土耳其西南部马尔马里斯地幔橄榄岩成岩环境与铬铁矿成矿关系研究

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里斯安蛇绿岩推覆体沿着土耳其西南部马尔马里斯镇、科伊杰伊兹镇、耶斯卢瓦镇等地区分布。其中蛇绿岩型地幔橄榄岩在马尔马里斯镇大面积出露,主要包含了具有大洋中脊岩石学特征的方辉橄榄岩,以及条带状、囊状零星展布的纯橄岩体。马尔马里斯方辉橄榄岩体中副矿物尖晶石的Cr#[=100×Cr/(Cr+Al)]值为29.5~56.6,均值44.5;单斜辉石的Na2O的含量较低<0.1 wt.%。方辉橄榄岩中发育有大量的似层状、稀疏浸染状、稠密浸染状、致密块状的高铝型铬铁矿。其矿石矿物尖晶石的Cr#值60 wt.%,明显大于常规地幔岩浆中Al2O3的含量。研究发现,围岩地幔橄榄岩中Al的背景值较高,其中副矿物尖晶石的Al2O3含量为23.85~41.80 wt.%。造岩矿物单斜辉石中Al2O3的含量具有明显的成分间断,部分单斜辉石的Al2O3含量为1.76~3.05 wt.%,另一部分单斜辉石的Al2O3含量为0.53~0.78 wt.%。结合岩相学分析可以发现,Al2O3含量较高的单斜辉石多具有港湾状结构,与斜方辉石交错生长,呈原生自形-半自形粒状;Al2O3含量较低的单斜辉石多为重熔再结晶的自形他生矿物。对应地,造岩矿物斜方辉石同样具有成分间断特征。因此,本文推断高铝型铬铁矿中的Al可能来自围岩方辉橄榄岩中的单斜辉石和斜方辉石的出熔。通过岩石地球化学和矿物化学成分的分析,可以发现,马尔马里斯地幔橄榄岩可能经历了多期较为复杂的岩浆演化过程,大致可为三个主要阶段:第一阶段,在大洋中脊(MOR)环境下,由于板块拉张机制作用,原始地幔发生较低程度的部分熔融(0~15%),生成初始的亏损大洋地幔橄榄岩,并熔离出玄武质岩浆。第二阶段,由于地球动力机制转变,板块作用由拉张转变为挤压俯冲,下插板块再次发生较高程度的部分熔融(15%~25%),熔离出富集轻稀土元素的拉斑玄武质熔体或者Ti O2含量较高的玻安质熔体;第三阶段,约0.05%~1.2%的分异熔体在原位或者沿着岩石渗透孔隙上升与围岩发生了熔岩反应或者熔体交代反应,重塑了橄榄岩中矿物成分的不均一性。围岩地幔橄榄岩的氧逸度fO2值为0.50~3.87,比大洋中脊玄武岩的FMQ曲线的氧化程度高,说明围岩地幔橄榄岩最终经历了俯冲带高氧逸度环境的改造。通过PNT单斜辉石压力计计算得到围岩地幔橄榄岩的成岩压力范围22~32Kbar。通过TNT单斜辉石温度计计算得到围岩地幔橄榄岩的成岩温度范围677~980°C,与TBA橄榄石-尖晶石组合温度计计算的结果756~984°C,基本吻合。而围岩地幔橄榄岩中的高Al2O3含量背景值,可能属于地幔的不均一性,以及地幔岩浆的分异作用,在大洋中脊,或者类似大洋中脊的弧后盆地环境往往可以形成此类富铝质的地幔橄榄岩。高铝型铬铁矿铂族元素PGE丰度较高422.90~889.50×10-9,Os-Pd呈正斜率分布,与典型的部分熔融成因铬铁矿中的Pt亏损模式相区别,说明其不属于简单的原始地幔部分熔融成因。在Pt/Pt*vs.Pd/Ir中,呈现岩浆分异结晶趋势。而且通过尖晶石的Al2O3含量计算得到高铝型铬铁矿的结晶母岩浆的Al2O3含量为20.34~20.83 wt.%,大于洋中脊玄武岩岩浆中Al2O3含量(~16wt%),也大于玻安岩熔体中的Al2O3含量(10.6~14.4 wt.%)。所以,无论是大洋中脊橄榄岩还是俯冲带亏损橄榄岩熔离的岩浆都不能直接结晶高铝型铬铁矿。高铝型铬铁矿的氧逸度fO2值为2.16~4.68,证明其成矿环境是高氧化环境。因此,高铝型铬铁矿的母岩浆很可能是俯冲初始阶段或者在蛇绿岩侵位逆冲推覆过程中形成的富含Al2O3的拉斑玄武质岩浆。因此,高铝型铬铁矿既不是大洋中脊环境下初始地幔岩浆原位分异结晶成矿,也不是俯冲带环境下上升熔体与围岩地幔橄榄岩相互作用成矿,而是富含Al2O3的岩浆沿着围岩地幔橄榄内部的构造通道上升,在通道内结晶成矿。上升熔体与围岩地幔橄榄岩有时也发生微弱熔岩反应,生成较薄的纯橄岩皮壳层。为了进一步从时间尺度上制约高铝型铬矿作用机制,本文从2块致密块状高铝型铬铁矿中挑选了124颗碎屑锆石,获得有效测试数据41组。其中,碎屑锆石测点56的U-Pb年龄为67±4Ma,εHf(t)=-4.03;碎屑锆石测点53的U-Pb年龄为66±2Ma,εHf(t)=-4.15;碎屑锆石51的U-Pb年龄为64±1Ma,εHf(t)=-4.57,碎屑锆石48的U-Pb年龄为56±2Ma,εHf(t)=-0.97。结合锆石CL图像可见,这些锆石颗粒具有明显的岩浆锆石振荡环带结构和典型的岩浆锆石稀土配分模式。说明这4颗锆石属于晚白垩纪至古新世的岩浆热液重结晶锆石的碎裂部分。因此,可以推断本文高铝型铬铁矿所捕获的这4颗锆石,其结晶时间晚于已知的里斯安蛇绿岩推覆体在该地区的推覆侵位时间91~94 Ma,可能代表了该地区相对较晚的一期岩浆热液事件,证明了高铝型铬铁矿的结晶时间不早于67±4Ma~56±2Ma。结合高铝型铬铁矿的岩石化学特征和矿物化学特征,可以进一步推断高铝型铬铁矿的成矿环境既区别与大洋中脊地幔减压熔融环境,也区别与俯冲带板块俯冲熔融环境,而是在里斯安蛇绿岩体从北向南逆冲侵位过程中,由于推覆动力减弱,推覆前锋速度减缓,发生了局部推覆地层/岩层增厚作用,或者是发生了推覆前锋多板片叠加推覆作用,导致地层/岩层增厚,从而使得推覆的地幔橄榄岩在局部增厚地段发生增压熔融,将地幔橄榄岩中单斜辉石和斜方辉石的Al熔离出来,携带进入熔体迁移富集,并最终在构造通道中结晶成矿。增压熔融过程中,围岩地幔橄榄岩中的主要造岩矿物(单斜辉石+斜方辉石+尖晶石)不断熔化,于是,熔离的熔体从地幔橄榄岩中继承性捕获了地幔橄榄岩封存老的地壳锆石。且随着熔体中局部Zr含量饱和,发生了锆石重结晶。因此,测点57、56、51和48所在的重结晶锆石U-Pb年龄67±4Ma~56±2Ma,大体上反映了高铝性铬铁矿结晶的年龄,反映了马尔马里斯地区蛇绿岩的侵位作用在晚白垩纪至古新世仍未停止。对于碎屑锆石有效测点的其它36组数据,研究发现这些碎屑锆石的年龄跨度较大95~2280Ma,包含了早元古代、新元古代、古生代、三叠纪、侏罗纪,以及白垩纪的不同U-Pb同位素年龄区间,对应着这些老锆石随着哥伦比亚古大陆、罗迪尼亚古大陆,以及冈瓦纳古大陆的裂解、碰撞拼合、古特提斯洋张开闭合、新特提斯洋张开闭合,以及相应的岩石圈拆沉和滑脱作用过程而被捕获运送到新特提斯洋地幔,最终随着洋壳俯冲侵位而被捕获带入晚白垩纪结晶的高铝型铬铁矿中。结合Hf同位素揭示的碎屑锆石壳源物质特征,这一认识与世界其它蛇绿岩铬铁矿中锆石记录着地壳不断向地幔循环的结论相一致。高铝型铬铁矿尖晶石颗粒之间还普遍发育有填隙磁铁矿,虽然不对高铝型铬铁矿的成因产生重大影响,但是对磁法勘探找矿却有标志性意义。继而,为了能在研究区内实现快速找矿突破,本文开展了1:10000的地面磁法勘探,测试获得铬铁矿磁化率在8×10-5~1231×10-5SI之间,剩余磁化强度在15×10-3~1943×10-3A/m之间,是引起矿区南部局部强磁异常的主要因素;方辉橄榄岩次之,磁化率在12×10-5~1088×10-5 SI之间,剩余磁化强度在20×10-3~5145×10-3 A/m之间;纯橄榄岩最小,磁化率在2×10-5~1868×10-5 SI之间,剩余磁化强度在22×10-3~1760×10-3 A/m之间。铬铁矿石与围岩方辉橄榄岩和纯橄岩之间存在显著的磁性差异。结合项目团队开展的1:10000的地质填图和工作,本文开展了综合成矿预测,圈定了A、B、C三类6个靶区,为后续找矿工作提供了有效的技术支撑。研究区内西部发育有豆荚状高铬型铬铁矿,主要矿石矿物铬尖晶石的Cr2O3含量51.63~57.61,母岩浆中Al2O3含量为12.41~14.06 wt.%,类似玻安质岩浆,属于典型的俯冲带环境下熔离的玻安质岩浆在上升通道中与围岩方辉橄榄岩发生熔岩反应,使得熔体的Cr不断富集饱和结晶成矿。但是,本文高铬型铬铁矿中Cr#(65.79~74.44)值与围岩橄榄岩中的副矿物尖晶石Cr#(36.18~53.41)值存在差异,可能为外来Cr饱和的岩浆系统再次进入围岩地幔橄榄岩通道中结晶成矿,也有可能是高铬型铬铁矿成矿之后,围岩地幔橄榄岩因为孔隙渗透熔体交代作用而使得副矿物尖晶石的组分发生了不一致改变。本文高铬型铬铁矿中挑选出了21颗碎屑锆石,实际获得有效数据5组,U-Pb锆石年龄分别为1767±28Ma,1732±34Ma,5558±9Ma,416±8Ma,162±3Ma,与高铝型铬铁矿中分离的碎屑锆石U-Pb年龄区间基本吻合。综上,本文高铝型铬铁矿属于蛇绿岩在仰冲侵位过程中,由于推覆岩层加厚,造成局部熔体,新生熔体在围岩地幔橄榄岩通道中结晶成矿。对应地,本文高铬型铬铁矿属于俯冲带环境下,俯冲板片熔离的玻安质岩浆与围岩地幔橄榄相互作用,生成富Cr的熔体,再次进入到围岩地幔橄榄岩通道中结晶成矿。因此,本文中高铝和高铬两种类型铬铁矿的属于在两种不同的地质环境中形成的两套岩浆系统,在马尔马里斯地区蛇绿岩型地幔橄榄岩中相邻的空间通道中分别成矿。
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