识别碎屑与自生K-Ar黏土年龄：墨西哥南部二叠纪—三叠纪河流相沉积的启示

《Chemical Geology》：Deciphering detrital vs. authigenic K Ar clay ages from a Permian–Triassic fluvial deposit of southern Mexico

　　

本研究综合岩相学、X射线衍射（XRD）、镜质体反射率、黏土粒级常规K-Ar定年、激光烧蚀原位K-Ar年代学及激光诱导击穿光谱（LIBS）地球化学，对墨西哥南部二叠纪—三叠纪Matzitzi组的成岩与热液演化开展研究。区分碎屑组分与自生组分对于解释陆相硅质碎屑体系中的K-Ar年龄至关重要，因为继承性矿物与新生成矿物相常共存。绢云母±伊利石被识别为主要自生矿物组合，以基质胶结物及长石（尤其斜长石）蚀变交代产物两种形式产出，指示沉积后广泛的流体—岩石相互作用。粒级K-Ar数据呈现随粒度减小年龄不变、增大与减小等不同趋势，反映碎屑与自生物质的比例差异。原位K-Ar分析成功区分了基底来源的继承性矿物（元古代—古生代年龄）与沉积后蚀变形成的自生相。热液循环与绢云母化的主要幕发生于约220—180 Ma，主峰约214 Ma，接近三叠纪—侏罗纪界线。较年轻的侏罗纪年龄（<170 Ma）指示流体循环持续，可能与构造再活化及局部岩浆作用有关。镜质体反射率值2—3% R₀指示温度约200—250 °C，与早中生代构造热演化期间的深埋或异常地热梯度相容。总体而言，将常规与原位K-Ar定年同矿物学及地球化学约束相结合，为解析陆相相序中的混合年龄群体与成岩作用提供了框架。

研究背景方面，硅质碎屑沉积岩中的成岩与低级变质过程控制着矿物转化、流体—岩石相互作用及沉积盆地演化，而陆相沉积因物源多变、相变快、分选差而尤为复杂，常包含碎屑与自生相的混合。黏土矿物与细粒层状硅酸盐对成岩与热液过程敏感，伊利石与绢云母广泛用于K-Ar定年以约束流体—岩石相互作用时限，但黏土粒级K-Ar年龄常因继承性碎屑颗粒与新生成自生矿物的混合而难以解释，在河流体系中因沉积再旋回与水动力分选有限而更为突出。传统粒级分离定年基于细粒级渐富自生组分、粗粒级保留碎屑信号的假设，但年龄—粒度正相关、负相关与平坦相关等模式的解释常具非唯一性。激光烧蚀原位K-Ar定年的分析进展使直接瞄准特定结构域或单矿物颗粒成为可能，可在0.1 mm尺度区分碎屑与自生组分。二叠纪—三叠纪是Pangea初始裂解伴随构造重组的关键时期，墨西哥南部Matzitzi组保存了该时期厚层河流相砂岩与粉砂岩，部分物源来自Oaxacan Complex新元古代高级变质基底。本研究旨在表征黏土粒级矿物组成并评估碎屑与自生组分贡献、评价粒级K-Ar年龄趋势的意义、约束成岩与热液事件的时限与条件。研究人员得出，绢云母±伊利石为主要自生矿物组合，热液循环与绢云母化主要幕为约220—180 Ma、主峰约214 Ma，较年轻侏罗纪年龄指示流体循环持续，镜质体反射率2—3% R₀指示约200—250 °C，结合常规与原位K-Ar定年及矿物学、地球化学约束可为解析陆相相序混合年龄群体与成岩作用提供框架，对理解Pangea西缘裂解相关构造热过程具有重要意义。

技术方法方面，研究采集Matzitzi组17件砂岩与粉砂岩样品（墨西哥—瓦哈卡公路8件HW样品、Los Reyes Metzontla地区9件RM样品），对富含有机质的HW-88与HW-89样品开展干酪根组分提取与镜质体反射率测定；采用X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修定量全岩与黏土粒级（4–2 μm、2–0.5 μm、<0.5 μm）矿物组成并计算伊利石—绢云母结晶度（Kübler指数）；对14件样品的25个粒级开展常规K-Ar定年；对7件样品抛光块开展262次激光烧蚀原位K-Ar分析，并同步采集LIBS光谱以约束烧蚀点位化学组成。

研究结果方面，岩相学与X射线衍射（XRD）显示绢云母在几乎所有样品中普遍发育，以基质孔隙充填与长石（尤其斜长石）交代两种方式产出，绢云母丰度与样品粒度及基质含量相关；RM-3绢云母结晶度随粒度减小而增高，与典型成岩序列相反，RM-7、RM-10、RM-11结晶度随粒度变化各异，HW-99结晶度接近1且明显高于RM地区样品。有机质岩相学与镜质体反射率测定显示HW-99含镜质体与惰质体、反射率1.7—2.4% R，HW-89三个分样镜质体反射率分别为2.4—2.7%、2.2—2.4%、2—3% R，并含来自Oaxacan Complex的碎屑石墨。粒级K-Ar年龄显示RM-3随粒度减小年龄增大（208、316、334 Ma）并老于沉积年龄，RM-7（192、187、182 Ma）与RM-11（194、188、174 Ma）随粒度减小年龄略降，RM-10年龄基本恒定（213、217、215 Ma），HW-99随粒度减小明显降低（173、165、133 Ma）；<2 μm粒级在RM地区为217—158 Ma、HW地区为207—156 Ma，HW-99三个亚粒级差值达40 Ma。原位K-Ar激光烧蚀年龄范围为约900 Ma至约130 Ma，长石碎屑给出最老年龄，小于约220 Ma的年龄范围与常规法结果一致；RM样品原位年龄密度曲线显示214 Ma、163 Ma与141 Ma三个峰，HW样品无明确峰、主要密度在230—200 Ma。讨论部分指出，绢云母在绿片岩相以下无明显氩丢失，斜长石绢云母化通常发生于100—300 °C热液条件，绢云母主要交代斜长石使定年可接近绢云母化时间；细粒级中钾长石可能为自生形成、碎屑长石溶解再结晶或热重置，各情形年龄在误差内相近。RM样品粗、中、细粒级年龄范围分别约为213—192 Ma、316—187 Ma、334—174 Ma，HW样品为173—133 Ma，RM-7与RM-11亚粒级差值10—20 Myr反映流体循环持续时间，HW-99差值超30 Myr指示该区交代事件更晚更持久。原位峰214 Ma与Chiapas Massif及Lagunas花岗岩（221—213 Ma）岩浆年龄吻合，指示该区Pangea初始裂解发生于晚三叠世；约163 Ma峰可与La Compa?ía花岗岩及Los Reyes岩脉（K-Ar 167±8 Ma与163±8 Ma）热液循环相关；约250 Ma峰与Atolotitlán felsite较老U-Pb锆石年龄同期，可能指示其侵位促进绢云母形成或为混合年龄。LIBS化学特征显示约900—260 Ma年龄主要与Oaxacan Complex碎屑长石相关，小于约230 Ma年龄对应自生矿物，绢云母生长主要活跃于230—170 Ma，170—130 Ma年龄主要与不含绢云母的黏土粒级相关。Kübler指数与K-Ar年龄相关性良好，年龄越轻结晶度越低，符合自生生长预期。区域意义上，镜质体反射率2—3% R指示200—250 °C，对应约5—6 km埋深（异常高地热梯度下或仅2—3 km）与约0.15 GPa压力；绢云母形成不晚于160—180 Ma、最丰富于230—180 Ma，暗示上覆三叠系或下侏罗统沉积已被剥蚀或逆冲破坏；约200 Ma热液流体循环可与Pangea裂解相关，侏罗纪后除墨西哥造山期断层外无显著构造热事件扰动。结论部分译文为：本研究综合岩相学、X射线衍射、镜质体反射率、黏土粒级常规K-Ar定年、激光烧蚀原位K-Ar年代学与LIBS地球化学，研究墨西哥南部二叠纪—三叠纪Matzitzi组成岩演化；区分碎屑与自生组分对于解释陆相硅质碎屑体系K-Ar年龄至关重要，因继承性矿物与新生成矿物相常共存；绢云母±伊利石被识别为主要自生矿物组合，以基质胶结物与长石（尤其斜长石）蚀变交代产物两种形式产出，指示沉积后广泛流体—岩石相互作用；粒级K-Ar数据呈随粒度减小年龄不变、增大与减小等不同趋势，反映碎屑与自生物质比例差异；原位K-Ar分析成功区分基底来源继承性矿物（元古代—古生代年龄）与沉积后蚀变自生相；热液循环与绢云母化主要幕发生于约220—180 Ma，主峰约214 Ma接近三叠纪—侏罗纪界线，较年轻侏罗纪年龄（<170 Ma）指示流体循环持续，可能与构造再活化及局部岩浆作用有关；镜质体反射率2—3% R₀指示约200—250 °C，与早中生代构造热演化期间深埋或异常地热梯度相容；总体而言，将常规与原位K-Ar定年同矿物学及地球化学约束结合，为解析陆相相序混合年龄群体与成岩作用提供框架。