阿尔巴尼亚布尔齐泽壳-幔过渡带豆荚状铬铁矿成因及其对富Ti熔体交代作用的记录

邱 添,杨经绥,吴魏伟,熊发挥,芮会超,蒋久阳

(1.中国地质科学院地质研究所自然资源部深地动力学重点实验室,北京 100037;2.南方海洋科学与工程广东省实验室,广东 广州 511458;3.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210023;4.中国地质大学(武汉)地球科学学院,湖北 武汉 430074;5.江西铜业技术研究院有限公司,江西 南昌 330096)

世界上原生铬铁矿根据其产出特点基本分为两类:(1)与层状基性-超基性侵入岩有关的层状铬铁矿,显示明显的岩浆堆晶层理(Thayer,1970;Latypov et al.,2017;Mukherjee et al.,2017);(2)与蛇绿岩有关的豆荚状铬铁矿,显示独特的豆状和球状结构,常与厚度不等的纯橄岩薄壳密切伴生(Barnes and Roeder,2001;Arai and Miura,2016)。蛇绿岩中的豆荚状铬铁矿分布在上地幔层序和壳-幔过渡带中(Borisova et al.,2012;Uysal et al.,2015)。前人对上地幔层序地幔橄榄岩中的豆荚状铬铁矿做了大量的研究工作,按照尖晶石化学成分将其分为高铬型(Cr#=Cr/(Cr+Al)＞0.6)和高铝型(Cr#＜0.6)两类(Thayer,1970),分别对应俯冲带上环境和大洋扩张中心环境(弧前、大洋中脊和弧后盆地)(Zhou et al.,1996)。然而,豆荚状铬铁矿中超高压(如金刚石、柯石英等)、强还原(自然铁、碳硅石等)矿物以及壳源矿物(锆石、金红石、石英等)的发现(Yang et al.,2007;杨经绥等,2007;Trumbull et al.,2009;Yamamoto et al.,2009;Robinson et al.,2015;Xiong et al.,2015;Griffin et al.,2016),指示铬铁矿经历了更为复杂的演化过程。

壳-幔过渡带通常以厚层纯橄岩为主要岩石类型,被认为是壳-幔边界岩浆房早期堆晶或岩浆与上地幔顶部交代反应的产物(Nicolas and Prinzhofer,1983;Yumul,2004)。其中豆荚状铬铁矿矿体多呈不规则形态,如透镜状和豆荚状等。与地幔橄榄岩中的豆荚状铬铁矿不同,壳-幔过渡带的豆荚状铬铁矿矿体通常不具备纯橄岩薄壳,但二者具有相似的化学成分,均比典型的层状铬铁矿富Mg。岩浆结晶早期阶段,由于地壳同化、熔体-岩石反应和/或与分异岩浆混合,使得SiO2活度升高、铬铁矿先于橄榄石沉淀的模式通常被应用到层状铬铁矿和地幔橄榄岩中豆荚状铬铁矿的成因解释中(周美付和白文吉,1994;Arai and Yurimoto,1994;Zhou et al.,1994,2014;Spandler et al.,2005)。然而,壳-幔过渡带铬铁矿的成因却尚未明确。熔体渗透和交代反应在蛇绿岩,尤其是蛇绿岩壳-幔过渡带中普遍存在(Kelemen et al.,1992,1995;Python and Ceuleneer,2003)。研究发现,熔体-岩石相互作用导致岩石及铬铁矿的矿物组成和化学成分发生显著变化,常可引起不相容元素(如Ti、Zr等)的选择性富集(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),系统剖析上述过程可为研究壳-幔过渡带铬铁矿的成因和构造背景提供新的证据和线索。

阿尔巴尼亚米尔迪塔蛇绿岩具有完整的蛇绿岩层序,富含铬铁矿资源(Dilek et al.,2008)。赋存在布尔齐泽岩体地幔单元中的Bulqiza高铬型铬铁矿为世界级超大型豆荚状铬铁矿矿床(Beccaluva et al.,1998;Beqiraj et al.,2000;Meshi et al.,2005),被认为是SSZ背景下玻安质熔体与地幔橄榄岩反应的产物(Xiong et al.,2015,2021;Qiu et al.,2018)。除了高铬型铬铁矿,在布尔齐泽岩体壳-幔过渡带中还产出高铝型豆荚状铬铁矿矿床(Bortolotti et al.,1996;Beccaluva et al.,1998;Beqiraj et al.,2000),其成因目前尚不明确。针对以上问题,结合布尔齐泽岩体壳-幔过渡带Cerruja高铝型铬铁矿被辉石岩脉穿切,并在二者接触带中结晶大量富Ti矿物相(金红石、榍石和钛铁矿)的现象,本文拟对Cerruja高铝型铬铁矿和辉石岩脉的岩石学和矿物学特征进行详细研究,从而探讨壳-幔过渡带中铬铁矿的成因及其演化。

1 区域地质

阿尔巴尼亚米尔迪塔蛇绿岩位于新特提斯构造域西段,南北向呈带状延伸近200km,宽约30～40km(Hoeck et al.,2002;Dilek et al.,2005,2008;耿全如等,2021)(图1a)。米尔迪塔蛇绿岩分为西带和东带两部分(Bortolotti et al.,1996;Nicolas and Boudier,1999;Hoeck et al.,2002;Shallo and Dilek,2003;Kocks et al.,2007;Meshi et al.,2010)(图1a),西带蛇绿岩的地幔岩石单元以含斜长石二辉橄榄岩为主,而东带主要由含铬铁矿的方辉橄榄岩组成(Hoxha and Boullier,1995;Nicolas and Boudier,1999)。西带蛇绿岩地幔橄榄岩上部为较薄(2～3km)、具有MOR地球化学属性的壳层岩石组合,蛇绿岩层序不完整;而东带地幔橄榄岩上部的壳层岩石厚度可达12km,显示SSZ属性,具有完整的蛇绿岩层序(Hoeck et al.,2002;Dilek et al.,2008;Saccani and Tassinari,2015)。

布尔齐泽岩体是米尔迪塔蛇绿岩东带面积最大的一个岩体(＞352km2)(图1b)。岩体北侧和西南侧与三叠纪—侏罗纪灰岩构造接触,其间不连续出露侏罗纪火山-沉积建造和一套变质岩石单元(角闪石片岩、角闪岩、绿片岩、含石榴石石英云母片岩)(Shallo et al.,1987;Beqiraj et al.,2000)。晚侏罗世—早白垩世复理石建造沿岩体东南边覆盖在岩体之上,而第三纪磨拉石建造在岩体西北侧出露(图1b)。从底部到顶部(也从岩体东部到西部),布尔齐泽岩体由地幔岩石单元、壳-幔过渡带和壳层岩石单元组成(图1c)。其中,地幔岩石单元(从下至上)包括含单斜辉石方辉橄榄岩层和方辉橄榄岩层。壳-幔过渡带的主要岩石类型为纯橄岩,厚度可达200～600m(Dilek et al.,2007;Phillips-Lander and Dilek,2009)。壳-幔过渡带纯橄岩和下部方辉橄榄岩的边界截然,而与上部壳层岩石单元呈逐渐过渡关系。壳层岩石单元底部为互层的异剥橄榄岩—橄长岩—橄榄石辉长岩,顶部变化为辉长岩和辉石岩。壳层岩石单元主要在岩体西侧和南侧边界零星出露。布尔齐泽岩体中的豆荚状铬铁矿矿床/点多达百余个,主要分布在地幔方辉橄榄岩层和壳-幔过渡带中(图1b-c)。其中规模最大的是位于方辉橄榄岩层中的Bulqiza高铬型铬铁矿矿床,已探明铬铁矿矿石储量超2000万吨(Beqiraj et al.,2000;Cina,2010)。壳-幔过渡带中的豆荚状铬铁矿,如Cerruja、Qaf-Dardhe和Kraster,单个矿床探明储量可达800万吨,为大-中型铬铁矿矿床(Meshi et al.,2005)。

图1 阿尔巴尼亚米尔迪塔蛇绿岩及布尔齐泽岩体地质简图Fig.1 Geological sketch map of the Mirdita ophiolite and the Bulqiza massif in Albania

2 矿床地质和岩石学特征

Cerruja豆荚状铬铁矿矿床位于布尔齐泽岩体西侧(图1b),赋存在壳-幔过渡带的厚层纯橄岩中,矿体边部的纯橄岩围岩普遍发生蛇纹石化,且破碎程度较强(图2a)。铬铁矿矿体多呈透镜状或豆荚状产出(图2a-b),矿体和蛇纹石化纯橄岩围岩常被辉石岩网脉穿切(图2a,c-d)。含辉石岩脉的铬铁矿矿体被后期断裂活动错断形成不规则团块状,其间夹杂强烈蛇纹石化的纯橄岩(图2c)。铬铁矿矿体与蛇纹石化纯橄岩围岩的接触边界截然(图2e)。矿石结构主要为致密块状(铬尖晶石体积百分数＞95%)、浸染状(铬尖晶石体积百分数为20%～50%)(图2e-f,图3a-b)。辉石岩脉宽0.1～5cm不等(图2d),矿物组合主要为单斜辉石(Cpx-I,80vol.%)、角闪石(15%)、斜长石(3%)和少量铬尖晶石、金红石、榍石和钛铁矿(图3c-g)。单斜辉石呈中—粗粒(0.5～3mm)、自形—半自形结构,不同颗粒发生强度不等的蚀变,有些仅边缘转变为角闪石和绿泥石,而另一些几乎完全转变为角闪石(图3e)。斜长石呈粗粒、自形结构,与单斜辉石镶嵌共生。斜长石沿边缘或裂隙被绿泥石和黝帘石交代。铬尖晶石的粒度较小(0.01～0.1mm),边缘和裂隙中常见金红石、榍石和钛铁矿(图3f-g)。

图2 布尔齐泽岩体中Cerruja豆荚状铬铁矿的野外照片Fig.2 Field occurrence of the Cerruja chromitites in the Bulqiza massif

图3 Cerruja铬铁矿矿石及辉石岩脉的显微照片Fig.3 Microphotographs of chromite ores and pyroxenite dikes from the Cerruja chromitites

根据与辉石岩脉的距离以及铬尖晶石的矿物学特征,将Cerruja铬铁矿矿石中的铬尖晶石分为3类:远离辉石岩脉的铬尖晶石(以下简写为Chr-I),辉石岩脉穿切铬铁矿、二者接触带中的铬尖晶石(Chr-II)和辉石岩脉中的铬尖晶石(Chr-III)。Chr-I呈自形—它形结构,粒度以中粗粒为主,内部几乎无包裹体,粒间矿物主要为橄榄石和蛇纹石(图3b)。Chr-II的结构和粒度特征与Chr-I一致,但Chr-II的粒间矿物主要为蛇纹石、角闪石和单斜辉石(用Cpx-II表示,以区别于辉石岩脉中的单斜辉石Cpx-I),且含较多绿泥石和角闪石包裹体(图3d)。大量金红石、榍石和钛铁矿呈它形结构出现在Chr-II的裂隙或包裹体中(图3h-j)。越靠近辉石岩脉,Chr-II破碎程度越高,Chr-II裂隙中或以包裹体形式存在的金红石、榍石、钛铁矿、单斜辉石、角闪石和绿泥石含量越多(图3h)。辉石岩脉中的Chr-III粒度明显小于Chr-II和Chr-I,呈自形晶颗粒或碎片,几乎不含包裹体,被单斜辉石Cpx-II包裹(图3f-g)。

3 样品及分析测试方法

采集远离辉石岩脉的铬铁矿矿石(矿体周围20米范围内未见辉石岩脉,采样位置见图2b)、被辉石岩脉穿切的铬铁矿矿石(矿石手标本中含辉石岩脉,采样位置见图2c-d)以及纯橄岩围岩作为研究对象,磨制探针片和激光片,在显微镜下开展详细的岩相学和矿物学研究,并选择代表性样品进行矿物化学成分和微量元素分析。其中,矿物电子探针成分分析在中国地质科学院地质研究所自然资源部深地动力学重点实验室和北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成,仪器型号为JXA-8100,加速电压15kV,束斑直径5μm。铬尖晶石和单斜辉石的原位微量元素分析在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完成。使用仪器为Agilent7700x电感耦合等离子质谱仪,采用ESI的NWR213nm激光剥蚀系统,束斑直径为64μm。载气使用高纯度氦气,辅助气体为氩气,二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。每个采集周期包括大约30s的空白信号和50s的样品信号。以USGS参考玻璃(GSE-1G,SRM610,BCR-2G,BIR-1G和BHVO-2G)为校正标准,采用多外标-内标法(分别选择电子探针分析获得的尖晶石Fe含量以及单斜辉石SiO2含量作为内标,南美洲科马提岩样品GOR-128以及自然铬QC-Cr作为外标)对元素含量进行定量计算。质控标样主量元素测试误差小于5%,微量元素测试误差小于10%。数据处理软件为ICPMSDataCal11.8,详细方法见Liu et al.,2008。

4 测试结果

4.1 矿物化学

4.1.1 单斜辉石

辉石岩脉中的单斜辉石Cpx-I和接触带中的粒间单斜辉石Cpx-II的电子探针分析结果见表1。Cpx-I和Cpx-II的En端元组分分别为40.6～43.6和47.7～48.5,均为透辉石(图4a)。但二者具有不同的矿物化学特征:Cpx-I的Mg#值为0.81～0.91,w(Al2O3)含量在0.89%～1.93%之间变化,w(Cr2O3)为0.35%～0.58%,w(TiO2)为0.13%～0.27%;Cpx-II的Mg#值(0.95～0.98)和w(Cr2O3)(0.84%～1.02%)明显高于Cpx-I,但w(TiO2)(0.03%～0.09%)比Cpx-I低(图4b)。Cpx-II中的w(Al2O3)(1.60%～1.93%)与Cpx-I基本一致(表1)。辉石岩脉中交代单斜辉石Cpx-I的角闪石成分主要为透闪石-镁质普通角闪石,而Chr-II粒间及包裹的角闪石成分变化较大,部分为透闪石成分,部分为浅闪石—韭闪石成分(图4c-d)。辉石岩脉中角闪石的w(TiO2)为0.06%～1.04%,与Chr-II粒间及包裹体角闪石的w(TiO2)(0.01%～1.22%)基本一致(表2)。

表1 布尔齐泽岩体Cerruja铬铁矿与辉石岩脉接触带及辉石岩脉中的单斜辉石的电子探针分析结果(络)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 布尔 齐泽岩体Cerrula铬铁矿与辉石岩脉接触带及辉石岩脉中的角闪石的电子探针分析结果( %)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 斜长石

辉石岩脉中的斜长石An端元组分为0.91～0.95,其成分为钙长石(图4e,表3)。w(CaO)为19.3%～20.3%,w(Al2O3)在35.3%～36.2%之间。在斜长石An值与单斜辉石Cpx-I的Mg#二元图解中,斜长石落在岛弧辉长岩的范围中(图4f)。

表3 布尔齐泽岩体壳 -幔过渡带中穿切铬铁矿矿体的辉石岩脉中斜长石的电子探针分析结果( %)Table3 Representative microprobe analyses of plagloclase from pyroxenite dikes crosscutting chromite ores in crust-mantle transiton 2one of the Bulqiza masslf [ %]

图4 Cerruja铬铁矿矿石及辉石岩脉中单斜辉石、斜长石和角闪石的成分图解Fig.4 Compositions of clinopyroxene,amphibole and plagioclase in pyroxenite dikes and the Cerruja chromitites

4.1.3 铬尖晶石

铬尖晶石的电子探针分析结果见表4。纯橄岩围岩中铬尖晶石的Cr#(Cr/(Cr+Al))为0.52～0.54,Mg#值(Mg/(Mg+Fe2+))为0.49～0.53,Fe3+#值为0.06～0.13,w(TiO2)为0.14%～0.58%。远离辉石岩脉的铬尖晶石Chr-I的Cr#值为0.56～0.58,Mg#值为0.63～0.67,Fe3+#值＜0.03,w(TiO2)＜0.13%。Chr-I及纯橄岩围岩中的铬尖晶石的化学成分接近,在Al2O3vs.Cr2O3、Mg# vs.Cr#、Cr2O3vs.TiO2图解中,均落在蛇绿岩豆荚状铬铁矿的范围内(图5a-c)。辉石岩脉与铬铁矿矿石接触带中铬尖晶石Chr-II的Cr#值在0.57～0.67之间变化,Mg#值变化范围为0.16～0.48,Fe3+#值为0.05～0.17,w(TiO2)为0.94%～0.15%。与Chr-I相比,Chr-II的Cr#、Fe3+#和w(TiO2)升高,而w(Al2O3)和Mg#值降低(图5a-d)。辉石岩脉中的铬尖晶石Chr-III的w(Al2O3)(6.38%～10.2%)及Mg#值(＜0.12)最低(图5a-b),而Cr#和Fe3+#值(分别为0.75～0.83和0.14～0.24)均比Chr-II和Chr-I高。Chr-III的w(TiO2)为1.43%～3.43%,远高于Chr-II和Chr-I的w(TiO2)(图5c-d)。

表4 布尔齐泽岩体 Cerruja铬铁矿矿床申不同类型铬尖晶石的电子探针分析结果1% )Table4 Representative microprobe analyses of spinels of different types from the Cerruja chromitites in the Bulqiza mussif { % )

续表4

图5 Cerruja铬铁矿中不同类型铬尖晶石的化学成分图解Fig.5 Compositions of spinels of different types in the Cerruja chromitites

4.2 矿物微量元素地球化学

4.2.1 单斜辉石

单斜辉石和铬尖晶石的微量元素数据分别列于表5和6。辉石岩脉中的单斜辉石Cpx-I的w(V)为308×10-6～432×10-6、w(Sc)为133×10-6～213×10-6、w(Ga)为2.69×10-6～3.61×10-6、w(Ti)为1135×10-6～1661×10-6、w(Zn)为17.9×10-6～26.8×10-6和w(Co)为34.8×10-6～41.4×10-6,w(Cr)和w(Ni)分别为2727×10-6～3306×10-6和283×10-6～360×10-6。与Cpx-I相比,接触带Chr-II粒间的单斜辉石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)明显降低,但w(Cr)(3374×10-6～4327×10-6)和w(Ni)(519×10-6～573×10-6)升高(表5)。稀土元素球粒陨石标准化图解中,Cpx-I相对亏损轻稀土、富集重稀土元素,轻重稀土分异明显,(La/Yb)N为0.05～0.11(图6a)。Cpx-I显示Eu的弱负异常,可能与斜长石结晶有关。Cpx-I的稀土配分模式与古巴Moa-Barocoa蛇绿岩中穿切Potosi铬铁矿的辉长质脉体中Cpx的核部成分一致。Cpx-II具有相对平坦的稀土配分模式,(La/Yb)N为0.25～0.32,不显示Eu异常。与Cpx-I比较,Cpx-II相对富集轻稀土,但二者重稀土元素含量基本一致(图6a)。微量元素蛛网图中,Cpx-I表现出明显的Ta、Nb亏损和较弱的Zr亏损(图6b)。Cpx-II的Ta、Nb亏损程度比Cpx-I弱,但Ti强烈亏损。

图6 Cerruja铬铁矿矿石及辉石岩脉中单斜辉石的稀土配分模式(a)及微量元素蛛网图(b)(球粒陨石和原始地幔数据据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 布尔齐泽 岩体Cerruja鹄铁矿与辉石岩脉接触带及辉石岩脉中单斜辉石的原位LALICP-MS微量元素测试结果（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 铬尖晶石

Cerruja铬铁矿矿石中Chr-I的w(Ti)为358×10-6～426×10-6,w(V)为1157×10-6～1306×10-6,w(Mn)为1208×10-6～1268×10-6,w(Co)为192×10-6～208×10-6,w(Ni)为1317×10-6～1556×10-6,w(Zn)为465×10-6～532×10-6,w(Ga)为36.2×10-6～41.1×10-6,w(Sc)为2.96×10-6～4.57×10-6。与Chr-I相比,Chr-II的w(Ti)为6372×10-6～8991×10-6,w(V)为5430×10-6～8859×10-6,w(Mn)为1876×10-6～3380×10-6和w(Sc)为11.9×10-6～16.8×10-6明显升高(图7a-d),w(Co)为185×10-6～267×10-6、w(Zn)为680×10-6～956×10-6和w(Ga)36.9×10-6～52.1×10-6略升高(图7e-g),但w(Ni)996×10-6～1395×10-6相等或略降低(图7h)。与辉石岩脉的距离越近(图7i),Chr-II中的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn、Ga和Ni的含量越高。Chr-III的微量元素含量较均一,同一颗粒的核边甚至不同颗粒的微量元素含量的变化范围较小,其中w(Ti)的变化范围为21980×10-6～28936×10-6,w(V)为11214×10-6～11613×10-6,w(Mn)为4538×10-6～5029×10-6,w(Co)为277×10-6～303×10-6,w(Ni)为1364×10-6～1489×10-6,w(Zn)为1229×10-6～1363×10-6,w(Ga)为74.6×10-6～83.9×10-6,w(Sc)为16.0×10-6～21.2×10-6(表6)。Chr-III的以上微量元素的含量均明显高于Chr-I和Chr-II(图7a-h)。

图7 Cerruja铬铁矿中不同类型铬尖晶石的微量元素变化与辉石岩脉距离的关系剖面图(Chr-I和Chr-III为随机测点,而接触带Chr-II的测试点1-6是逐渐靠近辉石岩脉近于等距离的取点)Fig.7 Concentration variations of trace elements in spinels of different types in the Cerruja chromitites

表6 布尔齐泽岩体Cerruja铬铁矿矿床中不同类型铬尖晶石的原位LA-ICP-MS微量元素测试结果(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 讨论

5.1 布尔齐泽壳-幔过渡带铬铁矿成因

Cerruja豆荚状铬铁矿矿石中的铬尖晶石Chr-I(Cr#=0.56～0.58)及纯橄岩围岩中的铬尖晶石(Cr#=0.52～0.55)的主量元素和大部分微量元素含量与典型的蛇绿岩高铝型豆荚状铬铁矿相似,但TiO2含量明显低于典型的高铝型豆荚状铬铁矿(表4)。铬铁矿的Al2O3和TiO2含量常用来反应母熔体的成分(Kamenetsky et al.,2001;Rollinson,2008;Page and Barnes,2009)。根据Rollinson(2008)和Rollinson and Adetunji(2015)的计算公式:

获得Cerruja高铝型铬铁矿的母熔体中w(Al2O3)为15.1%～15.3%,w(TiO2)＜0.44%,其Al2O3的含量与典型的MORB熔体(w(Al2O3)=15%～16%)类似,但TiO2(w(TiO2)=1.20%～1.68%)明显低于MORB熔体(Wilson,1989;Gale et al.,2013)。Cerruja高铝型铬铁矿的以上特征与Qaf-Dardhe高铝型铬铁矿(同为布尔齐泽岩体壳-幔过渡带中的铬铁矿矿床,母熔体w(Al2O3)=14.9%～15.9%,w(TiO2)=0.07%～0.61%,Qiu et al.,2018)的特征一致,后者被认为是洋内初始俯冲阶段,软流圈物质上涌生成的MORB-like弧前玄武质熔体随着俯冲的进行逐渐向玻安质熔体转变,期间产生的过渡型熔体与上地幔顶部的地幔橄榄岩反应的产物(Qiu et al.,2018)。辉石岩脉中的铬尖晶石Chr-III多具有良好的自形程度,且几乎无包裹体的特征,明显不同于Chr-I和Chr-II,结合Chr-III常被单斜辉石Cpx-I包裹的现象,指示Chr-III可能是辉石岩脉熔体冷却过程中新结晶的矿物相。Chr-III(Cr#=0.72～0.83)对应母熔体的w(Al2O3)为8.48%～11.3%,略低于典型的蛇绿岩高铬型铬铁矿的玻安质母熔体(w(Al2O3)=10.6%～14.4%);然而,Chr-III母熔体的w(TiO2)(1.33%～2.89%)远高于蛇绿岩高铬型铬铁矿的玻安质母熔体(w(TiO2)=0.10%～0.52%),也高于Bulqiza高铬型铬铁矿的母熔体成分(w(TiO2)=0.14%～0.31%)(Hicky and Frey,1982;Qiu et al.,2018;Pearce and Reagan,2019)。尽管Al2O3vs.Cr2O3、Mg# vs.Cr#、TiO2vs.Cr2O3二元图解显示Chr-III和大部分Chr-II具有层状铬铁矿的化学成分特点(图5a-c),然而Ga、V、Zn、Co和Mn等微量元素特征却与层状铬铁矿具有显著的差异,甚至也不同于典型的蛇绿岩豆荚状铬铁矿(图8-9)。古巴Moa-Baracoa蛇绿岩中位于壳-幔过渡带的Potosi铬铁矿矿床也报道了类似的现象,普遍认为是后期熔体和铬铁矿交代反应的结果(Pujol-Solàet al.,2020)。

5.2 熔体-铬铁矿交代反应

壳-幔过渡带中残余橄榄岩与渗透熔体反应形成纯橄岩及相关铬铁矿(Proenza et al.,1999;Marchesi et al.,2006)。残余熔体交代铬铁矿将导致早期结晶铬铁矿的化学成分发生改变,并造成熔体中的不相容元素选择性富集,从而结晶新的矿物相(Basch et al.,2019;Pujol-Solàet al.,2020)。Cerruja铬铁矿中Chr-II与Chr-I相比,Mg#值降低,Cr#和Fe3+#值升高(图5b和d)。越靠近辉石岩脉,铬尖晶石的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn、Ga和Ni的含量越高(图7)。铬尖晶石Chr-II的上述成分变化特征反映其可能受到辉石岩脉熔体的交代改造。Chr-II比Chr-I破碎程度更高,Chr-II裂隙及包裹体中出现大量金红石、榍石、钛铁矿、单斜辉石和角闪石(图3hj),均为辉石岩脉熔体-铬铁矿交代反应的产物。Chr-II粒间单斜辉石Cpx-II相比辉石岩脉中Cpx-I的V、Sc、Ga、Ti、Zn和Co含量降低(表5),而铬尖晶石Chr-II却比Chr-I具有更高的V、Sc、Ga、Ti、Zn和Co含量(图8),说明在熔体-铬铁矿交代反应过程中,熔体和铬尖晶石中的上述元素发生了重新分配。另外,Cpx-II比Cpx-I略富集Ni,而Chr-II比Chr-I略亏损Ni(图7h),可能指示交代反应过程中,部分Ni元素从Chr-II中释放出来形成富Ni熔体并最终结晶富Ni的Cpx-II。Chr-III与Chr-II和Chr-I相比,具有最高的Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn和Ga含量,指示辉石岩脉熔体富集以上微量元素。研究表明,钛铁矿常出现在强烈分异的富集Fe-Ti熔体的液相线上(Clague et al.,1981;Juster et al.,1989;Morishita et al.,2004)。Lorand and Gregoire(2010)认为演化的富Fe-Ti熔体与铬铁矿反应可导致交代铬铁矿的Mg#降低,熔体中Mg含量升高。Chr-III和Chr-II比Chr-I具有明显低的Mg#值、Chr-II粒间高Mg#单斜辉石Cpx-II以及辉石岩脉和接触带中金红石、榍石和钛铁矿的出现,说明交代熔体为演化的富集Fe-Ti元素的熔体。

图8 Cerruja铬铁矿矿床中不同类型铬尖晶石的Ga vs.V(a),Zn(b),Co(c)和Mn(d)二元图解(高铬型铬铁矿、高铝型铬铁矿以及层状铬铁矿的数据范围引自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蛇绿岩壳-幔过渡带的Potosi高铝型铬铁矿被辉长质侵入体穿切并交代,导致交代铬铁矿富集Ti和Fe3+,并结晶钛铁矿和锆石等富含HFSE的矿物相(Pujol-Solàet al.,2020)。研究表明,Moa-Baracoa蛇绿岩壳-幔过渡带中富Fe-Ti的交代熔体来自俯冲带背景下弧后盆地产生的MORB-like熔体在熔体粥中由于堆晶间隙分离结晶形成富Fe和Ti等元素的残余熔体;该熔体不断从正在凝固的晶体粥中分离圈闭,与周围铬铁矿发生反应,形成富Ti和Fe3+的铬铁矿,并结晶钛铁矿等(Pujol-Solàet al.,2020)。此过程更可能发生在固相线条件下的近封闭体系,如呈脉状侵入的、正在凝固的熔体粥,在这种环境下,熔体可以停滞、缓慢冷却和分异,从而有充分的时间与周围铬铁矿发生反应。布尔齐泽Cerruja铬铁矿矿床中Chr-II和Chr-III的主量元素和V、Ti、Ni、Zn、Co、Mo等微量元素与古巴Moa-Baracoa壳-幔过渡带中被Fe-Ti熔体交代的Potosi铬铁矿具有相似的特点(图5,9)。辉石岩脉中的单斜辉石Cpx-I与穿切Potosi铬铁矿的辉长质脉体中的单斜辉石核部具有相似的稀土元素配分模式(图6a)。以上现象均指示Cerruja高铝型铬铁矿与古巴Potosi高铝型铬铁矿可能经历了相似的熔体交代过程。

5.3 布尔齐泽壳-幔过渡带铬铁矿的形成过程

普遍认为布尔齐泽岩体及其中的铬铁矿经历了MOR向SSZ的叠加演化(Dilek et al.,2008;Xiong et al.,2015)。其中,方辉橄榄岩-纯橄岩-高铬型铬铁矿的产生与俯冲带上部地幔楔部分熔融形成的玻安质熔体相关,而含中等Cr#值铬尖晶石的纯橄岩是MORB-like熔体向玻安质熔体转变过程中产生的过渡型熔体反应的产物(Morishita et al.,2011)。伊豆-小笠原-马里亚纳(IBM)洋内弧的研究表明过渡型熔体的化学属性介于弧前玄武质熔体和玻安质熔体之间(Reagan et al.,2010)。布尔齐泽壳-幔过渡带高铝型铬铁矿的母熔体性质与过渡型熔体类似,结合目前对米尔迪塔蛇绿岩构造环境和演化过程的认识(Dilek et al.,2008;Morishita et al.,2011),认为可能是Mirdita-Pindos洋盆在侏罗纪(～165Ma)发生洋内初始俯冲,导致软流圈物质上涌生成MORB-like弧前玄武质熔体,随着俯冲持续进行,产生的熔体由MORB-like弧前玄武质熔体逐渐向玻安质熔体转变,在此期间形成的化学属性介于弧前玄武质熔体和玻安质熔体之间的过渡型熔体与上地幔顶部的地幔橄榄岩反应生成了高铝型铬铁矿(Chr-I,例如Cerruja、Qaf-Dardhe高铝型铬铁矿矿床)。部分MORB-like弧前玄武质熔体在熔体粥中堆晶间隙分离结晶形成富Fe和Ti等元素的残余熔体,并渗透进入高铝型铬铁矿及围岩。残余熔体在不断冷却凝固过程中交代周围铬铁矿(形成Chr-II),并结晶金红石、钛铁矿和榍石等矿物相;同时,由于大量单斜辉石和斜长石结晶,导致熔体贫Mg和Al,进而在形成辉石岩脉的同时结晶高Cr#低Mg的铬铁矿(Chr-III)。因此,布尔齐泽壳-幔过渡带铬铁矿是蛇绿岩多阶段演化叠加的产物,其复杂的成分变化和矿物组合,可能是不同构造背景、不同熔体性质和不同成因机制共同作用的结果。

图9 Cerruja铬铁矿矿床中不同类型铬尖晶石的微量元素蛛网图(高铝和高铬型铬铁矿的数据引自Zhou et al.,2014,古巴potosi交代成因铬铁矿的数据引自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 结论

阿尔巴尼亚米尔迪塔蛇绿岩布尔齐泽岩体壳-幔过渡带中Cerruja高铝型豆荚状铬铁矿是洋内俯冲环境下过渡型熔体与地幔橄榄岩反应的产物。俯冲带背景下,MORB-like弧前玄武质熔体在熔体粥中堆晶间隙分离结晶并往富Fe-Ti的方向演化,以网脉状渗透并改造高铝型铬铁矿,形成富Fe-Ti的高铬型铬铁矿,并结晶金红石、钛铁矿和榍石等富Ti矿物相。布尔齐泽壳-幔过渡带铬铁矿复杂的成分变化和矿物组合可能记录了米尔迪塔蛇绿岩经历多阶段构造演化叠加的作用过程。

致谢:野外工作得到阿尔巴尼亚地拉那理工大学Milushi Ibrahim教授的大力支持;中国地质科学院自然资源部深地动力学重点实验室毛小红博士和北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室李小犁博士协助完成矿物电子探针分析;矿物原位微量测试和原始数据处理得到杨胜标和李观龙博士研究生的协助;三位评审专家和本刊编辑提出了宝贵的修改意见和建议,在此一并致以诚挚的谢意!