石英脉体与高级别岩石的40Ar/39Ar阶段破碎分析揭示东比利牛斯阿格利地块长期流体活动性证据

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Evidence for protracted fluid mobility from 40Ar/39Ar stepwise crushing of quartz-rich veins and high-grade rocks

本研究针对东比利牛斯阿格利地块地区流体活动时限不清的科学问题，研究人员开展了对石英脉及高级别岩石的40Ar/39Ar阶段破碎年代学与流体包裹体分析。研究结果识别出约140 Ma、120-90 Ma和80-60 Ma三期主要流体脉冲，揭示了该地区在白垩纪地壳伸展及古近纪汇聚剥露过程中存在长期的、幕式的流体活动，为理解复杂造山带多期构造-变质演化过程中的流体-岩石相互作用提供了关键的时间约束。

　　

在地球科学领域，精确解读大陆地壳的热和化学演化历史，犹如破解一部记录地球深部过程的“石头记”。然而，这部“天书”的解读常常因流体的介入而变得扑朔迷离。流体，作为地球内部物质和能量传输的关键载体，在岩石的变形、变质和成矿过程中扮演着核心角色。它们能够与岩石发生广泛的相互作用，部分甚至完全重置放射性同位素计时系统，使得区分岩石的原始结晶年龄、后期热事件叠加年龄以及冷却历史变得异常复杂。位于法国南部的东比利牛斯山阿格利地块及其周边区域，正是这样一个记录了多期构造-变质演化和复杂流体历史的天然实验室。数十年的研究已经揭示了该地区从华力西期的岩浆活动，到白垩纪的构造-变质叠加，再到新生代阿尔卑斯期隆升剥露的复杂历史。然而，一个关键的科学问题始终悬而未决：驱动这些地质过程的流体，其活动的时间尺度和幕次性究竟如何？它们是如何影响并记录这一漫长地质演化过程的？

为了回答这些问题，由荷兰阿姆斯特丹自由大学Intan Chalid等人组成的研究团队，对阿格利地块的石英脉和高级别岩石展开了一项精细的综合研究。他们的研究成果发表在权威地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，题为“来自富石英脉和高级别岩石的⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎分析的长期流体活动性证据”。这项研究旨在通过一种精密的年代学技术——⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎分析，来直接测定被封存在石英矿物流体包裹体中的古老流体年龄，从而为区域流体活动史提供直接的时间证据。

研究人员综合利用了多种关键技术方法。核心方法是⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎年代学，通过对石英样品进行逐步的物理破碎，分步释放并测量不同来源流体包裹体中的氩同位素，从而解析不同期次流体的年龄信息。辅助技术包括流体包裹体显微测温学和拉曼光谱分析，用于确定捕获流体的物理化学条件（如盐度、均一温度）和化学成分（如CO₂、N₂）。此外，还运用了电子探针分析以表征脉体和围岩的矿物化学成分。研究样本来源于阿格利地块及邻区约1500平方公里范围内采集的石英脉（包括可能的晚华力西期脉体）、石英质熔体脉（如混合岩中的浅色体、细晶岩、伟晶岩）以及含石英的高级变质岩（如麻粒岩、混合岩、变花岗闪长岩）。

矿物成分与流体特征

对代表性石英脉样品（L.17A和L.58A）的矿物学分析表明，脉体主要由石英、铁绿泥石、铁黑云母、白云母等组成。流体包裹体分析揭示，样品L.58A中的流体为高盐度卤水（约25.7 wt% NaCl当量），其均一温度显示出双峰分布，暗示了部分包裹体经历了捕获后的再平衡。而样品L.17A则含有水-碳酸盐多相包裹体，其中检测到N₂和CO₂以及方解石、菱铁矿等子矿物，表明流体成分更为复杂。这些地球化学特征为理解流体来源和性质提供了重要依据。

高级别岩石的晶内变形与流体渗透

对高级别岩石（如混合岩L.22F、麻粒岩L.24A）中石英的显微结构观察，发现了诸如条带状石英、不规则棋盘格消光、亚颗粒旋转重结晶等变形结构，指示了这些岩石经历了高温（>500°C）的固态变形。同时，石英颗粒被后期裂隙切割，并伴有次生流体包裹体迹线，清晰地表明在主要结晶或变形事件之后，仍有流体的渗透和相互作用。

阶段破碎年代学结果

⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎分析获得了丰富的年代学信息。根据石英样品的来源不同，其最大表观年龄可分为三组：

1. 1.
   石英脉：最大表观年龄集中在~140 Ma (L.17A), ~118 Ma (L.58A), ~101 Ma (L.2A) 和 ~60 Ma (L.38D)。
2. 2.
   石英质熔体脉（如混合岩浅色体）：最大表观年龄为~144 Ma (L.32A), ~124 Ma (L.39A), ~96 Ma (L.21A) 和 ~70 Ma (L.38C)。样品L.32A和L.21A还识别出~81 Ma和~72 Ma的次生年龄谱段。
3. 3.
   高级别岩石：最大表观年龄为~119 Ma (L.45A, 变花岗闪长岩), ~61 Ma (L.24A, 麻粒岩) 和 ~55 Ma (L.22F, 混合岩)。L.45A同样显示出~58 Ma的次生年龄。

这些年龄数据清晰地勾勒出三期主要的流体活动事件：约140 Ma、约120-90 Ma以及约80-60 Ma。

讨论与结论

本研究通过创新的⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎技术，成功地将阿格利地块的流体活动历史置于一个精确的时间框架内。研究表明，该地区的流体活动并非连续不断，而是以幕式脉冲的方式进行，主要发生在早白垩世（~140 Ma）、白垩纪中期（~120-90 Ma）和晚白垩世-古新世（~80-60 Ma）。这些流体脉冲与区域上已知的重大构造事件紧密相关：~140-90 Ma的年龄对应于白垩纪地壳伸展（如比斯开湾张开）相关的构造-变质叠加高峰期，而~80-60 Ma的较年轻年龄则可能与阿尔卑斯造山运动早期阶段的隆升和剥露过程中的流体活动有关。

研究的另一个重要发现是流体中钾的来源。通过分析³⁷Ar_Ca/³⁹Ar_K和³⁸Ar_Cl/³⁹Ar_K等同位素比值，研究人员提出，用于定年的钾很可能源自于这些高盐度卤水本身，这些卤水在运移过程中从富钾的围岩中淋滤了钾元素。同时，某些样品中异常高的初始⁴⁰Ar/³⁶Ar比值（远超大气比值298.56），指示了过剩氩的存在，这反映了古老岩石中的放射性成因氩被后期流体活动捕获或叠加，进一步证明了流体与围岩之间发生了广泛的相互作用。

综上所述，这项研究不仅为东比利牛斯山阿格利地块的复杂构造-热历史提供了关键的流体活动时间约束，更重要的是，它展示了⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段破碎技术在直接定年流体活动、揭示造山带长期演化过程中的幕式流体-岩石相互作用方面的巨大潜力。该研究深化了我们对流体在地壳演化中作用的理解，为解析多期次构造叠加区的热-力学历史树立了一个重要的范例。