火成碳酸岩的实验岩石学研究及对地球深部碳循环的意义

火成碳酸岩是地表出露较少的幔源岩石之一。实验岩石学研究表明碳酸盐化的橄榄岩和循环的地壳物质(如碳酸盐化榴辉岩或泥质岩)的低程度(<1%)部分熔融均可以产生碳酸岩质的熔体,其中碳酸盐化泥质岩具有最低的熔融温度且更加富碱质、CO2和不相容元素;富CO2的霞石质等硅酸盐岩浆也可以通过不混溶或分离结晶作用产生碳酸岩,用于解释碳酸岩在空间中常与碱性硅酸岩的共生关系。由于碳酸岩熔体具有极低的粘度和高的活性,形成后在上升过程中会将二辉橄榄岩转变为异剥橄榄岩,是引起地幔交代作用和地幔地球化学不均一性的重要介质之一。实验表明在俯冲作用过程中,大多数的碳酸盐在位于岛弧之下的含水熔融并不分解而是被带入到深部地幔并且稳定存在,含碳地幔的熔融又会形成碳酸岩质的熔体,这说明俯冲循环物质可能对碳酸岩的成因也起着重要的作用。然而,对于碳酸岩的初始熔体成分、岩浆演化、地幔交代作用、成矿特征以及碳从地球深部返回到地表的途径和过程等都存在着很大的争议。我国火成碳酸岩出露相对较多,分布广泛,因此,加强我国碳酸岩以及伴生硅酸岩的成因研究,同时开展与碳酸岩相关的实验岩石学工作,不仅可以检验现有的成因理论,而且有助于提高我国对火成碳酸岩的研究水平;由于其特殊的成因背景,还可为许多存在很大争议的重大地质事件提供新的科学依据。

白云鄂博矿区周围火成碳酸岩岩墙地质特征

首次填出白云鄂博矿区周围火成碳酸岩岩墙的分布图，深入系统地研究了岩墙的地质产状、主矿物类型、岩石结构、人工重砂矿物组成、稀土元素含量等特征。反映了白云鄂博矿区周围火成碳酸岩岩墙的岩浆演化分异过程存在差异。对于研究白云鄂博矿区铁与稀土的矿化提供了物质来源的证据。

华北克拉通火成碳酸岩时空分布和锶钕同位素特征及其地质意义

已有的研究得出:华北克拉通火成碳酸岩在时间上主要形成于古元代末—中元古代初、早中生代和晚中生代3个时段,反映了华北克拉通演化历史上3个拉张阶段。在空间上,前两个拉张阶段形成的火成碳酸岩分布在华北克拉通的北缘和南缘;后一个拉张阶段形成的火成碳酸岩分布在克拉通的中部和东部。华北克拉通火成碳酸岩的钕同位素主要特征是εNd(t)全为负值,而且随时间由老到新负值趋于降低。在εNd(t)-ISr图解上,其投影点都落到了第3和第4象限,除莱芜—淄博地区火成碳酸岩外,其它都在富集地幔演化线附近,而且从老到新富集程度越来越高。推测华北克拉通火成碳酸岩形成的深部动力学机制可能是:在热地幔柱活动或周边板块向华北板块俯冲之后华北克拉通构造环境转变为伸展拉张环境,因压力减小而引起地幔部分熔融形成的碱性基性—超基性岩浆或碱性中性岩浆沿区域深断裂上侵,又经分异作用冷凝结晶形成杂岩体,火成碳酸岩是这些碱性岩浆演化晚阶段的主要产物。部分火成碳酸岩可能是从上地幔低程度部分熔融形成的碳酸岩浆直接上侵冷凝结晶而成。

新疆阿图什地区木吉一带的火成碳酸岩——来自地质、地球化学分析的证据

西昆仑木吉西北地区产有一种特殊类型的碳酸盐质岩体。该岩体内发育围岩的捕虏体,并与围岩呈港湾状侵入式接触,其边部发育穿入围岩的岩枝和岩脉,这些地质特征表明这种碳酸盐质岩体实为火成碳酸岩岩体。该碳酸岩在地球化学上具有富CaO、CO2,贫SiO2、TiO2、K2O、Na2O、Al2O3、FeO、Fe2O3、MnO、P2O5的特征,各种稀土和微量元素的含量和稀土元素的总量均很低,轻重稀土元素比值较小,稳定同位素δ18O、δ13C高,显示壳源碳酸岩的成因特点,明显不同于幔源成因的碳酸岩。据上述特征判断,该碳酸岩为沉积碳酸盐岩在内侵幔源岩浆作用下发生熔融而形成的壳源成因的火成碳酸岩。

汉诺坝-阳原火成碳酸岩成因探讨

大多数幔源硅酸盐岩浆都含少量碳酸盐岩浆,这些少量的碳酸盐岩浆在地幔演化中起了非同寻常的作用。本文报道了发现于汉诺坝、阳原地区新生代玄武岩中鲜见的火成碳酸岩。碳酸岩脉贯穿于玄武岩及其捕虏体橄榄岩,并导致橄榄岩强烈的碳酸盐化现象。碳酸岩脉主要由方解石组成(90%以上),岩石类型为方解石碳酸岩,含少量被裹挟的地幔橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石等矿物。碳酸岩化橄榄岩由原先的黄、绿色变为紫褐色,灰白色网状碳酸岩细脉穿插其中。碳酸岩脉和碳酸盐化橄榄岩的全岩稀土含量很低(∑REE=8.7×10-6～13.7×10-6),球粒陨石标准化REE模式呈LREE略微富集(～10×球粒陨石)分布模式,微量元素也只显示轻微富集(数倍于原始地幔),它们的δ13C均为负值(-11.2‰～-12.3‰),δ18O均为正值(22.0‰～22.6‰)。碳酸岩的Sr、Nd、Pb同位素组成均显示富集(87Sr/86Sr=0.7078～0.7079,143Nd/144Nd=0.5129,206Pb/204Pb=18.0,207Pb/204Pb=15.5,208Pb/204Pb=38.0)。由于碳酸盐岩浆喷出地表后易于风化,导致REE、微量元素和同位素组成明显偏离原生火成碳酸岩。但从张北少数新鲜碳酸岩所具有的原生火成碳酸岩的C、O同位素组成(δ13C=-5.7‰～-7.3‰,δ18O=8.5‰～10.1‰)特征,以及接沙坝碳酸岩的正εNd(5.3～5.5)为亏损地幔的特征,表明汉诺坝碳酸岩与玄武岩的同源性——它们都来自地幔。

滇中昆阳群火成碳酸岩的发现及其意义

在武定西矿带发现的已大理岩化的滇中昆阳群（Ｐｔ２ｋ）火成碳酸岩富含钠长石、更长石、金云母、黑云母等硅酸盐矿物，发育火成结构构造，如斑状结构、隐晶结构，流纹构造、带状构造、气孔、杏仁构造等。与沉积围岩相比，岩石高Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐ，富Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ，低钙，轻稀土富集，富含Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｕ、Ｔｈ、Ｓｒ、Ｂａ、稀土等不相容元素，与粗面质、粗安质等碱性硅酸盐岩共生。（铁）白云石（＞５０％）内，含有粗面质、碳酸质熔融包裹体；流体包裹体均一温度可达４５０℃以上。

深部碳循环:来自火成碳酸岩的启示

全球碳循环研究对于理解现今及未来大气圈CO2浓度及其变化趋势至关重要。传统的碳循环研究多侧重于探讨碳元素在大气圈、水圈、生物圈等地球表层之间的循环过程,基本不讨论地球内部圈层碳元素地球化学的行为与循环,现在发现传统的研究方式已很难深刻认识大气圈CO2浓度变化的规律。探讨地球内部与表层碳元素双向交换过程的深部碳循环研究应运而生,成为当前全球碳循环研究的主要方向。火成碳酸岩主要由碳酸盐矿物所组成,是地球内部碳元素含量最高的岩石,因而成为深部碳循环研究的主要对象之一。当前的研究发现,相当一部分火成碳酸岩中的碳来自大气圈的CO2,是再循环的碳。地表附近消耗大气CO2所新生成的沉积碳酸盐岩借助板块深俯冲作用被带入地球内部,在(超)高温和含水条件下发生部分熔融作用,形成碳酸岩浆,后者再上侵形成火成碳酸岩,或者直接喷发至地表,碳元素又重返地球表层。因此,地球内部的构造运动主导碳元素在地球表层与内部的循环过程,进而控制大气圈CO2浓度长周期变化的趋势。

白云鄂博火成碳酸岩墙矿物岩石初步研究及其对稀土成矿的启示

研究了白云鄂博两处火成碳酸岩墙，一处位于都拉哈拉山脚下，另一处位于二道洼地层中。都拉哈拉的火成碳酸岩含ＲＥ２Ｏ３２３．９ｗｔ％，高于主、东矿体中的稀土矿石，稀土矿物和配分形式与主矿、东矿体一致，为白云鄂博稀上物质来源提供了启示。二道洼地层中火成碳酸岩边部霓长岩的铷锶年龄为（３４３．２６±７．３３）Ｍａ，为白云鄂博稀土成矿提供了地质年代热事件的线索。

硅酸盐-盐(硫酸盐)流体不混溶：蒙古南部Mushugai-Khuduk含火成碳酸岩杂岩体矿物中的熔体包裹体研究

Crystalline and melt inclusions were studied in garnet,diopside,potassium feldspar,and sphene from the garnet syenite porphyry of the carbonatite-bearing complex Mushugai-Khuduk,southern Mongolia.Phlogopite,clinopyroxene,albite,potassium feldspar,spheric,wollastonite,magnetite,Ca and Sr sulfates,fluorite,and apatite were identified among the crystalline inclusions. The melt inclusions were homogenized at 1010～1080℃and analyzed on an electron microprobe.Silicate,salt,and combined silicate- salt melt inclusions were found.Silicate melts show considerable variations in SiO_2 concentration(56 to 66wt% ),high Na_2O+K_2O (up to 17wt% ),and elevated Zr,F,and C1 contents.In terms of bulk rock chemistry,the silicate melts are alkali syenites.During thermometric experiments,salt melt inclusions quenched into homogeneous glasses of predominantly sulfate compositions containing no more than 1.3wt% SiO_2.These melts are enriched in alkalis,Ba,Sr,P,F,and C1.The investigation of the silicate and salt melt inclusions in minerals of the garnet syenite porphyries indicate that these rocks were formed under influence of the processes of crystallization differentiation and magma separation into immiscible silicate and salt(sulfate)liquids.

西秦岭双王金矿床与火成碳酸岩成因关系

西秦岭双王金矿床以大量发育角砾岩型矿石为特征,金与碳酸盐矿物密切共生,在角砾岩之间呈胶结物产出,显示出强烈的幔源特点。长期以来,这种罕见的矿床类型的成因一直困扰着矿床学家。最近,在双王金矿床深部坑道内新揭露的碳酸岩墙,有可能为揭示这一科学难题提供了一个突破口。文章选择碳酸岩和金矿石为研究对象,通过光薄片观察及TIMA扫面,发现共生的副矿物锆石、磷灰石和独居石,使利用副矿物的原位微区进行高精度测年解决二者之间的成因联系成为可能。

火成碳酸岩Sm-Nd等时线定年技术

选取庙垭铌-稀土矿床中5件新鲜的碳酸岩样品,依据内部等时线法原理,依次采用醋酸、王水、氢氟酸对其进行分步溶解,并分别对其醋酸溶解相、王水溶解相、氢氟酸溶解相和全岩进行了Sm-Nd 同位素组成分析。结果显示不同溶解相之间147Sm/144Nd同位素比值变化全岩之间由0.02 扩大为0.09,5件样品共计17个点拟合获得的等时线年龄为233±12 Ma (MSWD=2.7),其中单件样品的分相Sm-Nd等时线定年结果为235±17 Ma (MSWD=1.4)。这些结果与在该套碳酸岩中的独居石SHRIMP U-Th-Pb 年龄(233.6±1.7 Ma)(Geochimica et Cosmochimica Acta, 2014,143: 189 - 206.)、独居石LA-ICP-MS Th-Pb年龄(~240 Ma)以及铌铁矿LA-ICP-MS U-Pb年龄(232.8±4.5 Ma)(Lithos, 2017, 290 - 291:159 - 171.)在误差范围内基本一致,表明火成碳酸岩分相Sm-Nd定年结果可靠。

中国地调局力学所在火成碳酸岩中发现斜锆石新类型

中国地调局力学所研究员在开展白云鄂博矿区富稀土-Nb火成碳酸岩年代学研究过程中,从白云鄂博矿区东侧靠近晚古生代花岗岩接触带附近3个富稀土-Nb火成碳酸岩样品中分选出了斜锆石。这是世界上首例在火成碳酸岩中发现接触交代成因的斜锆石。

阿尔金北缘古元古代壳源火成碳酸岩的发现

报道了阿尔金东段北缘的古元古代晚期壳源火成碳酸岩全岩地球化学和锆石SHRIMP定年结果.它们明显切割围岩,以岩株状、岩脉状产出,包裹不同类型围岩包体.岩石主要由方解石、透辉石组成,含石英、长石等长英质矿物.岩石高CaO(20.56%～39.80%),SiO2含量变化较大(23.33%～54.06%),稀土总量低(TREE=28.36×10-6～63.01×10-6)、弱负铕异常(Eu/Eu*=0.69～0.83)、轻重稀土分离不强((La/Yb)N=9.20～16.85),相对富集大离子亲石元素Sr、Rb、Ba、Th,亏损高场强元素Nb、Ti、P.锆石具核-边结构,边部锆石普遍存在不明显的环带,具变质深熔锆石的结构特征,其207Pb/206Pb加权平均年龄为1931±18Ma.它们是高级变质作用条件下米兰岩群不纯大理岩深熔作用的产物.

白云鄂博REE-Fe-Nb矿床碳酸岩墙锆石U-Pb年龄及其地质意义

对白云鄂博稀土 -铁 -铌矿矿区一火成碳酸岩内锆石 U - Pb年龄进行了测定 ,五颗锆石测定数据点拟合直线与谐合线的上交点年龄为 2 0 70± 33Ma,表明白云鄂博矿区火成碳酸岩脉的侵入时代最早可以追溯到早元古代 ,该年龄与矿区内正长岩和英云闪长岩锆石年龄等接近 ,构成了形成于裂谷环境的白云鄂博早元古代碱性岩

白云鄂博地区碳酸岩脉侵位序列与稀土元素富集机制

白云鄂博地区发育大量的火成碳酸岩脉。按照矿物组成,碳酸岩脉可分为白云石型、白云石-方解石共存型和方解石型。野外穿插关系表明,白云石型碳酸岩脉形成得早,而方解石型碳酸岩脉形成得晚。白云鄂博地区的碳酸岩浆存在由白云石型到共存型再到方解石型的先后结晶顺序和演化趋势。碳酸岩脉的主量、稀土和微量元素组成特征表明,随着碳酸岩脉中方解石矿物组分的增加,轻稀土元素的含量呈明显富集趋势,而长期的结晶分异作用正是稀土元素,尤其是轻稀土元素在晚期岩浆中强烈富集的内在机制。

白云鄂博碳酸岩的方解石-白云石地质温度计

利用方解石-白云石地质温度计对白云鄂博地区碳酸岩的平衡温度进行了测定。出露于东矿下盘的白云岩质火山岩和出露于尖山的方解石-白云石型火山岩获得了较高的温度,分别为681℃和648℃。这些样品中的方解石呈二十微米左右晶形较完整的小片,被稍大粒度的白云石颗粒包裹,未受交代作用影响,推测这种碳酸岩在快速冷却的情况下保存下了其岩浆侵位时的成分特点,从而指示出接近碳酸岩浆侵位时的温度。但本区多数碳酸岩的平衡温度在400～500℃之间,有下列三种情况:(1)具有自形-半自形中粗粒粒状变晶结构的碳酸岩最后的平衡温度为415～496℃;(2)产自东矿的其余样品(火山岩),所测最后平衡温度为431～485℃,在测温的微区范围内可见极细粒白云石方解石与稀土等矿物共生的现象;(3)为交代重结晶结构的碳酸岩明显受到后期热液流体的交代,在流体的作用下共生方解石和白云石在成分上达到新的平衡,平衡温度为432～507℃。本文所分析的样品多数结果(371～507℃)与用白云石(方解石)和磁铁矿氧同位素温度计对白云鄂博碳酸岩的计算结果(360～546℃)十分一致。虽然有研究者对方解石-白云石温度计用于火成碳酸岩表示过质疑,但本文资料表明火成碳酸岩最后的平衡温度是可以运用方解石-白云石温度计法来计算的。

华北克拉通北部13.3～13.0亿年基性大火成岩省与稀土-铌成矿事件

在华北克拉通北部燕辽裂陷槽中元古代沉积地层内有大量辉绿岩床侵位。野外调查及剖面测量结果表明,燕辽地区辉绿岩床累计厚度为50~1 800m,分布面积超过了12万km2。对燕辽地区已发表的18个侵入高于庄组、雾迷山组、铁岭组及下马岭组等不同层位内辉绿岩样品的斜锆石SIMS及TIMS 207Pb/206Pb年龄统计结果表明,这些岩床的侵位年龄变化于1.33~1.30Ga左右,其峰期年龄为1.32Ga,说明这些大规模辉绿岩床侵位于1.32Ga左右。岩石地球化学分析结果显示,燕辽辉绿岩具有相似的板内拉斑质地球化学特征。因此,燕辽辉绿岩床构成了一个基性大火成岩省,被命名为燕辽大火成岩省(Yanliao large igneous province)。辉绿岩床与沉积地层接触关系调查结果显示,燕辽大火成岩省的侵位伴随有前岩浆期抬升,表现为下马岭组与长龙山组之间的平行不整合,抬升开始的时限为1.35~1.34Ga。在全球已经报道的大火成岩省中,燕辽基性大火成岩省在产状、形成时代、岩性组成及地球化学特征等方面与北澳大利亚McArthur盆地内1.32Ga Derim-Galiwinku基性大火成岩省有明显的相似性,并且这两个地区中元古代沉积地层组合及时代也非常相似,特别是岩床侵入的最顶部层位均为一套以黑色页岩为主的沉积组合(燕辽的下马岭组及北澳大利亚的Roper群Velkerri组)。这种相似性特征结合古地磁资料说明,在哥伦比亚(奴那)超大陆重建中,华北克拉通东北部与北澳大利亚克拉通北部是相邻的,而华北克拉通的燕辽及北澳大利亚克拉通的Derim-Galiwinku大火成岩省可能属于一个被大陆裂解所分开的统一的大火成岩省。以约1.32Ga基性大火成岩省为标志,华北克拉通从哥伦比亚(奴那)超大陆发生了裂解,导致燕辽基性大火成岩省与Derim-Galiwinku基性大火成岩省相分离开。白云鄂博矿区富稀土-铌白云质大理岩野外地质调查、锆石Th-Pb定年及锆石包体及微量元素组成分析结果表明,白云鄂博矿区富稀土-铌白云质大理岩("H8"或菠萝图白云岩)主体是侵位于1.30Ga左右的火成碳酸岩岩床,并且火成碳酸岩的结晶伴随着大规模稀土-铌成矿事件。白云鄂博矿区火成碳酸岩及稀土矿化的形成时代与华北克拉通北缘燕辽基性大火成岩省的侵位时代相接近,其形成也可能与华北克拉通北缘从哥伦比亚超大陆的裂解有关。

我国首例典型超基性-碱性-碳酸岩杂岩体及磷矿的发现

通过40年前验证马伸桥航磁异常获得的隐伏超基性碱性岩体钻孔原始编录等资料的综合分析研究，发现了岩体深部为火成碳酸岩体，从而确立为我国首例典型超基性岩-碱性岩-碳酸岩三位一体的杂岩；发现超基性岩为一多韵律的层状岩系；发现9个磷矿层，累积厚度68．25m，P20，含量6％～12．6％，已构成大型中品位磷灰石矿床。马伸桥杂岩体与矾山杂岩体具有诸多相同或相似性特点，有极大可比性：都是舷．磁发现的隐伏岩体、围岩为中元古代蓟县系白云岩、产出的地质构造为燕山台褶带、成矿时代为印支期、多韵律的层状岩系、产大型到超大型磷灰石矿……。这才是“矾山式”磷矿的独特特点。

秦岭造山带发现新型铀多金属矿:华阳川与伟晶岩脉和碳酸岩脉有关的超大型铀-铌-铅-稀土矿床

华阳川铀多金属矿位于华北板块南缘小秦岭构造带的西段,是一个以U、Nb、Pb为主并伴生有稀有稀土元素的可综合利用的超大型矿床。矿体主要赋存于太古代TTG片麻岩套中(武家坪黑云斜长片麻岩和大月坪花岗片麻岩)。矿化与伟晶岩脉、火成碳酸岩脉和碳酸盐脉紧密共生。伟晶岩脉主要由微斜长石、石英以及黑云母、角闪石、褐帘石、榍石和独居石组成。火成碳酸岩脉主要由方解石、石英、重晶石、霓辉石、钠闪石、黑云母和磷灰石等组成。碳酸盐脉主要由方解石、石英、重晶石和沸石等组成。根据脉体穿插关系和矿物组合特征,矿化可分为伟晶岩阶段、早期碳酸岩阶段和晚期碳酸盐化阶段,伟晶岩阶段和早期碳酸岩阶段以铀铌矿化为主,晚期碳酸盐化阶段则以铅矿化为主。铀矿物以铌钛铀矿为主,晶质铀矿次之;铌矿物以铌钛铀矿为主,褐钇铌矿次之;铅矿物以方铅矿为主,白铅矿次之。此外,U、Nb还以类质同像或吸附的形式赋存于褐帘石、独居石和磷灰石等富集稀土元素的矿物中。根据含矿主岩、矿石矿物以及成矿元素组合特征,认为华阳川矿床不同于世界上其他类型的铀矿床,属于与伟晶岩和碳酸岩有关的铀-铌-铅-稀土矿床。

中国南海世界首次发现碳酸岩母岩浆向碱性玄武岩连续转化现象

地幔存储了地球上绝大部分的碳，其中的CO2可能对岩浆的最初形成起到关键作用。碱性玄武岩是富碱、贫硅的一类火山岩，也是地球上主要的板内火山岩类型，但其成因长期以来存在争议。由于火成碳酸岩常与碱性火山岩相伴生，碱性玄武岩中也常常含有富CO2的包裹体，这些都显示CO2可能对碱性玄武岩熔体的形成起作用。