青藏高原義敦巖漿弧前寒武系變質(zhì)巖綠泥石礦物學特征及其地質(zhì)意義

田振東，冷成彪，張興春，尹崇軍，張 偉，郭劍衡，田 豐

(1.中國科學院地球化學研究所 礦床地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550081； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.貴州中地大熱能科技有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引 言

義敦巖漿弧位于青藏高原東南緣，呈豆莢狀夾持于羌塘地塊和松潘—甘孜褶皺帶之間，是三江構(gòu)造-巖漿-成礦帶的重要組成部分，由甘孜—理塘古特提斯洋在晚三疊世向西(現(xiàn)今方向)俯沖形成[13-14]。其獨特的地理位置對研究青藏高原和古特提斯洋的形成與演化具有十分重要的意義。近年來，國內(nèi)外學者對區(qū)內(nèi)出露的巖漿巖及相關(guān)礦產(chǎn)資源開展了大量的研究工作[13-17]，取得了豐碩的研究成果。然而，由于缺乏對義敦巖漿弧基底變質(zhì)巖石的研究，制約了對該巖漿弧構(gòu)造演化過程和大地構(gòu)造屬性的深入認識，從而出現(xiàn)了兩種不同的觀點：一部分學者認為該巖漿弧具有揚子地塊的親緣性[18-19]；另一部分學者則認為具有祁連—柴達木地塊的親緣性[20]。由于以往研究程度較低，對區(qū)內(nèi)出露的前寒武系變質(zhì)巖的原巖類型、形成時代、變質(zhì)溫壓條件、變質(zhì)時代和形成環(huán)境仍不清楚。本文以這套變質(zhì)巖中的綠泥石為重點研究對象，對綠泥石的成因機制、形成的溫壓條件進行了討論，并對義敦巖漿弧的大地構(gòu)造屬性進行了約束。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

青藏高原義敦巖漿弧是三江地區(qū)規(guī)模最大、保存最完整的古巖漿弧[14，17，21]。以金沙江縫合線為界，其西為羌塘地塊；以甘孜—理塘縫合線為界，其東為稱為 “地質(zhì)百慕大”的松潘—甘孜褶皺帶[22](圖1)。由于經(jīng)歷了印支期洋殼俯沖(207～237 Ma)、燕山早期弧陸碰撞(138～207 Ma)、燕山晚期板內(nèi)伸展(75～135 Ma)和喜山期陸內(nèi)匯聚(15～64 Ma)4個演化階段，區(qū)內(nèi)巖漿活動廣泛，變形變質(zhì)作用強烈，形成了一系列直立褶皺和走滑斷裂[17，23]。大致以鄉(xiāng)城—格咱斷裂為界，義敦巖漿弧可分為東、西兩個部分：西部又叫中咱微陸塊，主要由古生代的碎屑巖、碳酸鹽巖組成，局部含中基性火山巖夾層；東部則主要由三疊紀的復理石沉積、中酸性侵入巖和火山巖組成，在其南段四川省木里縣水洛鄉(xiāng)、寧朗鄉(xiāng)和稻城縣各瓦鄉(xiāng)恰斯等地零星出露前寒武系變質(zhì)巖，該變質(zhì)巖主要由一套淺變質(zhì)的火山巖、碎屑巖夾碳酸鹽巖組成[26]。

圖2 綠泥石野外照片和顯微照片F(xiàn)ig.2 Field and Microscopical Photographs of Chlorites

2 樣品描述和分析方法

青藏高原義敦巖漿弧前寒武系變質(zhì)巖中的綠泥石云母片巖呈灰綠—墨綠色，作為砂巖中的夾層產(chǎn)出[圖2(a)、(b)]，主要由黑云母、白云母、綠泥石、斜長石和石英組成[圖2(c)～(f)]，副礦物見鋯石、鈦鐵礦和磷灰石，具鱗片變晶結(jié)構(gòu)、片狀構(gòu)造。變斑晶主要由斜長石組成，部分斜長石已發(fā)生蝕變，形成篩狀結(jié)構(gòu)?；|(zhì)礦物組成主要為黑云母、白云母和石英。綠泥石在鏡下呈鱗片狀，單偏光下呈淺黃綠色—淺綠色，正交偏光下為一級藍綠干涉色，部分顆粒呈現(xiàn)異常藍干涉色[圖2 (d)、(f)]，與黑云母、白云母共生密切。

通過詳細的鏡下鑒定工作，圈定代表性的綠泥石、多硅白云母顆粒為研究對象，其電子探針成分分析在中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心完成，儀器型號為JXA8230，分析精度優(yōu)于5%。白云母分析的測試電壓為15 kV，工作電流為2×10-8A，束斑大小為2 μm 或10 μm。綠泥石分析的測試電壓為15 kV，工作電流為2×10-8A，根據(jù)綠泥石礦物顆粒的大小，選擇束斑大小為4 μm 或8 μm。由于綠泥石在低溫條件下常與蒙脫石、伊利石、皂石和蛭石等黏土礦物互層產(chǎn)出，因此，在做電子探針分析測試時這些黏土礦物會對綠泥石的化學成分造成影響[1]。根據(jù)Foster提出的標準，w(Na2O)+w(K2O)+w(CaO)<0.5%為未受到混染的測點[27]。剔除混染測點后的綠泥石分析結(jié)果見表1。

3 綠泥石化學成分特征

青藏高原義敦巖漿弧前寒武系變質(zhì)巖中綠泥石的化學成分具有如下特征： SiO2和Al2O3質(zhì)量分數(shù)具有較小的變化范圍，分別為24.26%～26.92%和20.12%～22.20%，其平均值分別為25.53%和20.90%；FeO和MgO質(zhì)量分數(shù)變化范圍較大，分別為21.74%～28.85%和11.96%～17.56%，其平均值分別為25.01%和14.85%(表1)；此外，綠泥石的FeO和MgO質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)此消彼長的相關(guān)關(guān)系，說明兩者在綠泥石結(jié)構(gòu)中置換非常普遍[10]。

3.1 種屬劃分

綠泥石是自然界常見的含水層狀硅酸鹽礦物[1]。根據(jù)不同的分類標準，不同學者對綠泥石提出了多種分類方案，本文采用常用的Fe-Mg-(Al+□)和Fe-Si分類方案對樣品中綠泥石進行了種屬劃分。在Fe-Mg-(Al+□)分類圖解中，所有分析測試數(shù)據(jù)落在Ι型三八面體綠泥石范圍之內(nèi)[圖3(a)]；在Fe-Si分類圖解中，所有分析測試數(shù)據(jù)落入富鐵種屬的蠕綠泥石范圍之內(nèi)[圖3(b)]。Inoue認為富鎂種屬的綠泥石(包括透綠泥石、斜綠泥石和葉綠泥石)形成于低氧逸度(相對氧化)和低酸堿度的環(huán)境，而富鐵種屬的綠泥石(包括蠕綠泥石、鱗綠泥石、鮞綠泥石、鐵綠泥石)形成于相對還原的環(huán)境中[28]。樣品中的綠泥石均為富鐵種屬的蠕綠泥石，指示其形成于相對還原的環(huán)境。

圖件引自文獻[29]和[30],有所修改圖3 綠泥石分類圖解Fig.3 Classification Diagrams of Chlorites

3.2 原巖類型

Laird提出綠泥石的n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值和n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值可用于分析綠泥石與其母巖的關(guān)系[31]。通常，由泥質(zhì)巖類轉(zhuǎn)變而成的綠泥石比鎂鐵質(zhì)巖類蝕變而成的綠泥石具

有較高的n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值(大于0.35)，產(chǎn)于基性巖中的綠泥石具有較高的n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值，而產(chǎn)于含鐵建造中的綠泥石具有較低的n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值。樣品中綠泥石n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值均等于或大于0.35，平均值為0.36，說明其母巖可能主要為泥質(zhì)巖類，且有部分鎂鐵質(zhì)巖類的加入。而n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值較高，為0.43～0.59，平均值為0.51，說明綠泥石的形成可能和基性巖有關(guān)。在Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg)圖解(圖4)中，兩者呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系，其線性方程為n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))=-0.165 9·n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))+0.449 1(判定系數(shù)為0.767 8)，說明研究區(qū)綠泥石主要來源于泥質(zhì)巖類，部分來自于鎂鐵質(zhì)巖類(或鎂鐵質(zhì)流體)，其負相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)了兩者混合比例的變化[10，32]。

表1 綠泥石、多硅白云母電子探針分析結(jié)果Tab.1 Electron Microprobe Analysis Results of Chlorites and Phengites

續(xù)表1

注：w(·)為元素或化合物質(zhì)量分數(shù)；wtotal為主量元素總質(zhì)量分數(shù)；n(·)為元素原子數(shù)；AlIV為四次配位Al；AlVI為六次配位Al；綠泥石和多硅白云母陽離子數(shù)計算分別以14個氧原子和11個氧原子為基準。

圖4 綠泥石Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg)圖解Fig.4 Diagram of Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg) for Chlorites

3.3 離子間置換反應

Al通常置換四面體配位上的Si和八面體位置上的Fe2+、Mg2+，分別形成四次配位AlIV和六次配位AlVI。在AlIV-Si圖解[圖5(a)]中，兩者呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系(n(AlIV)=-1.0n(Si)+4，判定系數(shù)為1.0)，說明在綠泥石中存在大量AlIV對Si的置換。在AlVI-AlIV圖解[圖5(b)]中，兩者呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系(n(AlVI)=0.757 6n(AlIV)+0.365 1，判定系數(shù)為0.796 4)，說明在AlIV對Si發(fā)生置換的同時，也伴隨著八面體位置上AlVI對Fe或Mg的置換。當四面體位置的Si、Al置換類型為鈣鎂閃石型置換時，AlIV與AlVI原子數(shù)之間的線性關(guān)系應接近1∶1[2]。因此，所測樣品中的綠泥石Si與Al的置換不屬于純鈣鎂閃石型替換。

在Fe-Mg圖解[圖5(c)]中，兩者呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系(n(Fe)=-0.862 5n(Mg)+4.256，判定系數(shù)為0.978 5)，說明除AlIV對Si、AlVI對Fe或Mg發(fā)生置換外，F(xiàn)e與Mg之間的離子替換也是研究區(qū)綠泥石重要的置換反應。在AlIV-Fe/(Fe+Mg)圖解[圖5(d)]中，兩者呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明Fe與Mg替換的過程中，由于綠泥石結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使得更多的AlIV替代Si[2，33]。Fe、AlVI原子數(shù)之和與Mg原子數(shù)呈明顯的負相關(guān)關(guān)系[圖5(e)]，說明綠泥石八面體位置上主要被Fe、Mg、Al等元素占據(jù)，主要發(fā)生AlVI+Fe對Mg的置換。再結(jié)合AlVI-Fe和AlVI-Mg圖解[圖5(f)、(g)]，得知綠泥石八面體位置上的置換反應以Fe對Mg的置換為主，以AlVI對Mg的置換為輔。

通常認為，綠泥石中Fe對Mg的置換表明其形成于相對酸性的環(huán)境，而Mg對Fe的置換表明其可能形成于相對堿性的環(huán)境[34]。樣品中的綠泥石主要發(fā)生Fe對Mg的替換，說明其可能形成于相對酸性的環(huán)境之中。在一次變質(zhì)作用中形成的綠泥石，其主要陽離子與Mg2+之間會呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系[2]。在Fe-Mg、AlVI+Fe-Mg、AlVI-Mg和Si-Mg圖解[圖5(c)、(e)、(g)、(h)]中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)綠泥石中Mg2+與主要陽離子之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，說明其主要形成于一次變質(zhì)作用，后期的變質(zhì)事件對其影響較弱。

4 綠泥石成因機制、形成的溫壓條件及其地質(zhì)意義

4.1 成因機制

綠泥石是沉積巖、中低級變質(zhì)巖和熱液蝕變巖中的常見礦物[35-36]。De Caritat等研究發(fā)現(xiàn)，不同成因的綠泥石在結(jié)構(gòu)上和成分上會有一定的差異[37-38]。由成巖作用形成的綠泥石結(jié)構(gòu)多型通常為Ib型，且具有較高的Si含量，較低的Fe、Mg含量和八面體位置離子占位數(shù)[1，38]。與成巖綠泥石相比，義敦巖漿弧前寒武系變質(zhì)巖中綠泥石具有較低的Si含量，較高的Fe、Mg和AlIV含量，且AlIV與AlVI含量相近，這些化學成分特征與變質(zhì)成因綠泥石相吻合[11，27，37]，且在綠泥石Fe-Mg-Al成因分類圖解[39](圖6)中，所有樣品落入變質(zhì)成因綠泥石范圍，說明樣品中綠泥石為變質(zhì)成因。關(guān)于綠泥石的成因，主要有以下3種[40]：①蒙脫石在富Fe、Mg的堿性條件下轉(zhuǎn)化為綠泥石；②隨著溫度的升高，巖石中富Fe、Mg的礦物(如黑云母)和巖屑發(fā)生水解作用釋放出Fe和Mg形成綠泥石；③成巖過程中，泥巖層向相鄰砂巖層釋放出富含F(xiàn)e、Mg的流體，交代原來的層狀硅酸鹽礦物形成綠泥石。在研究區(qū)綠泥石云母片巖中，未發(fā)現(xiàn)蒙脫石、伊利石等黏土礦物，且在綠泥石中主要發(fā)生Fe對Mg的替換，表征其形成于酸性環(huán)境，排除了蒙脫石在堿性條件下向綠泥石轉(zhuǎn)化的可能性。由圖2(a)可知，綠泥石云母片巖作為夾層產(chǎn)出于圍巖砂巖之中，也排除了第三種成因的可能性。張偉等研究認為，I型綠泥石多由黑云母和角閃石等富含F(xiàn)e、Mg的礦物轉(zhuǎn)變而成[41]。通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，樣品中綠泥石的產(chǎn)出和黑云母密切相關(guān)[圖2(c)～(f)]，因此，綠泥石主要由第二種方式形成，在變質(zhì)作用過程中，巖石發(fā)生脫水作用，釋放出流體萃取黑云母中的Fe、Mg等元素，達到飽和后在有利部位沉淀形成綠泥石。

4.2 形成的溫壓條件

由于綠泥石分布于多種地質(zhì)環(huán)境中，且化學成分、晶體結(jié)構(gòu)與其形成溫度、壓力、全巖成分等因素密切相關(guān)，歷來受到地質(zhì)學家的高度關(guān)注，作為常用的地質(zhì)溫度計，已被廣泛應用于反演沉積盆地古地溫史、礦床成因、找礦勘探、古氣候和儲層預測研究中[1，5，7-12]。其地質(zhì)溫度計可分為經(jīng)驗溫度計、半經(jīng)驗溫度計和熱力學溫度計[42]。自Cathelineau等在墨西哥Los Azufres地熱系統(tǒng)基于綠泥石中AlIV含量與溫度的關(guān)系初次擬合出綠泥石的經(jīng)驗溫度計[43]后，由于其簡單易行、計算過程簡單而備受地質(zhì)學家青睞。但是，到目前為止，仍無一款綠泥石溫度計可以應用到所有的地質(zhì)環(huán)境中[1]，因此，本文選用多種綠泥石地質(zhì)溫度計對樣品中的綠泥石進行了溫度估算，其計算結(jié)果見表2。

圖5 綠泥石中主要陽離子之間的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations of Main Cations in Chlorites

℃

注：公式1為T=212n(AlIV)+18；公式2為T=212[n(AlIV)+0.35n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))]+18；公式3為T=-61.92+321.98·n(AlIV)；公式4為T=4 833.946-2 817.776n(SiIV)+419.858n2(SiIV)；公式5為T=319[n(AlIV)+0.1n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))]-69；公式6為T=(2n(AlIV)-1.303 546)/0.004 007；公式7為T=-(n(SiIV)-3.233)/0.001 327；公式8為T=106.2{2n(AlIV)+0.88[n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))-0.34]}+17.5；公式9為T=321.98{n(AlIV)-1.33[n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))-0.31]}-61.92；公式10為T=212.4{n(AlIV)-0.24[n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))-0.163]}+17.5；T為溫度。

圖件引自文獻[39],有所修改圖6 綠泥石Fe-Mg-Al 成因分類圖解Fig.6 Genetic Classification Diagram of Fe-Mg-Al for Chlorites

由表2可知，選擇不同的溫度計，其計算的溫度結(jié)果相差很大。造成上述差異的原因可能有以下3個方面：①有些溫度計只考慮了四次配位AlIV與溫度的關(guān)系，而未將n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值對溫度的影響考慮在內(nèi)[43，45]；②樣品中綠泥石已超出某些綠泥石溫度計的適用范圍[37，46]；③許多綠泥石溫度計的提出都是基于成巖過程、地熱系統(tǒng)和熱液蝕變系統(tǒng)，可能不適用于變質(zhì)過程中溫壓條件的估算[33，43-44，46-48]。研究區(qū)樣品的礦物組成主要為黑云母、白云母、斜長石、綠泥石和石英，為一套典型的低綠片巖相礦物組合。王勇生等研究認為，變質(zhì)巖中新生黑云母的出現(xiàn)指示其形成溫度范圍為350 ℃～450 ℃[49]。因此，上述絕大多數(shù)綠泥石溫度計對樣品中綠泥石的計算結(jié)果偏低，只有De Caritat等擬合的溫度計[1]、Cathelineau擬合的溫度計[45]和Jowett擬合的溫度計[46]計算結(jié)果在該溫度范圍內(nèi)。但Cathelineau擬合的溫度計[45]未考慮n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值對溫度的影響，而樣品中綠泥石n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值與AlIV原子數(shù)具有很好的相關(guān)性，因此，必須考慮n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值對溫度的影響。Jowett擬合的溫度計[46]適用于n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值低于0.6、溫度范圍為150 ℃～325 ℃的地質(zhì)條件，雖然樣品中綠泥石的n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值均小于0.6，但計算的溫度范圍為331 ℃～381 ℃，已超過公式運用的溫度范圍。而De Caritat擬合的溫度計[1]對樣品(除去3件估算結(jié)果偏低的樣品)中綠泥石估算結(jié)果為352 ℃～443 ℃，平均值為404 ℃，與礦物組合特征所指示的變質(zhì)溫度相符合，因此，可以代表樣品中綠泥石的形成溫度。通過樣品中與綠泥石共生的多硅白云母估算了其形成壓力范圍為0.57～0.90 GPa，平均值為0.73 GPa(圖7)。

n(Si)1為與綠泥石共生的多硅白云母中Si原子數(shù)；PH2O為水壓；圖件引自文獻[50],有所修改圖7 多硅白云母壓力估算 Fig.7 Pressure Estimation Diagram of Phengite

4.3 地質(zhì)意義

綠泥石的成分及其共生的礦物組合可以反映其變質(zhì)程度，綠泥石云母片巖中礦物組合為黑云母、白云母、斜長石、綠泥石和石英，為典型的低綠片巖相礦物組合特征[51]。其形成溫度范圍為352 ℃～443 ℃，壓力范圍為0.57～0.90 GPa，說明研究區(qū)巖石經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì)作用。其變質(zhì)溫壓條件與鄰區(qū)松潘—甘孜褶皺帶相似，均經(jīng)歷了中壓型巴羅式變質(zhì)作用，說明兩者可能經(jīng)歷了相似的構(gòu)造演化過程[52]。Song等研究發(fā)現(xiàn)，義敦巖漿弧、松潘—甘孜褶皺帶和揚子地塊西緣在三疊紀之前具有非常相似的沉積地層單元和古生物沉積面貌，據(jù)此推測義敦巖漿弧具有揚子地塊的親緣性[18]。Ding等通過碎屑鋯石研究發(fā)現(xiàn)，義敦巖漿弧晚三疊世砂巖中存在1 420～1 470 Ma的碎屑鋯石，但華南陸塊侏羅紀之前的地層中不發(fā)育該年齡段鋯石，而在祁連—柴達木地塊中廣泛分布，從而認為義敦巖漿弧具有祁連—柴達木地塊的親緣性[20]。但是，李獻華等對華南陸塊沉積巖中超過6 800個碎屑鋯石進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示在揚子地塊西緣和華夏陸塊前寒武紀—古生代地層中存在大量的1 430 Ma碎屑鋯石[53]；此外，在華南陸塊中還存在1 430 Ma花崗閃長巖[54]。因此，華南陸塊中約1.4 Ga花崗閃長巖以及含1.4 Ga碎屑鋯石的地層再循環(huán)可以為義敦巖漿弧晚三疊世砂巖提供物源。而且，在義敦巖漿弧與鄰區(qū)松潘—甘孜褶皺帶晚三疊世巖漿巖中發(fā)現(xiàn)大量2.3～2.5 Ga、1.7～1.9 Ga和0.7～0.9 Ga的繼承鋯石，可與揚子地塊的鋯石年齡譜峰相對應[13，55]。因此，義敦巖漿弧和鄰區(qū)松潘—甘孜褶皺帶基底相似，都具有揚子地塊的親緣性。

5 結(jié) 語

(1)青藏高原義敦巖漿弧前寒武系變質(zhì)巖中綠泥石均為富鐵種屬的蠕綠泥石，指示其形成于相對還原的環(huán)境，其化學成分主要受泥質(zhì)巖類控制。

(2)樣品中綠泥石四面體位置發(fā)生AlIV對Si的替換，八面體位置置換類型以Fe對Mg的置換為主，以AlVI對Mg的置換為輔，反映其形成于相對酸性的環(huán)境。

(3)樣品中綠泥石AlVI與AlIV含量相近，具有較低的Si含量，較高的Fe、Mg和AlIV含量，說明該綠泥石為變質(zhì)成因，主要由黑云母發(fā)生水解作用形成。

(4)樣品中綠泥石形成的溫度范圍為352 ℃～443 ℃，與其共生的多硅白云母指示其形成壓力范圍為0.57～0.90 GPa，結(jié)合樣品中礦物組合特征，說明其經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì)作用。

(5)義敦巖漿弧變質(zhì)基底與鄰區(qū)松潘—甘孜褶皺帶均經(jīng)歷了中壓型巴羅式變質(zhì)作用，說明其經(jīng)歷了相似的構(gòu)造演化過程。結(jié)合前人研究成果，認為義敦巖漿弧具有揚子地塊的親緣性。

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