西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义(1).pdf

第 42 卷第5期中国地质Vol.42, No.5 2015年10月GEOLOGY IN CHINAOct. , 2015 中国地质, 2015, 425 郭国林, 杨经绥, 刘晓东, 等. 西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义[J]. 中国地质, 2015, 425 1483-1492. Guo Guolin, Yang Jingsui, Liu Xiaodong, et al. Implications of unusual minerals in Zedang mantle peridotite, Tibet[J]. Geology in China, 2015, 42 5 1483-1492in Chinese with English abstract. 西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义 郭国林 1,2 杨经绥 1 刘晓东 2 徐向珍 1 张仲明 1 田亚洲 1 熊发挥 1 武 勇 1 （1. 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； 2. 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室， 江西 南昌 330013） 提要 雅鲁藏布江蛇绿岩带内多个地幔橄榄岩体产有金刚石、 碳硅石等异常矿物组合， 为了进一步探讨这些异常矿 物形成的物理化学条件， 在前人已有的研究基础上， 对泽当地幔岩体中526 kg的方辉橄榄岩样品开展人工重砂矿物 学研究工作。研究表明， 同雅鲁藏布江蛇绿岩带内的其他岩体相似， 泽当地幔橄榄岩也选出了包含金刚石、 碳硅石、 锆石等30余种矿物。异常矿物组合指示泽当地幔橄榄岩中存在局部的超高压、 极还原环境， 可能经历了复杂的演 化过程 即古老地壳物质通过深俯冲或者折沉作用， 进入地幔甚至是地幔过渡带 （410660 km） ， 随后经历了超高压、 极还原环境的改造， 在后续的地幔柱或地幔对流作用中从洋中脊上升至浅部环境并返回到地壳中。该过程中地幔 橄榄岩中的异常矿物组合记录了岩石的演化信息， 因此开展地幔橄榄岩中异常矿物组合的精细矿物学研究， 对认识 壳-幔物质交换以及深部地幔动力学过程都有重要的研究意义。 关键词 地幔橄榄岩； 泽当； 金刚石； 蛇绿岩； 西藏 中图分类号 P541； P588.125文献标志码 A文章编号 1000−3657201505−1483−10 收稿日期 2015-06-16； 改回日期 2015-07-08 基金项目 国家自然科学基金40930313,41262002、 国家行业专项SinoProbe-05-02、 中国地质调查局工作项目12120115027201, 1212011121263及中国地质科学院地质研究所基本科研业务费项目 （J1526） 联合资助。 作者简介 郭国林， 男， 1979年生， 副教授， 博士生， 矿物学、 岩石学、 矿床学专业， 长期从事矿物学、 岩石学科研与教学工作； E-mailgglrobin。 Implications of unusual minerals in Zedang mantle peridotite, Tibet GUO Guo-lin1,2, YANG Jing-sui1, LIU Xiao-dong2, XU Xiang-zhen1, ZHANG Zhong-ming1, TIAN Ya-zhou1, XIONG Fa-hui1, WU Yong1 1. CARMA, State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China Abstract The mineral assemblage of such minerals as diamond and moissanite has been discovered in several mantle peridotites in Yarlung Zangbo ophiolite belt. The authors collected 526 kg harzburgite rocks from Zedang mantle peridotite for artificial heavy mineral research so as to further investigate the physical and chemical environment of these unusual minerals. Diamond, moissanite and more than 30 other mineral species were discovered, similar to the result of other mantle peridotite in the Yarlung Zangbo ophiolite belt. These unusual minerals show that high pressure, super-reduction conditions and numerous continental crust materials 中国地质, 2015, 425 existed in mantle peridotite, suggesting that ancient crust might have experienced continental deep subduction or lithosphere delamination into mantle or even into mantle transition zone 410-660 km at the early stage; subsequenty these crustal materials were modified in an environment of high pressure and super-reduction in the deep mantle, and surged upward to shallow crust by mantle plume or mantle convection process. Unusual minerals were trapped within the mantle peridotite in such a recycling process. It is of great significance to understend crust mantle exchange and deep mantle dynamics for comprehensive research on mineralogy of unusual mineral assemblages in mantle peridotite. Key words mantle peridotite; Zedang; diamond; ophiolite; Tibet About the first author GUO Guo-lin, male, born in 1979, associate professor, doctor candidate, engages in study and teaching of mineralogy and petrology; E-mail gglrobin. 国外在100多年前报道在蛇绿岩中发现了金刚 石， 如加拿大魁北克蛇绿岩中发现了金刚石[1]， 随后 在俄罗斯远东地区的阿尔卑斯型超镁铁岩中也发 现了金刚石[2]。中国在30多年前在西藏罗布莎和东 巧铬铁矿中通过人工重砂的方法发现了西藏首颗 金刚石[3]， 随后在西藏罗布莎的康金拉矿区、 香卡山 矿区的铬铁矿内也陆续发现了金刚石[4-5]， 而且在罗 布莎铬铁矿的围岩方辉橄榄岩中也发现了金刚石 等异常矿物[6]。随着研究工作的进一步开展， 在近 2000 km的雅鲁藏布江缝合带中的6个地幔橄榄岩 体中均发现了含有金刚石的异常矿物组合[7-8]， 此外 还在西藏丁青、 新疆的萨尔托海以及国外如缅甸密 支那、 俄罗斯乌拉尔等的蛇绿岩中也发现有金刚 石[9]。根据这类金刚石的本身产状、 粒径、 内部包裹 体特征及同位素组成的专属性特征， 提出了蛇绿岩型 金刚石新类型[9-10]， 认为蛇绿岩中产出金刚石可能是 一个普遍现象， 蛇绿岩型金刚石是蛇绿岩经历的深部 地质过程的记录者， 可能隐藏有深部地幔信息。 尽管在世界上蛇绿岩中发现金刚石的实例越 来越多， 但早期学术界曾怀疑这些金刚石是选矿过 程中的外来混染的结果[11]， 直到最近几年在罗布莎 和乌拉尔铬铁矿中发现原位金刚石[12-13]， 才排除这 种怀凝。事实上蛇绿岩中除了有金刚石产出之外， 还伴生有许多同样具有重要环境指示意义的异常 地幔矿物， 如SiC、 石墨、 金属及自然元素类矿物、 硫 （砷） 化合物、 氧化物、 硅酸盐、 磷酸盐、 碳酸盐类 等[14-15]。这些不寻常的地幔矿物群大多数都具有超 高压结构， 与深部地幔具有密切联系， 因此在矿物 学和地球动力学上都具有重要的研究意义。 近年来雅江东段的罗布莎岩体及铬铁矿内获 得了大量异常地幔矿物的研究成果[10,13,16-20]， 而同处 东段的泽当岩体矿物学研究工作相对较为薄弱。 为了进一步验证蛇绿岩是否普遍性的产出有金刚 石等异常矿物， 笔者开展了对雅鲁藏布江缝合带的 泽当地幔橄榄岩人工重砂的矿物学研究工作， 查明 其异常地幔矿物种类和组成。本文报道泽当地幔 橄榄岩人工重砂工作中所发现的异常地幔矿物研 究结果。 1泽当超镁铁质岩体地质特征 雅鲁藏布江缝合带是印度板块与欧亚板块的分 界线， 北邻拉萨地块， 南接喜马拉雅构造带， 带内发育 的雅鲁藏布江蛇绿岩带呈东西向延伸近2000 km， 被 认为是喜马拉雅特提斯洋壳和地幔的残余[21-23]。其 蛇绿岩按产出位置可分为西段 （萨嘎以西至中印边 境） 、 中段 （昂仁-仁布） 、 东段 （曲水-墨脱） 三部分， 出露的岩体从西到东主要有东波、 普兰、 休古嘎布、 当穷、 仲巴、 萨嘎、 桑桑、 吉定、 白朗、 大竹卡、 泽当、 罗布莎等[24-26]， 其中罗布莎岩体是中国主要的铬铁 矿产区[6]。泽当岩体位于泽当县城以西20 km， 距离 拉萨市200 km， 该岩体呈北西西向展布， 东西延伸 近20 km， 出露宽度14 km不等， 面积约为45 km2 （图 1） 。泽当蛇绿岩南面与晚三叠世复理石、 侏罗- 白垩纪火山沉积岩以逆冲断层相接， 岩体向北逆冲 推覆到古近新近系罗布莎群和冈底斯花岗岩基 之上， 被认为是特提斯洋的洋内汇聚边界。泽当蛇 绿岩经历了复杂的构造变形， 但蛇绿岩基本的岩相 仍可以被识别出来， 主要由地幔橄榄岩、 镁铁-超镁 铁质堆积杂岩、 辉长-辉绿岩墙和枕状、 块状玄武岩 组成。泽当蛇绿岩北侧的岛弧火成岩被称为泽当 地体[27-28]， 该火成岩主要由蚀变程度较高的玄武-安 山质火山岩、 细碧岩、 蚀变安山岩及凝灰岩组成， 年 代学研究表明， 泽当地体形成于155160 Ma晚侏罗 世[29,30]。尽管对泽当蛇绿岩的形成时代没有太多的 1484中国地质2015年 中国地质, 2015, 425 争议， 但其形成的构造环境上， 不同学者没有统一 的认识， 部分学者认为泽当地体代表了特提斯洋发 展过程中的洋内岛弧的残片[27-29,31]， 也有部分研究者 认为泽当地体系晚侏罗纪新特提斯洋向北俯冲过 程中， 拉萨地块南缘发育的残片， 代表了一个活动 大陆边缘环境[30,32]。 2样品描述与研究方法 泽当岩体的地幔橄榄岩主要由方辉橄榄岩、 含 单斜辉石的方辉橄榄岩、 纯橄岩以及少量基性岩脉 组成， 方辉橄榄岩是泽当蛇绿岩的主体， 占泽当蛇 绿岩总出露面积的70以上。在泽当岩体的地幔 橄榄岩， 取样时考虑到泽当岩体南界的方辉橄榄岩 有轻微的蛇纹石化， 而北界靠近火山岩处的岩石新 鲜且辉石含量高， 所以本次人工重砂大样取自泽当 岩体北侧鲁朗地区， 样品为编号为10Y-308， 岩性为 含单斜辉石的方辉橄榄岩， 总重量为526 kg。所采 集样品的岩石表面新鲜， 质地坚硬， 风化面呈灰绿 色， 新鲜面为淡黄绿色。镜下岩石为典型的原生粒 状结构图2-a， 组成矿物粒径多在0.20.6 cm， 但 辉石斑晶粒径有时可达1 cm以上。岩石整体为中- 粗粒块状构造， 变质变形程度较低。含单斜辉石的 方辉橄榄岩主要由橄榄石 （7090） 和辉石 （10 25） 组成， 还可见到少量的单斜辉石、 尖晶石。橄 榄石最大可达8 mm， 可见到扭折带构造图2-d， 经 常受力碎裂成碎斑或碎基状。斜方辉石粒径变化 大， 最大者可达10 mm， 多数在3 mm以下， 呈斑晶 者也多发生扭折， 与橄榄石、 单斜辉石呈交错镶嵌 结构， 斜方辉石发育出溶条纹， 受构造作用的影响， 扭折带、 出溶条纹、 解理纹都有弯曲变形现象图2- b、 c。单斜辉石含量较少， 通常小于3， 粒径也比 斜方辉石小， 常在13 mm， 也可见到出溶条纹， 但 不如斜方辉石发育。尖晶石是呈副矿物出现的， 含 量小于1， 粒经常小于2 mm， 自形-半自形， 多与 斜方辉石共生， 有时与斜方辉石构成后成合晶结 构。该样品中橄榄石的Fo8992， 斜方辉石的Mg 8891， 铬尖晶石的Cr3652， 属于典型MORB型亏 损地幔橄榄岩[34]。 矿物分选工作在国土资源部郑州矿产综合利 用研究所完成， 选矿步骤包括岩石初碎与分级， 根 据矿物粒度的大小， 采用阶段破碎、 阶段选矿的办 法， 采用跳汰机、 磁选、 摇床、 化学处理、 电选以及浮 选工艺流程， 最大限度保护目的矿物的晶体和颗粒 形态的完整， 详细的选矿工艺流程参阅相关文献说 明[4,35]。初选出来的矿物在双目镜下进行人工精选 鉴定， 并将挑选出来的矿物制靶使用相关仪器开展 矿物鉴定和研究工作。矿物鉴定在大陆动力学国 家重点实验室和放射性地质与勘探技术国防重点 图1 泽当岩体地质简图[33] Fig.1 Geological map of Zedang area, Tibet 第42卷 第5期1485郭国林等 西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义 中国地质, 2015, 425 学科实验室中完成， 所使用的仪器包括扫描电镜 JEOL JSM-5610LV 并配备 （OXFORD） INCA 能谱 仪 （加速电压20 kV， 工作距离20 mm， 用Co标样校 准能谱议） 、 电子探针 JEOL JXA-8100 （加速电压 15 kV， 工 作 距 离 11 mm）、 激 光 拉 曼 光 谱 仪 （RENISHAW inVia） 。 3初步鉴定的异常矿物种类 本次选矿实验初步研究表明， 该含单斜辉石的 方辉橄榄岩大样中鉴别出金刚石、 碳化硅、 锆石等 30余种矿物。其中自然元素类矿物有金刚石、 自然 硅、 自然铜、 自然金、 自然锌、 自然铬等； 氧化物 方 铁矿、 刚玉、 锡石、 SiO2、 铬铁矿、 金红石等； 硅酸盐矿 物 锆石、 橄榄石、 斜方辉石、 单斜辉石、 金云母等； 硫化物 黄铁矿、 方镍矿、 方铅矿、 辉钼矿、 辉锑矿、 硫钌锇矿等； 互化物 碳化硅、 硅铁合金等； 其它矿 物如独居石、 萤石等。 泽当岩体地幔橄榄岩的选矿实验中选出的金 刚石共有 8 粒， 颜色为浅黄绿色， 粒径在 100250 m， 呈现金刚光泽 （图3-a） 。金刚石多为自形晶十 二面体， 晶面平直清晰， 金刚石断面在扫描电镜下 可见发育很好的生长纹 （图3-b） 。对金刚石的激光 拉曼测试显示， 均为13291331 cm-1， 为典型的金刚 石位移峰 （图 3-c） ， 能谱分析的结果显示为单质 碳。本次在泽当岩体的地幔橄榄岩中仅选出的2粒 碳硅石， 破碎外形， 呈金刚光泽， 颜色为蓝绿色， 粒 图2 泽当地幔橄榄岩显微照片 a橄榄岩的原生粒状结构; b构造应力作用下单斜辉石解理纹发生弯曲;c单斜辉石和斜方辉石中显示有出溶条纹 （单斜辉石） ; d橄榄石发生扭折和波状消光； Ol橄榄石;Opx斜方辉石;Cpx单斜辉石;Spl尖晶石 Fig. 2 Microphotographs of Zedang mantle peridotite a-Harzburgite with primary granular texture; b-Bending cleavage lines in clinopyroxene; c-Clinopyroxene exsolutions occurring in parallel in coarse orthopyroxene and clinopyroxene; d-Kink band and wavy extinction in olivine; Ol-Olivine; Opx-Orthropyroxene; Cpx-Clinopyroxene; Spl-Spinel 1486中国地质2015年 中国地质, 2015, 425 图3 泽当地幔橄榄岩中分选出的金刚石和碳硅石 a体视镜下的金刚石 （黄绿色） 和碳硅石 （上方蓝色颗粒） ; b金刚石背散射电子像;c金刚石拉曼谱图;d碳硅石背散射电子像;e碳硅石 拉曼谱图 Fig. 3 Diamond and moissanite separated from the Zedang mantle peridotite a-Diamond yellowish green and moissanite blue at the upper left under steereoscope; b-BSE image of diamond grain; c-Laser Raman spectra of diamond; d-BSE image of moissanite grain; e-Laser Raman spectra of moissanite 第42卷 第5期1487郭国林等 西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义 中国地质, 2015, 425 径 200 m 左右 （图 3-d,e） ， 拉曼谱峰为 766 cm-1， 787 cm-1， 967 cm-1。泽当岩体地幔橄榄岩中选出9 粒锆石， 颜色为无色、 浅紫色、 紫色， 透明到半透明， 晶形从不完整的它形晶到长柱状、 短柱状均有产出 （图4） ， 另可见磨圆及熔蚀颗粒 （图4-b,c） ， 粒径在 100300 m。 4泽当地幔橄榄岩成因探讨 铬铁矿及其围岩大洋地幔橄榄岩内存在不寻 常的特殊地矿物， 这是一个不争的事实[9,12,14,35-38]。但 同时也带来一系列需要研究者回答的科学问题， 这 些异常地幔矿物群原始产出环境如何隐含怎样 的深部地球动力学过程 4.1 泽当地幔橄榄岩中存在超高压条件 20世纪80年代西藏藏南的罗布莎及藏北东巧 的铬铁矿内就发现产有金刚石等异常矿物[3]， 而后 在极地乌拉尔铬铁矿中也发现了大量的金刚石[12]， 特别是近年来康金拉11号铬铁矿体中发现了近千 颗金刚石[4]。不仅如此， 随着研究工作的深入， 在铬 铁矿的围岩中也发现有金刚石产出[6]， 而且这不是 单个岩体独有的现象， 在雅鲁藏布江发现有金刚石 产出的地幔橄榄岩体有东波、 普兰、 当穷、 日喀则、 泽当、 罗布莎等， 此外还有缅甸密支那和藏北的丁 青等， 据统计已经在全球5个缝合带的10个蛇绿岩 中发现产出金刚石。全球不同时代造山带内的地 幔橄榄岩都产出有含金刚石的异常矿物组合[9]， 指 示产于板块缝合带的蛇绿岩可能普遍含有金刚 石。研究者详细分析这类金刚石特有的极负的碳 同位素组成 （δ13C为-28‰ -18‰） 、 包裹体类型、 粒 径、 赋存岩石和产出背景等， 发现他们与金伯利岩 型金刚石、 超高压变质型金刚石都完全不同， 因而 提出了一种新的金刚石类型-蛇绿岩型金刚石[8-9]。 蛇绿岩中的地幔岩可能普遍含有金刚石[9-10]， 说 明地幔岩中存在能够形成金刚石的超高压的物理 化学环境， 还具备充足的碳源和极还原条件。研究 表明金刚石是在氧化-还原条件位于方铁矿-磁铁 矿和自然铁-方铁矿之间的还原条件下形成的， 推 测在距地表约180 km 深处的岩石圈与软流圈分界 线处以及660 km之下的下地幔环境都有可能出现 狭窄的低氧逸度区间， 这种物理化学条件下可结晶 出金刚石[39-46]。 4.2 泽当地幔橄榄岩中存在强还原环境 除了金刚石外， 泽当地幔橄榄岩中还产出有碳 硅石、 硅铁合金、 自然硅、 自然铜、 自然锌、 自然铬等 在低氧逸度环境下才能形成的异常矿物。实验研 究发现， 碳硅石在氧逸度高的条件下不稳定， 只有 在极低的氧逸度环境中才能形成[47-49]。故碳硅石常 被认为是来自于深部地幔， 也常被发现产于陨石、 金伯利岩 （常与金刚石共生） 和榴辉岩中[50]。泽当地 幔橄榄岩中产出有碳硅石、 金刚石等只有在极还原 条件下才能形成并稳定存在， 说明地幔橄榄岩体中 局部存在极还原环境。 4.3 泽当地幔橄榄岩中存在大量壳源物质 泽当地幔橄榄岩还发现大量的锆石矿物， 其形 态颜色多样， 表面形态也各异， 有些显示熔蚀状或 浑圆状晶体形态， 反映锆石成因和来源具有多样 性。Robinson等[19]对罗布莎、 东巧、 阿曼、 极地乌拉 尔等地的地幔橄榄岩及铬铁矿中产出的锆石做了 详细的矿物学和年代学研究， 发现这些锆石中含有 大量的壳源矿物组合的矿物包裹体， 并且锆石同位 素年龄介于902500 Ma， 比寄主岩石的年龄老得 多， 指示这些锆石来自于古老的地壳物质[19]。此外 地幔橄榄岩中的金刚石和碳化硅都有极轻的碳同 位素值 （δ13C为-18‰ -28‰） [10,51]， 明显不同于典型 的地幔碳同位素组成 （δ13C为-5‰左右） [52]， 指示地 幔橄榄岩中的金刚石和碳化硅的碳源来自于洋壳 的沉积物 （变质的有机质或碳酸盐） 。巴西亚马逊 克拉通西南部的金伯利岩岩管中的金刚石及其包 裹体的碳同位素研究发现， 来自下地幔的金刚石包 裹体具有与大洋壳相似的碳同位素组成， 这是玄武 质的大洋地壳能够进入到下地幔提供了直接的岩 石学证据[53]。最近公布的新矿物青松矿具有超高压 成因[54]， 其形成深度大于300 km， 而其组成成分硼 B被认为是地壳来源[44,55]。以上这些证据表明， 地 幔中含有相当量的地壳物质， 即地壳物质能通过某 种形式进入深部地幔， 甚至到达地幔过渡带[56]。 5结论与认识 尽管经典的板块构造理论认为， 蛇绿岩中的地 幔橄榄岩是洋中脊附近地幔部分熔融， 抽取玄武质 岩浆后的残留物， 即认为地幔橄榄岩形成于浅部 （ 50 km） 。近年的研究表明铬铁矿和蛇绿岩地幔橄 1488中国地质2015年 中国地质, 2015, 425 图4 泽当地幔橄榄岩中分选出的锆石 a体视镜下不同特征的锆石; b溶蚀状锆石;c浑圆状锆石;d柱状锆石;e自形锆石 Fig. 4 Zircon separated from the Zedang mantle peridotite a-Various zircons with different characteristics under steereoscope; b-BSE image of zircon with corrosion structure; c-BSE image of rounded zircon; d-BSE image of cylindrical zircon; e-BSE image of euhedral zircon 第42卷 第5期1489郭国林等 西藏泽当地幔橄榄岩中的异常矿物及其指示意义 中国地质, 2015, 425 榄岩中普遍含有超高压、 极还原环境条件下形成的 矿物， 而且也包含众多的壳源物质， 可能系早期地 壳物质进入到地幔中甚至地幔过渡带 （410660 km） 并经历了高压、 极还原的物理化学环境。目前 研究认为通过大陆深俯冲作用或者折沉作用， 壳源 物质是有能力到达地幔过渡带的， 而地幔过渡带物 质在进一步的地幔全对流过程中可能与下部地幔 发生物质交换[56,57]。 地幔橄榄岩中产出众多的超高压、 极还原矿 物， 并含有大量的地壳物质， 使得人们逐渐重视地 幔橄榄岩的深部成因研究， 并提出大陆深俯冲、 拆 沉作用和地幔柱等成因模式[17,19,44,58-61]。尽管目前对 其成因模式还有一定的争异， 但在这个深循环过程 中地幔橄榄岩内包含了大量的异常矿物组合， 可能 隐含地幔橄榄岩的成因信息。 致谢 野外地质调查工作得到了巴登珠、 来盛民、 黄竺等的帮助； 样品制备工作、 激光拉曼分析以及扫 描电镜照相和能谱分析在大陆构造与动力学国家重 点实验室和放射性地质与勘探技术国防重点学科实 验室中完成； 匿名审稿人和责任编辑李亚萍老师对本 文提出了宝贵修改意见， 在此表示感谢。 参考文献References [1] Dresser J. 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