矽卡岩型矿脉（亚特兰蒂斯地块）

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文丨小蔡菜籽油

编辑丨小蔡菜籽油

前言

碳酸盐在大陆和海洋岩石圈内的不同地质环境中形成。它们为二氧化碳提供了安全且永久的地质储存。了解驱动碳酸盐形成的机制将有助于找到稳定大气二氧化碳并减少全球变暖的解决方案。亚特兰蒂斯地块位于大西洋，靠近大西洋中脊。它的特点是大量地幔岩石暴露在海底。

地幔岩石与海水接触发生反应形成蛇纹石并创造导致二氧化碳转化的环境转化为碳酸盐。亚特兰蒂斯地块内碳酸盐化学以及形成时间和温度存在很大的可变性。它表明碳酸盐的形成不仅取决于其沉淀的流体的化学性质，还取决于流体的物理性质。

海洋环境中可能会形成富含镁的碳酸盐，这种情况是可以预测的，但在自然环境中很少观察到。地幔橄榄岩出现在许多构造环境中，大洋中脊、俯冲带弧前、大陆边缘和蛇绿岩中，当暴露于含水流体时会发生热液蚀变。

蚀变过程对海洋岩石圈的热结构和流变学、海洋的地球化学预算以及海底及其以下的微生物过程具有重大影响。穿过洋壳的海水循环发生的速率使得整个海洋体积穿过洋壳的循环。由此产生的橄榄岩热液蚀变导致水合硅酸盐、氧化物、硫化物和碳酸盐的形成。

碳酸盐沉淀

碳酸盐可以在不同的地质环境、不同的压力和温度条件下形成。在海洋岩石圈的浅层区域，碳酸盐可以在海水传导加热、热液传导冷却、热液与海水混合以及交代置换反应过程中沉淀。天然碳酸盐的形成作为一种封存大气二氧化碳和减少全球变暖的机制受到了极大的关注。

沿着慢速和超慢速扩张的大洋中脊暴露的基底有一定由热液蚀变橄榄岩组成可以容纳碳酸盐。这使得超镁铁质岩石中的碳酸盐形成在理论上成为浅海岩石圈中重要的碳汇，但仍缺乏量化。

亚特兰蒂斯地块的蛇纹石橄榄岩和变基性岩进行了研究，这些岩石是在国际海洋发现计划。失落之城热液场位于亚特兰蒂斯地块南壁，被认为是缓慢扩张的大西洋中脊中蛇纹岩热液活跃系统的终端成员。

是一个离轴、低温、以橄榄岩为主的海底喷口环境，由海水沿深穿透断层系统迁移驱动，促进深层地壳的水化和上地幔的蛇纹石化。与其他热液系统类似，特点是流体富含钙且缺乏镁，其中钙被认为源自辉石的溶解或与周围镁铁质域的二氧化硅交代作用有关。

与未沉积的流体不同，玄武岩热液系统通常富含二氧化碳，流体呈高碱性且二氧化碳贫乏，这表明它们通过碳酸盐形成而在深处失去了氧化碳，这要么是由于矿物质的交代替换，要么是由于裂缝内的沉淀。

研究了亚特兰蒂斯地块的碳酸盐种群，以限制循环流体的物理化学性质和成分，并更好地了解亚特兰蒂斯地块的热液演化。对基底内碳酸盐的化学和岩石学特征进行了详细分析，突出了这个独特系统的复杂性，并使能够研究原岩和流体成分在热液与地幔岩石相互作用过程中控制碳酸盐沉淀中所起的关键作用。

地质背景及采样

亚特兰蒂斯地块位于北纬30°，沿着缓慢扩张的大西洋中脊，是一个古老的圆顶状地块，形成大西洋中脊和亚特兰蒂斯转换断层交汇处的内角。该地块被解释为海洋核心复合体，由长期低角度滑脱断层抬升和暴露的下地壳和上地幔岩石组成。

可以区分三个岩性区域：波纹状中央穹顶，由镁铁质岩石组成，范围从富含橄榄石的斜长岩到氧化辉长岩；以橄榄岩为主的变化多样的南壁，带有间歇性的镁铁质深层侵入体，它是南脊的一部分，定义了转换断层的边缘；东部玄武岩块体被解释为海洋核心复合体的上盘。

顶峰深度不到750m，位于南山脊长度的中间位置。地块顶部覆盖着远洋沉积物、碎石和沉积角砾岩。碳酸盐存在于超镁铁质、镁铁质和碎屑沉积岩中。来自西北地区和最东部地点的岩心包含不同比例的超镁铁质、镁铁质和沉积域，这些域被解释为源自质量消耗和局部断层过程。

从南墙中部回收了超镁铁质和镁铁质主岩，并被描述为亚特兰蒂斯地块的原位部分，由连贯、分米到米长的岩心部分以及一致的结构测量表明。中心位置也构成了最深的钻孔，橄榄岩中原生矿物的众态比例范围为橄榄石、辉石尖晶石。

站点的一些蛇纹石化橄榄岩含有高达5至8vol%的磁铁矿，与其他典型蛇纹石化超镁铁质域有很大不同。变质辉长岩和辉绿岩侵入体很大程度上被改变为透闪石、绿泥石和/或滑石，它们局部地覆盖了蛇纹石化结构。

基岩中的一个重要观察结果是碳酸盐相的出现、组成和分布的高度可变性。特别是超镁铁质样品的特征是不同代碳酸盐的复杂网络，特别是文石、方解石、白云石和菱镁矿。结合纹理特征、化学成分、时间和形成温度可以区分不同代的方解石。

碳酸盐岩赋存

南墙基底中的碳酸盐以填充空隙的碳酸盐、取代橄榄石后的蛇纹石网状核的碳酸盐、以及碳酸盐脉的形式存在。在镁铁质和超镁铁质岩石中均观察到碳酸盐岩脉。填充空隙的碳酸盐仅在镁铁质岩石中观察到，而在橄榄石之后取代蛇纹石的碳酸盐仅在超镁铁质岩石中发现。

空隙填充碳酸盐通常存在于变斜长岩、滑石角闪石绿泥石片岩和变辉长岩中。方解石是唯一的碳酸盐相，除了一种碳酸盐晶粒的变辉长岩。空隙填充碳酸盐仅限于南墙的中心位置。在橄榄石之后取代蛇纹石的碳酸盐主要是方解石，很少有白云石，并且平均粒度。

蛇纹石网芯内的方解石仅限于站点，并且可以在同一样品中作为一代或两代方解石出现，而白云石仅限于站点。根据结构特征，碳酸盐是否取代蛇纹石或直接取代橄榄石之间不可能有明显区别。

碳酸盐岩脉

矿脉是亚特兰蒂斯地块基底中最丰富的碳酸盐矿点，往往集中在最靠近中央钻探地点。碳酸盐脉通常会解剖晶界，扭结成不规则形状，并显示出横切或更罕见的分支几何形状。它们的宽度不到1厘米，主要由各种蛇纹石化橄榄岩和横切大多数其他纹理组成，表明形成阶段较晚。

碳酸盐岩脉的丰度变化很大，可以低至一根脉，也可以占岩石样本的一半，站点的一些超镁铁质岩石中那样。矿脉由不同比例的菱镁矿、白云石、方解石和文石组成。一半的样品中至少出现两代碳酸盐，并且通常在同一脉中共存。

蛇纹岩显示出亚特兰蒂斯地块碳酸盐岩脉的最高结构变异性。菱镁矿、白云石和方解石脉的宽度为几毫米，主要出现在中心站点，除了在顶部的沉积角砾岩中发现的一根白云石脉。菱镁矿脉是最不常见的，并且仅与白云石相关。

它们仅限于较深部分，并且没有显示出明显的纹理特征来区分多个菱镁矿代。横切关系表明，大多数菱镁矿的年代早于所有其他碳酸盐岩。白云石矿脉在站点更为常见；并且在多相脉的边缘沉淀或被蛇纹石和磁铁矿脉切割，表明形成的早期阶段。

方解石矿脉在站点最为常见，显示出最高的结构变异性，并且通常在同一矿脉中以两个不同的世代出现。在站点，它们构成了最早的碳酸盐岩代，与周围矿物共生或直接晶体接触。局部地区，方解石脉与蛇纹石共生；这些高度变形并表现出次生流体包裹体，表明其形成阶段较早。

最常见且体积占主导地位的碳酸盐相是宽达1厘米的霰石脉，超镁铁质岩石孔的较深部分顶部岩心以及孔较深样品的蚀变表面上观察到这种现象。文石矿脉横切原生岩石结构，晚于所有次生岩石结构，并且是最后形成的。

文石矿脉具有三种不同的晶体习性：纤维状晶体、针状晶体和微晶文石。针状晶体的长轴生长成开放空间，而纤维状晶体主要垂直于静脉边界定向。没有观察到明显的文石时代；它们不会进一步区别文石，类似于菱镁矿。

镁铁质侵入体存在下的碳酸盐岩形成

镁铁质侵入岩的夹层在孔中最为普遍，显示出最高程度的二氧化硅交代作用，以富含滑石、角闪石和绿泥石的区域为标志，并提供了有关镁铁质侵入体对流体和碳酸盐化学影响的最佳信息。该洞的特点是超镁铁质岩石中缺乏菱镁矿和白云石，这表明镁迁移在交代层间镁铁质侵入体附近受到强烈限制，并被锁定在其他硅酸盐蚀变组合中。

初始碳酸盐相是方解石，它形成顺蛇纹石化并与脉中的蛇纹石共生。菱镁矿和白云石的缺乏表明硅酸盐去除了镁，导致低钙比率并有利于方解石沉淀。先前已在亚特兰蒂斯地块发现了镁铁质侵入体的改变以及滑石粉对蛇纹石的静态替代。

滑石的形成可能是由于蛇纹石化橄榄岩中添加硅或去除镁所致。先前的研究假设添加硅而不是去除镁是滑石粉形成的原因，因为与超镁铁质岩石相比，镁铁质岩石的蚀变释放了大量的二氧化硅。

亚特兰蒂斯地块地下温度升高由蛇纹石的氧同位素组成表示，对应于320至360°C之间的地层温度，足以溶解单斜辉石。方解石矿脉是亚特兰蒂斯地块区域所有碳酸盐岩中碳酸盐形成温度最高的矿脉之一，表明热液系统中的温度在后期蚀变过程中仍然很高。

大洋橄榄岩内的菱镁矿和白云石地层

主要由橄榄岩组成，碳酸盐相的多样性最高，包括菱镁矿、白云石、方解石和文石。该洞的超镁铁质岩石没有显示出二氧化硅交代作用的证据，在没有镁铁质侵入的情况下对碳酸盐的形成提供了限制。

第一代碳酸盐是菱镁矿或白云石，在矿脉中形成蛇纹石化前后和在橄榄石之后取代蛇纹石。白云石，尤其是菱镁矿沉淀，需要流体中具有较高的钙比率。热力学计算预测菱镁矿应该在蛇纹岩和含二氧化碳的水性流体的反应过程中沉淀。

只有少数研究描述了海洋蛇纹岩中的菱镁矿，而它在陆地上的蚀变超镁铁质岩石中更为常见。先前的研究表明，海洋环境中的菱镁矿可能形成于贫钙超镁铁质岩石中，纯橄榄岩或完全蛇纹石化的橄榄岩，二氧化碳持续流入的地方富含硅的流体导致流体中的二氧化硅活性超过蛇纹石的稳定性。

亚特兰蒂斯地块的菱镁矿脉是在高度蛇纹石化的方辉橄榄岩中发现的，没有证据表明蛇纹石不稳定。热力学研究预测，由于蛇纹石和水镁石的形成以及主要矿物的较低溶解速率而导致相对较低的二氧化硅，导致单斜辉石的稳定化，从而降低钙在流体中。

基于热力学模型，认为热液中高浓度的二氧化碳和中等浓度的二氧化硅导致了斜方辉石和橄榄石的蛇纹石化，同时保留了原生单斜辉石，这应该足以维持高钙比并有利于富镁碳酸盐的沉淀。

菱镁矿和白云石形成后，方解石在孔处沉淀。基底的持续水化可导致二氧化硅活性增加，这将导致单斜辉石溶解，从而降低流体中的钙比率，有利于方解石形成。地块的逐渐隆起可能导致海水大量涌入，也可能通过脆性变形导致流体通量增加，这有利于富钙碳酸盐的形成。

热液系统外围碳酸盐岩的形成

唯一的碳酸盐矿点是文石脉，它是亚特兰蒂斯地块体积上占主导地位的碳酸盐相。地球化学和结构特征与热液系统附近地点的霰石相当。文石是在低温下由相当未改性的海水形成的。在这种条件下，由于镁和硫酸盐浓度较高，文石沉淀比方解石更有利。

辉绿岩内缺乏碳酸盐脉，以及其下方橄榄岩中脉密度相对较高，强化了先前的解释，即辉绿岩域构成不可渗透的屏障，并且流体沿着侵入岩壁引导。尽管该海洋热液系统内的碳酸盐表明普遍存在高镁浓度，但仅形成了有限数量的菱镁矿或白云石，这表明相对于富钙碳酸盐，动力学因素阻碍了富镁碳酸盐的沉淀。

溶液中较低的镁浓度是镁铁质侵入体附近热液的特征。较低的镁靠近镁铁质侵入体的溶液与必要的较低流体流量相结合可能会限制大洋岩石圈中菱镁矿的形成，因为知道大洋中脊的热液系统通常包含镁铁质序列，并且通常具有高流体流量的特征。

总结

海洋环境中的菱镁矿降水可能仅限于超镁铁质岩石区域，没有主要的镁铁质侵入和热液上流速度较慢。研究表明，钙镁碳酸盐作为大洋橄榄岩水化和蚀变过程的重要组成部分，是重建蛇纹石化橄榄岩蚀变历史的重要工具。

钙-镁碳酸盐可能代表来自海水或地幔的大量碳汇，否则这些碳汇将重新进入/进入海洋。进入俯冲带的含碳酸盐大洋蛇纹岩可能代表了一个额外的碳库，可以被运输和再循环到地幔中。放射性碳分析表明，亚特兰蒂斯地块基底中的浅层碳酸盐在37000至23000年的短时间内沉淀，对应于失落之城热液系统的早期阶段。

参考文献

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