阿拉伯-努比亚地盾蛇绿岩中的绿帘石岩：来自遥感、矿石矿物学、岩石学与地球化学的指示

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Epidosite in Ophiolitic Rocks of the Arabian-Nubian Shield: Implications from Remote Sensing, Ore Mineralogy, Petrology, and Geochemistry

　　

摘要翻译：
绿帘石岩（epidosite）是海底以下热液系统中基性岩遭受强烈蚀变的重要产物，为古代大洋地壳中的流体-岩石相互作用提供了关键记录。本研究首次报道了埃及东部沙漠努比亚地盾（Nubian Shield）瓦迪扎亚蒂特（Wadi Zayatit）地区蛇绿岩中绿帘石岩的产出。研究人员采用多传感器遥感方法，综合哨兵二号（Sentinel-2）、高级星载热发射和反射辐射计（ASTER）以及PRISMA（Preecursore IperSpettrale della Missione Applicativa）高光谱数据，并结合野外地质填图、岩相学、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）和X射线荧光（XRF）地球化学分析，系统表征了这些热液蚀变岩的岩石学、矿物学和地球化学特征。遥感结果结合顺序最大角度凸锥（SMACC）端元解混方法有效地圈定了绿帘石岩分布区。岩相学和矿物学分析表明，绿帘石岩主要由绿帘石和石英组成，伴有少量榍石、钛磁铁矿、磁铁矿和赤铁矿。地球化学数据显示，绿帘石岩相对于原岩明显富集CaO（20.92–25.92 wt.%）和Fe₂O₃，而亏损SiO₂、MgO、Na₂O和K₂O。等浓度图（isocon）分析表明，在绿帘石化过程中发生了显著的Ca交代作用及贱金属（Zn、Pb、Cu、Co）的淋滤。然而，不活动微量元素（如Zr、Y、Nb、Ta）的特征指示其原岩为低钛、高镁的拉斑玄武岩质蛇绿岩，形成于弧后盆地环境。矿物共生组合（绿帘石 + 石英 ± 榍石 ± 磁铁矿/赤铁矿）表明，绿帘石化作用发生于绿片岩相至低角闪岩相条件（约450–500 °C，2–4 kbar），与洋中脊和弧后扩张中心之下的热液循环系统深部流体上升带相一致。变质作用P-T条件是基于矿物组合稳定域的定性推断，尚需定量热压计数据进一步约束。这些绿帘石岩沿剪切带和断层面产出，表明流体流动受构造控制。本研究首次记录了阿拉伯-努比亚地盾中的绿帘石岩，为理解新元古代大洋岩石圈的热液蚀变和构造演化提供了新的视角。这些绿帘石岩代表了化石化的热液上升带，具有寻找火山成因块状硫化物（VMS）型矿床的潜力。

阿拉伯-努比亚地盾蛇绿岩中绿帘石岩的发现：遥感与多方法联合约束的热液蚀变记录

一、研究背景与科学问题

阿拉伯-努比亚地盾（Arabian-Nubian Shield, ANS）是全球最大的新元古代造山带之一，记录了东非造山运动期间多个岛弧地体增生、碰撞和拼合的地质过程。埃及东部沙漠（Eastern Desert, ED）是ANS的重要组成部分，广泛出露蛇绿岩套，这些蛇绿岩被认为是该地区最古老的岩石单元，形成于弧后盆地环境，随后构造就位到大陆边缘。然而，与北部和中部沙漠相比，南部沙漠的蛇绿岩研究程度相对较低，其古构造背景仍存在争议。

绿帘石岩（epidosite）是基性岩在海底热液系统中遭受强烈蚀变形成的岩石，主要由绿帘石和石英组成，伴有少量榍石、磁铁矿或赤铁矿。绿帘石岩记录了热液流体与洋壳岩石之间的复杂相互作用过程，被公认为古代海底热液系统的关键“指纹”，对于理解热液成矿作用和板块构造演化具有重要意义。然而，在ANS范围内，绿帘石岩从未被系统报道过。

针对上述研究空白，本研究以埃及东部沙漠南部的瓦迪扎亚蒂特（Wadi Zayatit）地区为研究对象，开展了系统的野外地质调查、遥感解译、岩相学、矿物学和地球化学研究，旨在回答以下关键科学问题：（1）新识别的绿帘石岩具有怎样的岩石学、矿物学和地球化学特征？（2）什么样的变质条件和流体-岩石相互作用过程导致了绿帘石岩的形成？（3）这些绿帘石岩如何约束ANS在新元古代时期的古构造演化？（4）这些交代蚀变带具有怎样的成矿潜力？

二、研究内容与主要结论

本研究首次在ANS的埃及段报道了绿帘石岩的产出，填补了该区域新元古代蛇绿岩热液蚀变研究的空白。通过综合多源遥感数据（PRISMA、ASTER、Sentinel-2）与野外地质调查相结合的研究策略，成功圈定了绿帘石岩的空间分布。岩相学、矿物学和地球化学分析揭示了绿帘石岩的成因机制和形成的构造背景。研究得出以下主要结论：

（1）绿帘石岩呈透镜状或不规则状产出在蛇绿岩套的变质辉长岩中，受断裂和剪切带控制，是断裂控制的流体-岩石相互作用的产物。

（2）地球化学特征表明，绿帘石岩相对于原岩强烈富集CaO和Fe?O?，亏损SiO?、MgO、Na?O和K?O，反映了一种以Ca交代为特征的绿帘石化过程。

（3）不活动微量元素特征指示其原岩为低钛、高镁的拉斑玄武质岩石，形成于弧后盆地环境。

（4）矿物共生组合限定绿帘石化发生于绿片岩相至低角闪岩相条件（约450–500 °C，2–4 kbar）。

（5）绿帘石岩的发现表明瓦迪扎亚蒂特地区存在古海底热液系统，这些绿帘石岩代表了化石化的热液流体上升带，具有寻找VMS型矿床的潜力。

三、技术方法

研究人员采用了一套综合性的多学科研究方法。遥感方面，利用Sentinel-2和ASTER多光谱数据建立区域地质框架，重点使用PRISMA高光谱数据（5米全色锐化空间分辨率）结合顺序最大角度凸锥（SMACC）算法进行无监督端元解混，以识别和圈定绿帘石岩的分布。野外工作涵盖区域踏勘和详细路线调查，系统采集了变质辉长岩、角闪岩和绿帘石岩样品。实验室分析包括：偏光显微镜岩相学观察、矿石显微镜研究、X射线衍射（XRD）矿物鉴定、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）微区化学分析，以及X射线荧光（XRF）主量和微量元素分析。

四、研究结果

（一）遥感解译结果

Sentinel-2和ASTER数据的假彩色合成（FCC）图像有效区分了长英质和镁铁质岩石单元。PRISMA高光谱数据的FCC和主成分分析（PCA）图像中，绿帘石岩呈现出与花岗岩相似的色调，但野外验证表明这些呈零星斑块状分布的区域实为蛇绿岩变质辉长岩经热液蚀变转化的产物。SMACC端元解混结果中，端元8主要反映区域反射率特征，与变形花岗岩存在光谱重叠；而端元13通过追踪2349.79 nm处的金属羟基（Al-OH或Fe-OH）组合吸收特征和1958.62 nm处的流体相关吸收谷，能够较好地隔离出热液石英-绿帘石交代蚀变带，其结果与野外观察高度吻合。

（二）岩石学特征

瓦迪扎亚蒂特蛇绿岩主要由三类岩石组成：变质辉长岩、角闪岩和绿帘石岩。变质辉长岩呈中粗粒结构，具辉绿结构和次辉绿结构，主要矿物为斜长石（An??–An??）、单斜辉石（钛质普通辉石）和普通角闪石，副矿物包括铬铁矿、磁铁矿和钛铁矿，次生矿物为绿帘石、黝帘石和绿泥石。角闪岩主要由透闪石、阳起石、普通角闪石和辉石组成，含少量橄榄石和钛磁铁矿。绿帘石岩呈细粒至粗粒结构，主要由自形程度较好的绿帘石晶体和少量黝帘石、绿泥石及不透明矿物组成，斜长石完全被绿帘石替代。

（三）地球化学特征

主量元素分析显示，变质辉长岩和角闪岩表现出相对连贯的岩浆演化趋势：随MgO含量降低，SiO?、TiO?和Na?O系统增加，符合橄榄石和辉石的分离结晶及随后的斜长石堆晶过程。Zr/TiO?-SiO?分类图解中，样品落入亚碱性玄武岩区域；FeO_tot/MgO-SiO?图解和AFM图解均指示拉斑玄武岩系列。相比之下，绿帘石岩明显偏离原始岩浆趋势，表现为极低的SiO?（约25 wt.%）、强烈亏损Na?O和K?O、异常富集Fe?O?_tot和CaO，反映了强烈的热液蚀变和质量迁移过程。不活动微量元素（Zr、Y）含量较低且相对稳定，为判别原岩性质提供了可靠依据。微量元素判别图解（Zr-Ti、V-Zr）显示样品落在岛弧拉斑玄武岩（IAT）和洋中脊玄武岩（MORB）重叠区域，指示弧后盆地环境。N-MORB标准化多元素图解中，流体活动性的大离子亲石元素（LILE）表现出高度离散的分布模式，而高场强元素（HFSE）显示出诊断性的Nb-Ta负异常，为俯冲带组分参与提供了不受蚀变影响的证据。

（四）变质P-T条件

岩石中绿泥石+阳起石+钠长石±绿帘石+石英的矿物组合是基性原岩遭受绿片岩相变质作用的典型特征。基于区域矿物平衡概念，阳起石-绿泥石-斜长石共存可大致标志向低角闪岩相过渡。综合矿物组合稳定域，研究人员推断变质条件约为450–500 °C、压力2–4 kbar。但需强调的是，这些P-T条件是基于矿物组合的区域变质框架的半定量推断，而非绝对的热压计定量测定结果。

（五）蚀变特征

蚀变指数（AI）和碳酸盐-绿泥石-黄铁矿指数（CCPI）图解显示，绿帘石岩具有低AI和高CCPI特征，反映了Ca和Fe的富集及Mg、Na、K的亏损。等浓度图（Grant, 1986）分析表明，绿帘石化过程中主量元素方面CaO明显富集，SiO?、MgO、Na?O和K?O亏损；微量元素方面，Pb、Zn、Cu和Co等贱金属显著淋失，而V和Sr相对富集。这些贱金属的带出表明绿帘石岩可能为VMS型矿床的形成提供了金属来源。

（六）矿化特征

矿石显微镜、XRD和SEM-EDX分析识别出磁铁矿、钛磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿和镁铁尖晶石等铁钛氧化物矿物。钛磁铁矿呈自形-半自形粗粒晶体，在磁铁矿和钛铁矿晶体内发育细密的出溶网络交生结构。磁铁矿和钛磁铁矿的氧化-出溶特征指示了高氧逸度条件。这些铁钛氧化物矿物的富集代表了潜在的经济矿产目标。

（七）概念模型与构造意义

研究人员综合各项数据，提出了瓦迪扎亚蒂特绿帘石岩形成的三阶段演化模型：第一阶段（约740–700 Ma），弧后盆地中蛇绿岩变质辉长岩原岩的形成与结晶；第二阶段（约700–650 Ma），俯冲-增生过程中，NNW-SSE和NE-SW走向的走滑断层为海水来源的热液流体提供了渗透通道，在绿片岩相至低角闪岩相条件下（约450–500 °C，2–4 kbar）发生绿帘石化、绿泥石化和氧化-出溶作用；第三阶段（约650–600 Ma至今），东非造山运动期间的进一步变形和隆升将蛇绿岩剥露至地表。

五、讨论与结论

绿帘石岩的发现为理解ANS的新元古代构造演化提供了新的约束：（1）提供了新元古代ANS洋壳中热液活动的直接证据；（2）证实了南部沙漠存在弧后盆地（低钛、高镁拉斑玄武岩、Nb-Ta负异常）；（3）指示走滑断层（Najd断层系统）控制的构造流体流动；（4）证明了VMS型矿化的潜力（原岩贱金属淋滤）；（5）为矿产勘探提供了新的目标（化石化的热液上升带）。

结论部分要点如下：（1）PRISMA高光谱遥感结合SMACC无监督解混为复杂地形区的热液石英-绿帘石目标圈定提供了有效方法；（2）变质辉长岩和角闪岩源自亚碱性拉斑玄武质岩浆系统，但受变质和蚀变影响较大；（3）低Mg#值（19.74–65.02）指示岩石经历了岩浆分异、堆晶、热液蚀变和变质重结晶的多重改造；（4）绿帘石岩的富CaO特征及AI-CCPI和等浓度关系支持热液交代成因；（5）绿片岩相至低角闪岩相退变质叠加的推断基于定性矿物组合分析；（6）Fe-Ti氧化物组合反映了原始岩浆结晶及后期氧化-出溶和热液改造；（7）总体而言，瓦迪扎亚蒂特绿帘石岩为低钾镁铁质蛇绿岩原岩（主要是变质辉长岩）经断裂控制的热液流体-岩石相互作用的产物，代表了古代大洋热液系统的深部蚀变带，为新元古代洋壳的热液改造提供了直接证据。

该研究发表在《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》期刊上，不仅首次报道了ANS中的绿帘石岩，还通过多学科综合方法揭示了新元古代海底热液系统的存在，为理解该区的地质演化和矿产勘查提供了重要的科学依据。