青藏高原义敦岩浆弧前寒武系变质岩绿泥石矿物学特征及其地质意义

田振东，冷成彪，张兴春，尹崇军，张 伟，郭剑衡，田 丰

(1.中国科学院地球化学研究所 矿床地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550081； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.贵州中地大热能科技有限公司，贵州 贵阳 550000)

0 引 言

义敦岩浆弧位于青藏高原东南缘，呈豆荚状夹持于羌塘地块和松潘—甘孜褶皱带之间，是三江构造-岩浆-成矿带的重要组成部分，由甘孜—理塘古特提斯洋在晚三叠世向西(现今方向)俯冲形成[13-14]。其独特的地理位置对研究青藏高原和古特提斯洋的形成与演化具有十分重要的意义。近年来，国内外学者对区内出露的岩浆岩及相关矿产资源开展了大量的研究工作[13-17]，取得了丰硕的研究成果。然而，由于缺乏对义敦岩浆弧基底变质岩石的研究，制约了对该岩浆弧构造演化过程和大地构造属性的深入认识，从而出现了两种不同的观点：一部分学者认为该岩浆弧具有扬子地块的亲缘性[18-19]；另一部分学者则认为具有祁连—柴达木地块的亲缘性[20]。由于以往研究程度较低，对区内出露的前寒武系变质岩的原岩类型、形成时代、变质温压条件、变质时代和形成环境仍不清楚。本文以这套变质岩中的绿泥石为重点研究对象，对绿泥石的成因机制、形成的温压条件进行了讨论，并对义敦岩浆弧的大地构造属性进行了约束。

1 区域地质背景

青藏高原义敦岩浆弧是三江地区规模最大、保存最完整的古岩浆弧[14，17，21]。以金沙江缝合线为界，其西为羌塘地块；以甘孜—理塘缝合线为界，其东为称为 “地质百慕大”的松潘—甘孜褶皱带[22](图1)。由于经历了印支期洋壳俯冲(207～237 Ma)、燕山早期弧陆碰撞(138～207 Ma)、燕山晚期板内伸展(75～135 Ma)和喜山期陆内汇聚(15～64 Ma)4个演化阶段，区内岩浆活动广泛，变形变质作用强烈，形成了一系列直立褶皱和走滑断裂[17，23]。大致以乡城—格咱断裂为界，义敦岩浆弧可分为东、西两个部分：西部又叫中咱微陆块，主要由古生代的碎屑岩、碳酸盐岩组成，局部含中基性火山岩夹层；东部则主要由三叠纪的复理石沉积、中酸性侵入岩和火山岩组成，在其南段四川省木里县水洛乡、宁朗乡和稻城县各瓦乡恰斯等地零星出露前寒武系变质岩，该变质岩主要由一套浅变质的火山岩、碎屑岩夹碳酸盐岩组成[26]。

图2 绿泥石野外照片和显微照片Fig.2 Field and Microscopical Photographs of Chlorites

2 样品描述和分析方法

青藏高原义敦岩浆弧前寒武系变质岩中的绿泥石云母片岩呈灰绿—墨绿色，作为砂岩中的夹层产出[图2(a)、(b)]，主要由黑云母、白云母、绿泥石、斜长石和石英组成[图2(c)～(f)]，副矿物见锆石、钛铁矿和磷灰石，具鳞片变晶结构、片状构造。变斑晶主要由斜长石组成，部分斜长石已发生蚀变，形成筛状结构。基质矿物组成主要为黑云母、白云母和石英。绿泥石在镜下呈鳞片状，单偏光下呈浅黄绿色—浅绿色，正交偏光下为一级蓝绿干涉色，部分颗粒呈现异常蓝干涉色[图2 (d)、(f)]，与黑云母、白云母共生密切。

通过详细的镜下鉴定工作，圈定代表性的绿泥石、多硅白云母颗粒为研究对象，其电子探针成分分析在中国冶金地质总局山东局测试中心完成，仪器型号为JXA8230，分析精度优于5%。白云母分析的测试电压为15 kV，工作电流为2×10-8A，束斑大小为2 μm 或10 μm。绿泥石分析的测试电压为15 kV，工作电流为2×10-8A，根据绿泥石矿物颗粒的大小，选择束斑大小为4 μm 或8 μm。由于绿泥石在低温条件下常与蒙脱石、伊利石、皂石和蛭石等黏土矿物互层产出，因此，在做电子探针分析测试时这些黏土矿物会对绿泥石的化学成分造成影响[1]。根据Foster提出的标准，w(Na2O)+w(K2O)+w(CaO)<0.5%为未受到混染的测点[27]。剔除混染测点后的绿泥石分析结果见表1。

3 绿泥石化学成分特征

青藏高原义敦岩浆弧前寒武系变质岩中绿泥石的化学成分具有如下特征： SiO2和Al2O3质量分数具有较小的变化范围，分别为24.26%～26.92%和20.12%～22.20%，其平均值分别为25.53%和20.90%；FeO和MgO质量分数变化范围较大，分别为21.74%～28.85%和11.96%～17.56%，其平均值分别为25.01%和14.85%(表1)；此外，绿泥石的FeO和MgO质量分数呈现此消彼长的相关关系，说明两者在绿泥石结构中置换非常普遍[10]。

3.1 种属划分

绿泥石是自然界常见的含水层状硅酸盐矿物[1]。根据不同的分类标准，不同学者对绿泥石提出了多种分类方案，本文采用常用的Fe-Mg-(Al+□)和Fe-Si分类方案对样品中绿泥石进行了种属划分。在Fe-Mg-(Al+□)分类图解中，所有分析测试数据落在Ι型三八面体绿泥石范围之内[图3(a)]；在Fe-Si分类图解中，所有分析测试数据落入富铁种属的蠕绿泥石范围之内[图3(b)]。Inoue认为富镁种属的绿泥石(包括透绿泥石、斜绿泥石和叶绿泥石)形成于低氧逸度(相对氧化)和低酸碱度的环境，而富铁种属的绿泥石(包括蠕绿泥石、鳞绿泥石、鲕绿泥石、铁绿泥石)形成于相对还原的环境中[28]。样品中的绿泥石均为富铁种属的蠕绿泥石，指示其形成于相对还原的环境。

图件引自文献[29]和[30],有所修改图3 绿泥石分类图解Fig.3 Classification Diagrams of Chlorites

3.2 原岩类型

Laird提出绿泥石的n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值和n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值可用于分析绿泥石与其母岩的关系[31]。通常，由泥质岩类转变而成的绿泥石比镁铁质岩类蚀变而成的绿泥石具

有较高的n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值(大于0.35)，产于基性岩中的绿泥石具有较高的n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值，而产于含铁建造中的绿泥石具有较低的n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值。样品中绿泥石n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))值均等于或大于0.35，平均值为0.36，说明其母岩可能主要为泥质岩类，且有部分镁铁质岩类的加入。而n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))值较高，为0.43～0.59，平均值为0.51，说明绿泥石的形成可能和基性岩有关。在Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg)图解(图4)中，两者呈现明显的负相关关系，其线性方程为n(Al)/(n(Al)+n(Fe)+n(Mg))=-0.165 9·n(Mg)/(n(Fe)+n(Mg))+0.449 1(判定系数为0.767 8)，说明研究区绿泥石主要来源于泥质岩类，部分来自于镁铁质岩类(或镁铁质流体)，其负相关关系体现了两者混合比例的变化[10，32]。

表1 绿泥石、多硅白云母电子探针分析结果Tab.1 Electron Microprobe Analysis Results of Chlorites and Phengites

续表1

注：w(·)为元素或化合物质量分数；wtotal为主量元素总质量分数；n(·)为元素原子数；AlIV为四次配位Al；AlVI为六次配位Al；绿泥石和多硅白云母阳离子数计算分别以14个氧原子和11个氧原子为基准。

图4 绿泥石Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg)图解Fig.4 Diagram of Al/(Al+Fe+Mg)-Mg/(Fe+Mg) for Chlorites

3.3 离子间置换反应

Al通常置换四面体配位上的Si和八面体位置上的Fe2+、Mg2+，分别形成四次配位AlIV和六次配位AlVI。在AlIV-Si图解[图5(a)]中，两者呈现明显的负相关关系(n(AlIV)=-1.0n(Si)+4，判定系数为1.0)，说明在绿泥石中存在大量AlIV对Si的置换。在AlVI-AlIV图解[图5(b)]中，两者呈现一定的正相关关系(n(AlVI)=0.757 6n(AlIV)+0.365 1，判定系数为0.796 4)，说明在AlIV对Si发生置换的同时，也伴随着八面体位置上AlVI对Fe或Mg的置换。当四面体位置的Si、Al置换类型为钙镁闪石型置换时，AlIV与AlVI原子数之间的线性关系应接近1∶1[2]。因此，所测样品中的绿泥石Si与Al的置换不属于纯钙镁闪石型替换。

在Fe-Mg图解[图5(c)]中，两者呈现显著的负相关关系(n(Fe)=-0.862 5n(Mg)+4.256，判定系数为0.978 5)，说明除AlIV对Si、AlVI对Fe或Mg发生置换外，Fe与Mg之间的离子替换也是研究区绿泥石重要的置换反应。在AlIV-Fe/(Fe+Mg)图解[图5(d)]中，两者呈现出明显的正相关关系，说明Fe与Mg替换的过程中，由于绿泥石结构的调整，使得更多的AlIV替代Si[2，33]。Fe、AlVI原子数之和与Mg原子数呈明显的负相关关系[图5(e)]，说明绿泥石八面体位置上主要被Fe、Mg、Al等元素占据，主要发生AlVI+Fe对Mg的置换。再结合AlVI-Fe和AlVI-Mg图解[图5(f)、(g)]，得知绿泥石八面体位置上的置换反应以Fe对Mg的置换为主，以AlVI对Mg的置换为辅。

通常认为，绿泥石中Fe对Mg的置换表明其形成于相对酸性的环境，而Mg对Fe的置换表明其可能形成于相对碱性的环境[34]。样品中的绿泥石主要发生Fe对Mg的替换，说明其可能形成于相对酸性的环境之中。在一次变质作用中形成的绿泥石，其主要阳离子与Mg2+之间会呈现良好的线性关系[2]。在Fe-Mg、AlVI+Fe-Mg、AlVI-Mg和Si-Mg图解[图5(c)、(e)、(g)、(h)]中可以发现，研究区绿泥石中Mg2+与主要阳离子之间呈现较好的线性关系，说明其主要形成于一次变质作用，后期的变质事件对其影响较弱。

4 绿泥石成因机制、形成的温压条件及其地质意义

4.1 成因机制

绿泥石是沉积岩、中低级变质岩和热液蚀变岩中的常见矿物[35-36]。De Caritat等研究发现，不同成因的绿泥石在结构上和成分上会有一定的差异[37-38]。由成岩作用形成的绿泥石结构多型通常为Ib型，且具有较高的Si含量，较低的Fe、Mg含量和八面体位置离子占位数[1，38]。与成岩绿泥石相比，义敦岩浆弧前寒武系变质岩中绿泥石具有较低的Si含量，较高的Fe、Mg和AlIV含量，且AlIV与AlVI含量相近，这些化学成分特征与变质成因绿泥石相吻合[11，27，37]，且在绿泥石Fe-Mg-Al成因分类图解[39](图6)中，所有样品落入变质成因绿泥石范围，说明样品中绿泥石为变质成因。关于绿泥石的成因，主要有以下3种[40]：①蒙脱石在富Fe、Mg的碱性条件下转化为绿泥石；②随着温度的升高，岩石中富Fe、Mg的矿物(如黑云母)和岩屑发生水解作用释放出Fe和Mg形成绿泥石；③成岩过程中，泥岩层向相邻砂岩层释放出富含Fe、Mg的流体，交代原来的层状硅酸盐矿物形成绿泥石。在研究区绿泥石云母片岩中，未发现蒙脱石、伊利石等黏土矿物，且在绿泥石中主要发生Fe对Mg的替换，表征其形成于酸性环境，排除了蒙脱石在碱性条件下向绿泥石转化的可能性。由图2(a)可知，绿泥石云母片岩作为夹层产出于围岩砂岩之中，也排除了第三种成因的可能性。张伟等研究认为，I型绿泥石多由黑云母和角闪石等富含Fe、Mg的矿物转变而成[41]。通过镜下观察发现，样品中绿泥石的产出和黑云母密切相关[图2(c)～(f)]，因此，绿泥石主要由第二种方式形成，在变质作用过程中，岩石发生脱水作用，释放出流体萃取黑云母中的Fe、Mg等元素，达到饱和后在有利部位沉淀形成绿泥石。

4.2 形成的温压条件

由于绿泥石分布于多种地质环境中，且化学成分、晶体结构与其形成温度、压力、全岩成分等因素密切相关，历来受到地质学家的高度关注，作为常用的地质温度计，已被广泛应用于反演沉积盆地古地温史、矿床成因、找矿勘探、古气候和储层预测研究中[1，5，7-12]。其地质温度计可分为经验温度计、半经验温度计和热力学温度计[42]。自Cathelineau等在墨西哥Los Azufres地热系统基于绿泥石中AlIV含量与温度的关系初次拟合出绿泥石的经验温度计[43]后，由于其简单易行、计算过程简单而备受地质学家青睐。但是，到目前为止，仍无一款绿泥石温度计可以应用到所有的地质环境中[1]，因此，本文选用多种绿泥石地质温度计对样品中的绿泥石进行了温度估算，其计算结果见表2。

图5 绿泥石中主要阳离子之间的相关关系Fig.5 Correlations of Main Cations in Chlorites

℃

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

图件引自文献[39],有所修改图6 绿泥石Fe-Mg-Al 成因分类图解Fig.6 Genetic Classification Diagram of Fe-Mg-Al for Chlorites

由表2可知，选择不同的温度计，其计算的温度结果相差很大。造成上述差异的原因可能有以下3个方面：①有些温度计只考虑了四次配位AlIV与温度的关系，而未将n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值对温度的影响考虑在内[43，45]；②样品中绿泥石已超出某些绿泥石温度计的适用范围[37，46]；③许多绿泥石温度计的提出都是基于成岩过程、地热系统和热液蚀变系统，可能不适用于变质过程中温压条件的估算[33，43-44，46-48]。研究区样品的矿物组成主要为黑云母、白云母、斜长石、绿泥石和石英，为一套典型的低绿片岩相矿物组合。王勇生等研究认为，变质岩中新生黑云母的出现指示其形成温度范围为350 ℃～450 ℃[49]。因此，上述绝大多数绿泥石温度计对样品中绿泥石的计算结果偏低，只有De Caritat等拟合的温度计[1]、Cathelineau拟合的温度计[45]和Jowett拟合的温度计[46]计算结果在该温度范围内。但Cathelineau拟合的温度计[45]未考虑n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值对温度的影响，而样品中绿泥石n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值与AlIV原子数具有很好的相关性，因此，必须考虑n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值对温度的影响。Jowett拟合的温度计[46]适用于n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值低于0.6、温度范围为150 ℃～325 ℃的地质条件，虽然样品中绿泥石的n(Fe)/(n(Fe)+n(Mg))值均小于0.6，但计算的温度范围为331 ℃～381 ℃，已超过公式运用的温度范围。而De Caritat拟合的温度计[1]对样品(除去3件估算结果偏低的样品)中绿泥石估算结果为352 ℃～443 ℃，平均值为404 ℃，与矿物组合特征所指示的变质温度相符合，因此，可以代表样品中绿泥石的形成温度。通过样品中与绿泥石共生的多硅白云母估算了其形成压力范围为0.57～0.90 GPa，平均值为0.73 GPa(图7)。

n(Si)1为与绿泥石共生的多硅白云母中Si原子数；PH2O为水压；图件引自文献[50],有所修改图7 多硅白云母压力估算 Fig.7 Pressure Estimation Diagram of Phengite

4.3 地质意义

绿泥石的成分及其共生的矿物组合可以反映其变质程度，绿泥石云母片岩中矿物组合为黑云母、白云母、斜长石、绿泥石和石英，为典型的低绿片岩相矿物组合特征[51]。其形成温度范围为352 ℃～443 ℃，压力范围为0.57～0.90 GPa，说明研究区岩石经历了绿片岩相变质作用。其变质温压条件与邻区松潘—甘孜褶皱带相似，均经历了中压型巴罗式变质作用，说明两者可能经历了相似的构造演化过程[52]。Song等研究发现，义敦岩浆弧、松潘—甘孜褶皱带和扬子地块西缘在三叠纪之前具有非常相似的沉积地层单元和古生物沉积面貌，据此推测义敦岩浆弧具有扬子地块的亲缘性[18]。Ding等通过碎屑锆石研究发现，义敦岩浆弧晚三叠世砂岩中存在1 420～1 470 Ma的碎屑锆石，但华南陆块侏罗纪之前的地层中不发育该年龄段锆石，而在祁连—柴达木地块中广泛分布，从而认为义敦岩浆弧具有祁连—柴达木地块的亲缘性[20]。但是，李献华等对华南陆块沉积岩中超过6 800个碎屑锆石进行了统计分析，结果显示在扬子地块西缘和华夏陆块前寒武纪—古生代地层中存在大量的1 430 Ma碎屑锆石[53]；此外，在华南陆块中还存在1 430 Ma花岗闪长岩[54]。因此，华南陆块中约1.4 Ga花岗闪长岩以及含1.4 Ga碎屑锆石的地层再循环可以为义敦岩浆弧晚三叠世砂岩提供物源。而且，在义敦岩浆弧与邻区松潘—甘孜褶皱带晚三叠世岩浆岩中发现大量2.3～2.5 Ga、1.7～1.9 Ga和0.7～0.9 Ga的继承锆石，可与扬子地块的锆石年龄谱峰相对应[13，55]。因此，义敦岩浆弧和邻区松潘—甘孜褶皱带基底相似，都具有扬子地块的亲缘性。

5 结 语

(1)青藏高原义敦岩浆弧前寒武系变质岩中绿泥石均为富铁种属的蠕绿泥石，指示其形成于相对还原的环境，其化学成分主要受泥质岩类控制。

(2)样品中绿泥石四面体位置发生AlIV对Si的替换，八面体位置置换类型以Fe对Mg的置换为主，以AlVI对Mg的置换为辅，反映其形成于相对酸性的环境。

(3)样品中绿泥石AlVI与AlIV含量相近，具有较低的Si含量，较高的Fe、Mg和AlIV含量，说明该绿泥石为变质成因，主要由黑云母发生水解作用形成。

(4)样品中绿泥石形成的温度范围为352 ℃～443 ℃，与其共生的多硅白云母指示其形成压力范围为0.57～0.90 GPa，结合样品中矿物组合特征，说明其经历了绿片岩相变质作用。

(5)义敦岩浆弧变质基底与邻区松潘—甘孜褶皱带均经历了中压型巴罗式变质作用，说明其经历了相似的构造演化过程。结合前人研究成果，认为义敦岩浆弧具有扬子地块的亲缘性。

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