田亞洲 楊經(jīng)綏 張仲明 熊發(fā)揮 李源 劉釗 劉飛 牛曉露

TIAN YaZhou1，2，YANG JingSui2＊＊，ZHANG ZhongMing2，XIONG FaHui2，LI Yuan2，LIU Zhao3，LIU Fei2 and NIU XiaoLu2

1. 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025

2. 大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地幔研究中心，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037

3. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

1. College of Resources and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China

2. CARMA，State Key Laboratory for Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

3. Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

2015-06-02 收稿，2015-09-21 改回.

1 引言

近年在我國(guó)西藏和俄羅斯極地烏拉爾等地的蛇綠巖鉻鐵礦中新發(fā)現(xiàn)了金剛石等深部礦物群，對(duì)此前鉻鐵礦的淺部成因理論提出了質(zhì)疑。鉻鐵礦中為什么會(huì)產(chǎn)有金剛石等深部地幔礦物?它們是如何形成的?這些異常礦物在全球不同類型和構(gòu)造背景的蛇綠巖鉻鐵礦和地幔巖中是否普遍存在?其科學(xué)意義何在?新發(fā)現(xiàn)使得蛇綠巖型鉻鐵礦的成因，尤其金剛石等深部礦物的成因和深部地幔作用，成為板塊構(gòu)造面臨的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的新的前沿性科學(xué)問(wèn)題。

自中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所金剛石研究小組(1981)在西藏羅布莎地幔橄欖巖中發(fā)現(xiàn)第一顆金剛石以來(lái)，在西藏羅布莎和東巧地幔巖和鉻鐵礦中陸續(xù)有金剛石的報(bào)道(梁日暄等，1984;Bai et al.，1993;白文吉等，2001;顏秉剛等，1986;Robinson et al.，2004)。除了金剛石之外，其他的一些超高壓礦物也陸續(xù)有報(bào)道。白文吉等(2004)認(rèn)為西藏羅布莎蛇綠巖地幔巖中發(fā)現(xiàn)的方鐵礦和自然鐵可能來(lái)源于核幔邊界。楊經(jīng)綏等(2002)在西藏羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)了富硅的金紅石［(Ti0.82Si0.18)O2］，認(rèn)為其形成超高壓環(huán)境，可能來(lái)自過(guò)渡帶或下地幔。白文吉等(2006)在西藏羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)一種富硅尖晶石(SiO2含量在40%以上)，認(rèn)為其具有超高壓的性質(zhì)，來(lái)自地幔過(guò)渡帶。Yang et al. (2007)在羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)呈斯石英假象的柯石英，并在鋨銥礦中發(fā)現(xiàn)了原位的金剛石包體，指示溫度高于2000℃，壓力大于9GPa，深度大于300km 的高溫高壓環(huán)境。楊鳳英等(1981)年在羅布莎鉻鐵礦和地幔橄欖巖中發(fā)現(xiàn)大量八面體假象的硅酸巖礦物，該礦物理想化學(xué)式為Mg2SiO4，具有反尖晶石結(jié)構(gòu)，所有的Si 占據(jù)八面體的位置，可能為一種無(wú)水的超高壓葉蛇紋石，形成深度可能在16 ～18GPa(Griffin，2014)。Trumbull et al. (2009)通過(guò)對(duì)羅布莎鉻鐵礦中碳硅石的碳同位素研究表明，碳可能來(lái)自于下地幔。Yamamoto et al.(2009)在羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)柯石英和單斜輝石的出溶片晶，表明豆莢狀鉻鐵礦的形成深度大于100km，甚至達(dá)到380km。另外，還在鉻鐵礦中的柯石英、藍(lán)晶石和TiN 礦物組合中發(fā)現(xiàn)了一種新類型的礦物，取名青松礦，化學(xué)式為BN，形成深度大于300km，硼可能是由俯沖板片循環(huán)而進(jìn)入地幔深部(Dobrzhinetskaya et al.，2009，2014)。

除了UHP 礦物外，羅布莎鉻鐵礦中還發(fā)現(xiàn)了大量強(qiáng)還原性礦物(單質(zhì)鐵、單質(zhì)硅、單質(zhì)鉻、單質(zhì)鎢等);合金類礦物(鉑族元素合金、賤金屬合金以及賤金屬與鉑族元素合金);碳化物(NiC，F(xiàn)eC，TiC，WC 等);氮化物(Ti2N，Ti2N3等);氧化物(剛玉、方鐵礦、磁鐵礦、方鎂石、鈦鐵礦等);硫(砷、碲)化物(黃鐵礦、黃銅礦、鎳黃鐵礦、輝銅礦、針鎳礦等)，以及硅酸鹽礦物(楊經(jīng)綏等，2008;Yang et al.，2014;徐向珍等，2008，2013;Xu et al.，2009，2015)。此外，在羅布莎鉻鐵礦中還發(fā)現(xiàn)了大量殼源礦物，如鋯石、角閃石、云母、水鎂石、螢石、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英等(Robinson et al.，2015;Yamamoto et al.，2013)。

本文選擇新疆薩爾托海鉻鐵礦為研究目標(biāo)，鉻鐵礦為高鋁型，產(chǎn)在晚古生代蛇綠巖中，已發(fā)現(xiàn)金剛石的西藏羅布莎和俄羅斯極烏拉爾鉻鐵礦均為高鉻型，蛇綠巖形成時(shí)代分別為中生代和早古生代。因此，探討薩爾托海高鋁鉻鐵礦中是否含有金剛石等深部礦物及成因具有重要科學(xué)意義。

2 地質(zhì)背景

薩爾托海鉻鐵礦區(qū)位于中亞造山帶腹地西準(zhǔn)噶爾達(dá)拉布特蛇綠巖帶北東部薩爾托海蛇綠巖中。中亞造山帶是一條延伸近2000km 的復(fù)合型造山帶，將北部的西伯利亞板塊、西部的哈薩克斯坦板塊和南部的塔里木板塊以及華北克拉通分隔開(kāi)(圖1b)。西準(zhǔn)噶爾位于中亞造山帶中部，受西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊的共同作用，發(fā)育多條蛇綠巖帶，包括唐巴勒中奧陶世蛇綠巖帶、瑪依勒山中晚志留世蛇綠巖帶、洪古勒楞中奧陶世蛇綠巖帶、克拉瑪依早古生代蛇綠巖帶和達(dá)拉布特中泥盆世蛇綠巖帶。達(dá)拉布特蛇綠巖帶呈不連續(xù)的構(gòu)造巖片產(chǎn)于準(zhǔn)噶爾盆地西部的高角度逆沖斷層-達(dá)拉布特?cái)嗔褞П币恚睎|-南西向延伸約100km，北東端隱伏于白楊溝，南西端被廟兒溝花崗巖體所截。

達(dá)拉布特蛇綠巖帶自北向南分布有木哈塔依、鯨魚、薩爾托海、達(dá)拉布特、科果拉、坎土拜客、庫(kù)朗庫(kù)朵克、蘇魯喬克、阿克巴斯套、阿音拿巴斯套十個(gè)蛇綠混雜巖體，如圖1。薩爾托海鉻鐵礦產(chǎn)于蛇綠巖帶上最大的蛇綠巖體-薩爾托海蛇綠巖體中。薩爾托海蛇綠巖位于達(dá)拉布特?cái)嗔褞鞅眰?cè)約6km，巖體與圍巖為斷層接觸，走向北東，呈不規(guī)則狀展布。巖體沿走向延伸超過(guò)20km，寬0.1 ～2km，平均寬約0.8km，北部較窄，中部向南分為3 個(gè)分支，出露面積超過(guò)20km2。蛇綠巖組成單元主要包括地幔橄欖巖、玄武巖、基性熔巖和硅質(zhì)巖，見(jiàn)橄長(zhǎng)巖、橄欖輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖脈侵入巖體中。在巖體的西段葉格孜卡拉地區(qū)，有花崗巖侵入于巖體。地幔橄欖巖主要由方輝橄欖巖和少量的純橄巖、二輝橄欖巖組成，部分地幔巖已蝕變成石棉。方輝橄欖巖普遍蛇紋石化，可見(jiàn)少量較新鮮的方輝橄欖巖出露，純橄巖和二輝橄欖巖多呈透鏡狀分布于方輝橄欖巖中，二輝橄欖巖多分布于巖體的邊部，純橄巖多以鉻鐵礦的外殼產(chǎn)出，兩者皆強(qiáng)烈蛇紋石化。礦體附近的純橄巖往往在蛇紋石的基礎(chǔ)上進(jìn)一步綠泥石化，其含量通常為30% ～40%，最高可達(dá)80%。玄武巖零星出露在地幔橄欖巖中，輝長(zhǎng)巖脈較新鮮，一般呈正地形分布于地幔橄欖巖中。薩爾托海鉻鐵礦區(qū)礦體具有成群出現(xiàn)，分段集中的特點(diǎn)。礦體形態(tài)復(fù)雜多樣，以透鏡狀為主，次為囊狀、似脈狀、扁豆?fàn)畹?。礦體與純橄欖分布密切相關(guān)，大部分產(chǎn)于純橄欖巖中，礦石結(jié)構(gòu)以中、粗粒半自形為主，細(xì)粒次之。礦石構(gòu)造類型以致密塊狀鉻鐵礦石為主，稠密浸染狀次之。同一礦體中，浸染狀礦石一般分布在礦體的邊緣。

3 分析方法

圖1 達(dá)拉布特蛇綠巖帶地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1993 修改)Fig.1 Simplified Geological map of Darbute ophiolite (modified after BGMRX，1993)

礦物的分選工作在河南鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所完成。共847kg 新鮮的致密塊狀鉻鐵礦被用于選礦，為避免外來(lái)污染，在碎礦之前，對(duì)鉻鐵礦中的巖脈進(jìn)行剔除，對(duì)選礦儀器進(jìn)行反復(fù)清洗，以確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的零污染。對(duì)通過(guò)一系列復(fù)雜選礦流程選出的目標(biāo)精礦，進(jìn)行雙目鏡下礦物分選。

單礦物拉曼分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成，實(shí)驗(yàn)儀器為RENISHAW-1000 激光拉曼光譜。掃描電鏡(SEM)、背散射照片(BSE)、陰極發(fā)光(CL)在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。CL 實(shí)驗(yàn)儀器為Mono CL4，實(shí)驗(yàn)條件為電壓15kV，電流20nA，束斑5μm。掃描電鏡儀器Nano 450 配套能譜儀INCA X-Max50，實(shí)驗(yàn)條件為電壓20kV，束斑5μm，電流20nA。電子探針?lè)治鲈谥袊?guó)地質(zhì)科學(xué)院大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，儀器型號(hào)為日本電子公司JXA-8100、能譜儀Inca Energy 型，探針束流20nA，加速電壓15.0kV，電子束斑5μm。

4 分選出的異常礦物群

雙目鏡下分選結(jié)果表明，薩爾托海高鋁型鉻鐵礦中至少有金剛石、碳硅石、單質(zhì)硅、單質(zhì)鉻等20 余種礦物，包括金剛石、單質(zhì)鉻、自然鐵和單質(zhì)硅等自然元素類;碳化物碳硅石;鐵鎳、鐵鎳鉻合金等金屬合金;方鐵礦、金紅石、赤鐵礦、磁鐵礦、鈦鐵礦、石英和鉻尖晶石等氧化物類;方鉛礦、閃鋅礦、針鎳礦、赫硫鎳礦和毒砂等硫化物類;鎂橄欖石、頑火輝石、透輝石、蛇紋石、鋯石和長(zhǎng)石等硅酸巖類。

圖2 薩爾托鉻鐵礦金剛石顯微鏡下照片(a)、SEM 照片(b-f)和拉曼光譜(m、n)Fig.2 Photomicrograph (a)，SEM images (b-f)and Raman patterns (m，n)for diamonds from Sartohay chromitites

4.1 單質(zhì)礦物

4.1.1 金剛石

截止到目前，在薩爾托海鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)了20 多粒金剛石。金剛石大多為淺黃色，部分金剛石為無(wú)色或紅橙色(圖2a)。顆粒直徑在100 ～200μm 之間，大多為他形，形態(tài)各不相同(圖2a-f)。部分金剛石為長(zhǎng)柱狀(圖2b)，部分為八面體(圖2c)或半自形(圖2e)。SEM 顯微照片顯示部分金剛石發(fā)育有較好的晶面條紋(圖2f)。22 個(gè)點(diǎn)的拉曼光譜分析數(shù)據(jù)顯示金剛石的拉曼峰值集中在1325 ～1333cm-1之間，大多數(shù)集中在1331.51cm-1或者1326.96cm-1(圖2m，n)。與典型的羅布莎礦區(qū)金剛石相比(Xu et al.，2015)，薩爾托海金剛石數(shù)量較少，粒徑小，形態(tài)更不規(guī)則。

4.1.2 單質(zhì)鐵

薩爾托海鉻鐵礦中產(chǎn)出大量的鐵球，將鐵球置于環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)磨平，在背散射下發(fā)現(xiàn)大多數(shù)鐵球由兩種不同的礦物組成，能譜確定是Fe 和O 原子比1∶1 的FeO 和單質(zhì)鐵(圖3a，e，f)。部分單質(zhì)鐵呈球狀被包裹于FeO 內(nèi)部，因反射光較周圍的FeO 強(qiáng)而易于與其區(qū)分開(kāi)(圖3a)，單質(zhì)鐵球內(nèi)部又包含有許多粒徑小于5μm 的FeO(圖3b)。部分單質(zhì)鐵呈圓球狀獨(dú)立產(chǎn)出，無(wú)FeO 包裹(圖3d)，部分含有FeO 顆粒(圖3c)。鐵球粒徑一般在50 ～100μm 之間。

4.1.3 單質(zhì)鉻

薩爾托海鉻鐵礦中的單質(zhì)鉻主要以粒狀和片狀產(chǎn)出，粒徑在100 ～200μm 之間(圖4a，b)，單質(zhì)鉻內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)任何其他礦物包體。能譜數(shù)據(jù)也顯示單質(zhì)鉻中不含其他元素(圖c)。

4.2 氧化物

4.2.1 金紅石

薩爾托海鉻鐵礦中共發(fā)現(xiàn)30 余粒金紅石，呈紅色或暗紅色，粒徑在50 ～200μm 之間(圖5a)，因?yàn)榈V物分選時(shí)的機(jī)械破碎，所有金紅石均為他形不規(guī)則狀(圖5c)。拉曼光譜顯示金紅石的峰值為444cm-1和607cm-1(圖5d)。能譜顯示金紅石主要由Ti 和O 組成(圖5b)。11 個(gè)點(diǎn)的電子探針數(shù)據(jù)顯示金紅石主要由TiO2(98.87% ～99.64%)和少量的FeO(0.09% ～0.55%)組成(表1)。

圖3 薩爾托海鉻鐵礦中單質(zhì)鐵SEM 照片(a-d)以及單質(zhì)鐵與方鐵礦能譜(e、f)Fig.3 SEM images of native iron (a-d)and energy spectrograms of native iron and wüstite (e，f)in Sartohay chromitites

4.2.2 方鐵礦(FeO)

在薩爾托海鉻鐵礦中選出幾百粒黑色球狀金屬顆粒(圖6a)，粒徑變化較大(50 ～300μm)。SEM 顯示顆粒表面為龜裂狀(圖6b)，為確定顆粒物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將其置于環(huán)氧樹(shù)脂中磨平、拋光噴碳后發(fā)現(xiàn)顆粒中包含有反射率更高的自然鐵(圖6c)，自然鐵內(nèi)部包含有球狀和蠕蟲狀的顆粒(圖6d)。能譜揭露金屬顆粒主要由Fe 和O 組成，原子比為1∶1，內(nèi)部包體為自然鐵，而自然鐵內(nèi)部的球狀和蠕蟲狀的顆粒成分與金屬顆粒一樣為FeO。根據(jù)前人在西藏康金拉或俄羅斯烏拉爾鉻鐵礦的報(bào)道(Yang et al.，2015;白文吉等，2004)，認(rèn)為這種FeO 金屬顆?？赡転榉借F礦。部分方鐵礦內(nèi)部不含任何包體(圖6e)，部分方鐵礦內(nèi)部為空洞(圖6f)。方鐵礦電子探針數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，主要由FeO(90.47% ～97.36%)組成，另外還含有部分SiO2(0.13% ～4.6%)和MnO(1.17% ～4.63%)以及少量的Al2O3和Cr2O3。

表1 薩爾托海鉻鐵礦中金紅石電子探針成分(wt%)Table 1 Microprobe analyses of rutile from Sartohay chromitites (wt%)

表2 薩爾托海鉻鐵礦中鐵球的電子探針成分(wt%)Table 2 Microprobe analyses of wüstite from Sartohay chromitites (wt%)

圖4 薩爾托海鉻鐵礦單質(zhì)鉻顯微鏡下照片(a)、BSE 照片(b)和能譜(c)Fig.4 Photomicrograph (a)，BSE image (b)and energy spectrogram (c)of native chromium in Sartohay chromitites

4.2.3 剛玉

在薩爾托海鉻鐵礦中僅發(fā)現(xiàn)2 顆剛玉，顆粒大小在100μm 左右，顆粒為長(zhǎng)柱狀或不規(guī)則狀，內(nèi)部干凈無(wú)任何包體(圖7a，b)，能譜顯示其中1 顆剛玉中含有少量Ti(圖7d)，能譜半定量分析結(jié)果見(jiàn)表3，剛玉中Ti 的重量百分比為0.90%，Al 和O 分別為52.13%和46.97%，原子百分比分別為0.38%、39.54%和60.08%。另1 顆包出除Al 和O外無(wú)其他元素，重量百分比和原子百分比分別為49.89%、50.11%以及37.12%、62.88%。為典型的剛玉的Al2O3的分子式。

表3 薩爾托海鉻鐵礦中剛玉能譜成分(wt%)Table 3 EDS analyses of corundums in Sartohay chromitites(wt%)

4.3 互化物

薩爾托海鉻鐵礦中的互化物主要有碳硅石、鐵鎳合金、鐵鎳鉻合金。由于后兩者數(shù)量不多，僅對(duì)碳硅石進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

圖5 薩爾托海鉻鐵礦中金紅石鏡下照片(a)、能譜(b)、BSE 照片(c)和拉曼光譜(d)Fig.5 Microphotograph (a)，energy spectrogram (b)，BSE image (c)and Raman spectrogram (d)showing rutiles from Sartohay chromitites

圖6 薩爾托海鉻鐵礦中方鐵礦顯微鏡下照片(a)和BSE 照片(b-f)Fig.6 Photomicrograph (a)and BSE images (b-f)of wüstites in Sartohay chromitites

20 余粒碳硅石粒度在50 ～150μm 之間，顏色為淺藍(lán)到深藍(lán)色(圖8a)。碳硅石具有明顯的金剛光澤，多呈薄片狀和不規(guī)則狀，不具有較好的晶形(圖8b-d)。所有分析點(diǎn)的激光拉曼光譜顯示762cm-1、785cm-1、966cm-1三個(gè)峰值(圖8f)，為碳硅石的典型特征波峰。能譜確定該礦物全部由Si和C 兩種元素組成(圖8e)。相似的碳硅石在阿曼蛇綠巖鉻鐵礦、西藏羅布莎鉻鐵礦以及俄羅斯極地烏拉爾鉻鐵礦中都有報(bào)道，所有這些鉻鐵礦都具有相似的顏色、晶體和大小(Trumbull et al.，2009;Xu et al.，2009;Robinson et al.，2015;Yang et al.，2015)。

4.4 其他礦物

除了上述礦物外，薩爾托海鉻鐵礦中還含有許多硅酸鹽類礦物，如鎂橄欖石、頑火輝石、透輝石、蛇紋石、鋯石和石英等，其中以鋯石最多。

在薩爾托海鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)幾百余粒鋯石，鋯石粒徑在50～300μm 之間，顏色主要有無(wú)色，淡黃色，淺棕色，玻璃光澤至金剛光澤(圖9a)。鋯石形態(tài)各異，有四方雙錐體(圖9b，d)，半自形(圖9g)，不規(guī)則狀(圖9f)，圓形(圖9e)。一些鋯石因?yàn)榫Ц穹派湫該p壞而出現(xiàn)脫晶作用。鋯石CL 圖像顯示大多數(shù)顆粒發(fā)育較好的振蕩環(huán)帶，少部分無(wú)環(huán)帶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部較均一(圖9i)，表明鉻鐵礦中大多數(shù)鋯石為結(jié)晶形成。

鋯石中含有大量礦物包體:鉀長(zhǎng)石、磷灰石、黑云母、黃鐵礦、赤鐵礦、石英、角閃石、斜長(zhǎng)石、方解石等(圖9h)。包體粒徑大多在5 ～20μm 之間，以單相或多相產(chǎn)出。

圖7 薩爾托海鉻鐵礦中剛玉能譜BSE 照片(a、b)和拉曼光譜(c、d)樣品已置于環(huán)氧樹(shù)脂中磨平Fig.7 BSE images (a，b)and energy spectrograms (c，d)showing corundums from Sartohay chromititesThe corundums have already been mounted in epoxy and grounded to about half of its thickness

圖8 薩爾托海鉻鐵礦中碳硅石顯微鏡下照片(a)、SEM 照片(b-d)、能譜(e)和拉曼光譜(f)Fig.8 Photomicrograph (a)，SEM images (b-d)，energy spectrogram (e)and Raman spectrogram (f)for moissanites from the Sartohay chromitites

圖9 薩爾托海鉻鐵礦中的鋯石(a)鋯石顯微鏡下照片;(b-g)不同晶形鋯石的BSE 照片:(b)短柱狀四方雙錐的鋯石;(c)四方雙錐鋯石;(d)長(zhǎng)柱狀四方雙錐鋯石;(e)圓球狀鋯石;(f)不規(guī)則狀鋯石;(g)半自形狀鋯石;(h)鋯石中的石英包裹體;(i)鋯石CL 圖像Fig.9 Zircons in Sartohay chromitites(a)microphotograph of zircons;(b-g)SEM images of different shapes of zircons:(b)tetragonal bipyramid zircon with short column;(c)tetragonal bipyramid zircon without column;(d)tetragonal bipyramid zircon with long column;(e)orbicular zircon;(f)irregular zircon;(g)subhedral zircon;(h)quartz as inclusions within zircon;(i)CL images of zircons

5 討論

5.1 金剛石

克拉通內(nèi)金伯利巖型金剛石大多形成于150 ～250km 的大陸巖石圈地幔中(Stachel et al.，2005)，隨著分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)金剛石中包體的大量研究表明，部分金剛石可形成于巖石圈地幔以下至下地幔頂部800km 范圍內(nèi)，并和俯沖板片的物質(zhì)有成因聯(lián)系(Stachel et al.，2005;Tappert et al.，2005;Bulanova et al.，2010;Walter et al.，2011;Harte and Richardson，2012)?？芍饎偸难芯繉?duì)于深刻理解地幔圈層結(jié)構(gòu)、地幔深部過(guò)程至關(guān)重要。近年來(lái)，由于在地幔橄欖巖和鉻鐵礦中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)金剛石、碳硅石、Fe-Si 相和Fe-C 相的礦物，表明這些礦物可能形成于地幔過(guò)渡帶，提出了鉻鐵礦和大洋巖石圈地幔中金剛石存在的普遍性和鉻鐵礦的深部成因模式(Yang et al.，2014)。

金剛石如何形成并保存在鉻鐵礦中以及其對(duì)鉻鐵礦的成因指示意義，一直以來(lái)都頗具爭(zhēng)議。早期在羅布莎發(fā)現(xiàn)金剛石被認(rèn)為形成于下地幔經(jīng)地幔柱作用被帶至淺部而保存在淺部結(jié)晶的鉻鐵礦中(Robinson et al.，2004)。Yang et al.(2014，2015)認(rèn)為俯沖板片俯沖到地幔過(guò)渡帶發(fā)生部分熔融，當(dāng)熔體因浮力向上運(yùn)移至＞300km 的過(guò)渡帶頂部或者上地幔時(shí)，UHP 鉻鐵礦開(kāi)始結(jié)晶并包裹在深部(＞14GPa)、低氧逸度環(huán)境中形成的UHP 和強(qiáng)還原性礦物。而金剛石中周圍的非晶質(zhì)的碳囊(amorphous carbon)則表示金剛石形成于富碳的還原性流體中，流體中包括了金屬合金、斯石英/柯石英、富Mn 相等礦物。包含金剛石的鉻鐵礦由于地幔柱作用被帶至淺部地幔，由于地幔橄欖巖的部分熔融使得鉻鐵礦發(fā)生重組而形成小的豆?fàn)钽t鐵礦，由于俯沖消減，少部分地幔橄欖巖在俯沖帶與島弧拉斑玄武巖或玻安巖反應(yīng)，形成大的豆莢狀鉻鐵礦。Xiong et al. (2015)和Xu et al. (2015)分別對(duì)西藏羅布鉻鐵礦和相連的康金拉鉻鐵礦進(jìn)行研究表明含有金剛石的鉻鐵礦也經(jīng)歷了深部地幔作用和淺部再造成礦。Zhou et al.(2014)認(rèn)為只有少量的鉻鐵礦在極高壓的大洋環(huán)境中形成并含有柯石英和單斜輝石的出溶體。而鉻鐵礦中所含的大量金剛石被認(rèn)為是板片斷裂、軟流圈混染后，鉻鐵礦結(jié)晶過(guò)程中捕獲的角閃巖相和榴輝巖相變質(zhì)巖中的金剛石。McGowan et al.(2015)通過(guò)對(duì)羅布莎鉻鐵礦化學(xué)成分和PGM 的Re-Os 以及鋯石的U-Pb 同位素年代學(xué)分析認(rèn)為羅布莎鉻鐵礦形成在淺部的大陸邊緣SSZ 環(huán)境，后含鉻鐵礦的巖石圈地幔俯沖到地幔過(guò)渡帶保存150Myr，最后由于自身浮力以及板片回轉(zhuǎn)(rollback)快速(≤10Myr)上升，使得金剛石等超高壓信息得以保存。Arai(2013，2015)也持有相似觀點(diǎn)，認(rèn)為淺部成因的鉻鐵礦可能循環(huán)至深部過(guò)渡帶，并與流體交代形成金剛石保存于鉻鐵礦中后循環(huán)至淺部巖石圈地幔。Rollinson and Adetunji(2014)和Robinson et al.(2015)認(rèn)為在俯沖初始階段由于弧前擴(kuò)張、軟流圈地幔上涌可能使金剛石保存在鉻鐵礦中。Niu(2014)認(rèn)為在＜7.5GPa 和≤800℃時(shí)穩(wěn)定存在于大洋巖石圈地幔中的蛇紋巖由于條件改變而脫水，水進(jìn)入俯沖帶上盤地幔使大陸的巖石圈地幔發(fā)生蛇紋石化，形成蛇紋巖。蛇紋巖由于密度較輕，底劈上升時(shí)捕獲大陸地幔方輝橄欖巖中的金剛石并保存在蛇綠巖和鉻鐵礦中。鉻鐵礦中金剛石的特征與典型的古老大陸巖石圈地幔中的金伯利巖或者鉀鎂煌斑巖型金剛石完全不同(楊經(jīng)綏等，2014)，金剛石也保存在大洋巖石圈地幔的鉻鐵礦中。

探討金剛石的成因離不開(kāi)鉻鐵礦的成因問(wèn)題。蛇綠巖中的金剛石由于在賦存巖石、粒徑大小、包裹體類型和碳同位素特征以及產(chǎn)出背景上都與金伯利巖型金剛石和超高壓變質(zhì)型金剛石不同(楊經(jīng)綏等，2014)，因此金剛石可能來(lái)源于俯沖帶的觀點(diǎn)值得商榷，而結(jié)合FIB 和TEM 在薩爾托海鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)了Fe-Ni 合金以及鈣鈦礦包體(未刊)更說(shuō)明了金剛石可能來(lái)源于深部地幔。所以，在薩爾托海鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)金剛石，至少表明薩爾托海鉻鐵礦和西藏羅布莎鉻鐵礦以及俄羅斯烏拉爾鉻鐵礦一樣，經(jīng)歷了深部地幔過(guò)程。需要指出的是，在鉻尖晶石包裹金剛石向上運(yùn)移的過(guò)程中，由于物理化學(xué)條件的不斷改變，可能會(huì)造成鉻鐵礦和金剛石的退變質(zhì)作用，使金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，而少量被包裹在鉻鐵礦中的金剛石得以保存下來(lái)，賦存在淺部大洋巖石圈的虧損地幔橄欖巖中。金剛石的碳是否來(lái)源于地幔碳或者和羅布莎、烏拉爾中的金剛石一樣來(lái)源于俯沖板片(Yang et al.，2014)，需要進(jìn)一步C 同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)證明。

5.2 碳硅石

碳硅石在西藏羅布莎和俄羅斯極地烏拉爾鉻鐵礦中都有報(bào)道(Bai et al.，2000;Robinson et al.，2004;楊經(jīng)綏等，2007，2011;Yang et al.，2015)。Trumbull et al.(2009)通過(guò)分析俄羅斯極地烏拉爾Ray-Iz、西藏羅布莎和東巧、阿曼Semail 蛇綠巖鉻鐵礦及部分地幔橄欖巖中的碳硅石以及Turkish beach 超基性火山巖中碳硅石的C 同位素組成，與金伯利巖中碳硅石的C 同位素特征相似，且都具有自然硅和Fe 硅酸鹽相的圓形包體，兩者被認(rèn)為有相似的形成過(guò)程。通過(guò)與地外行星(火星、月球和隕石)C 同位素的對(duì)比研究，認(rèn)為碳硅石中的C 可能來(lái)源于下地幔。值得一提的是，通過(guò)對(duì)金剛石高溫高壓實(shí)驗(yàn)，金剛石中深源包體的研究以及金剛石碳、氮同位素研究，表明俯沖洋殼可俯沖至上地幔底部410～660km 的過(guò)渡帶，甚至達(dá)到下地幔頂部，俯沖洋殼中生物成因碳和碳酸鹽巖中的碳可參與地幔深部過(guò)程形成金剛石(Pal’yanov et al.，1999;Walter et al.，2011;Harte and Richardson，2012;Tappert et al.，2005)。俄羅斯、中國(guó)和緬甸不同地區(qū)顯生宙蛇綠巖和鉻鐵礦中金剛石的δ13C 在-28‰～-18‰(Yang et al.，2014)，與洋殼生物成因δ13C的-25‰接近(Cartigny，2005)，表明鉻鐵礦中的金剛石和金伯利巖以及鉀鎂煌斑巖中的金剛石碳源一樣很可能來(lái)源于俯沖板片。綜合前人對(duì)鉻鐵礦中碳硅石包體和C 同位素的研究成果，推測(cè)薩爾托海鉻鐵礦中的碳硅石可能和金剛石一樣，形成于深部強(qiáng)還原性的地幔環(huán)境，后被包裹于深部結(jié)晶的鉻鐵礦中，形成機(jī)理與金剛石相似，但碳硅石中碳的物質(zhì)來(lái)源需要進(jìn)一步碳同位素的證明。

5.3 方鐵礦、自然元素和合金

前人通過(guò)選礦在羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)大量的自然元素和合金，包括Os-Ir、Os-Ir-Ru、Pt-Fe、Ir-Ni-Fe、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni等合金，以及自然元素Fe、Ni、Cr、Au、Cu、Si 等。Bai et al.(2000)認(rèn)為含F(xiàn)e-Ni，富Ru 的PGE 合金，F(xiàn)e-Ni 和Fe-Co 合金以及自然Fe 和Ni 可能為PGE 的硫化物蝕變后的次生礦物，而Pt-Fe、Os-Ir 以及Ir-Ni-Fe 合金、Fe 硅酸鹽以及自然Si 可能來(lái)源于深部地幔。Robinson et al. (2004，2015)認(rèn)為這些還原性的自然元素、合金來(lái)源于深部地幔。Yang et al.(2007)在OsI 合金中發(fā)現(xiàn)金剛石以及在FeTi 合金邊部發(fā)現(xiàn)具有柯石英假象的斯石英暗示形成深度＞9GPa。金屬合金、斯石英/柯石英，和富Mn 相的礦物所有都被發(fā)現(xiàn)以包體存在于金剛石中(楊經(jīng)綏等，2011;Yang et al.，2014)進(jìn)一步證明了這些合金類礦物來(lái)源于深部地幔。也有部分學(xué)者認(rèn)為這些自然元素和合金類礦物可能形成于蛇紋石化的還原環(huán)境中(Dick，1974)，或在島弧俯沖帶蛇紋石化過(guò)程中形成富H2和CH4的還原性流體，流體還原上覆地幔橄欖巖，形成含有自然Ni、Fe 的金屬飽和的硅酸鹽層(Ishimaru et al.，2009)。

白文吉等(2004)在西藏羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)球狀方鐵礦和自然鐵的礦物組合，綜合前人研究成果，認(rèn)為方鐵礦和自然鐵來(lái)自下地幔并可能為核幔邊界的產(chǎn)物。在金伯利巖和鎂鉀煌斑巖中發(fā)現(xiàn)的大量金剛石包體中也有類似的鐵和方鐵礦的報(bào)道(Bulanova et al.，2010)，表明自然鐵和方鐵礦可與金剛石同時(shí)結(jié)晶，這些金屬熔體可作為金剛石生長(zhǎng)過(guò)程中很好的催化溶劑(Siebert et al.，2005)。

薩爾托海鉻鐵礦中通過(guò)選礦發(fā)現(xiàn)了大量的球狀方鐵礦和自然鐵的礦物組合，以及自然Fe、Cr 和Si、Fe-Ni、Fe-Ni-Cr的合金。尤其在金剛石中還發(fā)現(xiàn)了Fe-Ni 合金的包體，所以這些礦物可能和金剛石以及碳硅石一樣，形成在過(guò)渡帶或者下地幔強(qiáng)還原的環(huán)境中，在向上運(yùn)移的過(guò)程中被包裹于結(jié)晶的鉻鐵礦中。當(dāng)然，由于薩爾托海地幔橄欖巖的高度蛇紋石化，不能排除一些單質(zhì)的Fe、Cr 以及Fe-Ni、Fe-Ni-Cr 的合金可能形成于后期蛇紋石化的過(guò)程中。另外，前人通過(guò)對(duì)鉻鐵礦中剛玉包體的研究，認(rèn)為其可能為一種具有超高壓指示意義的礦物(徐向珍等，2013)。薩爾托海鉻鐵礦中這些方鐵礦、自然元素、合金、剛玉等礦物組合的出現(xiàn)，也進(jìn)一步表明了鉻鐵礦可能經(jīng)歷了深部地幔過(guò)程。

5.4 金紅石和鋯石

楊經(jīng)綏等(2002)在西藏羅布莎鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)了SiO2含量為18%的金紅石，認(rèn)為硅呈六次配位，為超高壓環(huán)境中形成的金紅石的變種，可能來(lái)源于過(guò)渡帶或者下地幔。Ren et al.(2009)也通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明SiO2在金紅石中的溶解度隨著溫度和壓力的增大而增大。Dobrzhinetskaya et al. (2009)報(bào)道氮化鈦(TiN)，立方氮化硼(cBN)和α-PbO2-s 結(jié)構(gòu)的TiO2(TiO2Ⅱ)與柯石英交生在一起，代表形成深度大于300km。表明TiO2確實(shí)可以以超高壓的形式存在于鉻鐵礦中。薩爾托海中的金紅石主要成分為TiO2，幾乎不含Si，沒(méi)有超高壓方面的證據(jù)。因此，金紅石可能為俯沖板片的中殘留在俯沖基性洋殼中的金紅石。西藏康金拉鉻鐵礦中剛玉中金紅石包體的出現(xiàn)(徐向珍等，2013)，表明金紅石可能俯沖至深部。但也有可能為俯沖帶中金紅石隨俯沖流體/熔體進(jìn)入淺部大洋巖石圈地幔并保存在鉻鐵礦中。

幔源巖石中常有鋯石產(chǎn)出(Hellebrand et al.，2007;Bortnikov et al.，2008;Bea et al.，2001;Grieco et al.，2001;Peltonen et al.，2003;Katayama et al.，2003;Song et al.，2005;Savelieva et al.，2007;Yamamoto et al.，2013;Robinson and Adetunji，2014)，大多被解釋為與地幔交代或者超基性巖的UHP 變質(zhì)作用有關(guān)，或來(lái)源于圍巖中(Belousova et al.，2015)。Yamamoto et al. (2013)通過(guò)對(duì)西藏羅布莎鉻鐵礦中鋯石的年代學(xué)研究，認(rèn)為殼源鋯石隨俯沖板片進(jìn)入深部地幔，并保存在地幔中很長(zhǎng)時(shí)間，后在鉻鐵礦形成時(shí)被圈閉其中。薩爾托海鉻鐵礦中鋯石包含有大量長(zhǎng)石、石英、磷灰石等殼源低壓硅酸鹽礦物和角閃石、云母等含水礦物。鋯石攜帶這些低壓礦物俯沖至地幔過(guò)渡帶并保存下來(lái)進(jìn)入鉻鐵礦中，幾乎是不可能的，在高溫高壓條件下這些礦物可能溶解或者與強(qiáng)還原性流體反應(yīng)而發(fā)生改變。在此，我們更偏向于Robinson et al. (2015)的解釋，即鋯石可能來(lái)源于俯沖帶中的殼源物質(zhì)，后在俯沖過(guò)程中進(jìn)入大洋巖石圈地幔而保存于鉻鐵礦中。

5.5 異常礦物群對(duì)薩爾托海鉻鐵礦成因意義

薩爾托海蛇綠巖被認(rèn)為形成于弧后盆地(楊瑞瑛等，1997，2000;張弛和黃萱，1992;Tang et al.，2010;Zhang et al.，2011a，b;Yang et al.，2012a，b;Li，2015a，b)。前人研究也表明，薩爾托海鉻鐵礦可能形成于弧后盆地，是拉斑玄武質(zhì)巖漿與地幔橄欖巖反應(yīng)形成(Zhou et al.，2001)。薩爾托海鉻鐵礦金剛石、碳硅石等深部地幔礦物的存在，表明了鉻鐵礦存在深部成礦階段，而淺部殼源礦物金紅石、鋯石可能來(lái)自于俯沖板片上的淺部大洋巖石圈。這一系列超高壓、強(qiáng)還原性和殼源礦物同時(shí)在鉻鐵礦中出現(xiàn)，暗示了鉻鐵礦的成因可能并非單一的成礦過(guò)程能夠解釋，而是包括了深部到淺部的演化過(guò)程。

6 結(jié)論

(1)本文首次在新疆薩爾托海高鋁型鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)了一系列超高壓、強(qiáng)還原性和殼源礦物，這些礦物和之前在西藏羅布莎和俄羅斯極地烏拉爾高鉻型鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)的礦物可以對(duì)比。表明薩爾托海鉻鐵礦的形成可能也經(jīng)歷了深部地幔過(guò)程。

(2)鋯石和金紅石等殼源礦物的出現(xiàn)表明薩爾托海鉻鐵礦的形成可能與淺部俯沖帶殼源物質(zhì)的加入有關(guān)。

(3)薩爾托海鉻鐵礦的形成可能經(jīng)歷了深部地幔預(yù)富集和淺部再造富集成礦兩個(gè)階段。

致謝 電子探針?lè)治龅玫搅酥袊?guó)地質(zhì)科學(xué)院大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戎合工程師的指導(dǎo);掃面電鏡分析得到了施彬博士的幫助;審稿人對(duì)論文提出了建設(shè)性的意見(jiàn)和建議;在此致以最誠(chéng)摯的謝意!

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