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      碳酸巖研究新進(jìn)展*

      2015-03-19 03:29:00葉海敏
      華東地質(zhì) 2015年1期
      關(guān)鍵詞:碳酸巖巖石圈源區(qū)

      葉海敏,張 翔

      (南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,南京 210016)

      關(guān)于碳酸巖的巖漿成因問(wèn)題一直以來(lái)都存在爭(zhēng)議,直到60年代初,地質(zhì)學(xué)家親眼目睹坦桑尼亞Oldoinyo Lengai火山噴出富堿的碳酸巖熔巖、火山角礫和凝灰質(zhì)火山物質(zhì)之后,學(xué)者們才廣泛接受碳酸巖巖漿成因的觀點(diǎn)[1]??v觀全球的巖漿活動(dòng),碳酸巖所占的比例極其微小,但卻提供了大量來(lái)自地球內(nèi)部的信息。碳酸巖不同尋常的組成、獨(dú)特的找礦意義、與金伯利巖的關(guān)系以及倍受爭(zhēng)議的巖石成因引起世界地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注與研究[2-7],這些研究不僅深化了對(duì)碳酸巖起源和成因的認(rèn)識(shí),也為了解大陸地幔的特征和演化提供了重要信息,表明碳酸巖已是當(dāng)今幔源火成巖和深部地質(zhì)研究的重要的方面。

      中國(guó)作為碳酸巖第四大產(chǎn)出國(guó),具有豐富的碳酸巖及其礦產(chǎn)資源,地質(zhì)學(xué)家們也逐漸認(rèn)識(shí)到碳酸巖在指示地幔交代作用、地殼深部結(jié)構(gòu)、地幔物質(zhì)組成以及碳酸巖在成巖、成礦等方面的特殊性與重要性,對(duì)碳酸巖的研究也在不斷加強(qiáng)[8-11]。但在對(duì)碳酸的研究中也出現(xiàn)一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),比如認(rèn)為碳酸巖是殼源產(chǎn)物等,這是對(duì)碳酸巖研究中需要注意和避免的問(wèn)題。本文從巖石學(xué)、礦物學(xué)、同位素地球化學(xué)、實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)以及巖漿來(lái)源、地幔源區(qū)等方面介紹近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外碳酸巖的研究進(jìn)展。

      1 巖石學(xué)、時(shí)空分布和構(gòu)造環(huán)境

      關(guān)于碳酸巖的劃分,目前普遍采用1979年國(guó)際地科聯(lián)(IUGS)推薦的方案,屬于巖漿成因的碳酸鹽類巖石稱為碳酸巖,屬于沉積成因的稱為碳酸鹽巖。碳酸巖既有噴出巖,也有侵入巖,是碳酸鹽礦物含量>50%(體積百分?jǐn)?shù))的火成巖,其SiO2含量很低(<20%),屬于超基性巖類。碳酸巖具有復(fù)雜的礦物組成[12],常見(jiàn)的礦物有方解石、白云石、鐵白云石和菱鐵礦等鉀、鈉質(zhì)碳酸鹽礦物,其它礦物有透輝石、鈉質(zhì)輝石、角閃石、金云母、磷灰石、燒綠石、磁鐵礦和橄欖石等。此外,碳酸巖又以含稀有礦物而著稱,例如含斜鋯石(ZrO2)、鈦鋯釷礦[Ca、Zr(Ti、Nb、Fe)2O7]、鈣鋯鈦礦(CaZr3TiO9)、氟碳鈰礦[(REE)(CO3)F]和氟菱鈣鈰礦[(REE)2Ca(CO3)2F2]等。

      碳酸巖的結(jié)構(gòu)有粗粒結(jié)構(gòu)和細(xì)粒結(jié)構(gòu)[13],前者以s?vites(粗粒方解石碳酸巖,其礦物組合為方解石+磷灰石+磁鐵礦+燒綠石)為代表,后者以alvikites(細(xì)粒方解石碳酸巖,其礦物組合為方解石+磁鐵礦+氟碳鈰礦+獨(dú)居石)為代表;若主要礦物是白云石,則稱為rauhaugite(粗粒白云石碳酸巖)和beforsite(鎂白云石碳酸巖)。演化完整的單個(gè)碳酸巖雜巖體,巖漿演化序列通常為粗粒方解石碳酸巖→細(xì)粒方解石碳酸巖+白云石碳酸巖→鐵質(zhì)碳酸巖→細(xì)脈、網(wǎng)脈狀鈣質(zhì)碳酸巖;在分異演化序列的晚期階段常常出現(xiàn)稀土、重晶石和螢石的成礦作用[14]。

      值得注意的是,碳酸巖無(wú)論是噴出巖還是侵入巖,最顯著的特征標(biāo)志是在其巖漿通過(guò)的上部地殼圍巖中發(fā)生富含堿質(zhì)(鈉或鉀)的霓長(zhǎng)巖化作用,形成含有霓石、鈉(鐵)閃石、鈉長(zhǎng)石、金云母、鉀長(zhǎng)石為特征的霓長(zhǎng)巖,這是碳酸巖漿脫堿引起圍巖堿質(zhì)交代用形成的,且存在一定的分帶性,即碳酸巖體的深部圍巖以鈉質(zhì)霓長(zhǎng)巖化作用、淺部以鉀質(zhì)霓長(zhǎng)巖化作用為特征[15,16]。這些特征說(shuō)明碳酸巖漿形成時(shí)可能富含堿質(zhì)。1993年6月,現(xiàn)代活火山Oldoinyo Lengai噴出堿質(zhì)碳酸鹽巖熔巖,其Na2O 含量高達(dá)27%~34%,K2O 含量達(dá)5%~14%,這些特征明顯不同于所發(fā)現(xiàn)的任何古老碳酸巖(Na2O+K2O 含量一般<3%)。通過(guò)對(duì)比,一些地質(zhì)學(xué)家推測(cè)碳酸巖漿形成時(shí)可能富含堿質(zhì),在上升侵位過(guò)程中與圍巖發(fā)生堿質(zhì)交代作用,致使圍巖發(fā)生霓長(zhǎng)巖化作用而脫堿,使多數(shù)古老碳酸巖的主要元素地球化學(xué)特征不同于Oldoinyo Lengai堿質(zhì)碳酸熔巖[3]。

      碳酸巖雖然極為稀少,但卻遍布全球各大洲(包括南極洲),被發(fā)現(xiàn)的數(shù)量在不斷增長(zhǎng)。目前全世界已知的碳酸巖約527處,其中噴出巖49處[15],主要集中在南美洲、北美洲、非洲、俄羅斯及其周邊國(guó)家、蒙古、印度、巴基斯坦、阿富汗,其中非洲占35%,并與東非裂谷緊密相聯(lián)[14,15]。碳酸巖年代跨度較大,最古老的碳酸巖為Greenland的Tupertalik碳酸巖(3.0Ga)[16],最新的碳酸巖是1993年6月噴發(fā)的坦桑尼亞Oldoinyo Lengai碳酸巖[8]。已知的碳酸巖中僅約50%具有明確的測(cè)年數(shù)據(jù)。我國(guó)內(nèi)蒙古白云鄂博、新疆且干布拉克[17-18],四川耗牛坪[19],山東萊蕪-淄博[20]、云南武定地區(qū)、湖北廟埡、山西紫金山、河北礬山、甘肅禮縣[10]和陜西大石溝等地27處有碳酸巖零星產(chǎn)出[21]。

      碳酸巖與基性、超基性或堿性硅酸巖密切伴生組成雜巖體。但碳酸巖體積一般相對(duì)較小,僅占雜巖體面積10%左右。根據(jù)伴生硅酸鹽的種類大體分為六類[22]:黃長(zhǎng)巖-霞石巖-響巖-粗面巖、霞石巖-霓霞巖、碧玄巖-粗面巖(堿性輝石巖)、響巖-粗面巖(似長(zhǎng)正長(zhǎng)巖)、粗面巖(正長(zhǎng)巖)和金伯利巖。碳酸巖主要產(chǎn)出在相對(duì)穩(wěn)定的板內(nèi)環(huán)境,大多與裂谷和板內(nèi)拉張環(huán)境有關(guān)[14],少數(shù)為與碰撞有關(guān)的大洋碳酸巖[2]。碳酸巖以巖脈、巖床、巖頸、熔巖流等形式產(chǎn)出,多呈線狀或成群分布,并具有同一地區(qū)多次侵位的特點(diǎn),最典型地區(qū)是格陵蘭,共有5期侵位的碳酸巖[14,15]。

      2 地球化學(xué)特征

      1989年,Woolly[23]根據(jù)主量元素CaO、MgO和(FeO+Fe2O3+MnO)之間的重量百分比,將碳酸巖劃分為三大類(圖1a):鈣質(zhì)(CaO∶CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO>0.8)、鎂質(zhì)(CaO∶CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO<0.8,MgO>FeO+Fe2O3+MnO)和鐵質(zhì)(CaO∶CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO<0.8,MgO<FeO+Fe2O3+MnO)。SiO2、TiO2、Fe2O3、MnO、BaO、Co、Cr、V、Th和REE含量從鈣質(zhì)到鎂質(zhì)再到鐵質(zhì)逐步升高;Na2O+K2O 含量在三類碳酸巖中基本近似(一般<3),但在一些特殊碳酸巖中則異常高,被稱為鈉質(zhì)碳酸巖,例如Oldoinyo Lengai火山;P2O5在所有碳酸巖中含量高且變化大。

      圖1 碳酸巖Cao-MgO-(Fe2O3+FeO+MnO)圖(a)和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖(b)[23]Fig.1 Cao-MgO-(Fe2O3+FeO+MnO)diagram(a)and chondrite-normalized REE distribution patterns(b)of carbonatites

      碳酸巖微量元素變化范圍較大,總體具有高Sr、Ba、Th、U、Nb、Ta、LREE 和LREE/HREE,低Zr、Hf、Ti和HREE 含量,明顯不同于沉積成因的石灰?guī)r和白云巖(圖1b)。BaO/SrO 比值在鈣質(zhì)碳酸巖中約為0.4,鎂質(zhì)和鐵質(zhì)碳酸巖約為1,富鋇鐵質(zhì)碳酸巖>1;Th/U 比值變化較大,從鈣質(zhì)的6到鎂質(zhì)的7再到鐵質(zhì)的近40,反映Th含量增加;碳酸巖的Zr/Hf比值平均為113[24],遠(yuǎn)大于球粒隕石的Zr/Hf比值(36),這被解釋為地幔發(fā)生碳酸質(zhì)交代作用的指示劑[25]。而隨著Hf、Zr、Ti的虧損在地幔捕虜晶中不斷被發(fā)現(xiàn),Hf/Hf*Zr/Zr*和Ti/Ti*比值則被認(rèn)為是有力的指示劑[26]。

      目前普遍認(rèn)為大多數(shù)碳酸巖的常規(guī)全巖化學(xué)分析數(shù)據(jù)不能反映源區(qū)組成[27],例如大多數(shù)碳酸巖有霓長(zhǎng)巖化,說(shuō)明存在堿金屬流失,或許還有其它元素?fù)p耗。而碳酸巖放射性與穩(wěn)定同位素組成卻能反映源區(qū)特征。Bell and Simonetti[28]基于世界碳酸巖同位素組成研究,對(duì)碳酸巖放射性與穩(wěn)定同位素組成進(jìn)行了總結(jié):(1)大多數(shù)碳酸巖的Sr-Nd-Pb同位素組成主要分布在HIMU(高μ地幔端元),EMI(I型富集地幔)和FOZO(地幔集中帶)地幔端元之間(圖2)[29]。碳酸巖總體具有較高的Sr-Nd含量,其值遠(yuǎn)高于地殼的Sr-Nd值,同時(shí)具有較低的Pb含量,其值遠(yuǎn)低于地殼是Pb值,因此碳酸巖的Sr-Nd-Pb同位素對(duì)地殼混染作用具有“免疫力”,同時(shí)也說(shuō)明碳酸巖與沉積型碳酸鹽巖具有完全不同的Sr-Nd-Pb同位素組成,這是與沉積型碳酸鹽巖最重要的區(qū)別。(2)部分碳酸巖具有不耦合的Hf-Nd同位素組成,例如格陵蘭的Qaqarssuk,Sarfartoq和Tupertalik碳酸巖。(3)碳酸巖C-O 同位素組成類似于原始地幔的C-O 同位素組成(圖3)。(4)巴西、加拿大和俄羅斯碳酸巖的惰性氣體和N 同位素組成同樣類似于原始地幔的組成特征。不同時(shí)代的碳酸巖,無(wú)論是虧損還是富集Sr-Nd同位素組成,均具有相似的129Xe/130Xe和40Ar/36Ar比值,暗示這些碳酸巖的揮發(fā)份來(lái)自相同的軟流圈地幔。

      3 巖石成因

      圖2 東非裂谷碳酸巖的143 Nd/144 Nd-87 Sr/86 Sr 和207Pb/204Pb-206Pb/204Pb相關(guān)關(guān)系圖 [29]Fig.2 143 Nd/144 Nd-87 Sr/86 Sr (a)and 207Pb/204 Pb-206Pb/204Pb(b)correlation diagrams for carbonatites in East African rift(DMM-虧損地幔端元;HIMU-高μ 地幔端元;EMI-I型地幔端元)

      在空間上,大多數(shù)碳酸巖都與堿性巖、超基性基性巖密切伴生,這暗示兩者之間有成因聯(lián)系。同時(shí)兩者的伴生形式又有多樣性(如上所述),指示碳酸巖成因具有復(fù)雜性。碳酸巖與硅酸巖的成因聯(lián)系一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題,主要有兩種觀點(diǎn)[1,7,30]:一種觀點(diǎn)認(rèn)為兩者是同一構(gòu)造事件的產(chǎn)物,但具有不同的源區(qū),碳酸巖熔體來(lái)源于獨(dú)立源區(qū),硅酸巖與碳酸巖僅借用相同的上升通道到達(dá)地表;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為它們具有相同的源區(qū),是富CO2的堿性硅酸巖漿不混溶或分離結(jié)晶的產(chǎn)物。以上兩種觀點(diǎn)衍生出三種成巖方式(圖4)[7,31-36]:(1)富CO2原始地幔橄欖巖低度部分熔融的產(chǎn)物(<0.1%);(2)碳酸質(zhì)堿性硅酸鹽熔體的分離結(jié)晶作用;(3)高壓或低壓狀態(tài)下碳酸質(zhì)硅酸鹽熔體的不混溶作用。目前,這三種成巖方式均已被實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)所驗(yàn)證。

      圖3 碳酸巖與石灰?guī)r穩(wěn)定同位素組成對(duì)比圖[28]Fig.3 Comparison of the stable isotope composition between carbonatites and limestones

      圖4 碳酸巖的成巖方式Fig.4 Lithogenesis of carbonatites

      熔體實(shí)驗(yàn)證明,富CO2原始地幔橄欖巖低程度部分熔融發(fā)生在2.2 ~7.0 GPa 壓力狀態(tài)下[31-32,37],其產(chǎn)物具有高M(jìn)g#[38]、高(Mg+Fe)/Ca比值、中度堿性[39]和類似鎂質(zhì)碳酸巖組成的特征[7]。然而,世界侵入或噴出地表的大多數(shù)碳酸巖漿為更貧鎂富鈣的鈣質(zhì)碳酸巖,而鈣質(zhì)碳酸巖熔體是在1.5GPa壓力條件下與異剝橄欖巖相平衡[37]。

      實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)證明分離結(jié)晶模式可以產(chǎn)生碳酸巖[7],在0.2~0.5GPa壓力下,碳酸質(zhì)堿性硅酸鹽熔體先結(jié)晶出堿性基性巖,而后殘留熔體形成碳酸巖。俄羅斯科拉半島碳酸巖雜巖體具有完整的同心狀結(jié)構(gòu)帶,分布順序?yàn)榧冮蠙鞄r→斜長(zhǎng)方輝巖→黃長(zhǎng)巖→霓輝巖→磷霞巖→碳酸巖,代表典型的結(jié)晶分離產(chǎn)物[40]。然而,此時(shí)碳酸巖的組成更富硅,而非碳酸質(zhì)的[41]。在多數(shù)碳酸巖雜巖體中,單斜輝石是伴生硅酸巖最基本的組成礦物,也是富鈣礦物,在分離結(jié)晶模式中優(yōu)先結(jié)晶并帶走大量CaO,導(dǎo)致殘余熔體無(wú)法結(jié)晶出大量方解石。此外,分離結(jié)晶作用不能產(chǎn)生Nb和REE 的富集[42]。

      碳酸巖液態(tài)不混溶模式最早由Le Bas[5]提出,隨后實(shí)驗(yàn)研究支持了堿性系統(tǒng)中碳酸鹽-硅酸鹽不混溶的可能性[34]。同樣,在熔融包裹體的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)研究中,可以觀察到硅酸鹽熔體分解成不混溶的硅酸鹽和碳酸鹽兩部分[36]。這一模式已被大多數(shù)研究者所接受。然而,少數(shù)碳酸巖和與其伴生的硅酸巖的同位素不平衡現(xiàn)象[2,4],以及碳酸巖略晚于硅酸巖侵位的事實(shí)對(duì)這一模式提出了質(zhì)疑。

      4 地幔源區(qū)

      對(duì)碳酸巖源區(qū)的研究一直是個(gè)棘手的問(wèn)題。源區(qū)性質(zhì)主要根據(jù)同位素特征來(lái)判定,毫無(wú)疑問(wèn),碳酸巖來(lái)自地幔。然而,是源自巖石圈地幔還是軟流圈地幔?是否與地幔柱有關(guān)?目前這些問(wèn)題仍存在爭(zhēng)議。

      Bell and Tilton[29]通過(guò)對(duì)東非裂谷周邊年輕碳酸巖(<200Ma)Sr-Nd-Pb 同位素的研究,發(fā)現(xiàn)其Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)呈現(xiàn)有規(guī)律的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2),集中位于HIMU 和EMI地幔端元之間,稱東非碳酸巖線(EACL,East African Carbonatite Line),類似洋島玄武巖(OIB),這種混合趨勢(shì)普遍認(rèn)為與地幔柱活動(dòng)有關(guān)[29,43],但碳酸巖漿既可能源自深部的軟流圈地幔,也可能來(lái)自巖石圈地幔。有學(xué)者認(rèn)為碳酸巖源自軟流圈(圖5),認(rèn)為軟流圈自地球形成初期,就存在呈團(tuán)塊分布的富集地幔儲(chǔ)庫(kù),如HIMU 型、EMI型地幔或更加富集的地幔,是來(lái)自核幔邊緣的地幔柱導(dǎo)致這些地幔儲(chǔ)庫(kù)熔融,熔體在上升至地表的過(guò)程中交代了巖石圈地幔[28];也有學(xué)者認(rèn)為碳酸巖源自受到交代的巖石圈地幔,地幔柱或軟流圈上涌導(dǎo)致上覆受交代巖石圈的熔融[43]。

      圖5 東非裂谷碳酸巖成因模式圖[28]Fig.5 Genitic model of carbonatites in East African rift

      無(wú)論碳酸巖源自巖石圈或軟流圈地幔,其交代作用必定發(fā)生在巖石圈(~75km),導(dǎo)致巖石圈同位素的不均一性。但是,交代作用的性質(zhì)有多種解釋,有含水或碳質(zhì)流體、煌斑質(zhì)或金伯利質(zhì)熔體、碳酸質(zhì)熔體和富揮發(fā)份堿質(zhì)硅酸巖熔體等。目前同位素證據(jù)顯示,碳酸巖熔體是巖石圈與軟流圈的交換作用產(chǎn)生的,但這種交換作用僅僅是地幔柱活動(dòng)的結(jié)果,還是其它地幔擾動(dòng)也能產(chǎn)生類似的結(jié)果(如巖石圈折沉等)?這些問(wèn)題還依靠更多的地球化學(xué)、地球物理和野外地質(zhì)信息等綜合研究來(lái)解決。

      5 碳酸巖與大火成巖省

      很早以前地質(zhì)學(xué)家們已經(jīng)注意到碳酸巖與裂谷環(huán)境具有密切關(guān)系[5,44]。例如,東非擁有世界35%的碳酸巖圍繞東非大裂谷分布;在加拿大,碳酸巖主要沿蘇必利爾克拉通狹窄的“腰部”-卡普斯卡辛構(gòu)造帶(KSZ)侵位。無(wú)論碳酸巖巖漿源自何處,因其極低的粘度,只有沿巖石圈薄弱帶(裂谷或斷層),才能穿過(guò)相對(duì)厚的巖石圈而侵入地殼。因此,碳酸巖常被作為巖石圈薄弱帶的識(shí)別標(biāo)志,而這些薄弱帶可能已存在了數(shù)億年。在一些復(fù)雜地塊,變質(zhì)堿性巖與碳酸巖的識(shí)別標(biāo)志著存在古老裂谷區(qū),這些古老裂谷區(qū)隨大洋閉合和構(gòu)造變形而消失[45]。然而近幾年,越來(lái)越多的證據(jù)揭示碳酸巖與大火成巖省也有類似碳酸巖-裂谷環(huán)境的密切時(shí)空關(guān)系[46],例如:(1)45Ma至今的東非火成巖省與廣泛分布的大量碳酸巖;(2)66 Ma的德干(Deccan)高原溢流玄武巖火成巖省與Amba Dongar,Sarnu-Dandali(Barmer)和Mundwara碳酸巖;(3)130 Ma的埃騰迪卡-巴拉那(Etendeka-Parana)溢流火成巖省與Jacupiranga和Messum 碳酸巖;(4)250 Ma的西伯利亞(Siberian)大火成巖省是著名的堿性巖省,有多個(gè)碳酸巖體;(5)370 Ma的科拉(Kola)堿性巖省,同時(shí)期玄武質(zhì)巖漿廣泛分布在東歐克拉通;(6)615~555 Ma的勞倫西亞以東、波羅地以西的中愛(ài)潑斯特(Central Iapetus)巖漿巖省;(7)在加拿大蘇必利爾克拉通,許多碳酸巖與1114~1085 Ma基維諾(Keweenawan)火成巖省和1880 Ma泛蘇必利爾基性-超基性巖漿活動(dòng)具有密切聯(lián)系;(8)Phalaborwa和Shiel碳酸巖與卡普瓦爾克拉通的2055 Ma布什維爾德事件有關(guān)。

      普遍認(rèn)為大火成巖省是由地幔柱產(chǎn)生的,碳酸巖是大火成巖省的早期產(chǎn)物,位于地幔柱邊緣,距中心約1000km 處[47],是低程度熔融的結(jié)果,其后是地幔柱中心高程度部分熔融的溢流玄武巖的大規(guī)模噴發(fā)[48]。

      6 展望

      目前,碳酸巖地球化學(xué)研究有了新的發(fā)展趨勢(shì)―原位微區(qū)分析技術(shù)?,F(xiàn)有的碳酸巖研究主要依靠全巖地球化學(xué)和同位素分析,然而,全巖分析體現(xiàn)的是巖石混合、均一化后平均組成,不能反映不同源區(qū)的貢獻(xiàn)或巖漿分異演化對(duì)巖石的影響。近些年來(lái)快速發(fā)展的原位微區(qū)分析技術(shù)(電子探針、LAMCICPMS和SIMS告等),使單礦物原位Sr、Nd、Hf、O 同位素分析成為可能。單礦物的原位同位素分析,特別是早期結(jié)晶礦物相(例如斜鋯石、鋯石、磷灰石等),為研究碳酸巖巖漿的本質(zhì)及其演化提供了更有價(jià)值的參考信息。

      致謝:感謝張傳林研究員對(duì)研究工作的支持和幫助,感謝審稿人提出的建設(shè)性意見(jiàn)。

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