源分布在壳、幔内 700 km 深的上部范围。地震孕育是指地震前地球内部地应力增强使岩石积累能量的过程。孕震介质是地壳及上地幔中受力聚集能量的岩体。在地壳和地幔内，随着温度和压力的变化，孕震介质（地球深部物质）发生一系列物理化学变化，形成了不同的矿物组合（岩石）。中深源地震的成因与矿物相变有关，亚稳态橄榄石的相变可能是一种地震成因机制（刘雷等，2007；Zhan et al，2020）。研究地球深部物质（孕震介质）组成和相态及其物理性质的变化规律有益于深入认识地震孕育过程（杜建国等，2007；Tschauner et al，2014；Du et al，2021；Witze，2021）。人们根据发现和合成的高压矿物厘定了下地壳、地幔的主要矿物相（谢鸿森，1997；Dubrovinsky et al，1998；龚自正等，2005），揭示了地幔中水（流体）的存在及其地质作用（杜建国等，2010；Du et al，2021），获得了地核存在轻元素的证据（张友联等，2011；杜建国等，2011）。在叙述孕震介质的相变过程和物性变化时正确运用相应的岩石矿物术语能保证准确交流研究成果。在一些论述地球深部物质方面的文章中存在一些矿物名词和岩石学名词运用不当的现象。因此，有必要对若干高压相矿物、岩石名词含义及其运用进行辨析。1 几个岩石学术语及其运用固体地球内随深度增加，温度增高，压力增大。地球深部岩石是由高温高压相矿物组成的，从中地壳以下会出现高压矿物组合和高压变质岩系。这里通过简述几个高压变质岩和变质相，阐明其在研究地球深部物质中的正确运用。11 麻粒岩（granulite）和麻粒岩相（granulitefacies）变质相（metamorphic facies）是指一组不同成分的岩石在一定温度压力下变质结晶的产物。一个变质相是 指一定 P-T-H2O（温度压力水含量）区间内达到化学平衡的所有变质矿物共生组合，它们在时间和空间 上反复出现并密切伴随在一起，变质共生矿物组合和岩石化学成分之间有着固定的对应关系（宇炳松等，2017）。麻粒岩相是贫水的高温高压变质岩系，其特征矿物是斜方辉石，其中紫苏辉石（hypersthene）为典型标志性矿物（程素华等，2016；宇炳松等，2017）。中文版变质相图和英文版变质相图中各变质相的温压区间是一致的，变质相之间用宽的边界带分开，表示相变是过渡的和近似的标识，并且区分了不同构造环境。但是，中文版变质相图和英文版变质相图的标识是不同的，在中文的变质相图中都标注相应的中文变质相全称，如沸石相、麻粒岩相、榴辉岩相。而在英文的变质相图（图 1）中各变质相只标注了相的标志矿物，省有关孕震介质演化的若干岩矿名词辨析郭贵娟（地震出版社，北京 100081）摘 要：在地震孕育发生过程中，地球深部的岩石会发生一系列物理化学变化。在叙述孕震介质变化时，常用到一些高温高压矿物岩石名词术语，辨清这些名词术语的含义是正确运用它们的基础。通过辨析若干高压矿物与晶体结构名词以及高压岩石与变质相名称的异同点，指出如何正确应用这些术语叙述地球深部物质演化，避免名词混用引起的读者误解，以达到准确进行科学交流的目的。关键词：孕震介质；矿物相变；岩石学；矿物学；晶体结构中图分类号：P313 文献标识码：B 文章编号：1001-8115（2023）02-0023-04DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 02 004242023 年第 2 期四 川 地 震略 了 相（facies），如 Zeolite、P-P、Granulite、Eclogite。因此，在一些文献引用外文文献时，出现了变质相和变质矿物名称的混用。例如，当把图 1 翻译为中文时应该标注变质相的中文全称，在相应的文字叙述中也应如此。麻粒岩是一种在高温和中压下稳定的区域变质岩，含水矿物一般不出现或很少，其变质矿物组合中的标型矿物为斜方辉石（程素华等，2016；宇炳松等，2017）。斜方辉石中古铜辉石 （Mg0 90-0 70Fe0 10-0 30）2Si2O6，空间群：Pbca多见于变粒岩中，紫苏辉石（Mg0 70-0 50Fe0 30-0 50）2Si2O6，mmm主 要 出现在角闪岩、变粒岩、片麻岩和麻粒岩中（潘兆橹，1993）。麻粒岩相包括许多种高级变质岩。例如，河北张家口地区崇礼群经历了麻粒岩相高级变质作用，以在麻粒岩中发现的紫苏辉石为标志，主要岩石类型为浅色变粒岩、暗色变粒岩、麻粒岩、片麻岩等（张招崇，1995）。故其下地壳的物质组成是麻粒岩相，而不是麻粒岩。12 榴辉岩相（eclogitefacies）和榴辉岩（eclogite）榴辉岩相是指具有绿辉石（omphacite）+铁铝榴石（almandine）-镁铝榴石（pyrope）特征矿物组合的超高压变质岩系。变质温度范围为 300900，压力大于 1 GPa。榴辉岩是榴辉岩相的代表性岩石，由铁铝-镁铝榴石和绿辉石组成的高压甚至超高压基性变质岩（程素华等，2016；于炳松等，2017）。例如，大别山高压变质带经历了榴辉岩相变质作用，形成含金刚石的榴辉岩。大别山的榴辉岩产于大别杂岩中。大别杂岩是一套主要由黑云斜长片麻岩、二长片麻岩、角闪斜长片麻岩、浅粒岩、部分斜长角闪岩和大理岩组成的变质杂岩（Zhang et al，1996；张建珍等，1998）。故其上地幔顶部的物质应该是榴辉岩相，而不是榴辉岩。2 几个矿物学名词及其运用同质多象是矿物中常见现象，即在不同物理化学条件下相同化学成分形成结构不同的晶体（矿物），譬如由碳元素组成的金刚石（等轴晶系，空间群 Fd3m）和石墨（六方晶系，空间群，P63 mmc）；化学成分为Al2SiO5的红柱石（斜方晶系，Pnnm）、矽线石（斜方晶系，Pbnm）和蓝晶石（三斜晶系，P1_）。21 尖晶石族和尖晶石尖晶石族矿物是指 AB2X4型化合物晶体，其晶体结构为尖晶石型。A 组为 2 价阳离子，B 组一般为 3 价阳离子。尖晶石（spinel）为镁铝氧化物晶体，化学式为 MgAl2O4，晶体结构属于等轴晶系，空间群为 Fd3m。Mg2+常被 Fe2+、Zn2+、Mn2+代替，Al3+可被 Cr3+、Te3+、V3+代替，形成了百余种变种（潘兆橹，1993）。根据阴、阳离子晶格中的占位，尖晶石结构可分为正尖晶石结构和反尖晶石结构。正尖晶石结构通式为 AB2O4，A 离子占据四次配位的四面体孔隙，B 离子占据六次配位的八面体孔隙；反尖晶石结构通式为 A（BA）O4，A 离子和一半 B 离子占据六次配位的八面体孔隙，另一半 B 离子占据四次配位的四面体孔隙。在高压变质过程中，随着压力增大，顽火辉石 （Mg，Fe）2Si2O6 转变成尖晶石结构型的（Mg，Fe）2SiO4（林伍德石）和金红石结构型的 SiO2（斯石英），不能表述为“顽火辉石转变成尖晶石和金红石”。随着温度、压力的增大，镁橄榄石（Mg2SiO4）相变为尖晶石结构型的 Mg2SiO4（-橄榄石），不能表述为“镁橄榄石相变为尖晶石”。Diagenesis成岩作用，Hornfels角岩相，Zeolite沸石相，P-P葡 萄 石 绿 纤 石 相，Greenschist 绿 片 岩 相，Amphibolite 角 闪 岩 相，Blueschist 蓝片岩相，Eclogite榴辉岩相，Granulite麻粒岩相，Wet granite melting湿花岗岩熔融线，热接触变质，火山岛弧，碰撞造山带，稳定大陆，大陆增生带，Pressure压力，Depth深度，Temperature温度。图 1 普通变质相图（Cortney，2014）252023 年 6 月郭贵娟：有关孕震介质演化的若干岩矿名词辨析22 橄榄石（olivine）、瓦茨利石（wadsleyite）、林伍德石（ringwoodite）橄榄石，又称-橄榄石，或-（FeMg）2SiO4，是指 Mg2SiO4-Fe2SiO4完全类质同象的一种矿物。橄榄石的化学式为（FeMg）2SiO4，晶体结构属于斜方晶系，空间群为 Pbnm。按照 Fe、Mg 含量划分为 6 个亚种。从化学成分看，橄榄石和尖晶石都属于 AB2X4型化合物；但前者的阳离子呈六方最紧密堆积，后者的阳离子呈立方最紧密堆积，属于等轴晶系（潘兆橹，1993）。-橄榄石是上地幔（深度 410 km）主要的组成矿物。高温高压实验表明，-橄榄石在 1314 GPa的压力下会相变为瓦茨利石，当压力超过 18 GPa 时，则进一步相变为具林伍德石。瓦茨利石（又称-橄榄石）是斜方晶系硅酸盐矿物，空间群为 mmm，（斜方双锥晶类为 Imma），化学式为（Mg，Fe）2SiO4，是橄榄石-（Mg，Fe）2SiO4 在高压下相变的产物。最早是在加拿大阿尔伯特 Peace Rive 陨石中发现的（Price，1983）。林伍德石（又称-橄榄石）最初是指镁橄榄石（Mg2SiO4）的高压多形，化学式为 Mg2SiO4，可含有 Fe 和OH，晶体结构属于等轴晶系，空间群为 Fd3m 或 F4_3m（Ye et al，2012）。高温高压合成实验表明，林伍德石的化学成分可以从纯 Mg2SiO4到纯 Fe2SiO4的固溶体，可以含 2 6 wt的 H2O（Ye et al，2012）。因此，广义的林伍德石的化学式写为（Mg，Fe）2SiO4。林伍德石是具有尖晶石结构的（Mg，Fe）2SiO4，被认为是构成地球深部过渡带的主要造岩矿物，对地幔过渡带的物性有控制性作用。但是，不能讲地幔过渡带的物质组成是林伍德石或尖晶石。23 钙钛矿族、钙钛矿（perovskite）及钙钛矿结构钙钛矿族矿物泛指 ABX3型化合物晶体，其中 A 和 B 为阳离子，X 为阴离子（下同）。A 组离子的半径比B 组离子的半径大。代表性矿物是钙钛矿，CaTiO3，晶体参数：高温变体为等轴晶系（Pm3m）；低温变体为正交晶系（Pcmm）。钙钛矿是 1938 年在俄罗斯乌拉尔山脉发现的，是以俄罗斯矿物学家 L A Perovski 命名的（Schmidt，2012）。具有钙钛矿结构的矿物有许多，如产于霞石正长岩等碱性岩中的钛铌钙铈矿（loparite），其化学式为（Ce，Na，Ca）（Ti，Nb）O3。布里奇曼石（bridgmanite）是钙钛矿结构的 ABX3型化合物晶体，化学式为（MgFe）SiO3，晶体结构属于等轴晶系，立方结构。早期把钙钛矿结构的镁硅酸盐 MgSiO3称为林伍德石。自然林伍德石最早是在澳大利亚西昆士兰 Tenham 陨石中发现的（Tomioka et al，1997）。布里奇曼石可能是下地幔最主要的矿物（Tschauner et al，2014）。因此，镁橄榄石（Mg2SiO4）在高温高压条件下分解为钙钛矿结构型 MgSiO3（布里奇曼石）和氯化钠结构型 MgO（方镁石），不能写为“橄榄石在高温高压条件下分解为钙钛矿和方镁石”。方镁石（periclase）为 AX 型化合物，化学式为 MgO，等轴晶系，Fm3m，阴离子成立方最密堆积，阳离子占据全部八面体空隙。下地幔约占固体地球体积的 55，主要由大约 20 vol的铁方镁石（Mg，Fe）O，75 vol的布里奇曼石（Mg，Fe）SiO3）以及 5 vol钙钛矿型钙硅酸盐（CaSiO3）构成（龚自正等，2005；杜建国等，2010）。后钙钛矿（post-perovskite）是镁硅酸盐的高压相（MgSiO3），正交晶系，空间群 Cmcm。后钙钛矿可能是地幔底部 D 层的主要矿物（Oganov et al，2004）。后钙钛矿相（post-perovskite phase）可能是地幔底部 D 层的主要矿物相，但是，不能讲 D 层的物质组成是后钙钛矿。阐明上述高压矿物的化学成分和结构以及高压矿物相的含义，有利于准确地运用这些术语描述孕震介质演化过程中的矿物相态变化，也可避免将矿物名词与矿物晶体结构名词混淆。3 结语在描述地球深部物质组成和矿物相变过程时，应准确运用相应的矿物名词、晶体结构名词、岩石名词和变质相名词，不能用晶体结构名词代替矿物名词，也不能用岩石代替变质相。正确运用矿物学和岩石学术语可以避免引起读者误解，达到准确进行科学交流的目的。致谢：衷心感谢中国地震局地震预测研究所杜建国研究员对本文的修改。参考文献程素华，游振东 2016 变质岩岩石学 M 北京：地质出版社262023 年第 2 期四 川 地 震杜建国，谢鸿森 2007 从原子到地球高压地球科学研究进展 M 北京：地震出版社杜建国，李营，王传远 等 2010 高压地球科学 M 北京：地震出版社，1-335杜建国，贺端伟，高春晓，等 2011 矿物岩石高温高压实验与理论研究 M 北京：地震出版社龚自正，谢鸿森，费英伟，等 2005 下地幔矿物研究及其进展 J 地学前缘，12（1）：3-22。刘雷，杜建国，易丽 2007 亚稳态橄榄石相变与深源地震研究进展 J 地震，27（3）：41-48潘兆橹 1993 结晶学与矿物学（上、下册）（第三版）M 北京：地质出版社谢鸿森 1997 地球深部物质科学导论 M 北京：科学出版社，1-297宇炳松，赵志丹，苏尚国 2017 岩石学（第三版）M 北京：地质出版社张建珍，杜建国，张友联，等 1998 大别山榴辉岩岩石学及地球化学特征 J 地质论评，44（3）：255-263张友联，杜建国，崔月菊 2011 地核物质成分研究进展 J 地球科学进展，26（4）：365-374张招崇 1995 冀北水泉沟杂岩体的成因机制及其与金的成矿作用关系的研究 D 北京：中国地质科学院 Cortney 2014 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rocks are usually used when the process of earthquake generation is described To differentiate the terms is the precondition to correctly apply them The exact meaning and similarities of the high-pressure mineral phase and crystal structure，high-pressure rock and metamorphic facies are differentiated，and the examples of correct usage of the terms are shown in order to omit misunderstanding the sentences the mix containing unproperly usage of the terms，which favors accurately scientific exchange Keywords：medium of earthquake generation；mineral phase transformation；petrology；mineralogy；crystal structure