北祁连清水沟红帘石变硅质岩矿物学、原岩特征及地质意义.pdf
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1、北祁连早古生代大洋俯冲带以发育早古生代的蛇绿(混杂)岩带及高压低温变质带为特征。在清水沟高压低温混杂岩片中出露蛇纹岩以及榴辉岩、蓝片岩、红帘石硅质岩和多硅白云母石英片岩等典型高压低温变质岩石。本文对北祁连清水沟含红帘石的变硅质岩进行了详细的岩相学、矿物化学及地球化学分析,发现该岩石主要由石英、多硅白云母、红帘石、石榴子石、蓝闪石、单斜辉石以及砷硅锰矿、赤铁矿等矿物组成,结合矿物化学及围岩变质条件,推测该岩石可能也经历了高压低温榴辉岩相变质作用。全岩地球化学分析结果表明,北祁连清水沟含红帘石变硅质岩的原岩为远洋环境沉积的含泥硅质岩,由于热液活动的参与,使得Fe、M n 富集沉积,进而与大陆活动边
2、缘或大陆岛弧物质被卷人到俯冲带中,共同经历了高压低温变质作用。变硅质岩中红帘石、砷硅锰矿以及石榴子石中大量的赤铁矿包裹体表明该岩石形成于高氧逸度条件,而石榴子石中的Fe3+从核部到边部的降低趋势,也表明俯冲变质过程中氧逸度的变化,这一过程释放的氧所形成的流体对于探究岩石圈地慢氧逸度变化、岛弧岩浆生成以及俯冲带氧循环等方面具有重要的意义。关键词:红帘石;富锰变硅质岩;高氧逸度;榴辉岩相变质;北祁连中图分类号:P588.3Mineralogy,protolith and geological implication of piemontite-bearingGUO Jing2,ZHANG Jian
3、-xin,LI Yun-shuai?3,WU Ya-wei,LI Guo-qian,ZHOU Kai,GUO Qi?and(1.School of Management,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China;2.Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics ofMinistry of Natural Resources,Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;3.School o
4、fAbstract:The North Qilian is characterized by the early Paleozoic ophiolite and high-pressure/low-temperaturemetamorphic rocks,such as serpentinite,eclogite,blueschist and metasedimentary rocks.In this study,a detailedpetrographic,mineral-chemical,and geochemical analysis is presented on the piemon
5、tite-bearing metacherts inQingshuigou,North Qilian.The piemontite-bearing metacherts are mainly composed of quartz,phengite,piemont-ite,garnet,glaucophane,clinopyroxene,ardennite,and hematite.Based on the mineral assemblage,mineralchemistry,and the p-T conditions of the country rocks,the piemontite-
6、bearing metacherts may have undergone low-temperature and high-pressure eclogite-facies metamorphism.Whole-rock geochemistry suggested that the protolithof the piemontite-bearing metacherts was argilliferous cherts deposited in the oceanic environment with the participation收稿日期:2 0 2 3-12-18;接受日期:2
7、0 2 4-0 1-2 2;编辑:宋会侠基金项目:国家自然科学基金(U2344214,42 0 7 2 2 37);自然资源部大陆动力学重点实验室开放课题基金(J2306)作者简介:郭晶(198 9-),女,讲师,研究方向为矿物学(含宝石矿物学)与岩石学,E-mail:g u o j i n g 532 2 12 6.c o m。开3,郭祺,毛小红?文献标识码:A文章编号:10 0 0-6 52 4(2 0 2 4)0 2-0 2 38-12metacherts in Qingshuigou,North QilianMAO Xiao-hongaEarth System Science,Inst
8、itute of Surface-Earth System Science,Tianjin University,Tianjin 300072,China)第2 期of hydrothermal activities which resulted in the deposition of Fe and Mn.They were involved in the subduction zonewith the materials from the continental active margin or continental island arc,and then experienced low
9、-tempera-ture and high-pressure metamorphism.The piemontite,ardennite,spessartite,and many inclusions of hematite ingarnet indicated that the piemontite-bearing metacherts experienced a condition of high oxygen fugacity,which alsorecorded by the decreases of the Fe3 from core to rim of the garnet.Ox
10、ygen released in this process played a signif-icant role in the exploration of oxygen fugacity in the lithosphere mantle,the generation of island arc magma,andthe oxygen cycle in a subduction zone.Key words:piemontite;Mn-rich metachert;high oxygen fugacity;eclogite-facies metamorphism;North QilianFu
11、nd support:National Natural Science Foundation of China(U2344214,42072237);Fund of the Key Laboratoryof Continental Dynamics of Ministry of Natural Resources(J2306)作为解译地球物质循环与深部地球动力学过程的重要场所,俯冲带对研究岛弧火山岩成因和地慢氧逸度变化具有重要的作用(Kellyand Cottrell,2009)。大量研究证据表明,大洋地壳在高压条件下的变质脱水所产生的流体对于改变俯冲带地慢楔的氧逸度状态和岛弧拉斑玄武岩的形成
12、具有重要的影响(Songet al.,2 0 0 9;Ev a n s,2 0 12)。而大洋岩石圈上覆的泥质、硅质沉积物在俯冲过程中发生变质脱水作用,可提供丰富的流体来源。前人对于泥质岩在俯冲过程中的流体变化做了深入的研究(Songetal.,2 0 0 7;王伟等,2 0 0 9;苟龙龙等,2 0 0 9),然而硅质沉积物的影响尚不清晰。硅质岩常见于造山带俯冲增生杂岩中,并记录了大洋板块从洋中脊产生到海沟消亡的沉积过程,从而为探究地质历史时期海洋演化提供关键的信息(张立杨,2 0 2 3)。此外,由于大洋硅质沉积物通常含有大量的Fe、M n 氧化物,在发生脱水变质作用的同时还可发生系列的氧
13、化还原反应,因而,其在探究岩石圈地慢氧逸度变化、岛弧岩浆生成以及俯冲带物质循环等方面具有重要的意义(Ague etal.,2022;So n g e t a l.,2 0 2 2)。红帘石分子式:Caz(M n,Fe)A l(Si O 4)(Si,O,)O(O H)作为帘石矿物族中的重要成员,是帘石中的Al在低温、高压和高氧逸度条件下被Mn、Fe 替代而生成的,因而红帘石可作为低温、高压条件下变质的标型矿物,它在研究造山带变质作用和寻觅古残余洋壳俯冲带和古大陆碰撞缝合带等方面具有重要的意义(Keskinenand Liou,2010;王道轩等,2 0 11)。北祁连造山带以发育不同时代、不同构
14、造环境的层序完整的蛇绿岩套、高压低温变质岩(蓝片岩和低温榴辉岩)、混杂堆积及俯冲增生楔为特征(肖序常等,197 8;吴汉泉,198 0;许志琴等,1994;冯益郭晶等:北祁连清水沟红帘石变硅质岩矿物学、原岩特征及地质意义球动力学过程提供重要信息。1地质背景北祁连造山带位于阿拉善地块与祁连地块之间,呈NWW-SEE走向,被认为是典型的早古生代板块缝合带,其西端被阿尔金断裂切割,并可能继续向西延至北阿尔金,东与西秦岭北部相连,属横贯中国东西的秦-祁-昆巨型造山带的一部分。该缝合带宽约8 0 12 0 km,主要由产于不同时代、不同构造环境的层序完整的蛇绿岩套、高压低温变质岩(蓝片岩和低温榴辉岩)、
15、混杂岩及俯冲增生楔组成(肖序常等,197 8;吴汉泉,198 0;许志琴等,1994;冯益民等,1995)。北祁连造山带发育有典型的洋壳俯冲形成的早古生代(49 0 46 0 Ma)高压低温变质带(吴汉泉,198 0;Liou et al.,198 9;W u e t a l.,1993;宋述光,1997;张建新等,1997;Song etal.,239民等,1995),经历了早古生代洋壳俯冲及其之后的陆-陆碰撞,是一个具有典型沟-弧-盆体系的加里东期造山带(许志琴等,1994;许志琴,1997)。清水沟地区位于青海省祁连县县城八宝镇以西约40km,是研究北祁连山高压变质作用的经典地区之一,该
16、地区出露有蛇纹岩、榴辉岩、蓝片岩、多硅白云母片岩、变硅质岩等不同类型的高压低温变质岩。前人在该区富锰硅质岩中发现了富As矿物一砷硅锰矿(叶诗婷等,2 0 19),并对变质过程中Mn价态变化所导致的氧逸度变化进行了探究(So n g e t a l.,2 0 2 2),但是硅质岩在俯冲变质过程中的变质条件及其原岩特征尚不清晰。本文拟对北祁连清水沟含红帘石的变硅质岩进行详细的岩相学、矿物化学及地球化学分析,并探讨其形成的构造环境,从而为进一步确定北祁连造山带的深部地2402007;Zh a n g e t a l.,2 0 0 7),还识别出硬柱石榴辉岩和含纤柱石的高压变沉积岩(张建新等,2 0
17、0 6;Zhang et al.,2007;Song et al.,2007;Wei andSong,2 0 0 8),表明俯冲洋壳可能把大量的水带到地慢深处。对高压低温变质带的变形构造的研究也显示其经历了与大洋俯冲有关的变形作用(张建新等,1995,1998;Zh a n g e t a l.,2 0 12,2 0 19),保存有俯冲界面(隧道)的变形构造样式(张建新,2 0 2 0)。与高压低温变质带伴生的早古生代增生杂岩(楔)、火山岛弧、弧后盆地及不同类型的蛇绿岩(MOR和 SSZ型)(许志琴等,1994;Xia et al.,2 0 0 3;Xi a o e t a l.,2009;Z
18、hang et al.,2012;Song et al.,2014;Yanetal.,2 0 2 1),具有典型增生造山带的物质组成。北祁连早古生代大洋俯冲带分布在阿拉善地块和祁连地块之间,以发育早古生代的蛇绿(混杂)岩带及高压低温变质带为特征。与北祁连早古生代大洋俯冲带相关的地质单元以北祁连中段最为典型(图1a),其中除具有典型的蛇绿(混杂)岩和高压低温变质岩外,还发育早古生代火山弧及弧后盆地,形成类似于现今西太平洋的“沟-弧-盆”板块构造体系(许志琴等,1994;夏林圻等,1996;张建新等,1997,1998;Xia et al.,2003;Xiao et al.,2009;Song e
19、t al.,2 0 13;Zh a n g e t a l.,2 0 19),已有的研究把与北祁连早古生代俯冲作用及随后的碰撞造山主要相关的地质体划分成不同的构造单元,自南而北分别为蛇绿岩-蛇绿混杂岩带、高压低温变质带、火山岛弧带、弧后盆地带和叠置在以上单元之上的晚志留纪-泥盆纪磨拉石盆地。清水沟高压变质单元位于青海省祁连县县城八宝镇以西约40 km,是北祁连山高压变质作用的经典研究地区之一。在清水沟剖面,可观察到蛇纹岩和榴辉岩、蓝片岩、红帘石变硅质岩、多硅白云母片岩等典型的高压低温变质岩石(图1b)。2岩相学含红帘石的变硅质岩新鲜面呈紫红色,具有明显的面理和拉伸线理,并发育不对称褶皱(图2
20、a、2b)。采样坐标为N3819.518,E9950.92 。含红帘石变硅质岩的组成矿物粒度细小,呈细粒变晶结构,主要由石英、多硅白云母、红帘石、石榴子石、蓝闪石、单斜辉石以及少量富锰和砷的矿岩石矿物学杂志物、赤铁矿、磷灰石等矿物组成(图2)。其中石英含量大于7 0%,呈拉长定向排列,具有波状消光和动态重结晶结构,反映了明显的晶内塑性变形。石榴子石呈粒状结构,粒度较小,自形程度高,部分石榴子石具有丰富的赤铁矿包裹体。红帘石粒度较小,粉红色,分布不均匀,大部分沿片理定向排列,且多发育垂直片理的微节理或被拉断,局部可见红帘石集合体。多硅白云母和蓝闪石自形程度较好,其中多硅白云母呈片状,蓝闪石呈板柱
21、状,部分截面呈菱形的柱状。单斜辉石以粒状结构散落于石英颗粒之间,周围分布有多硅白云母和赤铁矿,部分颗粒蚀变强烈。需要注意的是,此类岩石含有一种富锰和砷的矿物,前人的研究确定其为ardennite,并将其中文名称命名为砷硅锰矿(叶诗婷等,2019),该矿物呈长条状或粗纤维状的集合体,淡黄色到亮黄色,且多色性较好(图2 e)。3矿物化学矿物的电子探针成分分析在天津地调中心实验室完成,仪器型号为日本岛津公司出产的EPMA-1600型电子探针仪,加速电压为15kV,束流20nA,电子束斑直径为5m,并采用ZAF校正方法。Fe3的计算据Droop(198 7)。各矿物代表性的电子探针分析结果见表1。3.
22、1石榴子石3个含红帘石变硅质岩样品中的石榴子石成分差异不大,均以富含锰铝榴石端员分子为主,而钙铁榴石、钙铝榴石和镁铝榴石分子含量相对较少。其中Mn0含量为35.0 4%37.41%,相应的锰铝榴石端员组分为8 2.6 1%8 9.7 3%。石榴子石成分剖面图(图3)显示这些石榴子石无明显的成分环带,即在石榴子石的核部和边部成分相对均匀,各端员分子相对变化不大。需要说明的是,这3个含红帘石变硅质岩样品中的石榴子石的Fe3+含量呈现规律性的变化:从核部到边部Fe3+含量略微降低(图3),且电子探针数据计算结果表明石榴子石核部的Fe几乎全部为Fe。3.2红帘石电子探针分析结果表明,清水沟含红帘石变硅
23、质岩中的红帘石主要以SiO2、A l,O,、Fe O、Ca O 等成第43卷第2 期9900E郭晶等:北祁连清水沟红帘石变硅质岩矿物学、原岩特征及地质意义肃南九个泉24110000E10100Ea张N.00.65N玉石沟大岔大坂N.0.85+民乐清水沟一图1祁祁连O连地LL弧后火山100前寒武纪基底蛇绿混杂岩200m20km志留系复理石花岗岩N.00.85块百经寺泥盆系磨石炭系一三叠拉石系积岩HP/LT变辉长岩超基性岩弧火山杂岩质岩逆断层NA杂岩断层b采样位置超基性岩X榴辉岩断层糜棱岩绿片岩X蓝片岩硅质岩图1北祁连造山带中段地质简图(a,据Zhang etal.,2 0 12,2 0 19)和
24、北祁连清水沟野外观察剖面(b)Fig.1 Simplied geological map of the middle part in the North Qilian orogen(a,after Zhang et al.,2012,2019)and geological profile in Qingshuigou,North Qilian(b)分为主,其中Si0,含量为35.59%37.45%,Al,03含量为17.7 8%19.54%,Fe0含量为6.9 8%8.51%,Ca 0 含量为17.96%19.57%。此外,红帘石含有不等量的Mn0,含量变化于9.6 8%11.45%之间。3.
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