蛇绿岩型金刚石和铬铁矿深部成因

杨经绥, 徐向珍, 张仲明, 戎 合, 李 源, 熊发挥, 梁风华, 刘 钊,刘 飞, 李金阳, 李兆丽, 陈松永, 郭国林, Paul ROBINSON

中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室地幔研究中心, 北京 100037

蛇绿岩型金刚石和铬铁矿深部成因

杨经绥, 徐向珍, 张仲明, 戎 合, 李 源, 熊发挥, 梁风华, 刘 钊,刘 飞, 李金阳, 李兆丽, 陈松永, 郭国林, Paul ROBINSON

中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室地幔研究中心, 北京 100037

地球上的原生金刚石主要有3种产出类型, 分别来自大陆克拉通下的深部地幔金伯利岩型金刚石、板块边界深俯冲变质岩中超高压变质型金刚石, 和陨石坑中的陨石撞击型金刚石。在全球5个造山带的10处蛇绿岩的地幔橄榄岩或铬铁矿中均发现金刚石和其他超高压矿物的基础上, 我们提出地球上一种新的天然金刚石产出类型, 命名为蛇绿岩型金刚石。认为蛇绿岩型金刚石普遍存在于大洋岩石圈的地幔橄榄岩中,并提出蛇绿岩型金刚石和铬铁矿的深部成因模式。认为早期俯冲的地壳物质到达地幔过渡带(410～660 km深度)后被肢解, 加入到周围的强还原流体和熔体中, 当熔融物质向上运移到地幔过渡带顶部, 铬铁矿和周围的地幔岩石以及流体中的金刚石等深部矿物一并结晶, 之后, 携带金刚石的铬铁矿和地幔岩石被上涌的地幔柱带至浅部, 经历了洋盆的拉张和俯冲阶段, 最终在板块边缘就位。

金刚石; 蛇绿岩; 铬铁矿; 地幔橄榄岩

通常认为, 地球上的原生金刚石主要有3种产出类型, 金伯利岩型、超高压变质型和陨石撞击型。其中, 金伯利岩型金刚石(Kimberlite Diamond)最早被人类发现和利用, 研究历史也最长, 该类金刚石被认为来自大陆岩石圈(克拉通)下的深部地幔(Shirey et al., 2004; Gurney et al., 2010)。超高压变质型金刚石(Metamorphic Diamond)被发现的历史仅20余年, 其通常与柯石英等超高压矿物伴生, 产在造山带和板块俯冲边界的深俯冲变质岩中(Sobolev et al., 1990; Xu et al., 1992)。陨石中或受陨石撞击的岩石中也会产生一些金刚石, 尽管此类金刚石较少且成因相对简单清楚, 但归属一个独自的产出类型,称之陨石撞击型金刚石(Impact diamond)(Koeberl et al., 1997; Karczemska et al., 2009)。三类金刚石形成的条件和环境不同, 但形成的压力均达5 GPa以上(＞ 150 km深度)(Dobrzhinetskaya et al., 1995)。

自从在西藏蛇绿岩铬铁矿中发现金刚石以来(中国地质科学院地质研究所金刚石组, 1981; Bai et al., 1993), 近些年不断在不同地区的蛇绿岩地幔橄榄岩和铬铁矿中发现金刚石(杨经绥等, 2007, 2008, 2011; 徐向珍等, 2008; Xu et al., 2009)。研究表明,它们的产出地质背景十分不同于已知的其他3种金刚石的产出类型, 提出将其归为一种新的金刚石产出类型, 命名为蛇绿岩型金刚石(杨经绥等, 2011)。

本文对比了金伯利岩型金刚石、超高压变质型金刚石和陨石撞击型金刚石的特征, 小结了蛇绿岩型金刚石的主要特征, 并结合蛇绿岩中其他深部矿物的发现, 提出蛇绿岩和铬铁矿的深部成因模式。

1 金伯利岩型金刚石

金伯利岩型金刚石是指金伯利岩(kimberlite)中产出的金刚石, 为宝石级金刚石的主要来源。金伯利岩主要产在大陆克拉通地区, 如南非、西伯利亚、南美、加拿大、澳大利亚、印度和我国华北等世界上大的克拉通都有分布。金刚石和金伯利岩的发现始于南非, 南非的金刚石产量和质量均位于世界前列, 自1870年起, 已经开采了2亿克拉(1克拉＝0.2克), 其中一半为宝石级(Field et al., 2008)。我国目前金伯利岩型金刚石的主要产地为山东蒙阴和辽宁复县, 两地储量均达上千万克拉, 山东蒙阴至2009年产出已近200万克拉, 但与世界级的大型金刚石矿的差距很大。

金伯利岩一般呈岩管、岩墙或岩脉产出, 通常来自大陆岩石圈＜200 km或更深的地幔, 形成于地幔低程度部分熔融产生的碱性岩浆(路凤香等, 1998; Stachel et al., 2005; Harte, 2010)。钾镁煌斑岩(lamproite)因其物质来源和成因与金伯利岩相近, 人们通常将其归为同一类型。金刚石形成于地幔内部的高温、高压和低氧逸度环境, 当源自深部的金伯利岩岩浆在向上运移过程中, 可将地幔中已形成的金刚石裹挟并带至地表(Walter et al., 2011)。早期通常认为,金伯利岩型金刚石是金伯利岩岩浆结晶的产物, 但金刚石中包裹体的测年表明, 金刚石形成早于金伯利岩, 说明金伯利岩岩浆仅起到一个运载工具的作用(Richardson, 1984)。另有研究者认为, 大颗粒有经济价值的金刚石在被金伯利岩岩浆捕获后, 可以通过多次脉动式的岩浆作用逐步长大, 因而流体及熔体对金刚石生长过程所起的作用也不可忽视。

金伯利岩型金刚石形成时代跨度通常较大, 环带结构发育, 晶体形态多样, 常见有的八面体型、立方体型和包壳型, 其中呈立方体状、包壳状形态的金刚石常含有流体包裹体, 可能在金伯利岩岩浆捕掳金刚石时所形成(Fedortchouk et al., 2010; Burgess et al., 2009; Skuzovatov et al., 2012)。例如, Field等(2008)总结了南非14个大型金伯利岩矿床, 发现金刚石颜色种类丰富, 主要有纯蓝色、白色、烟色、褐色等颜色, 并且形态多样, 表面常有熔蚀和再生的现象, 表明金刚石被岩浆捕获后受到流体交代或岩浆熔融作用的影响。

金伯利岩型金刚石内常含有大量的矿物包裹体,根据其矿物种类组合特征的不同, 可以划分为橄榄岩型(P型)和榴辉岩型(E型)两种, 代表金刚石形成于两种不同性质的地幔源区(图1a, b)。其中P型矿物包裹体类型主要有Cr-镁铝榴石、橄榄石、Cr-透辉石、斜方辉石和铬铁矿等典型地幔矿物(图1c)(Gurney, 1989); 而E型矿物包裹体主要有绿辉石、石榴石、金云母、柯石英和金红石等(Sobolev et al., 1997)。

世界各地金伯利岩型金刚石的碳同位素变化范围较宽, 通常P型金刚石的δ13C其变化区间主要落在–1‰ ～ –10‰, 而E型金刚石的C同位素变化更宽(Bulanova et al., 2002; Deines et al., 2009; Melton et al., 2013)。氮同位素变化在–1.2‰ ～ –8‰(Burgess et al., 2009), 研究还发现金刚石中富含CO2、H2和H2O等流体(Fedortchouk et al., 2010; Burgess et al., 2009; Zedgenizov et al., 2009; Basu et al., 2013), 说明金伯利岩型金刚石在富含流体-熔体的还原环境中生长结晶。

近些年, 金刚石中下地幔的包裹体矿物的发现引起广泛兴趣。其中P型包裹体有铁方镁石(方镁石和方铁矿组合), 铁或氮的碳化物, 高硅石榴石(Harte, 2010), MgSi-钙钛矿, CaSi-钙钛矿, CaTi-钙钛矿, TAPP(Tetragonal almandine-pyrope phase, 四方铁铝榴石-镁铝榴石相)(Harte et al., 1994), Mn-钛铁矿, 低Mg铬尖晶石, 以及碳硅石、自然镍、自然铁等(Kaminsky, 2012)。E型矿物包裹体有: ‘phase Egg’(AlSiO3OH), 该矿物命名为“艾格相”(Schmidt et al., 1998; Wirth et al., 2007), 其压力稳定区达40 GPa(Vanpeteghem et al., 2003), 斯石英(Ono, 1999; Sano et al., 2004), 以及具Eu异常的Ca-Si钙钛矿和高硅石榴石等(Kaminsky, 2012)。

与通常典型的地幔型(P型)金刚石的值(δ13C ≈–5‰)不同, 含有这些包裹体的金刚石的δ13C通常会有一个很大的C同位素变化范围(δ13C值～ −1‰到–24‰) (Stachel et al., 2005; Tappert et al., 2009)。Walter等(2011)认为这些矿物的包裹体和C同位素表明早期的洋壳物质俯冲到下地幔深度后, 被金伯利岩岩浆上升过程中带到地表。

图1 金伯利岩型金刚石特征Fig. 1 Kimberlite diamond

2 超高压变质型金刚石

人们在哈萨克斯坦的Kokchetav超高压变质带中最早报道有微粒金刚石(Sobolev et al., 1990)。含金刚石的岩石为长英质片麻岩、石英岩和大理岩等表壳岩石, 表明在板块和地体边界, 陆壳物质俯冲到＞150 km深度之后, 又折返到地表, 其动力学机制引起人们极大的兴趣。目前, 人们已经在全球6个造山带中发现了微粒金刚石, 包括中国的大别(Xu et al., 1992)和秦岭(Yang et al., 2003), 挪威的西部片麻岩省(Dobrzhinetskaya et al., 1995), 德国的Erzgebirge地体(Massonne, 1999), 希腊的Greek Ghodope杂岩体(Mposkos et al., 2001)等(图2)。

人们对Kokchetav超高压变质地体中金刚石做了较多的研究。金刚石呈微粒大量出现, 通常10～80 μm大小, 平均为粒径30～50 μm 。微粒金刚石δ13C= −9.3‰ ～ −13‰, 有些颗粒细小的金刚石获得δ13C= −17.2‰ ～ −26.9‰, 认为是C的分馏作用所引起(Ogasawara, 2005)。Erzgebirge超高压变质地体中的金刚石形成于两个阶段, 早期的δ13C= −17.8‰,晚期的为δ13C= −21.5至−25.5%, 认为反映从早期还原阶段演化至晚期相对氧化阶段(Dobrzhinetskaya et al., 2010)。Kokchetav超高压变质金刚石中的N具有地壳的成因, 平均δ15N=+5.9‰ ～ +8.5‰(Cartigny et al., 2001; Jacobsen et al., 2011)。

Kokchetav超高压地体中长英质片麻岩中的金刚石中的矿物包裹体主要有SiO2、TiO2、Cr2O3、Al2O3, 以及锆石、方解石和白云石等, 并有流体包裹体。白云岩、大理岩和钙质-硅酸岩片麻岩的金刚石中包裹体主要有方解石、白云石、金红石和Fe2O3等。金刚石中的一些矿物包裹体被认为形成深度＞190～280 km, 包括Kokchetav金刚石中的文石+菱镁矿包裹体, 石榴石橄榄岩中发现多硅石榴石(Majoritic Garnet)残核, 德国Erzgebirge地体中含金刚石片麻岩中的TiO2II金红石(金红石具有a-PbO2结构)(Van Roermund et al., 1998; Hwang et al., 2000; Katayama et al., 2000; Ye et al., 2000; Ogasawara et al., 2002; Dobrzhinetskaya et al., 2006; Spengler et al., 2006; Masago et al., 2010)。

图2 超高压变质型和陨石撞击型金刚石Fig. 2 Metamorphic diamond and impact diamond

3 陨石撞击型金刚石(Impact Diamond)

自然界的金刚石的结构和特征决定其形成于高压条件下, 通常产自地球的深部, 但陨石撞击型金刚石也属金刚石产出的一个类型。

地球上陨石撞击型金刚石最早发现于美国亚利桑那州的Meteor陨石坑, 金刚石产在Canyon Diablo陨石中, 被认为是陨石撞击地球时形成的(Heymann et al., 1966)。发现陨石撞击型金刚石的还有德国的Ries Crater陨石(Goresy et al., 2001), 摩洛哥的NWA 3140陨石, 以及利比亚的DaG 868陨石(Karczemska et al., 2009)等。此外, 人们还在南极冰盖的铁陨石中发现了细粒的陨石撞击型金刚石, 认为其形成于地球之外的行星之间的撞击(Goresy et al., 2001)。俄罗斯和乌克兰也有多处陨石坑中发现了金刚石(Masaitis, 1993; Masaitis et al., 1972, 1990; Vishnevskyet al., 1975; Gurov et al., 1995)。尤其, 位于俄罗斯西伯利亚的Popigai陨石坑直径约100 km, 时代为35.7 Ma(Bottomley et al., 1997), 其中发现的金刚石可达1 cm, 该金刚石为多晶组成(Masaitis et al., 1972)。

图3 蛇绿岩型金刚石分布图Fig. 3 Locations of the ophiolite diamond on Earth

图4 蛇绿岩型金刚石Fig. 4 Diamond in ophiolites

Koeberl等(1997)研究了从陨石撞击后形成的熔融体中结晶出的金刚石, 其粒度达500～600 µm, 其中保留了从石墨转变成金刚石的印记(图2c, d)。其C同位素的δ13C区间为–12‰至–17‰, 比产于地幔的金伯利岩型金刚石的13C更亏损, 但比沉积物中生物成因的13C要富集, 而与石墨的区间相一致, 证明是石墨受到冲击变质后形成(Vishnevsky et al., 1975)。

4 蛇绿岩型金刚石

自西藏雅鲁藏布江蛇绿岩的铬铁矿中发现金刚石以来(中国地质科学院地质研究所金刚石组, 1981), 蛇绿岩中金刚石的研究近些年取得了很多新进展。此前人们仅在罗布莎蛇绿岩的一个矿区的铬铁矿中发现了金刚石, 并且金刚石的数量很少, 仅数十粒。新的研究从罗布莎3个矿区的多个铬铁矿和地幔橄榄岩中发现了金刚石(杨经绥等, 2008), 尤其, 康金拉矿区的铬铁矿和地幔橄榄岩中均找到千余粒金刚石(徐向珍等, 2008), 研究取得了重大突破。其后, 在全长近2000 km的雅鲁藏布江缝合带中多个地幔橄榄岩体中陆续发现了金刚石, 其中包括东波、普兰、当穷、日喀则和泽当等岩体(杨经绥等, 2011; Yang et al., 2011)。此外, 在西藏的班公湖—怒江缝合带的丁青地幔橄榄岩、新疆萨尔托海蛇绿岩铬铁矿、缅甸的密支那蛇绿岩地幔橄榄岩(Yang et al., 2012b, 2013)和俄罗斯极地乌拉尔的Ray-Iz蛇绿岩铬铁矿中也均发现了金刚石(杨经绥等, 2007)。至此, 在西藏、新疆、俄罗斯乌拉尔和缅甸密支那等全球5条缝合带的10个蛇绿岩中发现了金刚石等深部矿物, 表明大洋地幔橄榄岩中可能普遍存在金刚石(图3, 4)。尤其是, 西藏和俄罗斯乌拉尔的铬铁矿石中原位金刚石的发现, 彻底消除了蛇绿岩金刚石为混染的质疑(Taylor et al., 1995; 切切斯特钻石公司考察团, 1997)。在以上研究基础上, 划分出了蛇绿岩型金刚石, 认为代表地球上金刚石的一种新的产出类型, 其形成构造背景完全不同于金伯利岩型金刚石和超高压变质型金刚石(杨经绥等, 2011), 并认为蛇绿岩型金刚石提供了铬铁矿深部成因的重要证据(Yang et al., 2012a)。

蛇绿岩型金刚石, 无论其产在铬铁矿中还是地幔橄榄岩中, 具有十分相近的特征。首先, 金刚石的直径多为0.2～0.5 mm, 自形晶、无色或淡黄色, 主要为八面体型和菱形十二面体型。红外光谱测得罗布莎的金刚石为IaA-IaB混合型, 金刚石的氮总量变化于20×10-6～670×10-6(白文吉等, 2001)。在美国加利福尼亚大学河畔分校化学系完成的红外光谱分析, 获得西藏罗布莎金刚石样品也属IaA型(戎合等, 2013)。在德国地学研究中心(GFZ)的SIM实验室完成的61粒金刚石的71件C同位素分析, 样品包括西藏多个地幔橄榄岩和俄罗斯乌拉尔铬铁矿中的金刚石, 获得δ13CVPDB变化于–18.3‰到–28.7‰之间,平均值为–24.6‰; 在西澳大学完成的15粒金刚石的33件分析与德国的分析结果一致(Yang et al., 2013)。在德国GFZ使用FIB和TEM方法开展矿物包裹体研究发现两地金刚石中均有Co-Mn-Ni合金等特殊矿物包裹体(Yang et al., 2012b), 不同于金伯利岩金刚石中的包裹体(Tappert et al., 2005; Davies et al., 2004)。

5 蛇绿岩和铬铁矿的深部成因

图5 超高压新矿物青松矿(BN)和形成深度示意图Fig. 5 Qingsongite and its formational depth

蛇绿岩和铬铁矿中存在一个超高压矿物群, 除超高压矿物金刚石外, 其他超高压矿物还有: 碳硅石、硅金红石、硅尖晶石等, 超高压矿物柯石英和蓝晶石(杨经绥等, 2002a; 白文吉等, 2006; 杨经绥等, 2008)。研究表明, 柱状体柯石英为斯石英假象。斯石英形成温度T＝1000 C, 压力P＞9 GPa(即＞300 km深度), 在压力降低的环境, 斯石英相变成柯石英(P＞2.8 GPa)(Yang et al., 2007)。运用FIB和TEM新手段, 在柯石英中发现纳米级的超高压成因的TiN和BN等特殊包裹体(Dobrzhinetskaya et al., 2009)。最近, 国际新矿物和矿物命名委员会批准该氮化物矿物(分子式BN)为新矿物, 新矿物命名为Qingsongite(青松矿) (Williams et al., 2013)。青松矿是为了纪念中国地质科学院地质研究所的方青松研究员(1939—2010)而命名的新矿物, 他在罗布莎铬铁矿石中找到第一粒金刚石中做出了杰出贡献(中国地质科学院地质研究所金刚石组, 1981)。

青松矿电子探针成分: B 48.54 ±0.65 wt% (47.90～49.2 wt%); N 51.46 ±0.65 wt%(52.10～50.8 wt%); 分子式: BN; 晶体结构: 立方晶系, a=3.61 Å, ρcalc=3.50 g cm-3,空间群F-43 m。青松矿包裹在罗布莎铬铁矿中超高压柯石英和蓝晶石组合中, 形成温度为1300℃, 压力为10～15 GPa, 深度大于300 km, 是典型的超高压矿物。BN中的物质B(硼)为地表常见矿物组分, 因此, 推测其源于地壳, 俯冲到深部地幔, 形成青松矿。青松矿的发现, 结合铬铁矿中锆石等其他地壳物质的报道, 对认识大洋深俯冲, 壳幔相互作用和豆荚状铬铁矿的形成具有重要意义。

6 超高压矿物和蛇绿岩铬铁矿的深部成因

图6 地幔中的超高压矿物和铬铁矿的深部成因模式Fig. 6 Model of formation of ultrahigh-pressure minerals and ophiolitic chromitites

经典的板块构造理论认为, 蛇绿岩地幔橄榄岩(即大洋地幔橄榄岩)通常来自浅部地幔。已有研究表明, 在蛇绿岩地幔岩中可能普遍含深部矿物, 深部矿物的成分和C同位素特征表明这些物质可能来自早期俯冲到地幔过渡带(410～660 km)的地壳岩片。为此我们提出一个新的蛇绿岩铬铁矿成因模式如下:

从海沟深俯冲下去的地壳物质中会携带大量的流体和U、Th、Pb等放射性物质, 到达地幔过渡带后, 由于放射性生热和流体的作用, 俯冲岩片被肢解和熔融, 加入到周围的强还原流体中。同理, 地幔物质在过渡带也将发生高度熔融, Cr元素从岩石中熔出进入熔融体。这些熔融体和流体随地幔柱上涌至过渡带顶部附近, 随温度和压力降低, 金刚石等超高压相矿物与铬铁矿均开始结晶。之后, 携带金刚石的铬铁矿和地幔岩石随地幔柱上涌至浅部, 深部强还原环境形成的矿物一部分被保留, 如金刚石和青松矿等, 另一部分发生改变, 如斯石英被相对低压相的柯石英替代(Yang et al., 2007), 柯石英从高Si的铬铁矿中出溶(Yamamoto et al., 2009)。

Liou等(2012)在美国矿物学杂志撰文, 认为“蛇绿岩铬铁矿中发现超高压矿物打破了传统蛇绿岩铬铁矿形成于高温、低压的洋中脊或弧后扩张环境的传统观念的‘禁锢’”。新发现有可能改变蛇绿岩地幔橄榄岩和铬铁矿为浅部来源的经典板块构造理论,改变传统的人们对地幔物质成分和地幔物质运移的认识, 并且可能通过深部地幔矿物的研究证实地幔柱和地幔循环新理论。

致谢:西藏矿业巴登珠总工和地质组成员, 以及CARMA项目组和研究生20余人参加野外调研和取样, 大陆构造与动力学国家重点实验室协助分析测试、许志琴院士和实验室成员予以指导或研讨, 在此一并致谢。中国地质科学院地质研究所白文吉研究员和方青松研究员的早期研究工作和经验为本研究奠定了基础, 使得我们少走了许多弯路, 在此深表感谢。尤其方青松研究员过早的逝去, 是地幔深部矿物研究的一个重大损失。我们谨以此文和新矿物——青松矿的发现并以他的名字命名, 予以纪念！

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Ophiolite-type Diamond and Deep Genesis of Chromitite

YANG Jing-sui, XU Xiang-zhen, ZHANG Zhong-ming, RONG He, LI Yuan, XIONG Fa-hui, LIANG Feng-hua, LIU Zhao, LIU Fei, LI Jin-yang, LI Zhao-li, CHEN Song-yong, GUO Guo-lin, Paul ROBINSON
CARMA, State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

The three main occurrences of natural diamond currently recognized on Earth are kimberlites from the deep mantle under cratonic lithosphere, ultrahigh-pressure metamorphic rocks formed by subduction of continental crust, and meteorites and rocks in impact structures. Based on the discovery of diamonds and other ultrahigh-pressure minerals in ophiolitic mantle peridotites and podiform chromitites from 10 ophiolites in 5 plate boundaries, we propose a new occurrence of diamond, called ophiolite diamond. We suggest that ophiolite diamond exists universally in the mantle rocks beneath oceanic lithosphere, and thus propose a model that diamond-hosted chromitites and mantle rocks form at depths over 300 km at the top of the transition zone between the upper and lower mantle. The carbon and other crustal materials were derived from earlier subducted crust. The diamond-bearing chromitites and mantle rocks are brought to shallow depth by mantle convection and emplaced at plate boundaries along with other oceanic lithosphere.

diamond; ophiolite; chromitite; mantle peridotite

P619.241; P618.33

A

10.3975/cagsb.2013.06.01

本文由国家行业专项“深部探测技术与实验研究”(编号: SinoProbe-05)、自然科学基金重点项目(编号: 40930313)、自然科学基金创新群体项目(编号: 40921001)和中国地质调查局工作项目(编号: 1212011121263)联合资助。获中国地质科学院2012年度十大科技进展第五名。

2013-10-21; 改回日期: 2013-10-25。责任编辑: 闫立娟。

杨经绥, 男, 1950年生。研究员。主要从事岩石学研究。E-mail: yangjsui@cags.ac.cn。