Malaguide-Ghomaride Culm Facies（Betic Cordillera与Rif Chain，西地中海）的矿物学-地球化学特征：对北Gondwana晚石炭世Paleotethys洋分支与板块构造重建的新约束

《Geological Magazine》：Mineralogical and geochemical signatures of the Malaguide-Ghomaride Culm Facies (Betic Cordillera and Rif Chain: Western Mediterranean): new constraints for the northern Gondwana plate tectonics

　　

本研究调查了来自 Malaguide（西班牙南部）和 Ghomaride（摩洛哥北部）域（Betic Cordillera 和 Rif Chain）石炭纪 Culm Facies（石炭纪Culm相）七个地区的25个板岩样品矿物学和化学组成，以及4个粗粒板岩的岩相学。该序列包括下部 Almogía Formation（Almogía组；Retamares Member 和 Greywacke-Slate Member）和上部 Marbella Conglomerate Formation（Marbella砾岩组）。原岩起源于页岩沉积物，由石英、长石、云母和 Fe-oxides（铁氧化物）组成。从 Malaguide 到 Ghomaride 域观察到的石英含量向上增加，表明沉积成熟度增加，这是由于沉积前构造期之后的侵蚀和沉积物再循环所致。这些岩石经历了埋藏后的极低级变质作用（very low-grade metamorphism；200–300°C）。地球化学特征显示向上长英质组分增加、镁铁质含量减少，表明腹地（hinterland）火山弧和/或残余洋缝合带的侵蚀。碎屑绿泥石（detrital chlorite）和伊利石/白云母（illite/muscovite）证实源区低级变质碎屑特征。沉积期间以中等氧化气候条件为主。将研究人员的发现与近期研究结合，研究人员提出，在石炭纪期间，多个 Paleotethys Ocean（古特提斯洋）分支将 Paleo-Mesomediterranean microplate（PMM，古中地中海微板块）与北部的 Iberian-Central French Domain（伊比利亚-法国中部域）分开，并与南部的 Paleo-Atlas-Saharian Domain（古阿特拉斯-撒哈拉域）分开。位于南 Paleotethys 分支之一的 Malaguide 和 Ghomaride 域，接受了来自北部前石炭纪变质带以及洋缝合带和/或岩浆弧的碎屑。这些腹地源地体在 Culm Facies 沉积之前就已结构化，随后在最新石炭纪 Paleotethyan 阶段发生结构化，促成 Pangaea（泛大陆）最终拼合。

Culm Facies（Culm相）为石炭纪同造山浊积岩沉积，广泛分布于环地中海地区，记录了Pangaea（泛大陆）聚合期间北Gondwana（冈瓦纳）边缘的复杂构造演化。Malaguide（西班牙南部Betic Cordillera）和Ghomaride（摩洛哥北部Rif Chain）域保存了晚古生代Culm Facies，但以往研究多集中于粗粒砂岩，细粒板岩的矿物学、地球化学、物源、古风化、变质温度及古构造约束仍不充分。该研究对七个地区16条地层剖面的25个板岩和4个粗粒板岩开展矿物学、地球化学和岩相学研究，旨在补足北Gondwana西Paleotethys（古特提斯洋）区域的物源和古构造信息。研究认为，原岩来自页岩沉积物，经历埋藏后极低级变质作用（very low-grade metamorphism；200–300°C）；沉积物成熟度向上增加，长英质组分增加而镁铁质组分减少，指示腹地火山弧和/或残余洋缝合带侵蚀；结合近期研究，研究人员提出多个Paleotethys洋分支在石炭纪分隔Paleo-Mesomediterranean microplate（PMM，古中地中海微板块）与北侧Iberian-Central French Domain和南侧Paleo-Atlas-Saharian Domain，Malaguide-Ghomaride位于南部分支边缘，其Culm盆地于最新石炭纪Paleotethyan阶段闭合，参与Pangaea最终拼合。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员从西班牙Murcia、Lorca、Granada、Malaga和摩洛哥Ceuta、Tetouan、Chaouen七个地区采集样品，样品来自16条地层剖面，包括25个板岩和4个粗粒板岩。全岩及<2 μm粒级采用X射线粉末衍射（XRPD，X-ray powder diffraction）分析矿物组成，全岩主量元素采用X射线荧光光谱（XRF，X-ray fluorescence）分析，微量元素和稀土元素（REE，Rare Earth Elements）采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，inductively coupled plasma mass spectrometry）分析；4个板岩薄片用偏光显微镜进行岩相学观察；利用CIS（Crystallinity Index Standard，结晶度指数标准）、KI（Kübler Index，Kübler指数）和b参数估算变质温度压力；用化学蚀变指数（CIA，Chemical Index of Alteration）等指标讨论古风化和古气候。

研究结果：
5.a. Bulk mineralogy of the slates（板岩全岩矿物学）：全岩矿物包括石英（Qtz）、长石（K-feldspar和plagioclase）、针铁矿（Gth）、方解石（Cal）、赤铁矿（Hem）、锐钛矿（Anat）及层状硅酸盐：伊利石/白云母（Il/Ms）、伊利石/蒙皂石混层（I/S）、绿泥石（Chl）、三八面体混层矿物（TML）、钠云母（Pg）和高岭石-迪开石（Kao）。Qtz为12.9–34.7 wt%，长石平均约10 wt%，K-feldspar少于plagioclase。Gth几乎全部样品中低含量（约5 wt%），Cal和Hem仅少量，Anat所有样品中极低。Il/Ms为18–54 wt%，最高在Malaguide Complex的Greywacke-Slate Mb（54 wt%）。Chl为2–19 wt%，总体向上减少，但在Marbella Conglomerate Fm向上增加（13–18 wt%）；Ghomaride Complex中Greywacke-Slate Mb为12.7–14 wt%，Retamares Mb缺失。I/S为5–20 wt%，TML为0–20 wt%。Dickite-kaolinite仅4个样品，Paragonite仅1个Ghomaride上部样品。
5.b. Clay fraction (<2 μm) of the slates（板岩<2 μm黏土粒级）：<2 μm粒级中Il/Ms占59–91 wt%，为所有样品主要相。Malaguide中Retamares Mb降低，Greywacke-Slate Mb和Marbella Conglomerate Fm增加；Ghomaride中最高在Greywacke-Slate Mb。Pg仅样品23A-89达6 wt%。I/S为2.5–20.5 wt%，有序度从R0到R3；R0主要在Murcia Sector的Greywacke-Slate Mb，R1仅两个样品，R3多数样品。Chl为2–17 wt%，最低在Malaguide上部Greywacke-Slate Mb（Murcia和Lorca）。TML为2–36 wt%，最高在Malaga Sector的Retamares Mb。Chl+TML总和0–约40 wt%，最高在Malaga Retamares Mb，最低在Murcia Greywacke-Slate Mb。CIS为0.32–0.52 °2θ，b参数为8.993–9.016 ?（样品22A-97为9.026 ?），指示低锚带至锚带、低压2–5 kbar。Malaga Retamares Mb记录最高温度约280–300°C，Marbella约250°C；Lorca Greywacke-Slate Mb约230–250°C；Murcia Greywacke-Slate Mb约200°C、约3 kbar；Ghomaride整个序列约250°C。
5.c. Petrography and Geochemistry of the slates（板岩岩相学与地球化学）：板岩原岩矿物组合为石英、斜长石、K-feldspar、黑云母、白云母、Fe-oxide和少量方解石；变质矿物组合在细粒基质中为绿泥石、绢云母、绿帘石和细重结晶石英。细粒类型发育透入性叶理，中粒样品保留残余沉积颗粒结构。全岩化学：19个Malaguide样品和6个Ghomaride样品，排除两个异常样品22A-59（Fe₂O₃ 35.81 wt%）和23A-13（SiO₂ 77.78 wt%）。SiO₂/Al₂O₃与Fe₂O₃/K₂O指示原岩来自页岩。Malaguide下部Retamares Mb平均SiO₂ 55.55 wt%、Al₂O₃ 20.93 wt%、K₂O 4.58 wt%、CaO 0.44 wt%、Fe₂O₃ 8.34 wt%、MgO 2.91 wt%，Cr/Th 19.76、Zr/Sc 10.54、Rb/Sr 1.64、ΣREE 108.76 ppm、La/Yb 10.35。Malaguide上部Greywacke-Slate Mb和Marbella Conglomerate Fm的SiO₂为53.7–65.3 wt%（平均57.1 wt%）、Al₂O₃ 17.3–24.21 wt%、K₂O平均4.31 wt%、Fe₂O₃ 7.72 wt%、MgO 1.96 wt%、Cr/Th约13.25、Zr/Sc约13.15、Rb/Sr 1.1、ΣREE 118.89 ppm、La/Yb 10.47。Ghomaride平均SiO₂ 58.77 wt%、Al₂O₃ 19.85 wt%、K₂O 3.95 wt%，Cr/Th 22.50、Zr/Sc 28.76、Rb/Sr 1.22、ΣREE 93.59 ppm、La/Yb 9.71。

讨论部分总结：
6.a. Relationships between chemistry, mineralogy and metamorphic features（化学、矿物学与变质特征关系）：Malaguide下部Retamares Mb平均Qtz 23.29 wt%，上部Greywacke-Slate Mb约25.4 wt%，Ghomaride平均27.4 wt%。Il/Ms与K₂O、Qtz与SiO₂、K₂O与Al₂O₃正相关，Al₂O₃与SiO₂负相关；Cr、Co、Ni、V与Al₂O₃正相关，与Il/Ms相关，而与Chl+TML无相关，表明这些元素被新形成伊利石和白云母获取。MgO、Fe₂O₃、重稀土元素（HREE，Heavy Rare Earth Elements）与Chl和TML相关，与Il/Ms无关；Chl+TML向上减少，与酸性碎屑增加一致。Il/Ms高丰度指示极低级变质；部分绿泥石和TML（主要为黑云母）为碎屑来源，尤其Malaguide下部。Th-Hf-Co和Zr/Sc vs Th/Sc显示下部向玄武岩偏移，与后太古宙澳大利亚页岩（PAAS，Post-Archaean Australian Shales）比较显示Fe₂O₃+MgO、Cr+Co、V富集，Zr和Th较低。REE模式显示轻稀土元素（LREE，Light Rare Earth Elements）富集，(La/Yb)_ch平均10.57，HREE平坦，(Gd/Yb)_ch平均1.68，正Ce异常（Ce/Ce^* 1.28），负Eu异常（Eu/Eu^*平均0.71）。HREE与绿泥石和TML正相关，与Il/Ms和Zr/Sc负相关，指示部分绿泥石和TML碎屑成因，Il/Ms变质成因；LREE与云母矿物无关，可能与磷灰石、独居石等副矿物有关。
6.b. Estimated temperatures (metamorphism)（温度估算与变质作用）：用KI和b参数估算，Ghomaride约250°C；Malaguide中Murcia Greywacke-Slate Mb最低（2–3 kbar，约200°C），Lorca稍高（230–250°C），Malaga Retamares Mb最高（280–300°C），Marbella约250°C。总体为极低级变质（200–300°C）。高岭石-迪开石、I/S或绿泥石-蒙皂石混层等成岩矿物与Alpine Orogeny期间Malaguide Complex的极低级变质/成岩-低锚带条件有关。
6.c. Paleo-depositional environment, paleoweathering and paleoclimate（古沉积环境、古风化和古气候）：Ni/Co vs V/(V+Ni)指示氧化沉积条件；CIA为67–77%，指示源区中等蚀变；正Ce异常和K₂O/Al₂O₃ vs Ga/Rb指示氧化环境下中至长期风化。
6.d. Unroofing and paleotectonic implications（去顶和古构造意义）：石英向上增加及Malaguide到Ghomaride增加，指示沉积物成熟度增加，与构造期后侵蚀和先前沉积盖层再循环有关。埋藏后变质由高Il/Ms证明；讨论指出极低级变质温度范围为170–250°C，可归属于晚Variscan s.l.或Alpine变质。Fe₂O₃、MgO、Zr/Sc、TML+Chl vs MgO、Th-Hf-Co和Zr/Sc vs Th/Sc指示可能岩浆供给；从Retamares Mb到Greywacke-Slate Mb，长英质增加、镁铁质减少，指示腹地火山弧和/或残余洋缝合带侵蚀，下部更明显。部分绿泥石和TML碎屑成因、Il/Ms变质成因，指示Culm Facies沉积前存在伴随低级变质的构造阶段。结合Criniti et al.，北Gondwana多个Paleotethys洋分支将PMM微板块与北侧Iberian-Central French Domain、南侧Paleo-Atlas-Saharian Domain分隔；Malaguide-Ghomaride位于南Paleotethys分支边缘，洋缝合带及其变质沉积盖层为Malaguide-Ghomaride盆地提供物源；该盆地在石炭纪末Paleotethys构造阶段缩短闭合，后受Alpine构造和西地中海新生代打开影响。

研究结论翻译：
（1）确定了Malaguide（西班牙南部）和Ghomaride（摩洛哥北部）域石炭纪Culm Facies七个地区25个板岩样品的矿物学和化学组成，以及4个粗粒板岩的岩相学。
（2）这些域由Almogía Fm（包括Retamares和Greywacke-Slate mbs）及其上的Marbella Conglomerate Fm组成。
（3）板岩原岩矿物组合为石英、斜长石、K-feldspar、黑云母、白云母、Fe-oxide和少量方解石；全岩化学指示原岩为页岩沉积。
（4）序列中石英含量向上增加，且从Malaguide到Ghomaride域增加，表明沉积物自下而上和从一个域到另一个域具有一定成熟度，可与先前构造期后侵蚀推进及先前沉积物再循环相关。
（5）计算温度指示Culm Facies沉积物遭受沉积后极低级变质，在锚带条件下成为板岩。
（6）镁铁质含量向上减少表明可能存在岩浆供给，可能指示腹地火山弧和/或残余洋缝合带侵蚀，且在下部岩石地层单元沉积期间更活跃。
（7）部分绿泥石和TML的碎屑来源指示Il/Ms为变质成因；这可能指示Culm Facies沉积前发生过伴随低级变质的构造阶段。
（8）地球化学特征指示Culm沉积物沉积期间腹地处于氧化环境，并以中至长期风化为主。
（9）根据研究人员的发现及近期发表论文，石炭纪期间北Gondwana古特提斯洋多个洋分支将Paleo-Mesomediterranean（PMM）微板块与北侧Iberian-Central French Domain和南侧Paleo-Atlas-Saharian Domain分隔。
（10）在PMM上，Culm Facies沉积的Malaguide和Ghomaride域位于南Paleotethys洋分支边缘。
（11）北侧洋分支闭合期间应发生低级变质，该分支分隔PMM与Iberian-Central French Domain，岩浆弧/洋缝合带成为Culm Facies沉积物的源区。
（12）该区域应是Malaguide-Ghomaride Culm盆地腹地的主要部分；Culm盆地在Pangaea超大陆建设末期、最新石炭纪Paleotethysian构造阶段闭合和结构化。