邱 添,楊經(jīng)綏,吳魏偉,熊發(fā)揮,芮會超,蔣久陽

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室,北京 100037;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室,廣東 廣州 511458;3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210023;4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430074;5.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司,江西 南昌 330096)

世界上原生鉻鐵礦根據(jù)其產(chǎn)出特點基本分為兩類:(1)與層狀基性-超基性侵入巖有關(guān)的層狀鉻鐵礦,顯示明顯的巖漿堆晶層理(Thayer,1970;Latypov et al.,2017;Mukherjee et al.,2017);(2)與蛇綠巖有關(guān)的豆莢狀鉻鐵礦,顯示獨特的豆?fàn)詈颓驙罱Y(jié)構(gòu),常與厚度不等的純橄巖薄殼密切伴生(Barnes and Roeder,2001;Arai and Miura,2016)。蛇綠巖中的豆莢狀鉻鐵礦分布在上地幔層序和殼-幔過渡帶中(Borisova et al.,2012;Uysal et al.,2015)。前人對上地幔層序地幔橄欖巖中的豆莢狀鉻鐵礦做了大量的研究工作,按照尖晶石化學(xué)成分將其分為高鉻型(Cr#=Cr/(Cr+Al)＞0.6)和高鋁型(Cr#＜0.6)兩類(Thayer,1970),分別對應(yīng)俯沖帶上環(huán)境和大洋擴(kuò)張中心環(huán)境(弧前、大洋中脊和弧后盆地)(Zhou et al.,1996)。然而,豆莢狀鉻鐵礦中超高壓(如金剛石、柯石英等)、強(qiáng)還原(自然鐵、碳硅石等)礦物以及殼源礦物(鋯石、金紅石、石英等)的發(fā)現(xiàn)(Yang et al.,2007;楊經(jīng)綏等,2007;Trumbull et al.,2009;Yamamoto et al.,2009;Robinson et al.,2015;Xiong et al.,2015;Griffin et al.,2016),指示鉻鐵礦經(jīng)歷了更為復(fù)雜的演化過程。

殼-幔過渡帶通常以厚層純橄巖為主要巖石類型,被認(rèn)為是殼-幔邊界巖漿房早期堆晶或巖漿與上地幔頂部交代反應(yīng)的產(chǎn)物(Nicolas and Prinzhofer,1983;Yumul,2004)。其中豆莢狀鉻鐵礦礦體多呈不規(guī)則形態(tài),如透鏡狀和豆莢狀等。與地幔橄欖巖中的豆莢狀鉻鐵礦不同,殼-幔過渡帶的豆莢狀鉻鐵礦礦體通常不具備純橄巖薄殼,但二者具有相似的化學(xué)成分,均比典型的層狀鉻鐵礦富Mg。巖漿結(jié)晶早期階段,由于地殼同化、熔體-巖石反應(yīng)和/或與分異巖漿混合,使得SiO2活度升高、鉻鐵礦先于橄欖石沉淀的模式通常被應(yīng)用到層狀鉻鐵礦和地幔橄欖巖中豆莢狀鉻鐵礦的成因解釋中(周美付和白文吉,1994;Arai and Yurimoto,1994;Zhou et al.,1994,2014;Spandler et al.,2005)。然而,殼-幔過渡帶鉻鐵礦的成因卻尚未明確。熔體滲透和交代反應(yīng)在蛇綠巖,尤其是蛇綠巖殼-幔過渡帶中普遍存在(Kelemen et al.,1992,1995;Python and Ceuleneer,2003)。研究發(fā)現(xiàn),熔體-巖石相互作用導(dǎo)致巖石及鉻鐵礦的礦物組成和化學(xué)成分發(fā)生顯著變化,?？梢鸩幌嗳菰?如Ti、Zr等)的選擇性富集(Proenza et al.,2001;Bodinier and Godard,2003;Python and Ceuleneer,2003;Basch et al.,2019;Farré-de-Pablo et al.,2020;Pujol-Solàet al.,2020;Han et al.,2021),系統(tǒng)剖析上述過程可為研究殼-幔過渡帶鉻鐵礦的成因和構(gòu)造背景提供新的證據(jù)和線索。

阿爾巴尼亞米爾迪塔蛇綠巖具有完整的蛇綠巖層序,富含鉻鐵礦資源(Dilek et al.,2008)。賦存在布爾齊澤巖體地幔單元中的Bulqiza高鉻型鉻鐵礦為世界級超大型豆莢狀鉻鐵礦礦床(Beccaluva et al.,1998;Beqiraj et al.,2000;Meshi et al.,2005),被認(rèn)為是SSZ背景下玻安質(zhì)熔體與地幔橄欖巖反應(yīng)的產(chǎn)物(Xiong et al.,2015,2021;Qiu et al.,2018)。除了高鉻型鉻鐵礦,在布爾齊澤巖體殼-幔過渡帶中還產(chǎn)出高鋁型豆莢狀鉻鐵礦礦床(Bortolotti et al.,1996;Beccaluva et al.,1998;Beqiraj et al.,2000),其成因目前尚不明確。針對以上問題,結(jié)合布爾齊澤巖體殼-幔過渡帶Cerruja高鋁型鉻鐵礦被輝石巖脈穿切,并在二者接觸帶中結(jié)晶大量富Ti礦物相(金紅石、榍石和鈦鐵礦)的現(xiàn)象,本文擬對Cerruja高鋁型鉻鐵礦和輝石巖脈的巖石學(xué)和礦物學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)研究,從而探討殼-幔過渡帶中鉻鐵礦的成因及其演化。

1 區(qū)域地質(zhì)

阿爾巴尼亞米爾迪塔蛇綠巖位于新特提斯構(gòu)造域西段,南北向呈帶狀延伸近200km,寬約30～40km(Hoeck et al.,2002;Dilek et al.,2005,2008;耿全如等,2021)(圖1a)。米爾迪塔蛇綠巖分為西帶和東帶兩部分(Bortolotti et al.,1996;Nicolas and Boudier,1999;Hoeck et al.,2002;Shallo and Dilek,2003;Kocks et al.,2007;Meshi et al.,2010)(圖1a),西帶蛇綠巖的地幔巖石單元以含斜長石二輝橄欖巖為主,而東帶主要由含鉻鐵礦的方輝橄欖巖組成(Hoxha and Boullier,1995;Nicolas and Boudier,1999)。西帶蛇綠巖地幔橄欖巖上部為較薄(2～3km)、具有MOR地球化學(xué)屬性的殼層巖石組合,蛇綠巖層序不完整;而東帶地幔橄欖巖上部的殼層巖石厚度可達(dá)12km,顯示SSZ屬性,具有完整的蛇綠巖層序(Hoeck et al.,2002;Dilek et al.,2008;Saccani and Tassinari,2015)。

布爾齊澤巖體是米爾迪塔蛇綠巖東帶面積最大的一個巖體(＞352km2)(圖1b)。巖體北側(cè)和西南側(cè)與三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)灰?guī)r構(gòu)造接觸,其間不連續(xù)出露侏羅紀(jì)火山-沉積建造和一套變質(zhì)巖石單元(角閃石片巖、角閃巖、綠片巖、含石榴石石英云母片巖)(Shallo et al.,1987;Beqiraj et al.,2000)。晚侏羅世—早白堊世復(fù)理石建造沿巖體東南邊覆蓋在巖體之上,而第三紀(jì)磨拉石建造在巖體西北側(cè)出露(圖1b)。從底部到頂部(也從巖體東部到西部),布爾齊澤巖體由地幔巖石單元、殼-幔過渡帶和殼層巖石單元組成(圖1c)。其中,地幔巖石單元(從下至上)包括含單斜輝石方輝橄欖巖層和方輝橄欖巖層。殼-幔過渡帶的主要巖石類型為純橄巖,厚度可達(dá)200～600m(Dilek et al.,2007;Phillips-Lander and Dilek,2009)。殼-幔過渡帶純橄巖和下部方輝橄欖巖的邊界截然,而與上部殼層巖石單元呈逐漸過渡關(guān)系。殼層巖石單元底部為互層的異剝橄欖巖—橄長巖—橄欖石輝長巖,頂部變化為輝長巖和輝石巖。殼層巖石單元主要在巖體西側(cè)和南側(cè)邊界零星出露。布爾齊澤巖體中的豆莢狀鉻鐵礦礦床/點多達(dá)百余個,主要分布在地幔方輝橄欖巖層和殼-幔過渡帶中(圖1b-c)。其中規(guī)模最大的是位于方輝橄欖巖層中的Bulqiza高鉻型鉻鐵礦礦床,已探明鉻鐵礦礦石儲量超2000萬噸(Beqiraj et al.,2000;Cina,2010)。殼-幔過渡帶中的豆莢狀鉻鐵礦,如Cerruja、Qaf-Dardhe和Kraster,單個礦床探明儲量可達(dá)800萬噸,為大-中型鉻鐵礦礦床(Meshi et al.,2005)。

圖1 阿爾巴尼亞米爾迪塔蛇綠巖及布爾齊澤巖體地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of the Mirdita ophiolite and the Bulqiza massif in Albania

2 礦床地質(zhì)和巖石學(xué)特征

Cerruja豆莢狀鉻鐵礦礦床位于布爾齊澤巖體西側(cè)(圖1b),賦存在殼-幔過渡帶的厚層純橄巖中,礦體邊部的純橄巖圍巖普遍發(fā)生蛇紋石化,且破碎程度較強(qiáng)(圖2a)。鉻鐵礦礦體多呈透鏡狀或豆莢狀產(chǎn)出(圖2a-b),礦體和蛇紋石化純橄巖圍巖常被輝石巖網(wǎng)脈穿切(圖2a,c-d)。含輝石巖脈的鉻鐵礦礦體被后期斷裂活動錯斷形成不規(guī)則團(tuán)塊狀,其間夾雜強(qiáng)烈蛇紋石化的純橄巖(圖2c)。鉻鐵礦礦體與蛇紋石化純橄巖圍巖的接觸邊界截然(圖2e)。礦石結(jié)構(gòu)主要為致密塊狀(鉻尖晶石體積百分?jǐn)?shù)＞95%)、浸染狀(鉻尖晶石體積百分?jǐn)?shù)為20%～50%)(圖2e-f,圖3a-b)。輝石巖脈寬0.1～5cm不等(圖2d),礦物組合主要為單斜輝石(Cpx-I,80vol.%)、角閃石(15%)、斜長石(3%)和少量鉻尖晶石、金紅石、榍石和鈦鐵礦(圖3c-g)。單斜輝石呈中—粗粒(0.5～3mm)、自形—半自形結(jié)構(gòu),不同顆粒發(fā)生強(qiáng)度不等的蝕變,有些僅邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)榻情W石和綠泥石,而另一些幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻情W石(圖3e)。斜長石呈粗粒、自形結(jié)構(gòu),與單斜輝石鑲嵌共生。斜長石沿邊緣或裂隙被綠泥石和黝簾石交代。鉻尖晶石的粒度較小(0.01～0.1mm),邊緣和裂隙中常見金紅石、榍石和鈦鐵礦(圖3f-g)。

圖2 布爾齊澤巖體中Cerruja豆莢狀鉻鐵礦的野外照片F(xiàn)ig.2 Field occurrence of the Cerruja chromitites in the Bulqiza massif

圖3 Cerruja鉻鐵礦礦石及輝石巖脈的顯微照片F(xiàn)ig.3 Microphotographs of chromite ores and pyroxenite dikes from the Cerruja chromitites

根據(jù)與輝石巖脈的距離以及鉻尖晶石的礦物學(xué)特征,將Cerruja鉻鐵礦礦石中的鉻尖晶石分為3類:遠(yuǎn)離輝石巖脈的鉻尖晶石(以下簡寫為Chr-I),輝石巖脈穿切鉻鐵礦、二者接觸帶中的鉻尖晶石(Chr-II)和輝石巖脈中的鉻尖晶石(Chr-III)。Chr-I呈自形—它形結(jié)構(gòu),粒度以中粗粒為主,內(nèi)部幾乎無包裹體,粒間礦物主要為橄欖石和蛇紋石(圖3b)。Chr-II的結(jié)構(gòu)和粒度特征與Chr-I一致,但Chr-II的粒間礦物主要為蛇紋石、角閃石和單斜輝石(用Cpx-II表示,以區(qū)別于輝石巖脈中的單斜輝石Cpx-I),且含較多綠泥石和角閃石包裹體(圖3d)。大量金紅石、榍石和鈦鐵礦呈它形結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在Chr-II的裂隙或包裹體中(圖3h-j)。越靠近輝石巖脈,Chr-II破碎程度越高,Chr-II裂隙中或以包裹體形式存在的金紅石、榍石、鈦鐵礦、單斜輝石、角閃石和綠泥石含量越多(圖3h)。輝石巖脈中的Chr-III粒度明顯小于Chr-II和Chr-I,呈自形晶顆?；蛩槠?幾乎不含包裹體,被單斜輝石Cpx-II包裹(圖3f-g)。

3 樣品及分析測試方法

采集遠(yuǎn)離輝石巖脈的鉻鐵礦礦石(礦體周圍20米范圍內(nèi)未見輝石巖脈,采樣位置見圖2b)、被輝石巖脈穿切的鉻鐵礦礦石(礦石手標(biāo)本中含輝石巖脈,采樣位置見圖2c-d)以及純橄巖圍巖作為研究對象,磨制探針片和激光片,在顯微鏡下開展詳細(xì)的巖相學(xué)和礦物學(xué)研究,并選擇代表性樣品進(jìn)行礦物化學(xué)成分和微量元素分析。其中,礦物電子探針成分分析在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室和北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室完成,儀器型號為JXA-8100,加速電壓15kV,束斑直徑5μm。鉻尖晶石和單斜輝石的原位微量元素分析在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室完成。使用儀器為Agilent7700x電感耦合等離子質(zhì)譜儀,采用ESI的NWR213nm激光剝蝕系統(tǒng),束斑直徑為64μm。載氣使用高純度氦氣,輔助氣體為氬氣,二者在進(jìn)入ICP之前通過一個T型接頭混合。每個采集周期包括大約30s的空白信號和50s的樣品信號。以USGS參考玻璃(GSE-1G,SRM610,BCR-2G,BIR-1G和BHVO-2G)為校正標(biāo)準(zhǔn),采用多外標(biāo)-內(nèi)標(biāo)法(分別選擇電子探針分析獲得的尖晶石Fe含量以及單斜輝石SiO2含量作為內(nèi)標(biāo),南美洲科馬提巖樣品GOR-128以及自然鉻QC-Cr作為外標(biāo))對元素含量進(jìn)行定量計算。質(zhì)控標(biāo)樣主量元素測試誤差小于5%,微量元素測試誤差小于10%。數(shù)據(jù)處理軟件為ICPMSDataCal11.8,詳細(xì)方法見Liu et al.,2008。

4 測試結(jié)果

4.1 礦物化學(xué)

4.1.1 單斜輝石

輝石巖脈中的單斜輝石Cpx-I和接觸帶中的粒間單斜輝石Cpx-II的電子探針分析結(jié)果見表1。Cpx-I和Cpx-II的En端元組分分別為40.6～43.6和47.7～48.5,均為透輝石(圖4a)。但二者具有不同的礦物化學(xué)特征:Cpx-I的Mg#值為0.81～0.91,w(Al2O3)含量在0.89%～1.93%之間變化,w(Cr2O3)為0.35%～0.58%,w(TiO2)為0.13%～0.27%;Cpx-II的Mg#值(0.95～0.98)和w(Cr2O3)(0.84%～1.02%)明顯高于Cpx-I,但w(TiO2)(0.03%～0.09%)比Cpx-I低(圖4b)。Cpx-II中的w(Al2O3)(1.60%～1.93%)與Cpx-I基本一致(表1)。輝石巖脈中交代單斜輝石Cpx-I的角閃石成分主要為透閃石-鎂質(zhì)普通角閃石,而Chr-II粒間及包裹的角閃石成分變化較大,部分為透閃石成分,部分為淺閃石—韭閃石成分(圖4c-d)。輝石巖脈中角閃石的w(TiO2)為0.06%～1.04%,與Chr-II粒間及包裹體角閃石的w(TiO2)(0.01%～1.22%)基本一致(表2)。

表1 布爾齊澤巖體Cerruja鉻鐵礦與輝石巖脈接觸帶及輝石巖脈中的單斜輝石的電子探針分析結(jié)果(絡(luò))Table1 Representative microprobe analysis results of elinopy rovene from pyroxenite dikes and their interaction zones wilh the Cerruja chronitites in the Bulqiza massif (呢)

表2 布爾 齊澤巖體Cerrula鉻鐵礦與輝石巖脈接觸帶及輝石巖脈中的角閃石的電子探針分析結(jié)果( %)Table2 Representative microprobe analysis results of amphibolite from pyroxenite dikes and their interaeton xones with the Cerruja chromitites in the Bulqixa massir ( % }

4.1.2 斜長石

輝石巖脈中的斜長石An端元組分為0.91～0.95,其成分為鈣長石(圖4e,表3)。w(CaO)為19.3%～20.3%,w(Al2O3)在35.3%～36.2%之間。在斜長石An值與單斜輝石Cpx-I的Mg#二元圖解中,斜長石落在島弧輝長巖的范圍中(圖4f)。

表3 布爾齊澤巖體殼 -幔過渡帶中穿切鉻鐵礦礦體的輝石巖脈中斜長石的電子探針分析結(jié)果( %)Table3 Representative microprobe analyses of plagloclase from pyroxenite dikes crosscutting chromite ores in crust-mantle transiton 2one of the Bulqiza masslf [ %]

圖4 Cerruja鉻鐵礦礦石及輝石巖脈中單斜輝石、斜長石和角閃石的成分圖解Fig.4 Compositions of clinopyroxene,amphibole and plagioclase in pyroxenite dikes and the Cerruja chromitites

4.1.3 鉻尖晶石

鉻尖晶石的電子探針分析結(jié)果見表4。純橄巖圍巖中鉻尖晶石的Cr#(Cr/(Cr+Al))為0.52～0.54,Mg#值(Mg/(Mg+Fe2+))為0.49～0.53,Fe3+#值為0.06～0.13,w(TiO2)為0.14%～0.58%。遠(yuǎn)離輝石巖脈的鉻尖晶石Chr-I的Cr#值為0.56～0.58,Mg#值為0.63～0.67,Fe3+#值＜0.03,w(TiO2)＜0.13%。Chr-I及純橄巖圍巖中的鉻尖晶石的化學(xué)成分接近,在Al2O3vs.Cr2O3、Mg# vs.Cr#、Cr2O3vs.TiO2圖解中,均落在蛇綠巖豆莢狀鉻鐵礦的范圍內(nèi)(圖5a-c)。輝石巖脈與鉻鐵礦礦石接觸帶中鉻尖晶石Chr-II的Cr#值在0.57～0.67之間變化,Mg#值變化范圍為0.16～0.48,Fe3+#值為0.05～0.17,w(TiO2)為0.94%～0.15%。與Chr-I相比,Chr-II的Cr#、Fe3+#和w(TiO2)升高,而w(Al2O3)和Mg#值降低(圖5a-d)。輝石巖脈中的鉻尖晶石Chr-III的w(Al2O3)(6.38%～10.2%)及Mg#值(＜0.12)最低(圖5a-b),而Cr#和Fe3+#值(分別為0.75～0.83和0.14～0.24)均比Chr-II和Chr-I高。Chr-III的w(TiO2)為1.43%～3.43%,遠(yuǎn)高于Chr-II和Chr-I的w(TiO2)(圖5c-d)。

表4 布爾齊澤巖體 Cerruja鉻鐵礦礦床申不同類型鉻尖晶石的電子探針分析結(jié)果1% )Table4 Representative microprobe analyses of spinels of different types from the Cerruja chromitites in the Bulqiza mussif { % )

續(xù)表4

圖5 Cerruja鉻鐵礦中不同類型鉻尖晶石的化學(xué)成分圖解Fig.5 Compositions of spinels of different types in the Cerruja chromitites

4.2 礦物微量元素地球化學(xué)

4.2.1 單斜輝石

單斜輝石和鉻尖晶石的微量元素數(shù)據(jù)分別列于表5和6。輝石巖脈中的單斜輝石Cpx-I的w(V)為308×10-6～432×10-6、w(Sc)為133×10-6～213×10-6、w(Ga)為2.69×10-6～3.61×10-6、w(Ti)為1135×10-6～1661×10-6、w(Zn)為17.9×10-6～26.8×10-6和w(Co)為34.8×10-6～41.4×10-6,w(Cr)和w(Ni)分別為2727×10-6～3306×10-6和283×10-6～360×10-6。與Cpx-I相比,接觸帶Chr-II粒間的單斜輝石Cpx-II的w(V)(153×10-6～246×10-6)、w(Sc)(72.4×10-6～92.9×10-6)、w(Ga)(1.07×10-6～1.74×10-6)、w(Ti)(365×10-6～480×10-6)、w(Zn)(1.46×10-6～3.46×10-6)和w(Co)(9.18×10-6～14.1×10-6)明顯降低,但w(Cr)(3374×10-6～4327×10-6)和w(Ni)(519×10-6～573×10-6)升高(表5)。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解中,Cpx-I相對虧損輕稀土、富集重稀土元素,輕重稀土分異明顯,(La/Yb)N為0.05～0.11(圖6a)。Cpx-I顯示Eu的弱負(fù)異常,可能與斜長石結(jié)晶有關(guān)。Cpx-I的稀土配分模式與古巴Moa-Barocoa蛇綠巖中穿切Potosi鉻鐵礦的輝長質(zhì)脈體中Cpx的核部成分一致。Cpx-II具有相對平坦的稀土配分模式,(La/Yb)N為0.25～0.32,不顯示Eu異常。與Cpx-I比較,Cpx-II相對富集輕稀土,但二者重稀土元素含量基本一致(圖6a)。微量元素蛛網(wǎng)圖中,Cpx-I表現(xiàn)出明顯的Ta、Nb虧損和較弱的Zr虧損(圖6b)。Cpx-II的Ta、Nb虧損程度比Cpx-I弱,但Ti強(qiáng)烈虧損。

圖6 Cerruja鉻鐵礦礦石及輝石巖脈中單斜輝石的稀土配分模式(a)及微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(球粒隕石和原始地幔數(shù)據(jù)據(jù)Sun and McDonough,1989)Fig.6 Normalized REE and trace element spider diagram patterns of clinopyroxene in the Cerruja chromitites and pyroxenite dikes(the chondrite and primitive mantle normalized values are from Sun and McDonough,1989)

表5 布爾齊澤 巖體Cerruja鵠鐵礦與輝石巖脈接觸帶及輝石巖脈中單斜輝石的原位LALICP-MS微量元素測試結(jié)果（10-6）Table5 Representative compositions of trace elements in edinopyroxene from pyroxenite dikes and their interaction zone with the Cerruja chromitites by LA-ICP-MS （10-6）

4.2.2 鉻尖晶石

Cerruja鉻鐵礦礦石中Chr-I的w(Ti)為358×10-6～426×10-6,w(V)為1157×10-6～1306×10-6,w(Mn)為1208×10-6～1268×10-6,w(Co)為192×10-6～208×10-6,w(Ni)為1317×10-6～1556×10-6,w(Zn)為465×10-6～532×10-6,w(Ga)為36.2×10-6～41.1×10-6,w(Sc)為2.96×10-6～4.57×10-6。與Chr-I相比,Chr-II的w(Ti)為6372×10-6～8991×10-6,w(V)為5430×10-6～8859×10-6,w(Mn)為1876×10-6～3380×10-6和w(Sc)為11.9×10-6～16.8×10-6明顯升高(圖7a-d),w(Co)為185×10-6～267×10-6、w(Zn)為680×10-6～956×10-6和w(Ga)36.9×10-6～52.1×10-6略升高(圖7e-g),但w(Ni)996×10-6～1395×10-6相等或略降低(圖7h)。與輝石巖脈的距離越近(圖7i),Chr-II中的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn、Ga和Ni的含量越高。Chr-III的微量元素含量較均一,同一顆粒的核邊甚至不同顆粒的微量元素含量的變化范圍較小,其中w(Ti)的變化范圍為21980×10-6～28936×10-6,w(V)為11214×10-6～11613×10-6,w(Mn)為4538×10-6～5029×10-6,w(Co)為277×10-6～303×10-6,w(Ni)為1364×10-6～1489×10-6,w(Zn)為1229×10-6～1363×10-6,w(Ga)為74.6×10-6～83.9×10-6,w(Sc)為16.0×10-6～21.2×10-6(表6)。Chr-III的以上微量元素的含量均明顯高于Chr-I和Chr-II(圖7a-h)。

圖7 Cerruja鉻鐵礦中不同類型鉻尖晶石的微量元素變化與輝石巖脈距離的關(guān)系剖面圖(Chr-I和Chr-III為隨機(jī)測點,而接觸帶Chr-II的測試點1-6是逐漸靠近輝石巖脈近于等距離的取點)Fig.7 Concentration variations of trace elements in spinels of different types in the Cerruja chromitites

表6 布爾齊澤巖體Cerruja鉻鐵礦礦床中不同類型鉻尖晶石的原位LA-ICP-MS微量元素測試結(jié)果(10-6)Table6 Representative compositions of trace elements in spinels of different types from the Cerruja chromitites in the Bulqiza massif by LA-ICP-MS(10-6)

5 討論

5.1 布爾齊澤殼-幔過渡帶鉻鐵礦成因

Cerruja豆莢狀鉻鐵礦礦石中的鉻尖晶石Chr-I(Cr#=0.56～0.58)及純橄巖圍巖中的鉻尖晶石(Cr#=0.52～0.55)的主量元素和大部分微量元素含量與典型的蛇綠巖高鋁型豆莢狀鉻鐵礦相似,但TiO2含量明顯低于典型的高鋁型豆莢狀鉻鐵礦(表4)。鉻鐵礦的Al2O3和TiO2含量常用來反應(yīng)母熔體的成分(Kamenetsky et al.,2001;Rollinson,2008;Page and Barnes,2009)。根據(jù)Rollinson(2008)和Rollinson and Adetunji(2015)的計算公式:

獲得Cerruja高鋁型鉻鐵礦的母熔體中w(Al2O3)為15.1%～15.3%,w(TiO2)＜0.44%,其Al2O3的含量與典型的MORB熔體(w(Al2O3)=15%～16%)類似,但TiO2(w(TiO2)=1.20%～1.68%)明顯低于MORB熔體(Wilson,1989;Gale et al.,2013)。Cerruja高鋁型鉻鐵礦的以上特征與Qaf-Dardhe高鋁型鉻鐵礦(同為布爾齊澤巖體殼-幔過渡帶中的鉻鐵礦礦床,母熔體w(Al2O3)=14.9%～15.9%,w(TiO2)=0.07%～0.61%,Qiu et al.,2018)的特征一致,后者被認(rèn)為是洋內(nèi)初始俯沖階段,軟流圈物質(zhì)上涌生成的MORB-like弧前玄武質(zhì)熔體隨著俯沖的進(jìn)行逐漸向玻安質(zhì)熔體轉(zhuǎn)變,期間產(chǎn)生的過渡型熔體與上地幔頂部的地幔橄欖巖反應(yīng)的產(chǎn)物(Qiu et al.,2018)。輝石巖脈中的鉻尖晶石Chr-III多具有良好的自形程度,且?guī)缀鯚o包裹體的特征,明顯不同于Chr-I和Chr-II,結(jié)合Chr-III常被單斜輝石Cpx-I包裹的現(xiàn)象,指示Chr-III可能是輝石巖脈熔體冷卻過程中新結(jié)晶的礦物相。Chr-III(Cr#=0.72～0.83)對應(yīng)母熔體的w(Al2O3)為8.48%～11.3%,略低于典型的蛇綠巖高鉻型鉻鐵礦的玻安質(zhì)母熔體(w(Al2O3)=10.6%～14.4%);然而,Chr-III母熔體的w(TiO2)(1.33%～2.89%)遠(yuǎn)高于蛇綠巖高鉻型鉻鐵礦的玻安質(zhì)母熔體(w(TiO2)=0.10%～0.52%),也高于Bulqiza高鉻型鉻鐵礦的母熔體成分(w(TiO2)=0.14%～0.31%)(Hicky and Frey,1982;Qiu et al.,2018;Pearce and Reagan,2019)。盡管Al2O3vs.Cr2O3、Mg# vs.Cr#、TiO2vs.Cr2O3二元圖解顯示Chr-III和大部分Chr-II具有層狀鉻鐵礦的化學(xué)成分特點(圖5a-c),然而Ga、V、Zn、Co和Mn等微量元素特征卻與層狀鉻鐵礦具有顯著的差異,甚至也不同于典型的蛇綠巖豆莢狀鉻鐵礦(圖8-9)。古巴Moa-Baracoa蛇綠巖中位于殼-幔過渡帶的Potosi鉻鐵礦礦床也報道了類似的現(xiàn)象,普遍認(rèn)為是后期熔體和鉻鐵礦交代反應(yīng)的結(jié)果(Pujol-Solàet al.,2020)。

5.2 熔體-鉻鐵礦交代反應(yīng)

殼-幔過渡帶中殘余橄欖巖與滲透熔體反應(yīng)形成純橄巖及相關(guān)鉻鐵礦(Proenza et al.,1999;Marchesi et al.,2006)。殘余熔體交代鉻鐵礦將導(dǎo)致早期結(jié)晶鉻鐵礦的化學(xué)成分發(fā)生改變,并造成熔體中的不相容元素選擇性富集,從而結(jié)晶新的礦物相(Basch et al.,2019;Pujol-Solàet al.,2020)。Cerruja鉻鐵礦中Chr-II與Chr-I相比,Mg#值降低,Cr#和Fe3+#值升高(圖5b和d)。越靠近輝石巖脈,鉻尖晶石的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn、Ga和Ni的含量越高(圖7)。鉻尖晶石Chr-II的上述成分變化特征反映其可能受到輝石巖脈熔體的交代改造。Chr-II比Chr-I破碎程度更高,Chr-II裂隙及包裹體中出現(xiàn)大量金紅石、榍石、鈦鐵礦、單斜輝石和角閃石(圖3hj),均為輝石巖脈熔體-鉻鐵礦交代反應(yīng)的產(chǎn)物。Chr-II粒間單斜輝石Cpx-II相比輝石巖脈中Cpx-I的V、Sc、Ga、Ti、Zn和Co含量降低(表5),而鉻尖晶石Chr-II卻比Chr-I具有更高的V、Sc、Ga、Ti、Zn和Co含量(圖8),說明在熔體-鉻鐵礦交代反應(yīng)過程中,熔體和鉻尖晶石中的上述元素發(fā)生了重新分配。另外,Cpx-II比Cpx-I略富集Ni,而Chr-II比Chr-I略虧損Ni(圖7h),可能指示交代反應(yīng)過程中,部分Ni元素從Chr-II中釋放出來形成富Ni熔體并最終結(jié)晶富Ni的Cpx-II。Chr-III與Chr-II和Chr-I相比,具有最高的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn和Ga含量,指示輝石巖脈熔體富集以上微量元素。研究表明,鈦鐵礦常出現(xiàn)在強(qiáng)烈分異的富集Fe-Ti熔體的液相線上(Clague et al.,1981;Juster et al.,1989;Morishita et al.,2004)。Lorand and Gregoire(2010)認(rèn)為演化的富Fe-Ti熔體與鉻鐵礦反應(yīng)可導(dǎo)致交代鉻鐵礦的Mg#降低,熔體中Mg含量升高。Chr-III和Chr-II比Chr-I具有明顯低的Mg#值、Chr-II粒間高M(jìn)g#單斜輝石Cpx-II以及輝石巖脈和接觸帶中金紅石、榍石和鈦鐵礦的出現(xiàn),說明交代熔體為演化的富集Fe-Ti元素的熔體。

圖8 Cerruja鉻鐵礦礦床中不同類型鉻尖晶石的Ga vs.V(a),Zn(b),Co(c)和Mn(d)二元圖解(高鉻型鉻鐵礦、高鋁型鉻鐵礦以及層狀鉻鐵礦的數(shù)據(jù)范圍引自Farré-de-Pablo et al.,2020)Fig.8 Variations in terms of Ga vs.V(a),Zn(b),Co(c)and Mn(d)of spinels of different types in the Cerruja chromitites(Data fields of high-Al,high-Cr and stratiform chromitites are from Farré-de-Pablo et al.,2020)

古巴Moa-Baracoa蛇綠巖殼-幔過渡帶的Potosi高鋁型鉻鐵礦被輝長質(zhì)侵入體穿切并交代,導(dǎo)致交代鉻鐵礦富集Ti和Fe3+,并結(jié)晶鈦鐵礦和鋯石等富含HFSE的礦物相(Pujol-Solàet al.,2020)。研究表明,Moa-Baracoa蛇綠巖殼-幔過渡帶中富Fe-Ti的交代熔體來自俯沖帶背景下弧后盆地產(chǎn)生的MORB-like熔體在熔體粥中由于堆晶間隙分離結(jié)晶形成富Fe和Ti等元素的殘余熔體;該熔體不斷從正在凝固的晶體粥中分離圈閉,與周圍鉻鐵礦發(fā)生反應(yīng),形成富Ti和Fe3+的鉻鐵礦,并結(jié)晶鈦鐵礦等(Pujol-Solàet al.,2020)。此過程更可能發(fā)生在固相線條件下的近封閉體系,如呈脈狀侵入的、正在凝固的熔體粥,在這種環(huán)境下,熔體可以停滯、緩慢冷卻和分異,從而有充分的時間與周圍鉻鐵礦發(fā)生反應(yīng)。布爾齊澤Cerruja鉻鐵礦礦床中Chr-II和Chr-III的主量元素和V、Ti、Ni、Zn、Co、Mo等微量元素與古巴Moa-Baracoa殼-幔過渡帶中被Fe-Ti熔體交代的Potosi鉻鐵礦具有相似的特點(圖5,9)。輝石巖脈中的單斜輝石Cpx-I與穿切Potosi鉻鐵礦的輝長質(zhì)脈體中的單斜輝石核部具有相似的稀土元素配分模式(圖6a)。以上現(xiàn)象均指示Cerruja高鋁型鉻鐵礦與古巴Potosi高鋁型鉻鐵礦可能經(jīng)歷了相似的熔體交代過程。

5.3 布爾齊澤殼-幔過渡帶鉻鐵礦的形成過程

普遍認(rèn)為布爾齊澤巖體及其中的鉻鐵礦經(jīng)歷了MOR向SSZ的疊加演化(Dilek et al.,2008;Xiong et al.,2015)。其中,方輝橄欖巖-純橄巖-高鉻型鉻鐵礦的產(chǎn)生與俯沖帶上部地幔楔部分熔融形成的玻安質(zhì)熔體相關(guān),而含中等Cr#值鉻尖晶石的純橄巖是MORB-like熔體向玻安質(zhì)熔體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的過渡型熔體反應(yīng)的產(chǎn)物(Morishita et al.,2011)。伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)洋內(nèi)弧的研究表明過渡型熔體的化學(xué)屬性介于弧前玄武質(zhì)熔體和玻安質(zhì)熔體之間(Reagan et al.,2010)。布爾齊澤殼-幔過渡帶高鋁型鉻鐵礦的母熔體性質(zhì)與過渡型熔體類似,結(jié)合目前對米爾迪塔蛇綠巖構(gòu)造環(huán)境和演化過程的認(rèn)識(Dilek et al.,2008;Morishita et al.,2011),認(rèn)為可能是Mirdita-Pindos洋盆在侏羅紀(jì)(～165Ma)發(fā)生洋內(nèi)初始俯沖,導(dǎo)致軟流圈物質(zhì)上涌生成MORB-like弧前玄武質(zhì)熔體,隨著俯沖持續(xù)進(jìn)行,產(chǎn)生的熔體由MORB-like弧前玄武質(zhì)熔體逐漸向玻安質(zhì)熔體轉(zhuǎn)變,在此期間形成的化學(xué)屬性介于弧前玄武質(zhì)熔體和玻安質(zhì)熔體之間的過渡型熔體與上地幔頂部的地幔橄欖巖反應(yīng)生成了高鋁型鉻鐵礦(Chr-I,例如Cerruja、Qaf-Dardhe高鋁型鉻鐵礦礦床)。部分MORB-like弧前玄武質(zhì)熔體在熔體粥中堆晶間隙分離結(jié)晶形成富Fe和Ti等元素的殘余熔體,并滲透進(jìn)入高鋁型鉻鐵礦及圍巖。殘余熔體在不斷冷卻凝固過程中交代周圍鉻鐵礦(形成Chr-II),并結(jié)晶金紅石、鈦鐵礦和榍石等礦物相;同時,由于大量單斜輝石和斜長石結(jié)晶,導(dǎo)致熔體貧Mg和Al,進(jìn)而在形成輝石巖脈的同時結(jié)晶高Cr#低Mg的鉻鐵礦(Chr-III)。因此,布爾齊澤殼-幔過渡帶鉻鐵礦是蛇綠巖多階段演化疊加的產(chǎn)物,其復(fù)雜的成分變化和礦物組合,可能是不同構(gòu)造背景、不同熔體性質(zhì)和不同成因機(jī)制共同作用的結(jié)果。

圖9 Cerruja鉻鐵礦礦床中不同類型鉻尖晶石的微量元素蛛網(wǎng)圖(高鋁和高鉻型鉻鐵礦的數(shù)據(jù)引自Zhou et al.,2014,古巴potosi交代成因鉻鐵礦的數(shù)據(jù)引自Pujol-Solàet al.,2020)Fig.9 MORB-normalized trace element patterns of spinels of different types from the Cerruja chromitites(Data sources of high-Al and high-Cr chromite are from Zhou et al.,2014.Data of the Potosi chromitites of Cuba are from Pujol-Solàet al.,2020)

6 結(jié)論

阿爾巴尼亞米爾迪塔蛇綠巖布爾齊澤巖體殼-幔過渡帶中Cerruja高鋁型豆莢狀鉻鐵礦是洋內(nèi)俯沖環(huán)境下過渡型熔體與地幔橄欖巖反應(yīng)的產(chǎn)物。俯沖帶背景下,MORB-like弧前玄武質(zhì)熔體在熔體粥中堆晶間隙分離結(jié)晶并往富Fe-Ti的方向演化,以網(wǎng)脈狀滲透并改造高鋁型鉻鐵礦,形成富Fe-Ti的高鉻型鉻鐵礦,并結(jié)晶金紅石、鈦鐵礦和榍石等富Ti礦物相。布爾齊澤殼-幔過渡帶鉻鐵礦復(fù)雜的成分變化和礦物組合可能記錄了米爾迪塔蛇綠巖經(jīng)歷多階段構(gòu)造演化疊加的作用過程。

致謝:野外工作得到阿爾巴尼亞地拉那理工大學(xué)Milushi Ibrahim教授的大力支持;中國地質(zhì)科學(xué)院自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室毛小紅博士和北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室李小犁博士協(xié)助完成礦物電子探針分析;礦物原位微量測試和原始數(shù)據(jù)處理得到楊勝標(biāo)和李觀龍博士研究生的協(xié)助;三位評審專家和本刊編輯提出了寶貴的修改意見和建議,在此一并致以誠摯的謝意!