新疆萨尔托海高铝铬铁矿中异常矿物群的发现及意义*

2015-03-15田亚洲杨经绥张仲明熊发挥李源刘钊刘飞牛晓露

岩石学报 2015年12期

关键词：橄榄岩金红石罗布

田亚洲杨经绥张仲明熊发挥李源刘钊刘飞牛晓露

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

1. 贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025

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

3. 中国地质科学院矿产资源研究所，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

近年在我国西藏和俄罗斯极地乌拉尔等地的蛇绿岩铬铁矿中新发现了金刚石等深部矿物群，对此前铬铁矿的浅部成因理论提出了质疑。铬铁矿中为什么会产有金刚石等深部地幔矿物?它们是如何形成的?这些异常矿物在全球不同类型和构造背景的蛇绿岩铬铁矿和地幔岩中是否普遍存在?其科学意义何在?新发现使得蛇绿岩型铬铁矿的成因，尤其金刚石等深部矿物的成因和深部地幔作用，成为板块构造面临的一个极具挑战性的新的前沿性科学问题。

自中国地质科学院地质研究所金刚石研究小组(1981)在西藏罗布莎地幔橄榄岩中发现第一颗金刚石以来，在西藏罗布莎和东巧地幔岩和铬铁矿中陆续有金刚石的报道(梁日暄等，1984;Bai et al.，1993;白文吉等，2001;颜秉刚等，1986;Robinson et al.，2004)。除了金刚石之外，其他的一些超高压矿物也陆续有报道。白文吉等(2004)认为西藏罗布莎蛇绿岩地幔岩中发现的方铁矿和自然铁可能来源于核幔边界。杨经绥等(2002)在西藏罗布莎铬铁矿中发现了富硅的金红石［(Ti0.82Si0.18)O2］，认为其形成超高压环境，可能来自过渡带或下地幔。白文吉等(2006)在西藏罗布莎铬铁矿中发现一种富硅尖晶石(SiO2含量在40%以上)，认为其具有超高压的性质，来自地幔过渡带。Yang et al. (2007)在罗布莎铬铁矿中发现呈斯石英假象的柯石英，并在锇铱矿中发现了原位的金刚石包体，指示温度高于2000℃，压力大于9GPa，深度大于300km 的高温高压环境。杨凤英等(1981)年在罗布莎铬铁矿和地幔橄榄岩中发现大量八面体假象的硅酸岩矿物，该矿物理想化学式为Mg2SiO4，具有反尖晶石结构，所有的Si 占据八面体的位置，可能为一种无水的超高压叶蛇纹石，形成深度可能在16 ～18GPa(Griffin，2014)。Trumbull et al. (2009)通过对罗布莎铬铁矿中碳硅石的碳同位素研究表明，碳可能来自于下地幔。Yamamoto et al.(2009)在罗布莎铬铁矿中发现柯石英和单斜辉石的出溶片晶，表明豆荚状铬铁矿的形成深度大于100km，甚至达到380km。另外，还在铬铁矿中的柯石英、蓝晶石和TiN 矿物组合中发现了一种新类型的矿物，取名青松矿，化学式为BN，形成深度大于300km，硼可能是由俯冲板片循环而进入地幔深部(Dobrzhinetskaya et al.，2009，2014)。

除了UHP 矿物外，罗布莎铬铁矿中还发现了大量强还原性矿物(单质铁、单质硅、单质铬、单质钨等);合金类矿物(铂族元素合金、贱金属合金以及贱金属与铂族元素合金);碳化物(NiC，FeC，TiC，WC 等);氮化物(Ti2N，Ti2N3等);氧化物(刚玉、方铁矿、磁铁矿、方镁石、钛铁矿等);硫(砷、碲)化物(黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿、辉铜矿、针镍矿等)，以及硅酸盐矿物(杨经绥等，2008;Yang et al.，2014;徐向珍等，2008，2013;Xu et al.，2009，2015)。此外，在罗布莎铬铁矿中还发现了大量壳源矿物，如锆石、角闪石、云母、水镁石、萤石、钾长石、斜长石、石英等(Robinson et al.，2015;Yamamoto et al.，2013)。

本文选择新疆萨尔托海铬铁矿为研究目标，铬铁矿为高铝型，产在晚古生代蛇绿岩中，已发现金刚石的西藏罗布莎和俄罗斯极乌拉尔铬铁矿均为高铬型，蛇绿岩形成时代分别为中生代和早古生代。因此，探讨萨尔托海高铝铬铁矿中是否含有金刚石等深部矿物及成因具有重要科学意义。

2 地质背景

萨尔托海铬铁矿区位于中亚造山带腹地西准噶尔达拉布特蛇绿岩带北东部萨尔托海蛇绿岩中。中亚造山带是一条延伸近2000km 的复合型造山带，将北部的西伯利亚板块、西部的哈萨克斯坦板块和南部的塔里木板块以及华北克拉通分隔开(图1b)。西准噶尔位于中亚造山带中部，受西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的共同作用，发育多条蛇绿岩带，包括唐巴勒中奥陶世蛇绿岩带、玛依勒山中晚志留世蛇绿岩带、洪古勒楞中奥陶世蛇绿岩带、克拉玛依早古生代蛇绿岩带和达拉布特中泥盆世蛇绿岩带。达拉布特蛇绿岩带呈不连续的构造岩片产于准噶尔盆地西部的高角度逆冲断层-达拉布特断裂带北翼，北东-南西向延伸约100km，北东端隐伏于白杨沟，南西端被庙儿沟花岗岩体所截。

达拉布特蛇绿岩带自北向南分布有木哈塔依、鲸鱼、萨尔托海、达拉布特、科果拉、坎土拜客、库朗库朵克、苏鲁乔克、阿克巴斯套、阿音拿巴斯套十个蛇绿混杂岩体，如图1。萨尔托海铬铁矿产于蛇绿岩带上最大的蛇绿岩体-萨尔托海蛇绿岩体中。萨尔托海蛇绿岩位于达拉布特断裂带西北侧约6km，岩体与围岩为断层接触，走向北东，呈不规则状展布。岩体沿走向延伸超过20km，宽0.1 ～2km，平均宽约0.8km，北部较窄，中部向南分为3 个分支，出露面积超过20km2。蛇绿岩组成单元主要包括地幔橄榄岩、玄武岩、基性熔岩和硅质岩，见橄长岩、橄榄辉长岩、辉长岩脉侵入岩体中。在岩体的西段叶格孜卡拉地区，有花岗岩侵入于岩体。地幔橄榄岩主要由方辉橄榄岩和少量的纯橄岩、二辉橄榄岩组成，部分地幔岩已蚀变成石棉。方辉橄榄岩普遍蛇纹石化，可见少量较新鲜的方辉橄榄岩出露，纯橄岩和二辉橄榄岩多呈透镜状分布于方辉橄榄岩中，二辉橄榄岩多分布于岩体的边部，纯橄岩多以铬铁矿的外壳产出，两者皆强烈蛇纹石化。矿体附近的纯橄岩往往在蛇纹石的基础上进一步绿泥石化，其含量通常为30% ～40%，最高可达80%。玄武岩零星出露在地幔橄榄岩中，辉长岩脉较新鲜，一般呈正地形分布于地幔橄榄岩中。萨尔托海铬铁矿区矿体具有成群出现，分段集中的特点。矿体形态复杂多样，以透镜状为主，次为囊状、似脉状、扁豆状等。矿体与纯橄榄分布密切相关，大部分产于纯橄榄岩中，矿石结构以中、粗粒半自形为主，细粒次之。矿石构造类型以致密块状铬铁矿石为主，稠密浸染状次之。同一矿体中，浸染状矿石一般分布在矿体的边缘。

3 分析方法

图1 达拉布特蛇绿岩带地质简图(据新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993 修改)Fig.1 Simplified Geological map of Darbute ophiolite (modified after BGMRX，1993)

矿物的分选工作在河南郑州矿产综合利用研究所完成。共847kg 新鲜的致密块状铬铁矿被用于选矿，为避免外来污染，在碎矿之前，对铬铁矿中的岩脉进行剔除，对选矿仪器进行反复清洗，以确保实验过程中的零污染。对通过一系列复杂选矿流程选出的目标精矿，进行双目镜下矿物分选。

单矿物拉曼分析在中国地质科学院地质研究所完成，实验仪器为RENISHAW-1000 激光拉曼光谱。扫描电镜(SEM)、背散射照片(BSE)、阴极发光(CL)在中国地质科学院大陆构造与动力学国家重点实验室完成。CL 实验仪器为Mono CL4，实验条件为电压15kV，电流20nA，束斑5μm。扫描电镜仪器Nano 450 配套能谱仪INCA X-Max50，实验条件为电压20kV，束斑5μm，电流20nA。电子探针分析在中国地质科学院大陆构造与动力学国家重点实验室完成，仪器型号为日本电子公司JXA-8100、能谱仪Inca Energy 型，探针束流20nA，加速电压15.0kV，电子束斑5μm。

4 分选出的异常矿物群

双目镜下分选结果表明，萨尔托海高铝型铬铁矿中至少有金刚石、碳硅石、单质硅、单质铬等20 余种矿物，包括金刚石、单质铬、自然铁和单质硅等自然元素类;碳化物碳硅石;铁镍、铁镍铬合金等金属合金;方铁矿、金红石、赤铁矿、磁铁矿、钛铁矿、石英和铬尖晶石等氧化物类;方铅矿、闪锌矿、针镍矿、赫硫镍矿和毒砂等硫化物类;镁橄榄石、顽火辉石、透辉石、蛇纹石、锆石和长石等硅酸岩类。

图2 萨尔托铬铁矿金刚石显微镜下照片(a)、SEM 照片(b-f)和拉曼光谱(m、n)Fig.2 Photomicrograph (a)，SEM images (b-f)and Raman patterns (m，n)for diamonds from Sartohay chromitites

4.1 单质矿物

4.1.1 金刚石

截止到目前，在萨尔托海铬铁矿中发现了20 多粒金刚石。金刚石大多为浅黄色，部分金刚石为无色或红橙色(图2a)。颗粒直径在100 ～200μm 之间，大多为他形，形态各不相同(图2a-f)。部分金刚石为长柱状(图2b)，部分为八面体(图2c)或半自形(图2e)。SEM 显微照片显示部分金刚石发育有较好的晶面条纹(图2f)。22 个点的拉曼光谱分析数据显示金刚石的拉曼峰值集中在1325 ～1333cm-1之间，大多数集中在1331.51cm-1或者1326.96cm-1(图2m，n)。与典型的罗布莎矿区金刚石相比(Xu et al.，2015)，萨尔托海金刚石数量较少，粒径小，形态更不规则。

4.1.2 单质铁

萨尔托海铬铁矿中产出大量的铁球，将铁球置于环氧树脂内磨平，在背散射下发现大多数铁球由两种不同的矿物组成，能谱确定是Fe 和O 原子比1∶1 的FeO 和单质铁(图3a，e，f)。部分单质铁呈球状被包裹于FeO 内部，因反射光较周围的FeO 强而易于与其区分开(图3a)，单质铁球内部又包含有许多粒径小于5μm 的FeO(图3b)。部分单质铁呈圆球状独立产出，无FeO 包裹(图3d)，部分含有FeO 颗粒(图3c)。铁球粒径一般在50 ～100μm 之间。

4.1.3 单质铬

萨尔托海铬铁矿中的单质铬主要以粒状和片状产出，粒径在100 ～200μm 之间(图4a，b)，单质铬内部未发现任何其他矿物包体。能谱数据也显示单质铬中不含其他元素(图c)。

4.2 氧化物

4.2.1 金红石

萨尔托海铬铁矿中共发现30 余粒金红石，呈红色或暗红色，粒径在50 ～200μm 之间(图5a)，因为矿物分选时的机械破碎，所有金红石均为他形不规则状(图5c)。拉曼光谱显示金红石的峰值为444cm-1和607cm-1(图5d)。能谱显示金红石主要由Ti 和O 组成(图5b)。11 个点的电子探针数据显示金红石主要由TiO2(98.87% ～99.64%)和少量的FeO(0.09% ～0.55%)组成(表1)。

图3 萨尔托海铬铁矿中单质铁SEM 照片(a-d)以及单质铁与方铁矿能谱(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 方铁矿(FeO)

在萨尔托海铬铁矿中选出几百粒黑色球状金属颗粒(图6a)，粒径变化较大(50 ～300μm)。SEM 显示颗粒表面为龟裂状(图6b)，为确定颗粒物的内部结构，将其置于环氧树脂中磨平、抛光喷碳后发现颗粒中包含有反射率更高的自然铁(图6c)，自然铁内部包含有球状和蠕虫状的颗粒(图6d)。能谱揭露金属颗粒主要由Fe 和O 组成，原子比为1∶1，内部包体为自然铁，而自然铁内部的球状和蠕虫状的颗粒成分与金属颗粒一样为FeO。根据前人在西藏康金拉或俄罗斯乌拉尔铬铁矿的报道(Yang et al.，2015;白文吉等，2004)，认为这种FeO 金属颗粒可能为方铁矿。部分方铁矿内部不含任何包体(图6e)，部分方铁矿内部为空洞(图6f)。方铁矿电子探针数据见表2，主要由FeO(90.47% ～97.36%)组成，另外还含有部分SiO2(0.13% ～4.6%)和MnO(1.17% ～4.63%)以及少量的Al2O3和Cr2O3。

表1 萨尔托海铬铁矿中金红石电子探针成分(wt%)Table 1 Microprobe analyses of rutile from Sartohay chromitites (wt%)

表2 萨尔托海铬铁矿中铁球的电子探针成分(wt%)Table 2 Microprobe analyses of wüstite from Sartohay chromitites (wt%)

图4 萨尔托海铬铁矿单质铬显微镜下照片(a)、BSE 照片(b)和能谱(c)Fig.4 Photomicrograph (a)，BSE image (b)and energy spectrogram (c)of native chromium in Sartohay chromitites

4.2.3 刚玉

在萨尔托海铬铁矿中仅发现2 颗刚玉，颗粒大小在100μm 左右，颗粒为长柱状或不规则状，内部干净无任何包体(图7a，b)，能谱显示其中1 颗刚玉中含有少量Ti(图7d)，能谱半定量分析结果见表3，刚玉中Ti 的重量百分比为0.90%，Al 和O 分别为52.13%和46.97%，原子百分比分别为0.38%、39.54%和60.08%。另1 颗包出除Al 和O外无其他元素，重量百分比和原子百分比分别为49.89%、50.11%以及37.12%、62.88%。为典型的刚玉的Al2O3的分子式。

表3 萨尔托海铬铁矿中刚玉能谱成分(wt%)Table 3 EDS analyses of corundums in Sartohay chromitites(wt%)

4.3 互化物

萨尔托海铬铁矿中的互化物主要有碳硅石、铁镍合金、铁镍铬合金。由于后两者数量不多，仅对碳硅石进行简要描述。

图5 萨尔托海铬铁矿中金红石镜下照片(a)、能谱(b)、BSE 照片(c)和拉曼光谱(d)Fig.5 Microphotograph (a)，energy spectrogram (b)，BSE image (c)and Raman spectrogram (d)showing rutiles from Sartohay chromitites

图6 萨尔托海铬铁矿中方铁矿显微镜下照片(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 之间，颜色为浅蓝到深蓝色(图8a)。碳硅石具有明显的金刚光泽，多呈薄片状和不规则状，不具有较好的晶形(图8b-d)。所有分析点的激光拉曼光谱显示762cm-1、785cm-1、966cm-1三个峰值(图8f)，为碳硅石的典型特征波峰。能谱确定该矿物全部由Si和C 两种元素组成(图8e)。相似的碳硅石在阿曼蛇绿岩铬铁矿、西藏罗布莎铬铁矿以及俄罗斯极地乌拉尔铬铁矿中都有报道，所有这些铬铁矿都具有相似的颜色、晶体和大小(Trumbull et al.，2009;Xu et al.，2009;Robinson et al.，2015;Yang et al.，2015)。

4.4 其他矿物

除了上述矿物外，萨尔托海铬铁矿中还含有许多硅酸盐类矿物，如镁橄榄石、顽火辉石、透辉石、蛇纹石、锆石和石英等，其中以锆石最多。

在萨尔托海铬铁矿中发现几百余粒锆石，锆石粒径在50～300μm 之间，颜色主要有无色，淡黄色，浅棕色，玻璃光泽至金刚光泽(图9a)。锆石形态各异，有四方双锥体(图9b，d)，半自形(图9g)，不规则状(图9f)，圆形(图9e)。一些锆石因为晶格放射性损坏而出现脱晶作用。锆石CL 图像显示大多数颗粒发育较好的振荡环带，少部分无环带结构，内部较均一(图9i)，表明铬铁矿中大多数锆石为结晶形成。

锆石中含有大量矿物包体:钾长石、磷灰石、黑云母、黄铁矿、赤铁矿、石英、角闪石、斜长石、方解石等(图9h)。包体粒径大多在5 ～20μm 之间，以单相或多相产出。

图7 萨尔托海铬铁矿中刚玉能谱BSE 照片(a、b)和拉曼光谱(c、d)样品已置于环氧树脂中磨平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

图8 萨尔托海铬铁矿中碳硅石显微镜下照片(a)、SEM 照片(b-d)、能谱(e)和拉曼光谱(f)Fig.8 Photomicrograph (a)，SEM images (b-d)，energy spectrogram (e)and Raman spectrogram (f)for moissanites from the Sartohay chromitites

图9 萨尔托海铬铁矿中的锆石(a)锆石显微镜下照片;(b-g)不同晶形锆石的BSE 照片:(b)短柱状四方双锥的锆石;(c)四方双锥锆石;(d)长柱状四方双锥锆石;(e)圆球状锆石;(f)不规则状锆石;(g)半自形状锆石;(h)锆石中的石英包裹体;(i)锆石CL 图像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 讨论

5.1 金刚石

克拉通内金伯利岩型金刚石大多形成于150 ～250km 的大陆岩石圈地幔中(Stachel et al.，2005)，随着分析技术的不断进步，对金刚石中包体的大量研究表明，部分金刚石可形成于岩石圈地幔以下至下地幔顶部800km 范围内，并和俯冲板片的物质有成因联系(Stachel et al.，2005;Tappert et al.，2005;Bulanova et al.，2010;Walter et al.，2011;Harte and Richardson，2012)。可知，金刚石的研究对于深刻理解地幔圈层结构、地幔深部过程至关重要。近年来，由于在地幔橄榄岩和铬铁矿中陆续发现金刚石、碳硅石、Fe-Si 相和Fe-C 相的矿物，表明这些矿物可能形成于地幔过渡带，提出了铬铁矿和大洋岩石圈地幔中金刚石存在的普遍性和铬铁矿的深部成因模式(Yang et al.，2014)。

金刚石如何形成并保存在铬铁矿中以及其对铬铁矿的成因指示意义，一直以来都颇具争议。早期在罗布莎发现金刚石被认为形成于下地幔经地幔柱作用被带至浅部而保存在浅部结晶的铬铁矿中(Robinson et al.，2004)。Yang et al.(2014，2015)认为俯冲板片俯冲到地幔过渡带发生部分熔融，当熔体因浮力向上运移至＞300km 的过渡带顶部或者上地幔时，UHP 铬铁矿开始结晶并包裹在深部(＞14GPa)、低氧逸度环境中形成的UHP 和强还原性矿物。而金刚石中周围的非晶质的碳囊(amorphous carbon)则表示金刚石形成于富碳的还原性流体中，流体中包括了金属合金、斯石英/柯石英、富Mn 相等矿物。包含金刚石的铬铁矿由于地幔柱作用被带至浅部地幔，由于地幔橄榄岩的部分熔融使得铬铁矿发生重组而形成小的豆状铬铁矿，由于俯冲消减，少部分地幔橄榄岩在俯冲带与岛弧拉斑玄武岩或玻安岩反应，形成大的豆荚状铬铁矿。Xiong et al. (2015)和Xu et al. (2015)分别对西藏罗布铬铁矿和相连的康金拉铬铁矿进行研究表明含有金刚石的铬铁矿也经历了深部地幔作用和浅部再造成矿。Zhou et al.(2014)认为只有少量的铬铁矿在极高压的大洋环境中形成并含有柯石英和单斜辉石的出溶体。而铬铁矿中所含的大量金刚石被认为是板片断裂、软流圈混染后，铬铁矿结晶过程中捕获的角闪岩相和榴辉岩相变质岩中的金刚石。McGowan et al.(2015)通过对罗布莎铬铁矿化学成分和PGM 的Re-Os 以及锆石的U-Pb 同位素年代学分析认为罗布莎铬铁矿形成在浅部的大陆边缘SSZ 环境，后含铬铁矿的岩石圈地幔俯冲到地幔过渡带保存150Myr，最后由于自身浮力以及板片回转(rollback)快速(≤10Myr)上升，使得金刚石等超高压信息得以保存。Arai(2013，2015)也持有相似观点，认为浅部成因的铬铁矿可能循环至深部过渡带，并与流体交代形成金刚石保存于铬铁矿中后循环至浅部岩石圈地幔。Rollinson and Adetunji(2014)和Robinson et al.(2015)认为在俯冲初始阶段由于弧前扩张、软流圈地幔上涌可能使金刚石保存在铬铁矿中。Niu(2014)认为在＜7.5GPa 和≤800℃时稳定存在于大洋岩石圈地幔中的蛇纹岩由于条件改变而脱水，水进入俯冲带上盘地幔使大陆的岩石圈地幔发生蛇纹石化，形成蛇纹岩。蛇纹岩由于密度较轻，底劈上升时捕获大陆地幔方辉橄榄岩中的金刚石并保存在蛇绿岩和铬铁矿中。铬铁矿中金刚石的特征与典型的古老大陆岩石圈地幔中的金伯利岩或者钾镁煌斑岩型金刚石完全不同(杨经绥等，2014)，金刚石也保存在大洋岩石圈地幔的铬铁矿中。

探讨金刚石的成因离不开铬铁矿的成因问题。蛇绿岩中的金刚石由于在赋存岩石、粒径大小、包裹体类型和碳同位素特征以及产出背景上都与金伯利岩型金刚石和超高压变质型金刚石不同(杨经绥等，2014)，因此金刚石可能来源于俯冲带的观点值得商榷，而结合FIB 和TEM 在萨尔托海铬铁矿中发现了Fe-Ni 合金以及钙钛矿包体(未刊)更说明了金刚石可能来源于深部地幔。所以，在萨尔托海铬铁矿中发现金刚石，至少表明萨尔托海铬铁矿和西藏罗布莎铬铁矿以及俄罗斯乌拉尔铬铁矿一样，经历了深部地幔过程。需要指出的是，在铬尖晶石包裹金刚石向上运移的过程中，由于物理化学条件的不断改变，可能会造成铬铁矿和金刚石的退变质作用，使金刚石转变为石墨，而少量被包裹在铬铁矿中的金刚石得以保存下来，赋存在浅部大洋岩石圈的亏损地幔橄榄岩中。金刚石的碳是否来源于地幔碳或者和罗布莎、乌拉尔中的金刚石一样来源于俯冲板片(Yang et al.，2014)，需要进一步C 同位素数据来证明。

5.2 碳硅石

碳硅石在西藏罗布莎和俄罗斯极地乌拉尔铬铁矿中都有报道(Bai et al.，2000;Robinson et al.，2004;杨经绥等，2007，2011;Yang et al.，2015)。Trumbull et al.(2009)通过分析俄罗斯极地乌拉尔Ray-Iz、西藏罗布莎和东巧、阿曼Semail 蛇绿岩铬铁矿及部分地幔橄榄岩中的碳硅石以及Turkish beach 超基性火山岩中碳硅石的C 同位素组成，与金伯利岩中碳硅石的C 同位素特征相似，且都具有自然硅和Fe 硅酸盐相的圆形包体，两者被认为有相似的形成过程。通过与地外行星(火星、月球和陨石)C 同位素的对比研究，认为碳硅石中的C 可能来源于下地幔。值得一提的是，通过对金刚石高温高压实验，金刚石中深源包体的研究以及金刚石碳、氮同位素研究，表明俯冲洋壳可俯冲至上地幔底部410～660km 的过渡带，甚至达到下地幔顶部，俯冲洋壳中生物成因碳和碳酸盐岩中的碳可参与地幔深部过程形成金刚石(Pal’yanov et al.，1999;Walter et al.，2011;Harte and Richardson，2012;Tappert et al.，2005)。俄罗斯、中国和缅甸不同地区显生宙蛇绿岩和铬铁矿中金刚石的δ13C 在-28‰～-18‰(Yang et al.，2014)，与洋壳生物成因δ13C的-25‰接近(Cartigny，2005)，表明铬铁矿中的金刚石和金伯利岩以及钾镁煌斑岩中的金刚石碳源一样很可能来源于俯冲板片。综合前人对铬铁矿中碳硅石包体和C 同位素的研究成果，推测萨尔托海铬铁矿中的碳硅石可能和金刚石一样，形成于深部强还原性的地幔环境，后被包裹于深部结晶的铬铁矿中，形成机理与金刚石相似，但碳硅石中碳的物质来源需要进一步碳同位素的证明。

5.3 方铁矿、自然元素和合金

前人通过选矿在罗布莎铬铁矿中发现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)认为含Fe-Ni，富Ru 的PGE 合金，Fe-Ni 和Fe-Co 合金以及自然Fe 和Ni 可能为PGE 的硫化物蚀变后的次生矿物，而Pt-Fe、Os-Ir 以及Ir-Ni-Fe 合金、Fe 硅酸盐以及自然Si 可能来源于深部地幔。Robinson et al. (2004，2015)认为这些还原性的自然元素、合金来源于深部地幔。Yang et al.(2007)在OsI 合金中发现金刚石以及在FeTi 合金边部发现具有柯石英假象的斯石英暗示形成深度＞9GPa。金属合金、斯石英/柯石英，和富Mn 相的矿物所有都被发现以包体存在于金刚石中(杨经绥等，2011;Yang et al.，2014)进一步证明了这些合金类矿物来源于深部地幔。也有部分学者认为这些自然元素和合金类矿物可能形成于蛇纹石化的还原环境中(Dick，1974)，或在岛弧俯冲带蛇纹石化过程中形成富H2和CH4的还原性流体，流体还原上覆地幔橄榄岩，形成含有自然Ni、Fe 的金属饱和的硅酸盐层(Ishimaru et al.，2009)。

白文吉等(2004)在西藏罗布莎铬铁矿中发现球状方铁矿和自然铁的矿物组合，综合前人研究成果，认为方铁矿和自然铁来自下地幔并可能为核幔边界的产物。在金伯利岩和镁钾煌斑岩中发现的大量金刚石包体中也有类似的铁和方铁矿的报道(Bulanova et al.，2010)，表明自然铁和方铁矿可与金刚石同时结晶，这些金属熔体可作为金刚石生长过程中很好的催化溶剂(Siebert et al.，2005)。

萨尔托海铬铁矿中通过选矿发现了大量的球状方铁矿和自然铁的矿物组合，以及自然Fe、Cr 和Si、Fe-Ni、Fe-Ni-Cr的合金。尤其在金刚石中还发现了Fe-Ni 合金的包体，所以这些矿物可能和金刚石以及碳硅石一样，形成在过渡带或者下地幔强还原的环境中，在向上运移的过程中被包裹于结晶的铬铁矿中。当然，由于萨尔托海地幔橄榄岩的高度蛇纹石化，不能排除一些单质的Fe、Cr 以及Fe-Ni、Fe-Ni-Cr 的合金可能形成于后期蛇纹石化的过程中。另外，前人通过对铬铁矿中刚玉包体的研究，认为其可能为一种具有超高压指示意义的矿物(徐向珍等，2013)。萨尔托海铬铁矿中这些方铁矿、自然元素、合金、刚玉等矿物组合的出现，也进一步表明了铬铁矿可能经历了深部地幔过程。

5.4 金红石和锆石

杨经绥等(2002)在西藏罗布莎铬铁矿中发现了SiO2含量为18%的金红石，认为硅呈六次配位，为超高压环境中形成的金红石的变种，可能来源于过渡带或者下地幔。Ren et al.(2009)也通过实验证明SiO2在金红石中的溶解度随着温度和压力的增大而增大。Dobrzhinetskaya et al. (2009)报道氮化钛(TiN)，立方氮化硼(cBN)和α-PbO2-s 结构的TiO2(TiO2Ⅱ)与柯石英交生在一起，代表形成深度大于300km。表明TiO2确实可以以超高压的形式存在于铬铁矿中。萨尔托海中的金红石主要成分为TiO2，几乎不含Si，没有超高压方面的证据。因此，金红石可能为俯冲板片的中残留在俯冲基性洋壳中的金红石。西藏康金拉铬铁矿中刚玉中金红石包体的出现(徐向珍等，2013)，表明金红石可能俯冲至深部。但也有可能为俯冲带中金红石随俯冲流体/熔体进入浅部大洋岩石圈地幔并保存在铬铁矿中。

幔源岩石中常有锆石产出(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)，大多被解释为与地幔交代或者超基性岩的UHP 变质作用有关，或来源于围岩中(Belousova et al.，2015)。Yamamoto et al. (2013)通过对西藏罗布莎铬铁矿中锆石的年代学研究，认为壳源锆石随俯冲板片进入深部地幔，并保存在地幔中很长时间，后在铬铁矿形成时被圈闭其中。萨尔托海铬铁矿中锆石包含有大量长石、石英、磷灰石等壳源低压硅酸盐矿物和角闪石、云母等含水矿物。锆石携带这些低压矿物俯冲至地幔过渡带并保存下来进入铬铁矿中，几乎是不可能的，在高温高压条件下这些矿物可能溶解或者与强还原性流体反应而发生改变。在此，我们更偏向于Robinson et al. (2015)的解释，即锆石可能来源于俯冲带中的壳源物质，后在俯冲过程中进入大洋岩石圈地幔而保存于铬铁矿中。

5.5 异常矿物群对萨尔托海铬铁矿成因意义

萨尔托海蛇绿岩被认为形成于弧后盆地(杨瑞瑛等，1997，2000;张弛和黄萱，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，萨尔托海铬铁矿可能形成于弧后盆地，是拉斑玄武质岩浆与地幔橄榄岩反应形成(Zhou et al.，2001)。萨尔托海铬铁矿金刚石、碳硅石等深部地幔矿物的存在，表明了铬铁矿存在深部成矿阶段，而浅部壳源矿物金红石、锆石可能来自于俯冲板片上的浅部大洋岩石圈。这一系列超高压、强还原性和壳源矿物同时在铬铁矿中出现，暗示了铬铁矿的成因可能并非单一的成矿过程能够解释，而是包括了深部到浅部的演化过程。

6 结论

(1)本文首次在新疆萨尔托海高铝型铬铁矿中发现了一系列超高压、强还原性和壳源矿物，这些矿物和之前在西藏罗布莎和俄罗斯极地乌拉尔高铬型铬铁矿中发现的矿物可以对比。表明萨尔托海铬铁矿的形成可能也经历了深部地幔过程。

(2)锆石和金红石等壳源矿物的出现表明萨尔托海铬铁矿的形成可能与浅部俯冲带壳源物质的加入有关。

(3)萨尔托海铬铁矿的形成可能经历了深部地幔预富集和浅部再造富集成矿两个阶段。

致谢电子探针分析得到了中国地质科学院大陆构造与动力学重点实验室戎合工程师的指导;扫面电镜分析得到了施彬博士的帮助;审稿人对论文提出了建设性的意见和建议;在此致以最诚挚的谢意!

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