埃及东南部沙漠区域蛇绿岩及其基性-超基性岩石的矿物学与地球化学特征：对二氧化碳（CO?）富集流体作用下低温度蚀变过程的制约作用

《Lithos》：Mineralogy and geochemistry of ophiolitic mafic-ultramafic rocks in the Southern Eastern Desert of Egypt: Constraints on low- T metasomatism by CO 2-rich fluids

　　摘要
埃及东南沙漠（SED）中的Neoproterozoic基性-超基性岩石属于阿拉伯-努比亚地盾（ANS）中破碎的蛇绿岩序列的完好保存的碎片。本研究整合了新的矿物学、全岩和原位地球化学数据，以限制低碳 dioxide（CO2）富集的交代作用及其在蛇纹石化作用和碳酸化过程中的影响。超基性岩石组合包括蛇纹石化和交代作用后的橄榄岩、含有铬铁矿透镜体的蛇纹岩，以及蛇纹岩化的哈斯堡岩原岩；而基性岩石组合主要由蛇绿岩化的辉长岩组成。尽管存在广泛的交代作用，但超基性岩石中的不易移动元素（如橄榄石（Fo91–93）、斜方辉石（Opx Mg#: 91–94）、单斜辉石（Cpx）和铬尖晶石（Cr#: 0.6–0.8）的成分表明其橄榄岩原岩形成于前弧环境。对于铬铁矿及其宿主橄榄岩，根据原始铬尖晶石成分计算出的平衡熔体显示出G. Abu Dahr的MORB特征，而G. Balamhindit和G. Muqsim的超基性岩石则具有boninite特征，这表明它们形成于前弧演化的不同阶段。低碳 dioxide富集的交代作用通过铬尖晶石中的水合包裹体以及碳酸盐、滑石-碳酸盐基质、角闪石和孔雀石的细脉网络得到证实，同时超基性岩石也经历了广泛的蛇纹石化和碳酸化作用。相比之下，G. Abu Dahr铬铁矿中的单斜辉石脉记录了与熔体有关的局部交代作用。在G. Muqsim的哈斯堡岩中，交代作用最为明显，其特征是U/Th比值升高（0.43–0.6）、轻重稀土元素（LREE）和流体易移动元素（FME：Li, Rb, Pb, Sr, U, Th）的富集。这还体现在碳酸盐基质的普遍存在以及橄榄石Fo含量低（Fo86–89）、Ni和Mn含量低，以及Opx Mg#含量低（0.87–0.89）、Ca和Cr含量低，但尖晶石Ti含量高（TiO2: 1.11 wt%）。对G. Muqsim交代作用后的橄榄石和斜方辉石的原位分析显示其LREE和若干FME元素相对于原始组分有所富集。所研究的超基性岩石显示出U型稀土元素（REE）分布模式、高Ba/La比值（高达104）和低Th/Nd比值（0.3–1.2），而相关的辉长岩及其组成的角闪石和斜长石则相对于重稀土元素（HFSE：Nb, Ta, Zr, Hf）和重稀土元素（HREE）富集。总体而言，这些蛇绿岩及其相关的铬铁矿记录了前弧演化过程中具有低碳 dioxide的板块源流体的交代作用，以及局部与熔体相关的交代作用。

引言
阿拉伯-努比亚地盾（ANS）中的大多数蛇绿岩形成于俯冲带上伏冲带（SSZ）环境，并在其形成至最终定位的过程中经历了多次改造（例如，Dilek 和 Furnes, 2011; Khedr 等, 2022, Khedr 等, 2023; Parkinson 和 Pearce, 1998）。其中一个关键的变化是地幔橄榄岩的交代作用，这是一种由渗透的水合流体或硅酸盐熔体（渗透作用）驱动的化学变化，这些流体或熔体可能是来自板块的、岩石圈的或与地幔柱相关的（Hermann 等, 2006; Ionov, 2004; Khedr 等, 2023; Pan 等, 2022）。由于这种相互作用可以改变橄榄岩的矿物组成、结构和全岩成分，在使用交代作用后的矿物作为岩石成因指示剂时需要谨慎。交代作用通常分为两种类型，可以理解为强度逐渐增加的连续步骤：（i）隐性交代作用，不产生新的矿物相，仅表现为现有原生地幔矿物的微量元素组成的化学变化（O'Reilly 和 Griffin, 2013）；（ii）显性交代作用，会结晶新的交代矿物相并形成独特的结构（Ionov, 2004）。这些新矿物的性质，结合主量和微量元素的变化，为交代作用介质的性质（如水合/碳酸流体与硅酸盐熔体）及相应的交代过程提供了重要线索。在矿物学和结构尺度上，水合/碳酸流体介质留下了不同的印记。流体驱动的（低温）显性交代作用通过水合矿物（如蛇纹石、滑石、绿泥石、角闪石）和碳酸盐（如白云石、白云石）的沉淀来记录，这些矿物是从富含CO2的流体中在碳酸化过程中沉淀的（例如，Zanetti 等, 1999; Downes, 2001; Khedr 等, 2023）。在结构上，它表现为水合脉网络、新交代矿物相围绕原生地幔矿物的反应边界面、凹陷和筛状结构，以及填充原生成分之间空隙的交代物质（Ionov, 2004; Malaviarachchi 等, 2010; Pan 等, 2022; Su 等, 2023）。这种水合的、相对低温的交代作用典型于俯冲带/前弧（SSZ）环境，其中板块源的水流体渗透到上覆地幔中（例如，Parkinson 和 Pearce, 1998）。相比之下，熔体驱动的交代作用（渗透作用）则以无水矿物为特征，最典型的表现是单斜辉石脉网络以及原生颗粒之间的间隙硅酸盐相，反映了在相对较高温度下的硅酸盐熔体渗透（Kelemen 等, 1992）。区分流体相关的交代作用和熔体相关的交代作用是本研究的重点，因为识别交代作用介质需要综合评估矿物学、结构和地球化学特征，而不仅仅依赖于单一标准。

一般来说，交代作用可以改变地幔橄榄岩的化学组成（Hermann 等, 2006; Ionov, 2004; Khedr 等, 2023; Pan 等, 2022; Su 等, 2023），其中由于蛇纹石、滑石、角闪石和碳酸盐等交代矿物的结晶，K2O、TiO2、Al2O3、FeO、CaO、H2O和CO2的含量增加（例如，Hermann 等, 2006; Menzies 和 Hawkesworth, 1987）。在微量元素尺度上，水合/碳酸流体优先向地幔橄榄岩中添加流体易移动的不兼容元素和大型离子亲石元素（LILE：Ba, Rb, Sr, K, Cs），以及轻稀土元素（LREE：La, Ce, Nd），因为这些元素容易分配到水合流体和硅酸盐熔体中，从而形成典型的俯冲带特征的大量LILE和LREE富集、强烈分馏的模式（Hellebrand 等, 2002; Khedr 等, 2023; Menzies 和 Hawkesworth, 1987; Pan 等, 2022）。

埃及东南沙漠（SED）中的Neoproterozoic蛇绿岩复合体主要是破碎类型的，代表了ANS中的海洋岩石圈残余。这些蛇绿岩复合体的年龄范围为870±11 Ma至694±8 Ma（Stern 等, 2003）。据认为它们起源于弧后盆地（例如，El-Bahariya, 2012; Stern, 1981）或俯冲带上伏冲带（SSZ）环境（例如，Ahmed, 2013; Azer 等, 2013; Khedr 和 Arai, 2013, Khedr 和 Arai, 2017; Khedr 等, 2022），后来作为蛇绿岩束从东部俯冲到西部的古老大陆边缘（Kr?ner, 1985）。因此，蛇绿岩复合体与周围围岩具有构造接触（Azer 等, 2013），就像所研究的基性-超基性岩石一样。这就是为什么大多数蛇绿岩复合体主要作为碎片存在于埃及SED中的原因。

在SED中研究破碎的蛇绿岩复合体的挑战在于蛇纹石或蛇纹石化的橄榄岩中原始矿物的保存较少。根据原始矿物的化学成分和全岩成分，SED中的橄榄岩代表了在前弧环境中经过大规模部分熔化（约25–40%）后高度贫化的地幔残余（例如，Azer 等, 2013; Khedr 等, 2022, Khedr 等, 2023）。先前的研究表明，埃及SED中的地幔橄榄岩交代作用广泛且强烈，形成了滑石化、碳酸化和蛇纹石化作用（Abd El-Wahed 和 Hamdy, 2013; El Bahariya 和 Moghazi, 2008; Johnson 等, 2011; Khedr 等, 2022, Khedr 等, 2023; Stern, 1994）。G. Muqsim、G. Balamhindit和G. Abu Dahr中的基性-超基性岩石是埃及SED中新Proterozoic努比亚带中保存最好的破碎蛇绿岩剖面。这些岩石被认为是研究交代作用和地幔物质交代历史的天然实验室，因为它们显示出交代作用的结构和化学证据。

G. Muqsim蛇绿岩复合体属于Allaqi-Heiani-Gerf缝合带的一部分，这是ANS中最大的缝合带，沿着埃及-苏丹边界延伸；而Abu Dahr蛇绿岩复合体是SED中第二大的蛇绿岩束。在此基础上，本研究结合了这些基性-超基性岩石的岩石学、矿物化学（主元素和原位微量元素及REE）和全岩化学，以理解它们在低碳 dioxide富集流体条件下的低温交代作用。具体来说，它探讨了交代作用的印记，包括交代作用的证据及其分布模式、低温交代作用的来源和机制、蛇纹石化和碳酸化过程中的元素迁移和富集，以及控制SED极端交代作用的因素。本研究还旨在利用新鲜地幔矿物的化学成分和变化最小的岩石的全岩化学成分，来理解SED基性-超基性岩石的成因和构造环境。

地质背景
蛇绿岩和蛇绿岩混杂体主要分布在埃及的东部沙漠，特别是在埃及的东南沙漠（SED）（图1）。所研究的Gabal（G.）Muqsim、G. Balamhindit和G. Abu Dahr中的基性-超基性岩石代表了ANS内Neoproterozoic蛇绿岩序列的破碎片段（图1）。Gabal Muqsim–Abu Fas蛇绿岩属于Allaqi-Heinai带的一部分，位于G. Balamhindit和G. Abu Dahr蛇绿岩的西南部（图1）。

岩石学
在G. Muqsim中，交代作用的哈斯堡岩占主导地位，而在G. Abu Dahr中较少见；而在G. Abu Dahr区域，蛇纹石化的橄榄岩（主要是含少量辉长岩的哈斯堡岩）较为丰富。相比之下，G. Balamhindit的超基性岩石主要由蛇纹岩和碳酸盐蛇纹岩组成。

分析技术
硅酸盐（补充表1）、氧化物和硫化物（补充表2）的主要元素成分使用日本金泽大学JEOL公司的波长色散电子探针显微分析仪（EPMA: JXA 8800 JEOL）进行测量。分析采用3μm束径、20nA电流和20 kV的加速电压。使用ZAF氧化物矩阵校正来校正数据。Mg#表示 bulk 岩石和硅酸盐的Mg/(Mg + Fe2+)原子比。

矿物相根据综合岩石学观察、矿物结构和矿物化学特征被分类为原生（遗迹）或交代作用后的矿物。原生矿物通过其保存的地幔结构（例如，原始粒状结构，图4a）和原始成分进行识别；而交代作用后的矿物则表现出结构变化（例如，筛状结构和含有不透明包裹体的矿物）和化学变化的证据。

全岩化学
G. Muqsim、G. Balamhindit和G. Abu Dahr蛇绿岩基性-超基性岩石的主要和微量元素成分列在补充表4中。分析的超基性岩石（哈斯堡岩和蛇纹岩）显示出不同程度的水合作用和交代作用改变，这反映在它们的点火损失率（LOI）变化较大（LOI: 4.85–14.56 wt%）上。蛇纹岩的LOI值较高（高达14.56 wt%），而蛇纹石化的哈斯堡岩为11.88 wt%（补充表……）。

超基性-基性岩石的平衡温度和氧逸度（?O?）可以通过fayalite–magnetite–quartz（FMQ）缓冲剂估计，按照Ballhaus等人的方法（1991）。仅使用来自G. Abu Dahr中变化最小的蛇纹石化和辉长岩中的新鲜橄榄石–铬尖晶石对来估计平衡温度和氧逸度（?O?）。谢里夫·曼苏尔：验证、资源、未引用的参考文献
Arai等人，2006年
Barra等人，2014年
Blundy和Holland，1990年
Brey和K?hler，1990年
Evans和Frost，1975年
Hey，1954年
Irvine，1967年
Mellini等人，2005年
Merlini等人，2009年
Pearce和Peate，1995年

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
第一作者感谢日本金泽大学地质系的同事们在2018年7月和2019年12月访问期间的支持，帮助完成了薄片的制备、主要元素的矿物化学分析（使用EPMA）以及原位分析（使用LA-ICP-MS）。我们非常感谢Ali Polat（首席编辑）对本文的处理，同时也感谢匿名审稿人仔细阅读本文并提出了许多有价值的意见。

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沙特阿拉伯麦地那泰巴大学科学学院地质系