碳酸岩研究现状

发布网友发布时间：2022-04-23 07:56

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热心网友时间：2022-06-18 00:24

碳酸岩是世界上出露相对较少的幔源岩石之一，其规模通常很小，常与碱性岩形成环状杂岩体，呈岩颈、岩墙、岩锥等产状在*裂谷环境广泛分布（Bell,1989；Woolley,1989；Bell and Keller,1995；Bell et al.,1998），在碰撞造山带和洋岛等构造环境也有呈单一透镜体、条带状和似层状产出的碳酸岩（Le Bas,1984,1989；Woolley,1989；Tilton et al.,1998），其形成时代从太古宙至现代（坦桑尼亚OIdoinyo Lengai碳酸岩火山最近一次喷发是1993年6月）（Woolley,1989；Veizer et al.,1993；Tilton and Bell,1994；Bell and Keller,1995）。与硅酸盐熔体相比，碳酸岩熔体相对富含挥发分，其固液温度、粘度（1.5×10²～5×10³P_a-s）和密度（2.2g/cm³）均较低（Triman and Schedl,1983；Kjarsgaard and Hamilton,1989；Dobson et al.,1996），极易流动和活动，富含不相容元素，其扩散速率很大。在其上升穿越相对较“冷”的岩石圈地幔时，可以与地幔二辉橄榄岩等进行反应，导致单斜方辉石向斜方辉石转变，促使地幔交代作用发生。在改变地幔矿物学特征和化学成分的同时，释放富含CO₂的流体；高温高压实验岩石学研究表明（Sweeney,1994），与碳酸岩熔体形成相关的部分熔融作用可以发生在地幔软流圈，这是目前已知的最深的岩浆源区之一，也可以发生在地幔岩石圈；碳酸岩与许多金属（REE、Nb-Ta、U-Th、Cu、Au等）、非金属（磷灰石、萤石、蛭石、金刚石等）矿产资源密切相关（Le Bas,1989；Hamilton et al.,1989；Buhn and Rankin,1999）。因此，碳酸岩被视为研究*地幔地球化学的“探针岩石”，通过对这类岩石的研究，在探讨地幔组成与演化、地幔交代作用与不均一性以及岩浆形成的动力学背景、岩浆来源及演化和有关矿产的成矿作用等方面具有重要的理论意义和实际价值（Bell et al.,1998；杨学明等，1998；刘焰等，1998；秦朝建和裘愉卓，2001）。

国外学者已从地质学、岩石学、矿物学、地球化学、高温高压实验、成因岩石学和经济地质学等各方面对世界各地碳酸岩进行了深入研究，取得了以下主要认识：①碳酸岩主要为*拉张岩石圈构造背景（如裂谷等）幔源岩浆活动产物（Le Bas,1977；Bell,1989；Woolley,1989；Bell and Keller,1995；Bell et al.,1998）；②碳酸岩来源于交代富集地幔（Eggler,1989；Simonetti et al.,1995；Bulakh and Ivanikov,1996；Schleicher et al.,1998；Blundy and Dalton,2000）；③碳酸岩熔体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（Green and Wallace,1988；Yaxley et al.,1991,1998；Dautria et al.,1992；Dupuy et al.,1992；Hauri et al.,1993；Ionov et al.,1993；Rudnick et al.,1993；Col-torti et al.,1999；Gorring and Kay,2000；Devey et al.,2000；Kogarko et al.,2001）；④地幔柱（plume）在碳酸岩母岩浆形成过程中具有重要作用（Marty et al.,1998；Simonetti et al.,1998；Veena et al.,1998；Jyotiranjan et al.,1999；Tolstikhin et al.,1999；Devey et al.,2000；Bell and Tilton,2001）；⑤碳酸岩熔体主要有三种成因理论，即原始地幔部分熔融作用（Wyllie and Huang,1975；Wallance and Green,1988；Sweeney,1994；Wyllie and Lee,1998；Lee and Wyllie,2000）、碱性岩浆液态不混溶作用（Koster van Groos and Wyllie,1968；Rankin and Le Bas,1974；Hamilton et al.,1979；Freestone and Hamilton,1980；Kjars-gaard and Hamilton,1989b；Brooker and Hamilton,1990；Pyle and Haggerty,1994；Church and Jones,1995；Seifert and Thomas,1995；Lee and Wyllie,1997；Chalot-Prat andArnold,1999）和富CO₂基性—超基性岩浆结晶分异作用（King and Sutherland,1960；Lee and Wyllie,1994；Veksler et al.,1998）；⑥碳酸岩岩浆演化过程中可以分异出富含成矿元素（如REE、Nb、Ta等）的成矿流体（Le Bas,1977；1981,1989；Wendtlandt and Harrison,1979；Hami lton et al.,1989；Bühn and Rankin,1999）。

当然，碳酸岩研究还面临许多问题，正如Bell等（1998）指出的当前碳酸岩研究工作中最重要的五个问题：①碳酸岩母熔融体是由岩石圈还是软流圈产生的？或者它们是代表二者的混合物？②碳酸岩是作为局部熔融体直接从地幔产生的还是它们是碳酸盐化硅酸盐熔体岩浆分异的产物？③这种母熔融体能够不费力地穿过地幔进行迁移吗？这种熔融体如何影响上地幔的化学和矿物成分（实际交代作用和潜在交代作用）？④硅酸盐岩石（碱性超基性岩、黄长岩、霞石岩、正长岩等）与空间上伴生的碳酸岩之间是什么关系？⑤碳酸岩岩浆如何分馏和演化？

Bell and Blenkinsop（1987）分析了东非裂谷碳酸岩Sr、Nd同位素组成，发现⁸⁷Sr/⁸⁶Sr—δ_Nd显示很好的负相关系，这种简单的混合模式并不涉及*地壳成分，同时碳酸岩的Sr、Nd和Pb同位素地球化学特征不能用任何地壳储源来说明其源区性质，因为地壳储源不具有这些同位素组成范围，这就排除碳酸岩是由沉积岩经深部重熔作用形成的可能性。根据大洋玄武岩的同位素组成变化特征，Zindler and Hart（1986）提出存在5种地幔端元：DMM、HIMU、EM1、EM2和PREMA。Bell and Blenkinsop（1987）提出碳酸岩Sr-Nd同位素的负相关趋势来源于HIMU和EM1地幔端元的混合作用，即东非裂谷碳酸岩倾向线（EACL）。但Kalt等（1997）对比东非主要碳酸岩地区的Sr、Nd、Pb同位素组成，发现碳酸岩源区缺少一致的地幔端元组分。同一样品在¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd—⁸⁷Sr/⁸⁶Sr图中靠近HIMU端元，而在²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb图解中，相对偏离了HIMU。Kalt等（1997）认为简单的二元混合模式并不能充分地解释碳酸岩源区的特征，可能反映它们经历了不同程度和时间的富集、亏损过程，导致源区同位素组成不均一。

从图4-1中可见，全球碳酸岩的成岩时代与主要造山和构造事件十分接近，碳酸岩产出的数量随时间递减逐渐增加。Wooley（1989）发现世界上大多数碳酸岩位于造山带边缘，碳酸岩岩浆活动的强度与陆地演化呈上升趋势。Veizer等（1993）认为这种趋势可归于造山和侵蚀两个主要过程。沉积物和洋壳的俯冲为碳酸岩源区提供了大量的CO₂，同时造山运动产生压力场，形成新的或再生的老断裂或裂谷，为CO₂提供通道，产生大量的碳酸岩岩体。来自印度东部的碳酸岩，显示较一致的δ¹³C和δ¹⁸O同位素组成，δ¹⁸O无明显富集现象，落在初始地幔范围内，而δ¹³C完全高于初始地幔（Ray et al.,1999）。这种特征反映了碳酸岩的源区受到地壳物质的俯冲作用，导致其源区δ¹³C值偏高。

图4-1　全球碳酸岩成岩时代频率分布图

（据Woolley,1989）

我国碳酸岩分布广泛，储同庆（1992）统计在山东中部莱芜—博山—淄博交界处65km×33km范围内就有110多个碳酸岩体；成岩时代自元古宙（内蒙古白云鄂博REE—Nb—Ta矿床中的碳酸岩）至新生代（四川冕宁REE矿床中的碳酸岩）（表4-1）；岩石组合主要为正长岩－碳酸岩，其次为碱性超基性岩—碳酸岩和独立碳酸岩（表4-1）。虽然历来对白云鄂博赋矿围岩——H₈白云岩的成因有很多争论（刘淑春等，1999），但岩浆成因观点已被越来越多的研究所证实（周振玲等，1980；刘铁庚，1985；Le Bas et al.,1992,1997；白鸽等，1996；Yang et al.,1998；陶克捷等，1998；章雨旭等，1998；杨学明等，1999,2000；舒勇等，2001），这也是我国研究程度最高的碳酸岩。对其他地区碳酸岩系统地球化学和成因岩石学研究相对较少，总体研究程度较低，与国外碳酸岩研究水平相比存在较大差距。