印度西达瓦尔克拉通北界多期变质多层面云母片岩中基质矿物组合与石榴子石成核及生长之间的相互作用

《Lithos》：The interplay between matrix mineralogy and garnet nucleation and growth, in a polymetamorphosed multilayered biotite schist from the northern boundary of the Western Dharwar Craton, India

　　

摘要

石榴石环带结构是重建变质压力-温度-时间（P-T-t）路径的基础，传统上在局部热力学平衡的假设下对其进行解释。然而，区分区域P-T演化的影响与局部动力学控制（如基质矿物学和传输效率）的效果仍然是一个重大挑战。本研究考察了印度前古元古代南马哈拉施特拉剪切带（SMSZ）内一个厘米级、多期变质、含石榴石的层状黑云母片岩（GTQ），该样品由四个层（L1-L4）组成，矿物组合大致相似但矿物比例、粒度及构造特征存在显著差异。由于这些层位于同一手标本中，经历了相同的P-T-变形历史，因此该样品可作为天然实验室，用以隔离层尺度化学和矿物学非均质性对石榴石成核与生长的影响。

通过整合岩石学、电子探针微区分析、X射线元素面扫分析和变质温压计，我们证明基质矿物学对石榴石动力学具有一阶控制作用。在富铁的L2层中，石榴石成核是由亚稳态富铁角闪石假象交代触发的，记录了强烈的反应过跨。相比之下，L1、L3和L4层中的石榴石在富云母片岩微区域的黑云母表面异质成核，表现出更高的成核密度和界面控制的生长。尽管成核历史存在分歧，所有层的石榴石均记录了共享的变质P-T生长轨迹（~490-530°C，6.1-6.4kbar），随后经历了一个由富钙环带所界定的明显晚期等温增压事件。随后的局部流体渗入和变质回降溶解，受层特异性流变性和总体化学控制，进一步证明了微观非均质性对变形过程中流体-岩石相互作用的影响。我们的结果表明石榴石生长存在部分解耦：虽然环带结构由区域P-T演化控制，但石榴石的成核密度和体积生长主要受基质介导的动力学控制所支配。因此，本研究强调了在解释石榴石环带和重建变质历史时，将微观结构记录与P-T约束相结合的重要性。

引言

在变质岩中，石榴石毫无疑问是最受关注的矿物，因为它在从中壳深部到地幔深度的压力与温度条件下均稳定存在，在具有不同总体组成的岩石中均可形成，并且保留化学环带结构，有助于解码岩石所经历的P-T-t条件（Gaidies等人，2015；Spear，1993）。在这些P-T估算（包括相平衡模型）中，压力、温度和岩石总体组成通常被视为控制石榴石稳定性的主要因素。此外，石榴石成核和生长被认为是在与基质的局部热力学平衡下进行的。然而，近期研究表明石榴石成核偏离平衡状态，需要显著的过跨温度（Gaidies等人，2011；Gaidies和George，2021），在中壳深处云母质岩石中可达30°C（Gaidies和George，2021）。石榴石生长还逐步从基质中将主量和微量元素封存至其晶格中，改变岩石在变质期间的有效总体组成（Spear和Wolfe，2018）。因此，石榴石环带结构不仅记录了岩石的P-T演化，还记录了变质期间控制成核、生长和元素再分布的过程。

石榴石成核和生长过程受到局部尺度化学和微观结构因素的强烈影响。石榴石成核可能是扩散控制的或界面控制的（Ague和Carlson，2013；Carlson，2011；Lanari和Engi，2017；Lasaga，1986）。扩散控制的成核会在生长晶体周围产生浓度梯度，从而抑制邻近的成核，通常形成孤立的巨晶和特征性的晶体尺寸分布（Carlson，2011）。相比之下，界面控制的生长可能产生聚集的石榴石颗粒、不规则的空间分布和异质的晶体尺寸种群（Gaidies和George，2021；Spiess等人，2007）。一旦成核，石榴石的生长速率受传输控制，与石榴石的尺寸成反比，较大的巨晶生长速率较慢，而较小的巨晶生长速率较快（Balluffi等人，2005；Carlson，2011）。基质矿物通过控制反应物可获得性、扩散路径和界面能进一步影响这些过程，并可能为异质成核提供有利位置（Ague和Carlson，2013；Carlson，2011；Lanari和Engi，2017；Moore等人，2015；Nagurney等人，2021）。实验和天然研究表明，石榴石通常成核于含绿泥石或黑云母的界面处，那里成核势垒降低（Moore等人，2015；Nagurney等人，2021）。富含绿泥石的区域可提供快速的FeMg供给，但限制Al的扩散，导致空间上异质的成核和截断的环带结构（Gaidies等人，2011）。相反，富含石英或长石的层可能促进界面控制的生长，具有较慢的扩散速率，产生粗大、无包裹体的石榴石核部（Spear，2025）。此外，基质中存在石墨等矿物可能会降低石榴石-基质界面的迁移率并降低生长速率（Gaidies和George，2021）。因此，局部矿物学环境可能对成核密度、晶体形态、环带发育和平衡状态的达成交付强烈的影响。

尽管对基质矿物学控制的认识不断加深，但在天然岩石中评估其重要性仍然具有挑战性。石榴石形态和环带结构的变异通常伴随着变质级别、变形历史、流体通量或原岩组成的变化。因此，石榴石构造的差异通常被归因于P-T条件的变化，即使局部化学和矿物学非均质性可能同样重要。因此，隔离此类局部控制的影响仍然是理解变质岩中石榴石成核与生长的主要挑战之一。

本研究所考察的来自太古宙西达瓦尔克拉通（WDC）北缘剪切带（图1b）（图2）的层状含石榴石黑云母片岩（图1a）（图1a），提供了解决这一问题的罕见机会。该样品由四个厘米级层组成，位于同一手标本中（图1a）。所有层的矿物组合大致相似，包括黑云母-石榴石-斜长石-石英-钛铁矿±角闪石±绿泥石。由于变质期间岩石内厘米尺度距离上的P-T条件变化可忽略不计，推断这些层经历了相同的变形和变质历史。然而，各层在矿物丰度、岩石总体组成和微观结构上存在显著差异。最值得注意的是，石榴石的丰度、粒度、形态、空间分布、包裹体模式和化学环带在层间呈系统性变化。由于这些不同的石榴石种群在经历了共同的P-T演化的同一岩石中发育，该样品代表了一个用于考察层尺度化学和矿物学非均质性对石榴石成核与生长影响的天然实验。

在本文中，我们结合岩石学、矿物化学、X射线元素面扫分析和变质温压计，对各层的石榴石种群进行比较。我们证明，具有大致相似矿物组合但矿物比例不同的层发育了根本不同的石榴石生长历史，从孤立的自形巨晶到密集堆积和熔接的石榴石集合体，且环带结构对比鲜明。结果表明，局部化学和矿物学环境对石榴石的成核密度、生长行为和反应路径具有一阶控制作用，即使变质P-T条件几乎相同，并强调了基质矿物并非被动组分，而是对巨晶成核的主动动力学控制因素，在解释P-T路径、过跨幅度和变质反应机制时必须明确加以考虑。

小节摘要

地质背景
沿印度西海岸，在果阿邦和马哈拉施特拉邦交界处，暴露着高度风化和晚期淋滤的角闪岩相前寒武纪结晶岩（Dashputre等人，2019；Rekha和Bhattacharya，2014）（图2）。这些岩石向北延伸，构成白垩纪德干玄武岩之下的基底（Rekha和Bhattacharya，2014）。前寒武纪岩石组合主要由含石榴石黑云母片岩与角闪岩互层组成，较少见的有……

多层样品的岩石学
GTQ样品由数个平行、均匀的2-2.5cm厚层组成，层间由清晰、明确的边界分隔（图1a）。矿物学上，各层相似，包括黑云母+石榴石+斜长石+钛铁矿+磷灰石+不透明矿物±绿泥石±石英±角闪石，但在粒度、矿物比例和构造上存在差异。毫米级石英脉和透镜体平行于层理发育（图1a，3a，f）。从……制备了两块标记为GTQa和GTQc的薄片。

层内地球化学变化
基质矿物化学和两个薄片石榴石环带结构的分析在印度理工学院孟买校区地球科学系完成，使用CAMECA SX-5电子探针微区分析设施。矿物组成在15kV加速电压、20nA束流和1μm束径下通过点分析测定，遵循Banerjee等人（2022）的分析方案。Fe、Mg、Mn和Ca的WDS X射线元素面扫图分别通过……获得。

岩石总体地球化学
各GTQ层的岩石总体地球化学通过平行切割层理的薄片样品获得，手工剥取各层中部以避免接触面处的成分混合。样品在玛瑙研钵中研磨至<75μm，在温哥华BCS实验室进行ICP-ES主量元素分析。灼烧减量（LOI）通过将粉末在900°C下加热15min、在干燥器中冷却并测定相应重量差获得。

讨论
GTQ样品不同层的基质矿物-石榴石构造、化学和P-T估算表明，基质矿物控制了从绿片岩相到角闪岩相变质条件下石榴石成核与生长机制的多个方面。

结论
多层GTQ片岩的石榴石环带、基质矿物化学和P-T估算表明，在绿片岩相-角闪岩相条件下，基质矿物学对石榴石的成核和生长均具有一阶控制作用。在富铁的L2层中，石榴石最早通过亚稳态的贫钙、富铁角闪石的假象交代成核，具有外延的A区核部，记录了强烈的反应过跨和动力学控制。相比之下，L1、L3和L4C……

CRediT作者贡献声明
Nicole Sequeira：写作-审阅与编辑，写作-初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。Siddhi Shirodkar：可视化，验证，软件。

利益冲突声明
作者声明无利益冲突。

致谢
作者感谢Abhijit Bhattacharya教授在本研究早期阶段提供的意见。NS感谢Dr. Anmol Naik在野外考察中的陪伴以及在本研究过程中的富有洞察力的讨论。作者感谢两位匿名审稿人的建设性反馈和有益建议，这些建议大大增强了本文稿的质量。NS感谢ANRF，新德里（原DST-SERB）通过项目编号SRG/2021/001081为本工作提供的资助。

Nicole Sequeira | Siddhi Shirodkar
印度果阿大学地球、海洋与大气科学学院