次生埋藏相关重晶石和天青石的矿物学与地球化学意义：来自斯洛文尼亚卡拉万克山脉晚古生代蒸发岩的证据

《Geochemistry》：Mineralogical and geochemical significance of secondary burial-related barite and celestine: Evidence from Late Paleozoic evaporites in the Karawanke Mountains (Slovenia)

本文分析了斯洛文尼亚Karawanke隧道中Carboniferous-Permian和Permo-Triassic蒸发岩的矿物学、地球化学及硫同位素特征，揭示了石膏经埋藏热液作用转化为硬石膏并伴随重晶石/霞石沉淀的机制，发现硫同位素均一性支持高温硫酸盐还原，并指出这些蒸发岩作为锶关键原材料的潜在价值，但受限于规模和分布。

　　在斯洛文尼亚西北部的卡瓦尔尼克山脉（Karawanke Mountains）中，蒸发岩的分布呈现出复杂的地质结构，其夹杂于石炭纪-二叠纪和二叠纪-三叠纪岩石之间。这些蒸发岩主要由石膏（gypsum）组成，同时包含少量的无水石膏（anhydrite）、白云石（dolomite）和钡石-锶石（barite-celestine）。从地球化学角度来看，这些蒸发岩显示出较高的锶（Sr）含量（2000–2700?mg?kg?1）和较低的钡（Ba）含量（210–400?mg?kg?1），这种元素组合反映了在低温同步沉积环境下，锶和钡在溶解性方面的显著差异。研究还发现，热力作用引发的脱水反应是石膏转化为无水石膏的主要机制，随后冷却至无水石膏稳定阈值以下，使得脱水过程逐渐逆转，从而形成石膏和无水石膏的共存。热力改造不仅改变了石膏的矿物学特性，还导致了微量元素的迁移，并通过溶解-再沉淀机制形成了次生的钡石和锶石，表现出明显的化学分带特征。

研究者通过实地考察和实验室分析，揭示了这些蒸发岩的形成机制及其在区域成矿过程中的作用。蒸发岩不仅是古海洋化学条件的记录者，也是现代工业和科技领域中关键元素的重要来源。例如，石膏在建筑、水泥工业和农业土壤改良中具有广泛应用，而钡石和锶石则在石油钻探、核设施辐射屏蔽以及玻璃制造等领域发挥重要作用。特别是在当前工业发展和资源需求日益增长的背景下，锶作为重要的战略元素，其在蒸发岩中的富集具有潜在的经济价值。

在卡瓦尔尼克隧道的地质背景下，研究区域的沉积岩序列反映了该地区在石炭纪至三叠纪期间经历了持续的干旱气候条件，这为蒸发岩的沉积提供了有利的环境。研究发现，这些蒸发岩的形成与区域构造活动密切相关，特别是在高压高温的埋藏条件下，石膏的脱水反应导致了无水石膏的形成，而随后的冷却则促使无水石膏重新吸水，恢复为石膏。这一过程不仅影响了蒸发岩的矿物组成，还促进了微量元素的释放和迁移。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究者观察到了蒸发岩中的次生矿物，如钡石-锶石，它们在裂隙中形成明显的化学分带，从富含钡的边缘过渡到富含锶的核心。这种分带现象与温度变化、溶解度和蒸发岩衍生卤水的化学反应性密切相关。

此外，研究还对蒸发岩中的硫同位素组成进行了分析，结果显示其δ3?S值在+11.8到+13.7‰之间，变化范围较小，表明在高温条件下，硫酸盐经历了几乎完全的还原作用。这一过程可能受到埋藏过程中热生成甲烷的催化作用，甲烷来源于有机质的热分解。同时，铁（Fe2?）和镍（Ni2?）等特定阳离子，以及粘土矿物（如蒙脱石）的存在，进一步促进了硫酸盐的还原反应。这些同位素数据不仅有助于确定蒸发岩的成因，也为理解该地区金属矿床的形成机制提供了重要的线索。

研究还探讨了蒸发岩中钡和锶的地球化学行为。在高温和高盐度的条件下，钡的溶解度较低，而锶则具有更高的溶解度。因此，在溶解过程中，溶液首先富集锶，随后随着钡的释放，其迅速与硫酸盐反应，形成钡石。这种机制导致了钡石和锶石在裂隙中的分带现象，从富含钡的边缘过渡到富含锶的核心。通过分析不同地质单元的矿物组成和地球化学特征，研究者进一步揭示了蒸发岩在不同成矿阶段中的作用，特别是在热液成矿和沉积成矿之间的相互影响。

此外，研究还对蒸发岩的工业和经济意义进行了深入探讨。锶作为关键元素，其在蒸发岩中的富集为工业和科技领域提供了潜在的资源来源。然而，由于这些蒸发岩的体积有限、构造破坏以及分布不均，它们可能只能作为次要资源或应急资源。因此，未来的研究需要进一步探索这些蒸发岩的提取方法，以及如何在不破坏其地质结构的前提下，合理利用其中的锶资源。

综上所述，卡瓦尔尼克山脉的蒸发岩不仅记录了古环境的演变，还揭示了成矿过程中的关键地球化学机制。通过综合分析矿物学、地球化学和硫同位素数据，研究者构建了一个完整的成因模型，解释了蒸发岩在高温和低温条件下的变化过程，以及这些变化如何影响次生硫酸盐的形成和分布。这一研究不仅深化了我们对蒸发岩形成机制的理解，也为相关资源的勘探和利用提供了重要的科学依据。