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石榴子石是中—高级变泥质岩常见的造岩矿物，具有难熔的特点，其内保留着大量能够反映寄主岩石的变质演化历程的重要信息，如化学成分环带以及不同变质阶段的矿物包裹体等（Carswell et al.，2000; 张建新等，2002; 陈丹玲等，2005; Konrad-Schmolke et al.，2008; 夏琼霞等，2011; 高利娥等，2012）。花岗岩内也发育石榴子石，这些石榴子石除在岩浆侵位过程中由围岩中捕获所得外（Allan et al.，1981; 高利娥等，2012; 焦淑娟等，2013），还具有两种成因模式:① 岩浆成因，即在岩浆冷却过程中通过结晶作用形成（Green，1976，1977; Allan et al.，1981; Abbott，1981; Cheng Zhiguo et al.，2017; Qin Qie et al.，2021）; ② 转熔成因，即在变泥质岩发生深熔的过程中转熔形成（Stevens et al.，2007; 曾令森等，2008; Villaros et al.，2009）。不同成因的石榴子石记录的信息不同，岩浆型石榴子石有着独特的化学特征，记录了岩浆演化过程的相关信息，而转熔型石榴子石有着熔体与变泥质岩的混合特征，不仅记录了有关源岩深熔的信息，也保留了一部分源岩的变质演化历史信息（高利娥等，2012; 夏琼霞等，2013; 夏琼霞，2019a）。故而确定花岗岩中石榴子石的成因类型尤为重要。
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内蒙古大青山—乌拉山地区出露大面积的石榴子石花岗岩，以富含石榴子石为特征，与石榴黑云片麻岩密切共生，渐变过渡，研究显示石榴子石花岗岩是由石榴黑云片麻岩深熔形成，为原地—半原地成因（吴新伟，2007; 石强等，2018; 石强，2020; Shi Qiang et al.，2021）。其中，部分石榴黑云片麻岩发生了深熔但未达到石榴子石花岗岩的规模，本文将这些岩石称为深熔石榴黑云片麻岩，同样富含石榴子石。多数学者热衷于利用这些岩石内的石榴子石的化学成分来获取不同变质阶段的温压条件，建立P-T轨迹（吴新伟，2007; 蔡佳等，2013; 马铭株等，2015; 石强等，2018; 石强，2020），但是这些石榴子石如何形成?不同岩性之中的石榴子石是否存在联系等一系列问题鲜有学者去研究。有关石榴子石成因的研究（高利娥等，2012; 夏琼霞，2019a）显示其存在三种基本形成模式:① 岩浆成因，深熔熔体在冷却过程中通过结晶作用形成石榴子石; ② 变质成因，通过进变质和/或退变质反应形成的石榴子石; ③ 转熔成因，变泥质岩在部分熔融（尤其为黑云母脱水部分熔融）作用下通过转熔反应形成石榴子石。此外，还常见以上三种相互组合的复杂成因模式，例如核部为转熔成因，边部为岩浆成因等。对于研究区内石榴子石花岗岩内的石榴子石，有学者提出为转熔成因（吴新伟，2007; 石强，2020; Shi Qiang et al.，2021），但未提供详尽的证据加以论述并且排除其他成因的可能性。对此，本文选取内蒙古包头市以北的乌拉山地区内石榴子石花岗岩及深熔石榴黑云片麻岩中的石榴子石作为研究对象，从二者的显微结构及矿物学特征入手，为确定研究区内石榴子石花岗岩中石榴子石的转熔成因提供更详细的证据。
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1 地质背景
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研究区位于内蒙古包头市西北部的乌拉山地区，其大地构造位置属于华北克拉通西部陆块孔兹岩带中段（图1），区内早前寒武系变质岩十分发育，包括桑干岩群麻粒岩系、大青山表壳岩、下乌拉山岩群、大理岩组以及不同类型的变质深成岩。其中，桑干岩群主要岩性为二辉麻粒岩、黑云二辉麻粒岩及退变斜长角闪岩，形成时代为新太古代晚期（Wan Yusheng et al.，2009; Ma Mingzhu et al.，2012; 董春艳等，2012）; 大青山表壳岩主要由石榴黑云片麻岩、含矽线堇青石榴黑云片麻岩及磁铁石英岩组成，形成时代为新太古代晚期（吴新伟，2007; Dong Chunyan et al.，2014; 石强，2020）; 下乌拉山岩群主要岩石类型为黑云角闪片麻岩、黑云斜长/二长片麻岩及斜长角闪岩，形成时代为新太古代晚期—古元古代早期（Wan Yusheng et al.，2009; Ma Mingzhu et al.，2012; 董春艳等，2012）; 大理岩组则是一套富镁的碳酸盐岩建造，形成时代为古元古代晚期（Wan Yusheng et al.，2009; Ma Mingzhu et al.，2012; 董春艳等，2012）。变质深成岩包括紫苏石英闪长质片麻岩、花岗闪长质-英云闪长质片麻岩、石榴子石花岗岩、含石榴子石花岗岩及二长花岗岩。此外，局部地区出露少量的古生代—中生代岩浆岩。
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图1 研究区大地构造位置图（a，据蔡佳等，2013）及内蒙古乌拉山地区地质简图（b）
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Fig.1 Geotectonic position map (a, modified after Cai Jia et al., 2013) and geological map of Wulanshan area, Inner Mongolia (b)
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1 —第四系; 2—古元古代晚期大理岩组; 3—新太古代晚期石榴黑云片麻岩（大青山表壳岩）; 4—新太古代晚期黑云斜长/二长片麻岩（下乌拉山岩群）; 5—新太古代晚期黑云角闪片麻岩（下乌拉山岩群）; 6—新太古代晚期麻粒岩系（桑干岩群）; 7—中三叠世花岗岩; 8—石炭纪早期花岗岩; 9—石炭纪早期闪长岩; 10—古元古代晚期二长花岗岩; 11—新太古代晚期含石榴子石花岗岩; 12—新太古代晚期石榴子石花岗岩; 13—新太古代晚期花岗闪长质—英云闪长质片麻岩; 14—新太古代晚期紫苏石英闪长质片麻岩; 15—辉长岩脉; 16—山沟; 17—样品采集位置
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1 —Quaternary; 2—the late Paleoproterozoic marble; 3—the late Neoarchean garnet-biotite gneiss (Daqingshan supracrustal rocks) ; 4—the late Neoarchean biotite plagioclase/two-feldspar gneiss (Lower Wulashan “Subgroup”) ; 5—the late Neoarchean biotite hornblende gneiss (Lower Wulashan “Subgroup”) ; 6—the late Neoarchean granulite (Sanggan “Group”) ; 7—the middle Triassic granite; 8—the early Carboniferous granite; 9—the early Carboniferous diorite; 10—the late Neoarchean monzonitic granite; 11—the late Neoarchean garnet-bearing granite; 12—the late Neoarchean garnet granite; 13—the late Neoarchean granodioritic-tonalite gneiss; 14—the late Neoarchean hypersthene quartz dioritic gneiss; 15—gabbro dike; 16—gully; 17—sample location
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石榴子石花岗岩在研究区内分布于三处（图1）:① 德尔苏台—前旗芙蓉矿一带，呈不规则条带状出露于石榴黑云片麻岩和黑云斜长/二长片麻岩之间，面积约为30 km2; ② 浩尧尔呼达格以南，呈透镜状出露于石榴黑云片麻岩和紫苏石英闪长质片麻岩之间，面积约为20 km2; ③ 乌日图高以北，呈透镜状出露于石榴黑云片麻岩内部，并被大桦背岩体侵入，面积约为10 km2。石榴黑云片麻岩则分布较广，在研究区的中部自西向东连续出露，面积约为160 km2，并且普遍发生深熔。二者在空间上密切共生，整体上无截然界限，呈渐变过渡，石榴黑云片麻岩内可见石榴子石花岗岩呈透镜状产出，石榴子石花岗岩内也可见石榴黑云片麻岩呈残影状产出（图2）。
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2 岩相学特征
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本文样品采自内蒙古包头市西北部的乌拉山地区，德尔苏台铁矿以南的德尔苏台沟以及乌日图高以北的小庙子沟两处地方。石榴子石的寄主岩石类型为深熔石榴黑云片麻岩和石榴子石花岗岩。
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图2 内蒙古乌拉山地区石榴黑云片麻岩与石榴子石花岗岩渐变过渡接触的宏观特征
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Fig.2 Macroscopic characteristics of gradual transitional contact between garnet-biotite gneiss and garnet granite in Wulanshan area, Inner Mongolia
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（a）—石榴黑云片麻岩内可见石榴子石花岗岩透镜体;（b）—石榴子石花岗岩内可见石榴黑云片麻岩残影;（c）—条带状石榴黑云片麻岩—石榴子石聚集带—石榴子石花岗岩分带现象;（d）—石榴子石花岗岩与石榴黑云片麻岩的截然接触界线
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(a) —Garnet granite lenses in the garnet-biotite gneiss; (b) —the after image of garnet-biotite gneiss in the garnet granite; (c) —the zoning phenomenon from banded garnet-biotite gneiss to garnet aggregation zone to garnet granite; (d) —the sharp contact boundary between garnet granite and garnet-biotite gneiss
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2.1 深熔石榴黑云片麻岩
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研究区内石榴黑云片麻岩普遍发生深熔，具体表现为岩貌上整体不均匀，由脉体和基体两部分构成（图3a~d）:基体主要由石榴子石、黑云母以及少量的长英质矿物组成，整体矿物粒度相对较细（≤1 mm），为细粒结构; 脉体则主要以长石、石英为主，石榴子石和黑云母相对较少甚至无，整体矿物粒度相对较粗（＞1 mm），可达中粒—粗粒甚至伟晶结构。根据岩石内的脉体所占百分比，将其划分出低度深熔石榴黑云片麻岩（＜30%）和中度深熔石榴黑云片麻岩（30%~70%），而高度深熔石榴黑云片麻岩相当于石榴子石花岗岩。
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（1）低度深熔石榴黑云片麻岩:从野外露头观察，岩石以基体为主，脉体含量相对较少并呈不连续条痕或细脉状产出，整体仍为石榴黑云片麻岩。岩石内的石榴子石粒度偏细，以聚集在基体内为特点，脉体内未见石榴子石产出（图3a）。镜下主要为岩石内的基体特征，显示出石榴黑云片麻岩的结构、构造特点，细粒鳞片粒状变晶结构，弱片麻状构造（图4a）。其内主要矿物为石榴子石、黑云母、石英、长石（斜长石和微斜长石）以及少量的堇青石，矿物粒度整体较细，在0.01~0.25 mm之间，其中:① 石榴子石含量5%~10%，呈浑圆状，粒度为0.05~0.25 mm，常聚集产出，局部呈线状排列分布，与片麻理平行，基本不发育筛状变晶结构，仅有少数颗粒包裹有一两颗长英质矿物（图4a）; ② 黑云母含量10%~15%，呈细粒鳞片状，粒度为0.05~0.2 mm，略有定向（图4a）; ③ 长石主要为微斜长石（＜5%）和斜长石（40%~55%），呈半自形—他形，粒度为0.05~0.1 mm，因粒度偏细，双晶特点很难观察（图4a）; ④ 石英含量15%~20%，呈他形，粒度为0.01~0.05 mm（图4a）; ⑤ 局部还可见少量绢云母化的堇青石（≤5%）分布在黑云母与石榴子石之间。
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（2）中度深熔石榴黑云片麻岩:从野外露头观察，与低度深熔石榴黑云片麻岩相比，岩石内的基体含量减少，不再占主体，脉体含量相对增加并呈条带状或透镜状产出，岩石整体向石榴子石花岗岩过渡。其中，基体尚保留石榴黑云片麻岩的部分特点，而脉体在一定程度上相当于石榴子石花岗岩。石榴子石在岩石的基体和脉体内均有发育，并且脉体内的石榴子石粒度（毫米级至厘米级不等）总是大于基体内的石榴子石粒度（一般不超过2 mm）（图3b、d）。本文磨制的中度深熔石榴黑云片麻岩薄片均为岩石内的脉体，其镜下特征显示出花岗岩的结构、构造特点，石榴子石以斑晶的形式产出（图4c），基质为细粒花岗结构（图4d），整体为块状构造。其内主要矿物为石榴子石、石英、斜长石、微斜长石以及少量的黑云母、条纹长石、堇青石及矽线石，矿物粒度变化范围较大，在0.005~3 mm，其中:① 石榴子石含量5%~10%，形态各异，粒度在0.1~2.5 mm，普遍发育裂纹，多数发育筛状变晶结构，有的具有核部发育筛状变晶结构边部不发育的特点，矿物包裹体主要为石英、长石、黑云母（图4c）以及大量毛发状矽线石（仅在部分样品中发育）（图5a），个别样品内还发育细粒石榴子石聚集体（图4b）以及逆反应残余的石榴子石; ② 黑云母含量5%~10%，呈半自形，粒度在0.25~0.6 mm，主要赋存于石榴子石周围，呈放射状分布，构成“黑眼圈”结构（图5e），是熔体和石榴子石逆反应的结果，本文称该类黑云母为逆反应黑云母，个别样品内还发育与长英质矿物一同构成“石榴子石”假象的细粒黑云母（图5e）; ③ 斜长石含量30%~45%，呈自形—半自形，粒度在0.1~0.5 mm，具有堆晶结构（图4d、5c）; ④ 微斜长石含量5%~30%，呈半自形—他形，粒度在0.1~0.3 mm，存在聚集现象（图4d）; ⑤ 条纹长石含量5%~15%，呈他形，粒度在0.25~0.5 mm，边缘普遍呈熔蚀的虎牙状（图4d）; ⑥ 石英以单晶（≤5%）和复晶条带（5%~25%）两种形式产出，单晶石英呈他形，粒度在0.005~0.05 mm，充填于长石之间，复晶石英条带呈长条状，长度在0.5~3 mm，常切穿长石（图4d）; ⑦ 堇青石仅在部分样品中发育，含量＜5%，以分布在石榴子石周围为特征，构成“白眼圈”结构，并且普遍发生绢云母化（图5a）; ⑧ 矽线石含量1%左右，呈竹节状，粒度为0.1~0.5 mm，目前仅见其分布于石榴子石聚集体中，与石榴子石、绢云母化的堇青石和黑云母接触（图4b）。
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图3 内蒙古乌拉山地区深熔石榴黑云片麻岩及石榴子石花岗岩野外地质特征和其内石榴子石特征
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Fig.3 Field geological characteristics of anatectic garnet-biotite gneiss and garnet granite and the characteristics of garnets in Wulanshan area, Inner Mongolia
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（a）—低度深熔石榴黑云片麻岩的基体内聚集大量细粒石榴子石;（b）、（d）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体和基体内均发育石榴子石，但脉体内石榴子石粒度大于基体内;（c）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石聚集体;（e）—石榴子石花岗岩内发育大量的粗粒石榴子石;（f）—石榴子石花岗岩内石榴子石发生聚集，形成石榴子石集合体甚至石榴子石岩
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(a) —A large number of fine-grained garnets are accumulated in the matrix of low-degree anatectic garnet biotite gneiss; (b) , (d) —garnets are developed in the veins and matrix of moderate anatectic garnet biotite gneiss, but the grain size of garnets in the veins is larger than that in the matrix; (c) —the garnet aggregates in the veins of moderate anatectic garnet biotite gneiss; (e) —a large number of coarse-grained garnets in the garnet granite; (f) —garnets in garnet granite are gathering, forming garnet aggregates and even garnet rocks
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2.2 石榴子石花岗岩
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从野外露头观察，同深熔石榴黑云片麻岩相比，石榴子石花岗岩整体相对均匀，表现出花岗岩的岩貌特征（图3e），其内矿物组成与中度深熔石榴黑云片麻岩内的脉体十分接近，以长英质矿物为主，石榴子石较多，黑云母很少，矿物粒度较粗，为中粒—粗粒甚至伟晶结构。岩石内石榴子石大量发育（图3e），粒度在毫米级至厘米级不等，与中度深熔石榴黑云片麻岩内脉体中的石榴子石粒度大小相近。另外，岩石局部还可见大量的石榴子石聚集，形成石榴子石集合体甚至石榴子石岩或石榴子石石英岩（图3f）。
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从显微特征观察，其结构及构造也同中度深熔石榴黑云片麻岩中的脉体十分相似（图4c~f、5c~f），石榴子石以斑晶的形式产出（图4e），基质为细粒花岗结构（图4f），整体为块状构造。其内主要矿物有石榴子石、斜长石、石英以及少量的黑云母、微斜长石、条纹长石和堇青石，其中:① 石榴子石含量5%~15%，形态各异，呈不规则状或浑圆状，粒度在0.5~3 mm，个别可达7 mm，普遍发育裂纹，部分发育筛状变晶结构，矿物包裹体有石英、长石、黑云母（图4e），个别还包裹有尖晶石（图5b），其筛状变晶结构也具有核部发育边部不发育的特点（图4e）; ② 斜长石含量35%~55%，呈自形—半自形，粒度在0.25~0.5 mm，同样具有堆晶结构（图4f、5d）; ③ 微斜长石含量5 %~10%，呈半自形—他形，粒度在0.1~0.3 mm，个别可达0.5 mm，另在个别样品内，其含量可达25%，少见富集区; ④ 条纹长石含量＜5%，呈他形，粒度在0.5~1.5 mm，边缘普遍呈熔蚀虎牙状（图4f）; ⑤ 石英同样以单晶（≤5%）和复晶条带（10%~25%）两种形式产出，单晶石英呈他形，粒度在0.005~0.05 mm，充填于长石之间，复晶石英条带呈长条状，长度在 1~5 mm，切穿长石（图4f）; ⑥ 黑云母含量1%~10%，呈半自形，粒度在0.1~0.3 mm，同样为逆反应黑云母，呈放射状分布在石榴子石边缘，构成“黑眼圈”结构（图4e、图5f）; ⑦ 堇青石含量＜5%，仅在部分样品中发育，同样以分布在石榴子石周围为特征，构成“白眼圈”结构，并且普遍发生绢云母化（图4e）。
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3 石榴子石化学成分特征
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3.1 分析方法
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在吉林大学地球科学学院光薄片制备室进行电子探针薄片的制备，石榴子石矿物成分测试由吉林大学电子探针实验室分析完成，分析仪器型号为 JEOL JXA 8230。实验条件为加速电压15 kV，束斑直径1 μm，束流大小1.02×10-8A，单点的分析时间约为90 s，采用天然和合成的矿物标样对获得的数据进行校正，以确保实验获得数据的精确度，最终利用氧化物修正方法ZAF程序对实验数据进行校准。测试石榴子石的寄主岩石样品号为XXG19-7、XXG19-9、XXG19-10（中度深熔石榴黑云片麻岩）和DRST19-12（石榴子石花岗岩），其中XXG19-7、XXG19-9和XXG19-10选取的是脉体内的石榴子石（XX-7、XX-9和XX-10号），DRST19-12样品内选取了两颗石榴子石（分别为ST-12-1和ST-12-2号），详细测试数据见附表1。
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图4 内蒙古乌拉山地区深熔石榴黑云片麻岩及石榴子石花岗岩镜下显微特征（正交偏光）
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Fig.4 Microscopic-characteristics of garnets in anatectic garnet-biotite gneiss and garnet granite in Wulanshan area, Inner Mongolia (cross-polarized light)
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（a）—低度深熔石榴黑云片麻岩内的石榴子石粒度大小及其他矿物特征;（b）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内石榴子石聚集产出，有些石榴子石发育筛状变晶结构且具有核部发育边部不发育的特点;（c）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内石榴子石呈斑晶产出;（d）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内可见斜长石堆晶体、微斜长石富集区以及石英条带;（e）—石榴子石花岗岩内石榴子石呈斑晶产出，其发育筛状变晶结构且具有核部发育边部不发育的特点;（f）—石榴子石花岗岩内具有斜长石堆晶体以及石英条带; Gt—石榴子石; Bt—黑云母; Q—石英; Pl—斜长石; Mc—微斜长石; Pert—条纹长石; Cord—堇青石; Sil—矽线石
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(a) —The grain size of garnets and the characteristics of other minerals in low-degree anatectic garnet biotite gneiss; (b) —the accumulation of garnets in the veins of the moderate anatectic garnet biotite gneiss, some garnets have sieve texture and have the characteristics of developing at the core but not at the edge; (c) —garnets is produced in the form of phenocrysts in the veins of the moderate anatectic garnet biotite gneiss; (d) —the plagioclase pile crystal, microcline enrichment area and quartz strip in veins of the moderate anatectic garnet biotite gneiss; (e) —garnets is produced in the form of phenocrysts in garnet granite and have the characteristics of developing at the core but not at the edge; (f) —the plagioclase pile crystal, microcline enrichment area and quartz strip in garnet granite; Gt—garnet; Bt—biotite; Q—quartz; Pl—plagioclase; Mc—microcline; Pert—perthite; Cord—cordierite; Sil—sillimanite
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图5 内蒙古乌拉山地区中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体及石榴子石花岗岩中石榴子石的镜下特征（b、f为单偏光，其余为正交偏光）
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Fig.5 Microscopic-characteristics of garnets from the veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss and garnet granite in Wulanshan area, Inner Mongolia (b and f is plane-polarized light, the rest is cross-polarized light)
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（a）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石包裹大量毛发状矽线石;（b）—石榴子石花岗岩内的石榴子石包裹尖晶石;（c）、（d）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体和石榴子石花岗岩内的斜长石堆晶体;（e）—中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内由石榴子石及逆反应黑云母构成的“黑眼圈“结构及细粒黑云母和长英质矿物构成的石榴子石假象;（f）—石榴子石花岗岩内由石榴子石及逆反应黑云母构成的“黑眼圈“结构; Gt—石榴子石; Bt—黑云母; Q—石英; Pl—斜长石; Cord—堇青石; Sil—矽线石; Sp—尖晶石
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(a) —A large amount of hair-like sillimanite is covered by garnet in veins of moderate anatectic garnet biotite gneiss; (b) —the spinel is covered by garnet in garnet granite; (c) , (d) —plagioclase pile crystal in veins of moderate anatectic garnet biotite gneiss and garnet granite; (e) —“dark circles” structure composed of garnet and reverse biotite and garnet pseudomorph composed of fine-grained biotite and felsic minerals in veins of moderate anatectic garnet biotite gneiss; (f) —“dark circles” structure composed of garnet and reverse biotite in garnet granite; Gt—garnet; Bt—biotite; Q—quartz; Pl—plagioclase; Cord—cordierite; Sil—sillimanite; Sp—spinel
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3.2 分析结果
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3.2.1 中度深熔石榴黑云片麻岩内的脉体
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其内石榴子石的TFeO含量为27.91%~33.35%，相应的铁铝榴石端元分子占61.7%~75.7%; MgO含量为3.76%~9.06%，相应的镁铝榴石端元分子占15.9%~35.0%; CaO含量为0.68%~1.34%，相应的钙铝榴石端元分子占1.9%~3.9%; MnO含量为0.41%~2.00%，相应的锰铝榴石端元分子占0.9%~4.6%。
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化学成分及端元组分图显示，这些石榴子石均为镁铝榴石—铁铝榴石（图6），CaO和MnO含量极低。XX-7和XX-10的石榴子石化学成分剖面图（图7b、d）显示，MnO和CaO曲线平直，TFeO和MgO曲线表现出明显的成分环带，即TFeO呈现出中心平，两边有上升的趋势，MgO则表现出中心平，两边有降低的趋势。XX-9内为逆反应残余石榴子石（图7e），其内的MnO含量异常较高，MnO含量高于CaO含量。其内TFeO和MgO也存在异常，表现为TFeO曲线由中心平，两边略有降低的趋势，而MgO曲线则表现出较为平直的特点（图7f），并且TFeO含量极高，MgO含量极低。这些异常说明在逆反应的过程中，石榴子石内的化学组分发生了改变。另外，XX-7内测试点12所测出的主量元素含量以及总和皆低于石榴子石内其他测试点，认为存在成分丢失（附表1）。
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3.2.2 石榴子石花岗岩
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其内石榴子石TFeO含量为25.79%~28.48%，相应的铁铝榴石端元分子占55.6%~62.1%; MgO含量为8.52%~10.36%，相应的镁铝榴石端元分子占33.1%~39.6%; CaO含量为0.99%~1.34%，相应的钙铝榴石端元分子占2.8%~3.7%; MnO含量为0.46%~0.75%，相应的锰铝榴石端元分子占1.0%~1.6%。
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化学成分及端元组分图显示，这些石榴子石同样均为镁铝榴石—铁铝榴石（图6），CaO和MnO含量极低。石榴子石化学成分剖面图（图8）显示，MnO和CaO曲线均表现出平直的特点，但是TFeO和MgO曲线则略有不同，其中ST-12-1石榴子石表现出明显的成分环带，即TFeO呈现出中心平，两边略有上升的趋势，MgO则表现出中心平，两边略有降低的趋势，ST-12-2石榴子石则表现为由中心至两边均为平直的特点。
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4 讨论
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4.1 石榴子石成因
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石榴子石花岗岩在矿物组成和粒度上与中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体极为相似，二者皆表现出花岗岩的岩貌特征:以长英质矿物为主，石榴子石和黑云母相对较少，矿物粒度相对较粗，可达中粒—粗粒甚至伟晶结构。镜下也显示出相似的显微结构:① 二者的矿物颗粒均可分为大小截然不同的两群，以斑晶的形式产出的石榴子石，构成基质的其他细粒矿物（包括长石和石英等）; ② 二者的石榴子石内多数发育筛状变晶结构，且具有核部发育边部不发育的特点; ③ 二者的基质内均存在斜长石堆晶体和逆反应结构。其中，斜长石堆晶体为自形—半自形斜长石聚集在一起，除缝隙间的他形粒状石英外，无其他矿物，反映出深熔熔体冷却结晶过程中斜长石先结晶的特点; 逆反应结构是黑云母呈放射状围绕在石榴子石周围，形成“黑眼圈”结构，是深熔熔体与固态石榴子石发生逆反应的结果。这两种显微结构均反映出脉体与石榴子石花岗岩内有深熔熔体存在的迹象，说明二者都是深熔作用的产物。二者物质组成上的相似性，表明在一定范围内脉体相当于石榴子石花岗岩，暗示着石榴子石花岗岩内的石榴子石与脉体中的石榴子石具有相同的成因。
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图6 内蒙古乌拉山地区中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体及石榴子石花岗岩内石榴子石端元组分图
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Fig.6 End-member discrimination diagrams for garnets in veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss and garnet granite in Wulanshan area, Inner Mongolia
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Alm—铁铝榴石; Py—镁铝榴石; Sp—锰铝榴石; Gro—钙铝榴石
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Alm—Almandine; Py—pyrope; Sp—spessartine; Gro—grossular
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图7 内蒙古乌拉山地区中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内石榴子石成分剖面图及测试点位置图
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Fig.7 The composition profile and the position of test points of garnets in veins of moderate anatectic garnet-biotite gneissin Wulanshan area, Inner Mongolia
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（a）—XXG19-7样品内石榴子石的测试点位置;（b）—XXG19-7样品内测试的石榴子石成分剖面图;（c）—XXG19-10样品内石榴子石的测试点位置;（d）—XXG19-10样品内测试的石榴子石成分剖面图;（e）—XXG19-9样品内石榴子石的测试点位置;（f）—XXG19-9样品内测试的石榴子石成分剖面图; Gt—石榴子石; Bt—黑云母; Cord—堇青石; Sil—矽线石
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(a) —The test point position of garnet in sample XXG19-7; (b) —the composition profile of garnet tested in sample XXG19-7; (c) —the test point position of garnet in sample XXG19-10; (d) —the composition profile of garnet tested in sample XXG19-10; (e) —the test point position of garnet in sample XXG19-9; (f) —the composition profile of garnet tested in sample XXG19-9; Gt—garnet; Bt—biotite; Cord—cordierite; Sil—sillimanite
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从低度深熔石榴黑云片麻岩→中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体/石榴子石花岗岩，岩石内的石榴子石粒度表现出由细粒（毫米级）→粗粒（毫米级至厘米级不等）的增大趋势，暗示着后两者内的石榴子石可能在深熔过程中存在生长，或者为深熔熔体冷却结晶形成。进一步研究发现:① 深熔石榴黑云片麻岩中，粗粒石榴子石的含量与岩石内的脉体的含量呈正相关，即脉体小而少时，其内不见粗粒石榴子石，脉体大而多时，粗粒石榴子石发育，而石榴子石花岗岩内发育大量的粗粒石榴子石; ② 深熔石榴黑云片麻岩内的基体与脉体同时发育石榴子石时，脉体内的石榴子石的粒度整体大于基体内的石榴子石的粒度。这些现象表明脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石粒度的增大与深熔熔体密切相关。有学者研究显示石榴黑云片麻岩的深熔过程中存在黑云母脱水分解反应:Sil+Bt+Qz±Pl→Grt+Kfs+Melt（Patiño et al.，1991）或者Bt+Qz+Pl→Grt+Kfs+Melt（Vielzeuf et al.，1994），这说明在熔体形成的过程中石榴子石存在生长，暗示着脉体和石榴子石花岗岩内的粗粒石榴子石可能是石榴黑云片麻岩内的细粒石榴子石进一步生长所致。另外，脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石筛状变晶结构的特点也指示了这些石榴子石存在生长:石榴子石的核部发育筛状变晶结构而边部不发育，表明在岩石未融或熔融初期，岩石整体以固态为主，细粒长英质矿物和黑云母尚未熔融，当石榴子石生长时，将周围的细粒矿物包裹其中，形成筛状变晶结构，而岩石熔融程度进一步增高，熔体占主体，石榴子石悬浮其中，仍继续生长，但周围的细粒长英质矿物和黑云母均已熔融，无矿物可包裹，因而不发育筛状变晶结构，这说明石榴子石在深熔熔体内仍可继续生长。并且，部分显微结构也为判断石榴子石的成因提供了依据:① 石榴子石的晶形，岩浆成因的石榴子石晶形较好，呈自形—半自形（孟繁聪等，2018; 夏琼霞，2019a），而本文中脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石晶形较差，形态各异，边界呈锯齿状，不符合岩浆型石榴子石的特点; ② 逆反应黑云母构成的“黑眼圈”结构，该结构反映了在深熔熔体冷却结晶的过程中与固态石榴子石发生的逆反应，说明石榴子石一直以固相的形态存在于熔体内，而非后期深熔熔体冷却结晶形成。
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图8 内蒙古乌拉山地区石榴子石花岗岩内石榴子石测试点位置图及成分剖面图
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Fig.8 The position of test points and the composition profile of garnets in garnet granite in Wulanshan area, Inner Mongolia
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（a）—DRST19-12样品内1号石榴子石的测试点位置;（b）—DRST19-12样品内测试的1号石榴子石成分剖面图;（c）—DRST19-12样品内2号石榴子石水平剖面的测试点位置;（d）—DRST19-12样品内测试的2号石榴子石水平剖面成分剖面图;（e）—DRST19-12样品内2号石榴子石竖直剖面的测试点位置;（f）—DRST19-12样品内测试的2号石榴子石竖直剖面成分剖面图; Gt—石榴子石; Bt—黑云母; Sp—尖晶石
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(a) —The test point position of No.1 garnet in sample DRST19-12; (b) —the composition profile of the No.1 garnet tested in sample DRST19-12; (c) —the test point location of the horizontal section of No.2 garnet in sample DRST19-12; (d) —the composition profile of the horizontal section of No.2 garnet tested in sample DRST19-12; (e) —the test point location of the vertical section of No.2 garnet in sample DRST19-12; (f) —the composition profile of the vertical section of No.2 garnet tested in sample DRST19-12; Gt—garnet; Bt—biotite; Sp—spinel
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石榴子石的化学通式为A3B2（SiO4）3，其中A代表Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等二价阳离子，B代表Al3+、Fe3+、Cr3+等三价阳离子。三价阳离子的配位半径相互接近，常产生类质同象置换现象，而二价阳离子中，Mg2+、Fe2+、Mn2+三者的配位半径相互接近，Ca2+与其他三者的配位半径相差较大，所以类质同象置换现象常发生在前三者之中，Ca2+与它们很难发生类质同像，石榴子石也因此被分为钙铁榴石系列（钙铁榴石、钙铝榴石和钙铬榴石）和铁铝榴石系列（镁铝榴石、铁铝榴石和锰铝榴石）（靳是琴，1986; 陈武等，2000; 刘春花等，2011，郑坤等，2015; Fei et al.，2019）。这些类质同象的广泛存在，使得自然界中很少见到纯端元组分的石榴子石（如铁铝榴石、镁铝榴石和钙铁榴石等），常以某一端元组分为主，其他多个端元组分（如以铁铝榴石为主，其中还含有镁铝榴石、锰铝榴石等）为辅。
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研究显示，石榴子石内端元组分百分比与形成时的温压条件相关，主要由二价阳离子的变化所致:在温压较高的条件下，配位半径小的二价阳离子（Mg2+、Fe2+）同配位半径大的二价阳离子（Mn2+、Ca2+）相比，更容易进入石榴子石晶格内并稳定下来，温压较低时则相反（陈武等，2000; 贾玉衡等，2020）。即不同的温压条件下形成的石榴子石内各端元组分（或氧化物）所占比例不同。深熔作用主要发生在变质演化P-T轨迹的峰期或峰后等温减压阶段（吴新伟，2007; 石强，2020），深熔熔体冷却结晶则一般发生在降温降压阶段，二者的温压条件存在差异，形成的石榴子石（转熔或岩浆成因）的化学组分必然不同。本文中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石和石榴子石花岗岩内的石榴子石在化学组分上均以富Fe、Mg，贫Mn、Ca为特点，而岩浆成因的石榴子石一般相对富Fe、Mn，贫Mg、Ca（高利娥等，2012，2017; 孟繁聪等，2018; 曾令森，2019; 夏琼霞，2019a），说明这些石榴子石并非岩浆成因。另外，母岩成分、共生矿物等因素也会对石榴子石的端元组成产生一定的影响。尤其对转熔成因的石榴子石而言，还涉及到熔融反应类型和产生的熔体成分的影响（夏琼霞，2019a），十分复杂，目前尚未有统一的定论，但是有关花岗岩内岩浆成因的石榴子石的研究均显示其以富Mn为特点，所以研究区内石榴子石的端元组分表明它们并非岩浆成因。
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此外，石榴子石在形成过程中，温压的增大或减少（如区域变质过程或岩浆冷却过程）会使其内Mg2+、Fe2+以及Mn2+含量产生规律性变化，形成生长环带。地质学者通过大量实验研究，得出石榴子石内的生长环带具有以下表现:① 在温压升高的条件下，形成的石榴子石颗粒由核至边，MnO逐渐降低，FeOT、MgO则逐渐升高，此为正环带; ② 在温度降低的条件下，形成的石榴子石颗粒由核至边，MnO逐渐升高，FeOT、MgO则逐渐降低，此为反环带（靳是琴等，1994）。但是当温度过高并持续一段时间后，石榴子石的生长环带会产生均一化现象，表现为由核至边FeOT、MgO、MnO以及CaO曲线呈现平直的特点（Tracy et al.，1976; Carlson et al.，1997）。岩浆成因的石榴子石一般是在岩浆（深熔熔体）冷却过程中结晶形成，期间温压逐渐降低，故该类石榴子石常发育反环带，以Mn元素的变化为特点，表现为由核部至边部MnO含量逐渐升高（夏琼霞等，2011; 孟繁聪等，2018; 夏琼霞，2019a）。并且岩浆冷却过程中阳离子扩散速率大大降低，石榴子石的环带特征则通常会很好地保留下来（喻磊等，2013; 孟繁聪等，2018）。本文测试的所有石榴子石均未表现出任何生长环带的特点，仅部分石榴子石表现出FeOT曲线由中心向两边升高，MgO曲线由中心向两边降低，以及MnO及CaO曲线平直的环带特征，且FeOT与MgO呈负相关性，符合扩散环带的特点。扩散环带是缓慢冷却阶段石榴子石与周围相接触的铁镁质矿物（常见的有黑云母和堇青石）发生Fe-Mg离子交换的结果（靳是琴等，1994; 王微等，2002; 张建新等，2002; 夏琼霞等，2011），石榴子石内发生变化的化学成分主要为FeOT与MgO，二者呈负相关。通过对这些石榴子石及其周围接触的矿物类型进行系统的观察分类后，发现具有这种环带特征的石榴子石周围普遍与黑云母接触（图7a、c和图8a），而无环带特征的石榴子石周围接触矿物普遍为长石及石英（图8c、e），进一步证明了这是扩散环带，体现了石榴子石与黑云母之间的Fe-Mg离子交换。所以从石榴子石内的成分环带的特征来看，这些石榴子石也不存在岩浆成因的可能。
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综上，综合中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内和石榴子石花岗岩内石榴子石的岩相学特征，本文认为石榴子石在深熔过程中经历了一定程度的生长，部分特征暗示这种生长模式为转熔成因，并且石榴子石的化学特征排除了岩浆成因的可能。但由于所测石榴子石的主量元素存在均一化的可能性，目前尚无法判断岩石内的石榴子石是整粒均为转熔成因还是核部为变质成因边部为转熔成因的组合成因模式，这需要后期研究进一步验证。有学者认为岩石部分熔融时，变质矿物发生A+B=C+D+Melt（熔体）的反应为转熔反应，其中反应物A、B为变质残留矿物，生成物C、D为转熔矿物（夏琼霞，2019b）。转熔矿物内可见参与转熔反应的变质残留矿物包裹体，而本文石榴子石具有边部不发育筛状变晶结构的特点暗示深熔过程中处于熔体包裹状态下的石榴子石仍存在生长，这一现象与上述转熔反应下转熔矿物应具备的特征有所不同。对此，本文认为这种由固相变质生长至处于深熔熔体包裹状态下继续生长的石榴子石为转熔成因，其作为转熔矿物相，也相当于残留矿物相。
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4.2 地质意义
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内蒙古乌拉山地区大面积出露石榴子石花岗岩，该类花岗岩以富含石榴子石、岩性极不均匀、与围岩（石榴黑云片麻岩）渐变过渡接触为特征。众多学者为探究其成因、与石榴黑云片麻岩的关系以及形成的构造背景等问题，进行了大量研究（翟明国等，1996; 陶继雄等，2002; 宋海峰等，2005; 吴新伟，2007; 杨振升等，2008; Dong et al.，2008，2014; Wan et al.，2009; 马铭株等，2015; 石强，2020; Shi Qiang et al.，2021），目前证据表明石榴子石花岗岩是石榴黑云片麻岩深熔熔体同残留体、残留矿物相以及转熔矿物相逐渐分离的产物（吴新伟，2007; 石强，2020; Shi Qiang et al.，2021），是石榴黑云片麻岩高度深熔的产物。本文在研究石榴子石花岗岩内的石榴子石成因的过程中，通过分析其与中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内石榴子石的岩相学及矿物化学特征，发现具有很多相似之处，说明二者内的石榴子石具有相同的成因模式，并且中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体在矿物组成、结构及构造等方面与石榴子石花岗岩极为相似，表明脉体与石榴子石花岗岩的关系密切，这些暗示石榴子石花岗岩可能由石榴黑云片麻岩高度深熔所致，为石榴子石花岗岩的成因提供了有力依据。此外，花岗岩的形成都会经历长距离运移，发生复杂的分异作用，使得熔体与其内同源或异源包体、残留体和残留矿物相等杂质充分分离，最终形成整体均一的岩石。本文研究区内的石榴子石花岗岩岩性极不均一，岩石内除含有大量的包体（如麻粒岩、石榴子石岩以及石榴黑云片麻岩残影）外，还保存大量同围岩关系密切的残留矿物相——石榴子石，暗示该类花岗岩运移距离近，甚至是原地形成，以致固液两相分离不彻底，岩石内杂质众多，表明研究区内石榴子石花岗岩为原地—半原地成因。
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5 结论
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（1）随着石榴黑云片麻岩深熔程度的增大，岩石内粗粒石榴子石增多，使得岩石整体的石榴子石粒度增大，此外脉体内的石榴子石粒度整体大于基体内的石榴子石粒度。在显微特征上，中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石晶形较差，边界呈锯齿状，多数发育筛状变晶结构，且部分具有核部发育边部不发育的特点，基质内均具有斜长石堆晶体和逆反应结构。
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（2）中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石均以富Fe、Mg贫Mn、Ca为特点，部分与黑云母接触的石榴子石发育扩散环带。
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（3）岩相学和矿物学特征显示中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体和石榴子石花岗岩内的石榴子石均为转熔成因，是在变质深熔过程中由固相变质生长至处于深熔熔体包裹状态下继续生长而成。
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（4）中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石和石榴子石花岗岩内的石榴子石具有相同的成因，为石榴子石花岗岩是石榴黑云片麻岩高度深熔的产物提供了有力依据。而石榴子石花岗岩内仍保留大量的转熔型石榴子石，进一步证明了该类花岗岩的原地—半原地成因。
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附件:本文附件（附表1）详见http://www.geojournals.cn/dzxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=202201197& flag=1
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续附表1
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续附表1
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注:Py—镁铝榴石; Alm—铁铝榴石; Gro—钙铝榴石; Sp—锰铝榴石。
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摘要
内蒙古乌拉山地区石榴子石花岗岩内发育大量石榴子石,这些石榴子石中保留着寄主岩石的变质演化历程的重要信息,故明确其成因类型至关重要。前人虽提出其为转熔成因,但未能提供充分证据证明。对此,本文对研究区深熔石榴黑云片麻岩以及石榴子石花岗岩内的石榴子石进行了岩相学以及矿物学研究。结果显示,在野外露头上,低度深熔石榴黑云片麻岩→中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体/石榴子石花岗岩,石榴子石粒度逐渐增大,并且当岩石内的脉体小而少时不见粗粒石榴子石,脉体大而多时粗粒石榴子石发育,而石榴子石花岗岩内发育大量的粗粒石榴子石,此外脉体内的石榴子石粒度整体大于基体内的石榴子石粒度。在显微特征上,中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石和石榴子石花岗岩内的石榴子石晶形较差,形态各异,边界呈锯齿状,发育筛状变晶结构,并部分具有核部发育边部不发育的特点,基质内还具有逆反应结构以及斜长石堆晶体。矿物化学特征上,中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石和石榴子石花岗岩内的石榴子石以富Fe、Mg贫Mn、Ca为特点,不发育生长环带,与黑云母接触的石榴子石发育扩散环带,表现为TFeO曲线由中心向两边升高,MgO曲线由中心向两边降低,二者呈负相关。综合分析得出石榴子石花岗岩内的石榴子石是在变质深熔过程中,由固相变质生长至处于深熔熔体包裹状态下继续生长而成,这种石榴子石是转熔成因,为转熔矿物相(相当于残留矿物相),且中度深熔石榴黑云片麻岩的脉体内的石榴子石也具有相同成因,说明二者关系密切,为石榴子石花岗岩是石榴黑云片麻岩高度深熔的产物提供了有力依据。同时大量转熔型石榴子石保留在花岗岩内的现象说明研究区内的花岗岩并未经历长距离运移,故而未达到彻底的固液两相分离,进一步证明了其原地—半原地成因。
Abstract
A large number of garnets are developed in the garnet granites in the Wulashan area, Inner Mongolia. As these garnets contain important information about the metamorphic evolution history of the host rock, it is very important to clarify their genetic type. Although the predecessors suggested that it is peritectic garnet, they failed to provide sufficient evidence to prove it. Towards this end, this article has conducted petrographic and mineral chemistry studies on the anatase garnet biotite gneiss and garnet in the garnet granite.The results show that, on the outcrop, from low anatectic garnet-biotite gneiss to garnet granite or veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss, the size of garnet gradually increases. When the veins in the rock are small and few, there are no coarse-grained garnets; when the veins are large and many, the coarse-grained garnets develop in the rock, and a large number of coarse-grained garnets develop in the garnet granite. In addition, the grain size of garnet in the vein is larger than that in the matrix as a whole. On the microscopic features, the garnets in the garnet granite or veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss have poor crystal shape and different shapes, with a jagged boundary. They also have sieve texture, and some have the characteristics of developing at the core but not at the edge. The reverse reaction structure and plagioclase pile crystals can be seen in the matrix of the garnet granite or veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss. In terms of mineral chemistry, the garnets in the garnet or veins of moderate anatectic garnet-biotite gneiss are characterized by rich Fe and Mg and poor Mn and Ca, with no growth zone. The garnet in contact with biotite develops diffusion zones, which shows that the FeOT curve increases from the center to the sides, and the MgO curve decreases from the center to the sides, and the two are negatively correlated. Comprehensive analysis shows that the garnet in the garnet granite grows from solid phase metamorphism to a state of continuous growth in a state where an anatomic melt is encased in the metamorphic anatex process. It is believed that this kind of garnet is the cause of remelting, and it is a remelted mineral phase (equivalent to the residual mineral phase). In addition, the garnets in the veins in the moderate anatectic garnet-biotite gneiss also have the same genesis, indicating that the two are closely related, and provide a strong basis for the garnet granite to be a highly anatectic product of the garnet-biotite gneiss. At the same time, the phenomenon that a large number of transformation-type garnets remain in the granite indicates that the granite in the study area has not undergone long-distance migration to completely separate the solid and liquid phases, which further proves its in-situ-semi-situ origin.
