ارزیابی شرایط ترمودینامیکی (P-T) تشکیل شیست‌های متاپلیتی جندق (شمال‌شرق استان اصفهان)

مقدمه

ناحیه جندق در شمال‌شرق استان اصفهان، یکی از مکان‌های طبیعی بسیار جالب برای مطالعه سرزمین‌های دگرگون شده است. این منطقه بخش اعظمی از نواحی جنوبی فرورفتگی دشت کویر نمک را احاطه نموده و از لحاظ زون‌های رسوبی ساختاری در ایران مرکزی قرار گرفته است (نبوی، 1355). متاپلیت‌ها از شناخته شده ترین خانواده سنگ‌های دگرگونی جندق به سن پروتروزوییک فوقانی تا پالئوزوییک زیرین (Romanko et al., 1984) هستند. کانی‌های شاخص موجود در این سنگ‌ها توزیع منظمی را نشان می‌دهند که می‌تواند با شدت دگرگونی مرتبط باشد.

پژوهشگران مختلفی که در رابطه با زمین‌شناسی ایران مرکزی کار کرده‌اند، از جمله Stahl (1897)، Ganser (1955)، Baier (1940) و Stockin (1968)، از ناحیه جندق نام برده‌اند. در سال 1975 پژوهشگران روسی در قالب قرارداد Technoexport مطالعات اولیه بر روی ناحیه انارک - خور - جندق را انجام دادند (Romanko et al., 1984) که در سال 1984 منتشر شد. از دیگر کار‌های انجام گرفته در این ناحیه می‌توان به پایان‌نامه کارشناسی‌ارشد هاتف (1374) با عنوان
« زمین‌شناسی و پترولوژی سنگ‌های آذرین و دگرگونی منطقه خور – جندق (ایران مرکزی) » اشاره نمود (هاتف، 1374).

شکل 1- نقشه راه‌های ارتباطی و موقعیت قرارگیری متاپلیت‌ها در نقشه زمین‌شناسی جندق (Technoexport, 1979)

روش انجام پژوهش

آنالیز نقطه‌ای نمونه‌های مورد نظر این تحقیق توسط الکترون مایکروپروب Cameca در مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران (جدول‌ 1) ‌و آنالیز کل سنگ به روش ICP-MS در آزمایشگاه Amdel در استرالیا انجام شد (جدول 2). همچنین، مجموع‌های از روش‌های متداول پترولوژیک مانند خصوصیات بافتی و ساختی، آنالیز‌های پاراژنتیک، منطقه‌بندی کانی‌های همجوار بر اساس برش‌های بلور‌های منطقه‌ای و نهایتآ محاسبات ژئوترموبارومتری استفاده شد. در این مطالعه توجه اصلی به مجموعه Grt، Bt، Chl، Ms و St معطوف شد که در حضور Qtz وH₂O به عنوان مجموعه کانیایی حساس به تغییر شرایط دگرگونی است.

علایم اختصاری مورد استفاده در متن عبارتند از: گارنت (Grt)، بیوتیت (Bt)، آلکالی‌فلدسپار (Kfs)، کردیریت (Crd)، مسکوویت (Ms)، کلریت (Chl)، پلاژیوکلاز (Pl)، کوارتز (Qtz)، استروتید (St)، محلول جامد کانی‌ها: (Bt_Mg- Bt_Fe)، (Grt_Fe-Grt_Mg)، (St_Fe-St_Mg)، (Chl_Fe-Chl_Mg)، فشار (P^Kbar/bar)، دما (T^K/C).

 =i/(Fe+Mg+AlVI), i=Fe, Mg, AlVI

=j/(Fe+Mg+ AlVI +Ti), j=Fe, Mg, Al AlVI, Ti

= k/(Fe+Mg+Ca+Mn), k=Fe, Mg, Ca, Mn

= 100*

جدول 1- آنالیز سنگ کل دو نمونه از شیست‌های متاپلیتی جندق

* From Technoexport (1979)

جدول 2- آنالیز نقطه‌ای تعدادی از کانی‌های موجود در متاپلیت‌ها

جدول 2- ادامه.

پتروگرافی و شیمی کانی‌ها

مجموعه سنگ‌های دگرگونی منطقه جندق به ترتیب عبارتند از: پریدوتیت‌های سرپانتینیتی شده، میلونیت گرانیت، آمفیبولیت، مرمر و تناوبی از انواع شیست‌ها به همراه کوارتزیت و مرمر (شکل 2). از خصوصیات کلی برای شیست‌های متاپلیتی جندق وجود بافت‌های لپیدو بلاستی، پورفیروبلاستی، لپیدوپورفیروبلاستی و لپیدوپورفیروپویی کیلوبلاستی است. ترکیب سنگ کل در سنگ‌های متاپلیتی جندق بر روی دیاگرام AFM در محدوده شیل‌های پلاژیک قرار می‌گیرد که به‌طور نسبی از Al و Fe نسبت به شیل‌های پلاتفرمی غنی و از Ca تهی است (شکل 3).

شکل 2- نمایی از انواع سنگ‌های دگرگونی جندق. الف) پریدوتیت‌های سرپانتینیتی شده در منطقه معدن تالک جندق، ب) تناوب شیست و مرمر در مزرعه صفاهو، ج) گارنت میکاشیست‌ها درمنطقه چاه زرد، د) میلونیت گرانیت در مزرعه صفاهو، ه) نمایی از گارنت میکاشیست‌ها (جلو تصویر) و آمفیبولیت‌ها (بخش‌های تیره) درمنطقه چاه زرد، و) چین‌خوردگی در شیست‌های مزرعه صفاهو.

سنگ‌های متاپلیتی جندق در چهار دسته به شرح زیر قرار می‌گیرند که عبارتند از:

(الف) کوارتز مسکوویت شیست‌ها (Qtz+Ms+Kfs+Pl): این دسته از سنگ‌ها دارای مواد آلی فراوان بوده و بافت‌های لپیدوبلاستی بسیار شاخصی از خود نشان می‌دهند. دانه‌های ریز کوارتز با حاشیه صاف و‌اندازه متوسط 1/0 تا 2/ میلی‌متر و مسکوویت‌های ورق‌های جهت یافته با‌ اندازه متوسط 1/0 تا 2/ میلی‌متر بیش از 95% این سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند.  در این سنگ‌ها بین 49/0 تا 59/ در نوسان است. بیوتیت، کلریت و اکسید آهن از کانی‌های فرعی هستند. گاهی در این سنگ‌ها مسکوویت‌هایی دیده می‌شود که به شکل ادخال در کانی‌های کدر قرار گرفته‌اند. کرینولیشن‌های بسیار ظریف در این سنگ‌ها از دیگر مشخصات فابریکی آن‌هاست (شکل 4).

شکل 4- نمایی از انواع سنگ‌های دگرگونی جندق. الف) گارنت مسکوویت شیست، ب) کوارتز مسکوویت شیست با کرینولیشن‌های بسیار ظریف، ج) گارنت مسکوویت استروتید شیست، د) گارنت مسکوویت کلریت شیست (همه تصاویر در نور XPL و بزرگنمایی40 × تهیه شده‌اند).

(ب) کوارتز مسکوویت بیوتیت شیست‌ها (Grt+ Bt+Qtz+Ms+Kfs+Pl): این دسته نسبت به کوارتز مسکوویت شیست‌ها درشت دانه‌تر بوده، به‌صورت لایه‌هایی غنی از کوارتز و کانی‌های ورق‌های مسکوویت و بیوتیت به همراه مواد آلی کمتر دیده می‌شوند (شکل 4). بافت‌های لپیدوبلاستی بسیار شاخص از مشخصات بافتی آن‌هاست. دانه‌های کوارتز با حاشیه صاف و‌ اندازه متوسط 1/0 تا 2/ میلی‌متر و مسکوویت و بیوتیت‌های ورق‌های جهت‌یافته با‌ اندازه متوسط 1/0 تا 2/ میلی‌متر کانی‌های اصلی این سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند. شکل‌گیری این دو کانی در کنار یکدیگر دال بر تشکیل آن‌ها در طی واکنش Chl+Kfs=Bt+Ms+Qtz+H₂O است. کلریت، گارنت و اکسید آهن از کانی‌های فرعی هستند.  در این سنگ‌ها بین 41/0 تا 54/ در نوسان است.

(پ) گارنت مسکوویتکلریت شیست‌ها (Grt+Qtz+Ms+Kfs+Pl+Chl): این سنگ‌ها نسبت به گروه قبلی دارای بیوتیت بسیار کمتر (حدود 2-3%) و گارنت فراوان‌تر (حدود 10%) هستند. گارنت به‌صورت پورفیر‌های بی‌شکل همراه با شکستگی در متن سنگ پراکنده است که در حاشیه آن‌ها گارنت‌ها ریزتری قرار گرفته‌اند (شکل 4).  از 04/0 تا 2/ تغییر می‌کند و اعضای انت‌هایی آن‌ها از 58 تا 76 % آلماندین، 1 تا 18 % اسپسارتین و از 8 تا 20% گروسولار تشکیل شده است. گارنت‌های موجود در متاپلیت‌ها همیشه دارای مقادیری از گروسولار هستند که در دگرگونی پیش‌رونده دمای ظهور آن‌ها را پایین می‌آورد. مجموعه پاراژنزی موجود در این سنگ‌ها و وجود ادخال‌های مسکوویت و گاهی اوقات بیوتیت در گارنت بیانگر انجام واکنش 2 (Ms+Bt+Qtz=Grt+Kfs+ H₂O) است. کرینولیشن‌های بسیار ظریف در این سنگ‌ها از دیگر مشخصات فابریکی آنهاست.  در این سنگ‌ها بین 41/0 تا 46/ در نوسان است. در شکل 5، محل قرارگیری Bt وGrt در دیاگرام پاراژنزی AFM نشان داده شده و ترکیب سنگ کل نیز به‌عنوان مقایسه آورده شده است. گارنت‌های درشت نسبت به گارنت‌های ریز از Mg بیشتری برخوردارند که نشان‌دهندة تشکیل آن‌ها در ادامه دگرگونی پیش‌رونده است و این تغییر بر روی دیاگرام AFM به‌خوبی نمایان است. برش‌های بلور‌های منطقه‌ای از گارنت موجود در حاشیه کلریت، نشان‌دهندة افزایش میزان منیزیم این کانی در مجاورت کلریت است. این ﻣﺴﺄله از آن جهت دارای اهمیت است که در طی یک دگرگونی پیش‌رونده X_Mg کلریت همیشه از گارنت هم‌زیست آن بیشتر است و لذا این پدیده می‌تواند نشانه محدود شدن پایداری کلریت آهن‌دار و افزایش میزان منیزیم گارنت و کلریت هم‌زیست شود (شکل 6) (Tabatabaeimanesh, 2006).

شکل 5- محل قرارگیری Bt و Grt در دیاگرام پاراژنزی AFM در سیستم KFMASH. ترکیب سنگ کل نیز به‌عنوان مقایسه آورده شده است.

(ت) گارنت مسکوویت استروتید شیست‌ها (Grt+St+Qtz+Ms+Kfs+Chl+Bt): دانه درشت بوده و زمینة این سنگ از لایه‌های غنی از مسکوویت و به مقدار بسیار کمتر بیوتیت تشکیل یافته و بافت‌های لپیدوبلاستی، پورفیروبلاستی و پویی‌کیلوبلاستی از مشخصات فابریکی آن‌هاست.  در این سنگ‌ها بین 39/0 تا 60/0 در نوسان است. گارنت موجود در استروتید شیست‌ها در ‌اندازه‌های ریز و درشت هستند که گارنت‌های درشت نسبت به گارنت‌های ریز از Mg بیشتری برخوردار بوده، این تغییر بر روی دیاگرام AFM به خوبی نمایان است (شکل 7). پورفیر‌های شکسته شده و بدون شکل گارنت به قطر حداکثر 1 سانتی‌متر که عمومآ از محل شکستگی‌ها در حال کلریتی شدن هستند، دارای ادخال‌هایی از کلریت‌های اولیه هستند. از 8 تا 18 در نوسان بوده، درصد اعضای انت‌هایی آن‌ها از 68 تا 75 % آلماندین، صفر تا 1 % اسپسارتین، 8 تا 21% گروسولار و از 7 تا 16% پیروپ تشکیل شده است (شکل 8).

شکل 6- الف) تصویر BSI (Backscattered Image) از گارنت و کلریت هم‌زیست در یک نمونه از متاپلیت‌های جندق، ب) و ج) پروفیل تغییرات منیزیم و کلسیم در گارنت هم‌زیست با کلریت.

شکل 8- الف) تصویر BSI از گارنت در یک نمونه از استروتید شیست‌های جندق، ب) پروفیل تغییرات منیزیم از مرکز به حاشیه در گارنت.

استروتید‌های به قطر 1/0 تا 2 میلی‌متر نسبتاً سالم حدود 6 تا 7 درصد مودال گارنت مسکوویت استروتید شیست‌ها را تشکیل می‌دهد. از 03/0 تا 12/0 تغییر می‌کند. ظهور استروتید در متاپلیت‌ها در ترکیبات غنی از آهن از دمای حدود 500 درجه آغاز می‌شود و نشانه شروع رخساره آمفیبولیت است (Masoudi et al., 2006). عدم زونینگ در استروتید موجود در این شیست‌ها (شکل 7) نشانه رشد و تشکیل این کانی در چرخه دگرگونی پیش‌رونده با خطوط هم درجه پهن مقیاس بوده است. وجود پاراژنز Grt + St + Chl + Bt حکایت از انجام واکنش (3) Grt + Chl= St + Bt بوده، تقریباً تمامی بیوتیت موجود در این سنگ‌ها (4-5%) در طی این واکنش تشکیل شده‌ است.

شرایط ترمودینامیکی تعادلات منطقه‌ای کانی‌ها

واکنش‌های دگرگونی اعم از انتقالی و یا تبادلی می‌توانند به‌خوبی بیانگر شرایط فشارشی و حرارتی تشکیل سنگ‌های دگرگونی باشند. لازمه کسب این اطلاعات، انجام آنالیز‌های نقطه‌ای بر روی کانی‌هایی است که در این واکنش‌ها شرکت نموده‌اند. برای محاسبه پارامتر‌های ترمودینامیکی در تعادلات کانیایی از بانک داده‌های Geo-Path استفاده شد (Perchuk et al., 1992). پایداری منطقه‌بندی رشدی در گارنت‌های موجود در سنگ‌های مورد مطالعه که نمود آن به‌صورت افزایش آهن و منیزیم از مرکز به سمت حاشیه و کاهش میزان منگنز در همین مسیر است، حاکی از آن است که استروتید شیست‌های جندق دگرگونی بالاتر از رخساره آمفیبولیت را تحمل نکرده‌اند، زیرا در غیر این صورت توزیع این عناصر از حالت منطقه‌ای خارج و بر عکس به سمت هموژن شدن پیش می‌رفت (Perchuk et al., 2007). با توجه به هم‌زیستی گارنت و استروتید و همچنین، هم‌زیستی گارنت و بیوتیت برای محاسبه دما از واکنش‌های تبادلی زیر، که می‌توانند ترمومتر‌های مناسبی باشند، استفاده شد.

(5) Grt_Mg + Bt_Fe = Bt_Mg + Grt_Fe

(6) Grt_Mg + St_Fe =St_Mg + Grt_Fe

آنالیز نقطه‌ای بر روی کانی‌های Grt، Ms و Bt از مجموعه پاراژنزی Qtz+Grt+Qtz+Ms+Kfs+Bt که بر اساس واکنش Ms+Bt+Qtz=Grt+Kfs+H₂O به تعادل رسیده‌اند، به‌عنوان یک بارومتر مناسب برای محاسبه فشار انجام گرفت (Aranovich et al., 1989). نتایج حاصل از ژئوترموبارومتری این سنگ‌ها که با استفاده از بانک داده‌های Geo-Path محاسبه شده، در جدول‌های 3 تا 5 ارائه شده است.

جدول 3- نتایج محاسبه دما برای 4 مجموعه Grt + St در متاپلیت‌های جندق، بر اساس واکنش (5).

جدول 4- نتایج محاسبه دما برای 5 مجموعه Grt + Bt در متاپلیت‌های جندق، بر اساس واکنش (4)

جدول 5- نتایج محاسبه پارامتر‌های فشار - دما برای 5 مجموعه Grt + Bt+Ms+Qtz در متاپلیت‌های جندق.

 *دما بر اساس واکنش (4) محاسبه شد.

 ^£فشار بر اساس واکنش (2) محاسبه شد.

مطالعة ترموبارومتری متاپلیت‌های جندق، نشان‌دهندة تشکیل این سنگ‌ها در محدوده دمایی 400 تا 670 درجه سانتی‌گراد و در فاصله فشاری 2 تا 5/6 کیلوبار است که روند و مسیر دگرگونی نیز در شکل 9 رسم شده است. بر همین اساس رسوبات پلیتی جندق در رخساره‌های شیست سبز و آمفیبولیت دگرگون شده‌اند که این نتایج با شواهد پاراژنتیکی کانی‌ها کاملاً هماهنگ است.

شکل 9- مسیر دگرگون شدن سنگ‌های متاپلیتی جندق بر روی دیگرام رخساره‌ای