台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析.pdf
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1、随着全球气候变暖,生命元素 C 在地球各个系统的循环受到了越来越多的关注,俯冲带是地表 C 和深源 C 循环的重要场所,发育于俯冲带的蛇纹岩伴生碳酸盐岩和渗漏流体对生命的起源及全球 C 循环研究具有重要意义。台湾东部(简称台东)海岸山脉新生代利吉混杂岩中发育具有沉积特征的蛇纹岩碎屑角砾岩及具有较轻C同位素组成的伴生碳酸盐岩,其成因可能与马里亚纳弧前海底蛇纹岩泥火山和自生碳酸盐岩相似。本研究对台东 3 个蛇纹岩出露点发育的碳酸盐岩脉进行岩石学、矿物学及地球化学分析,探讨蛇纹岩伴生碳酸盐岩脉的成因。台东利吉蛇纹岩角砾碎屑岩伴生的碳酸盐岩,发育泥微晶团粒、凝块以及放射纤维状方解石和草莓状黄铁矿,总有
2、机碳含量较高(0.11%0.25%),可能与微生物介导的 CH4厌氧氧化作用有关。利吉桥头剖面蛇纹岩巨砾中的方解石脉 13C 为17.80.7,十三领碳酸盐岩 13C 为12.8 10.7,指示碳源很可能包括无机成因 CH4的氧化与海水源碳的混合。虎头山蛇纹岩角砾中方解石脉 13C 为3.42.9,指示碳源主要来自海水。这 2 类方解石脉大多具有平坦型 REE 配分模式和 Eu 异常特征,指示方解石脉可能形成于蛇纹岩泥火山海底蛇纹岩化流体渗漏环境。方解石脉显示 Ce 负异常与无异常特征,表明了复杂多变的氧化还原环境。因此,台东碎屑蛇纹岩中伴生碳酸盐岩脉可能是蛇纹岩化渗漏流体在海底附近与海水混合
3、所致,部分可能存在无机成因 CH4的微生物厌氧氧化作用的参与。关键词:蛇纹岩;碳酸盐脉;成因;台东 中图分类号:P571;P581 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0222-16 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.008 Geochemical characteristics and genesis of carbonates associated with serpentines in the Lichi Mlange,Taiwan,China LI Hongli1,FENG Junxi2,3,TONG Hongpeng1*,WA
4、NG Qinxian1,CHEN Duofu1,2(1.College of Marine Ecology and Environment/College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;3.G
5、uangzhou Marine Geological Survey,China Geological Survey,Guangzhou 510075,Guangdong,China)Abstract:With the worsening of global warming,the carbon cycle in earth systems has received increased attention.The subduction zone is an important point at which carbon cycles from surface to deep.Moreover,i
6、n this zone,fluid seepage and authigenic carbonates associated with serpentinite mud volcanos may be related to the origin of life.The serpentine breccia,which exhibit sedimentary characteristics and carbonate veins with extremely light carbon isotopic compositions in the Cenozoic Lichi Mlange in th
7、e coastal mountains of Eastern Taiwan,may have similar formation mechanisms as submarine serpentine mud volcanos and authigenic carbonates on the seafloor of 第 2 期 李鸿莉等:台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析 223 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 the Mariana forearc.Carbonate vein samples were collec
8、ted from three serpentinite outcrops in Eastern Taiwan to investigate their petrology and geochemistry.Sedimentary fabrics such as peloids,clotted microfabrics,radiaxial texture,and framboidal pyrite grains are common in the carbonate veins,indicating that biogenic fabrics were produced during micro
9、bial oxidation of methane.The high total organic carbon content(0.11%to 0.25%)may be an implicit indicator of microorganism participation.The 13C values of calcite veins in the serpentine boulders at Qiutou ranged from 17.8 to 0.7 and at Shisanling range from 12.8 to 10.7,indicating that the carbon
10、source is a mixture of inorganic methane and seawater.13C of calcite veins in Hutoushan serpentine breccia range from 3.4 to 2.9,which suggests that the carbon source is mainly seawater.Most of these two types of calcite veins have flat distribution patterns of rare earth elements and show Eu anomal
11、ies,suggesting that they formed in an alkaline fluid environment near the seafloor of the serpentinite mud volcanoes.Calcite veins show negative Ce anomaly and Ce non-anomaly characteristics,indicating the presence of a complex and changeable redox environment.Thus,carbonate veins in serpentine brec
12、cia may be formed by the mixing of seepage fluid associated with serpentinization and seawater near the seafloor,which is possibly complemented by microbial anoxic oxidation of abiogenic methane.Key words:serpentine;carbonate vein;formation;Eastern Taiwan 0 引 言 随着全球变暖及碳节能减排问题的日益突出,地球内部各系统间的碳循环问题受到了越
13、来越多的关注(刘勇胜等,2019)。板块俯冲是地表碳和深源碳循环的重要途径,俯冲带碳循环是调节大气 CO2浓度并影响全球气候变化的重要因素(Sleep and Zahnle,2001;Ague and Nicolescu,2014;Kelemen and Manning,2015;Piccoli et al.,2016;Barry et al.,2019)。俯冲带亦是地球蛇纹岩化发生的主要场所之一。蛇纹岩化是自然界最常见的蚀变反应类型,蚀变产物主要为蛇纹石、水镁石、滑石、磁铁矿和 H2,同时释放热量(余星等,2011;Evans et al.,2013)。该体系中有 C存在时,以Fe-Ni合金
14、、铬铁矿以及磁铁矿等为催化剂,通过费托反应或萨巴蒂尔反应形成无机成因 CH4和低分子量烷烃化合物(Hu et al.,1998;Proskurowski et al.,2008;Bradley and Summons,2010;Schrenk et al.,2013)。据估计每年约有(1.12.7)1012 g 来自深部微生物的有机碳和来自海水的无机碳以碳酸盐的形式存储在大洋蛇纹岩中(Schwarzenbach et al.,2013)。因此,研究与蛇纹岩化相关的碳酸盐岩成因机制,有助于深入认识全球碳循环过程。俯冲带俯冲板片脱水产生的流体导致上驮板块地幔楔橄榄岩发生蛇纹岩化,作为主要蚀变产物的
15、蛇纹岩沿断裂通道上升形成底辟,甚至喷出海底,在弧前区海底形成蛇纹岩泥火山(Fryer,2012)。蛇纹岩泥火山主要由泥粉砂蛇纹石基质、蛇纹岩角砾和蛇纹岩化橄榄岩角砾组成的具有沉积结构的蛇纹岩构成,含有少量基性岩和变质岩碎屑。由于其物质来源于俯冲带的深部,蛇纹岩泥火山被认为是观察板块俯冲过程的直接窗口,自发现后,与之相关的流体活动一直是海洋科学研究的热点(Fryer,2012)。马里亚纳弧前地区是已发现的唯一仍发育活跃流体活动的蛇纹岩泥火山,部分蛇纹岩泥火山顶部渗漏富 CH4的低温(约 2)碱性流体(pH 最高达 12.5)(Mottl et al.,2004),流体渗漏区海底发育由微生物菌席、
16、贻贝、蛤、虾和螃蟹等组成的化能自养生物群(Schrenk et al.,2013)。同时这种与蛇纹岩化相关的深源流体在海底导致了自生碳酸盐岩和水镁石的沉积(Fryer et al.,1999;Mottl et al.,2003,2004;Hulme et al.,2010),部分自生碳酸盐岩的形成可能与古菌调控的无机成因 CH4厌氧氧化作用有关(Haggerty,1991;Mottl et al.,2003;Yamanaka et al.,2003;Gharib,2006)。由于与地球生命起源、潜在的油气资源及碳封存等重大问题有关,蛇纹岩泥火山海底流体活动及自生沉积受到越来越多的关注(Frye
17、r,2012;Suess,2014;Wang et al.,2014)。地质历史时期的蛇纹岩泥火山被认为保存在汇聚大陆边缘弧前地层和混杂岩中,包括由层状蛇纹岩砂砾岩组成的碎屑堆积及由蛇纹岩角砾岩和巨大蛇纹岩岩块组成的滑塌堆积,从早太古代到晚新生代地层中均有发育(Campbell et al.,1993;Fryer et al.,1995,2000;Fujioka et al.,1995;Spaggiari et al.,2003;Pons et al.,2011;Grimmer and Greiling,2012)。这些沉积蛇纹岩的基质和裂隙中往往充填碳酸盐岩脉 224 2023 年 Geoc
18、himica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 和胶结物,同时发育自生碳酸盐岩块和化能自养生 物 化 石(Campbell et al.,1993;Campbell and Bottjer,1995;Fryer et al.,1995;Peckmann et al.,2013)。目前沉积成因蛇纹岩中伴生碳酸盐岩脉的相关研究还很少,仅有的结果显示它们记录了蛇纹岩化 渗 漏 流 体 及 有 关 生 物 地 球 化 学 作 用 的 信 号(Campbell et al.,2002;Birgel et al.,2006;Keenan,2010;Pons et al.,20
19、11)。格陵兰 Isua 地区早太古代蛇纹岩泥火山伴生碳酸盐岩脉的 Zn 同位素指示母源流体的 CO2 3含量高,且具有高 pH 值,与马里亚纳距海沟较远的蛇纹岩泥火山渗漏流体特征相似(Pons et al.,2011)。美国加州海岸山脉 Wilbur Springs、Rice Valley 和 New Idia 地区的泥火山成因沉积蛇纹岩基质中含有纤维状方解石或文石,指示流体已渗漏到海底(Campbell and Bottjer,1995;Fryer et al.,1995)。并且,在 Wilbur Springs 和 Rice Valley地区的沉积蛇纹岩邻近的浊积岩中,发育 CH4等烃类
20、厌氧氧化形成的自生碳酸盐岩块以及化能自养生物化石(Campbell et al.,1993;Campbell and Bottjer,1995)。此外,需指出在另一类自生碳酸盐岩大陆坡正常冷泉碳酸盐岩中,发育典型的泥微晶团粒与凝块、纤维状和等厚边及黄铁矿等微生物作用相关的沉积组构,同 时 C 稳 定同位素组成极负(Campbell et al.,2002;Keenan,2010)。但冷泉自生碳酸盐岩的脂类化合物研究认为,碳酸盐岩碳源的无机成因 CH4来源较少(Birgel et al.,2006)。台湾东部(台东)利吉混杂岩隶属于台湾海岸山脉,处于弧陆碰撞带,对其成因及其中蛇绿岩岩块来源一直存
21、在诸多争议(Hsu,1977;Page and Suppe,1981;Yui and Jeng,1990;Liou et al.,1997)。李鸿莉等(2020)基于利吉蛇纹岩角砾碎屑岩具有典型沉积成因特征,提出利吉蛇纹岩角砾碎屑岩可能与马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山成因相似;同时,Al2O3-MgO-CaO含量显示它们很可能来自俯冲带上盘地幔楔,是北吕宋火山岛弧弧前基底形成的蛇纹岩通过泥火山作用喷出海底,最后经弧陆碰撞进入台湾利吉混杂岩带。关于利吉泥火山成因碎屑蛇纹岩基质和角砾发育的碳酸盐胶结物和碳酸盐岩脉,Yui and Jeng(1990)曾对台东利吉混杂岩中碳酸盐岩脉进行了 C 稳定同位素研
22、究,蛇纹岩中方解石脉13C为20.61.9,认为碳源主要是海水无机碳、来自幔源的新生碳和来自利吉混杂带泥岩的有机碳;辉长岩中的方解石脉 13C 为54.5 14.6,碳源主要为周边泥岩的有机碳乃至 CH4。但是,早期研究认为方解石脉可能是在蛇绿岩侵位到利吉混杂岩之后,甚至在利吉混杂岩侵位至陆地后形成(Yui and Jeng,1990)。然而,从现代和古代蛇纹岩泥火山及其伴生碳酸盐岩的研究来看,这些碳酸盐脉的成因需重新厘定,其很可能与蛇纹岩化过程中形成的无机成因 CH4渗漏到海底附近,并经微生物厌氧氧化有关。蛇纹岩泥火山中形成的自生碳酸盐岩的碳源可能包括蛇纹岩化过程形成的无机成因 CH4与海水
23、,不排除热成因甚至生物成因 CH4(Campbell et al.,2002;Birgel et al.,2006;Peckmann et al.,2013)。针对以上疑问,本研究对利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩开展了野外地质研究,并对采自 3 个蛇纹岩出露点的碳酸盐岩脉及胶结物样品开展了岩石学、矿物学和地球化学分析,探讨了蛇纹岩伴生碳酸盐岩的成因以及是否有蛇纹岩泥火山流体渗漏和无机成因 CH4的微生物厌氧氧化作用的参与。1 地质背景与分析方法 1.1 地质背景与样品采集 台湾岛位于欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚边界,大致呈 SN 走向。以梨山荖浓溪断层和纵谷断层为界,台湾岛划分为 3 个地质构造单元,
24、自 W 向E 依次为被动大陆边缘逆冲褶皱带(海岸平原西部麓山带雪山山脉)、弧陆碰撞前的俯冲增生楔(恒春半岛中央山脉)及逆冲火山岛弧弧前盆地(海岸山脉)(Huang et al.,2000,2006)。海岸山脉以 NNE-SSW走向贯穿于台湾岛东部边缘,形态狭长,SN 纵向长约 135 km,EW 横向平均宽度约达 10 km,平均海拔为 650 m。其西侧以台东纵谷与中央山脉为界,东侧直接面向菲律宾海。海岸山脉的岩性地层包括中新世早上新世都銮山层,不整合于都銮山层之上的上新世更新世大港口层和奇美层,以及晚中新世上新世利吉混杂岩。此外,在台东纵谷南端出露晚更新世河流相沉积(卑南山砾岩)。利吉混杂
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