《International Journal of Coal Geology》：Integrated geochemical, mineralogical, and U-Pb dating study of high-pyrite mafic-intermediate tonsteins from the Upper Silesian Coal Basin (Poland): Constraints on late Paleozoic volcanism and associated coal formation processes
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克拉科夫砂岩序列的火山角砾岩经地质化学、矿物学与U-Pb锆石定年分析，揭示其源于mafic-intermediate岩浆，定年315±0.13 Ma，为区域构造架提供新标尺，并证实次生变质作用对矿物学与元素组成的影响显著。
贝亚塔·纳格利克（Beata Naglik）|韦罗妮卡·纳德沃内克（Weronika Nad?onek）|斯坦尼斯拉夫·奥普卢什蒂尔（Stanislav Oplu?til）|吉里·劳林（Ji?í Laurin）|亚努什·尤雷奇卡（Janusz Jureczka）|阿图尔·肯齐奥尔（Artur K?dzior）|马克·施密茨（Mark Schmitz）|埃娃·克热米恩斯卡（Ewa Krzemińska）|阿图尔·库利吉耶维奇（Artur Kuligiewicz）
波兰地质研究所-国家研究机构，上西里西亚分部，Królowej Jadwigi 1号，41-200 Sosnowiec，波兰
摘要
上西里西亚煤盆地（波兰）克拉科夫砂岩系列中的凝灰岩经过了全面的地球化学、矿物学和同位素研究，旨在确定其成因，精确测定锆石的U-Pb年龄，明确其地层学和古环境意义，并评估其对煤地球化学的潜在影响。凝灰岩的地球化学特征表明其来源于基性-中性岩浆，这一结论得到了矿物组成和微量元素分布的支持。整体地球化学比值以及原位云母分析结果均显示其具有钙碱性特征，这与瓦里斯坎造山运动前缘地区的双峰火山活动相符。U-Pb锆石测年结果显示火山活动发生在3.15±0.13百万年前，为?aziska层的沉积提供了更精确的时间线，并进一步完善了现有的年代地层框架。上西里西亚煤盆地中基性-中性凝灰岩的合理来源可能是苏台德盆地内部，该地区保存有晚西法利安时期（约3.15–3.12百万年前）的基性火山沉积物，表明两者之间存在密切的空间和时间联系。次生成岩作用（包括成岩黄铁矿化作用和随后的热液蚀变）显著改变了凝灰岩的矿物组成和微量元素分布。这些发现加深了我们对晚石炭纪火山活动及其对含煤地层影响的理解，对中欧地区及其他受同期火山活动影响的煤盆地的地层学和火山成因研究具有参考价值。
引言
在现代沉积环境中，火山活动和泥炭积累通常同时发生，其化石对应物也是如此（例如，Ruppert和Moore，1993年）。因此，主要由粘土蚀变后的火山灰组成的凝灰岩层在全球含煤地层中普遍存在，包括二叠纪-石炭纪地层（例如，Price和Duff，1969年；Bieg和Burger，1992年；Lyons等人，1994年；Spears和Lyons，1995年；Dai等人，2011年；Spears，2012年）。这一时期的火山灰在劳鲁西亚南部地区的海洋和陆地成煤环境中都有保存。凝灰岩具有横向连续性，这使其被广泛用作地质研究中的精确年代地层标志（例如，Hoare，1965年；Lyons等人，1994年；Burger等人，2002年；Spears，2012年）。当原始火山碎屑矿物如透长石或锆石得以保存时，可以用于放射性同位素测年，从而在全球地质时间框架内对煤层进行对比。此外，碱性凝灰岩可能含有较高浓度的某些微量元素（如Nb、REE、Zr和Ga），在某些情况下可作为矿产勘探的地球化学指示剂（Zhou等人，2000年；Dai等人，2007年；Dai等人，2010a）。
凝灰岩的研究始于20世纪下半叶，随着首次类型学-遗传分类方法的引入（Schüller，1951年；Admakin，2001年）。其起源长期以来一直存在争议，尤其是关于火山过程的作用。这主要是因为高岭石通常是凝灰岩的主要矿物成分，并且在含煤地层中也很常见，它可能通过成土作用、成岩作用或热液作用形成，或者是由较老岩石的碎屑再循环形成的。此外，原始火山成分的不稳定性以及其在酸性、富有机质和高度淋溶的泥炭地环境中的易变性进一步增加了研究的复杂性，导致火山碎屑物质的原始特征常常变得模糊。自20世纪初以来，上西里西亚煤盆地中的凝灰岩就一直受到矿物学、岩石学和地球化学的研究（例如，Gawroński，1923年；Bolewski，1937年；Kuhl，1957年；?rodon，1972年；Dopita和Krá?ík，1977年；Gabzdyl和Ryszka，1986年；Gabzdyl，1990年；?apot，1992年），也包括对其火山起源的研究。Dopita和Krá?ík（1977年）指出了凝灰岩与含煤地层中的碎屑岩的区别特征，支持其火山起源。这些特征包括碎屑矿物与自生矿物的比例、石英和黑云母等矿物的火成特征，以及粘土矿物的独特矿物学和纹理特征，如极细粒、均匀的基质、发育良好的假六方高岭石片状结构、蠕虫状或书状聚集体，以及缺乏典型的碎屑沉积结构。这些特征凸显了凝灰岩与典型沉积岩不同的形成过程。
上西里西亚煤盆地中有多个凝灰岩层（表1），根据?apot（1992年）的研究，这些凝灰岩在结构和纹理特征以及矿物和化学成分上表现出显著差异。这种异质性反映了它们不同的来源、沉积过程中的复杂物理化学条件以及随后的成岩蚀变。矿物组合和元素特征的变化表明母岩浆来源多样，暗示了多次火山事件或不同的岩浆化学成分参与了这些蚀变火山灰层的形成。这些发现为了解石炭纪时期的古环境条件和火山影响提供了宝贵信息。
尽管许多研究有助于理解上西里西亚煤盆地中与煤相关的凝灰岩的成因，但仍有一些问题有待解释，例如：（1）母岩浆的类型及其构造-岩浆背景，（2）火山活动的周期性及煤生成过程的 timing，（3）火山灰沉积对相邻煤层化学成分的影响，（4）泥炭沼泽环境中改变火山灰的次生过程机制。因此，本研究提供了关于波兰上西里西亚煤盆地克拉科夫砂岩系列中基性-中性凝灰岩的新矿物学、地球化学和U-Pb同位素结果，旨在追踪凝灰岩的起源和蚀变机制。此外，还使用了高分辨率离子探针（SHRIMP）和化学磨损同位素稀释热电离质谱（CA-ID-TIMS）技术来确定凝灰岩的年龄，更新了之前对含煤沉积时间的估计。具体内容包括：（1）凝灰岩的岩浆类型，（2）凝灰岩相关岩浆活动的来源区域，（3）凝灰岩的次生蚀变，（4）通过SHRIMP和CA-ID-TIMS U-Pb测年确定凝灰岩的沉积年龄，（5）新的、精确的CA-ID-TIMS锆石年龄的地层学意义。
地质概述
上西里西亚煤盆地（USCB）位于波兰南部和捷克共和国东北部，是一个挠曲前陆盆地，填充有上密西西比纪至宾夕法尼亚纪的碎屑沉积物和煤炭（Dembowski，1972年；Gradziński，1982年；Kotas，1994年，Kotas，1995年；Jureczka和Kotas，1995年）。该盆地似乎是瓦里斯坎前陆盆地复合体的一部分，该复合体从英国南部延伸至法国北部、比利时南部。
材料
五个凝灰岩样本采集自Sobieski和Ziemowit煤矿（见图1）。所研究的凝灰岩与207号、209号和212号煤层互层（两个样本），为克拉科夫砂岩系列提供了明确的地层框架（见图2）。所有样本均直接从正在进行的采矿作业中的长壁开采中获取，确保了代表每个凝灰岩层的新鲜材料。
矿物学和岩石学
凝灰岩层厚度约为几厘米，颜色多为米色，与周围煤层的接触边界清晰（见图2）。光学观察、SEM-EDS分析以及XRD数据揭示了其简单的矿物组成。与207号和209号煤层相关的样本表现为结晶凝灰岩，其中高岭石替代了云母和长石，散布在微晶粘土基质中（见图3A-D）。高岭石
母岩浆的火山构造环境
根据原始岩浆来源，凝灰岩可分为三类：长英质、中间型和基性凝灰岩（例如，Zhou等人，1982年；Zhou等人，2000年；Dai等人，2011年；Dai等人，2017年；Spears，2012年）。总体而言，TiO2/Al2比值是最常用的火山灰分类指标之一，但某些微量元素（如Co、Cr、Ni、Sc和V）的高浓度也可用于推断凝灰岩的基性起源（Dai等人
总结
克拉科夫砂岩系列中的凝灰岩代表了晚石炭纪含煤地层中基性至中性火山碎屑沉积的罕见案例。其地球化学特征（包括富含Ti和Ba的云母斑晶、次生黄铁矿和锐钛矿，以及较低的Th/U比值）表明它们来源于基性至中性岩浆。U-Pb锆石测年结果显示其沉积时间约为3.15百万年前，可能来自远处的盆外地带火山中心。次生成岩和热液作用对其产生了显著影响。
作者贡献声明
贝亚塔·纳格利克（Beata Naglik）：可视化、方法论、数据分析、概念化、撰写——初稿。韦罗妮卡·纳德沃内克（Weronika Nad?onek）：可视化、方法论、数据分析、概念化、撰写——审稿与编辑。斯坦尼斯拉夫·奥普卢什蒂尔（Stanislav Oplu?til）：监督、方法论、撰写——审稿与编辑。吉里·劳林（Ji?í Laurin）：可视化、监督、方法论、撰写——审稿与编辑。亚努什·尤雷奇卡（Janusz Jureczka）：监督、资源协调、方法论、撰写——审稿与编辑。阿图尔·肯齐奥尔（Artur K?dzior）：监督
未引用的参考文献
Le Maitre等人，1989年
Oplu?til等人，2021年
Parfitt，2004年
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了波兰国家科学中心在Weave-UNISONO项目（项目编号：2021/03/Y/ST10/00075）和捷克科学基金会项目（项目编号：22-11661K）的支持。作者衷心感谢戴世峰教授（Prof. Shifeng Dai）以及匿名审稿人对手稿的处理，以及Victor Nechaev博士提出的建设性意见和建议，这些都大大提高了研究的清晰度、质量和解释性。
