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【前沿报道】Geology:金刚石:你问我爱你有多深?
2019-01-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  钻石恒久远,一颗永流传,这句深入人心的广告,让钻石变得既神秘又高贵。自然界很少有矿物能够像钻石那样家喻户晓,又人见人爱。除了由于其折射率高、色散性能强等优点被作为奢侈的工艺品外,金刚石也由于其硬度高、热导性好等性能而被广泛应用于工业界。

        金刚石是由碳元素组成,是碳元素在高压下的同素异形体,通常认为金刚石在地幔中的稳定深度应该超过120公里,只能由少数来源于深部地幔的碱性岩浆(如金伯利岩、钾镁煌斑岩)携带至地表。金刚石在榴辉岩等变质岩中也有报道,表明地壳岩石曾经俯冲到深部发生超高压变质后发生折返。我国科学家在20世纪80年代就从西藏罗布莎蛇绿岩的铬铁矿中通过人工重砂方法分选出金刚石,但一直被怀疑是选样过程中可能发生混染而未得到国际学术界的承认。随着金刚石在全球其它蛇绿岩铬铁矿中的发现,尤其在薄片上原位金刚石的发现,使得人们相信蛇绿岩中的金刚石不是由于混染造成的。

        除了金刚石外,其它一些超高压矿物(如柯石英)也在铬铁矿中陆续被发现和报道(Yang et al., 2007)。此外,罗布莎铬铁矿中的出溶矿物以及显微结构也表明它们曾经历13 GPa以上的超高压变质过程(Griffin et al., 2016)。而与这些超高压矿物相伴生的还有一些只有在超还原条件下才能形成的矿物,如碳化硅、方铁矿和自然铁等。通过与实验岩石学结果对比,科学家认为这些超高压矿物和超还原矿物可能来自440公里深处的上、下地幔转换带(Griffin et al., 2016)。

        这些认识对传统的蛇绿岩成因模型提出了很大的挑战。蛇绿岩代表了残存的古大洋岩石圈,是软流圈在洋中脊发生部分熔融的产物。一般认为,软流圈地幔在洋脊下方熔融的深度通常不超过60公里。目前,对于这些超高压矿物如何从地幔转换带被携带至浅部后又随蛇绿岩构造就位于地表存在自上而下和自下而上两种不同的机制(图1),前者强调铬铁在浅部形成后发生深俯冲至地幔转换带,包裹超高压和超还原矿物后又发生快速折返(Griffin et al., 2016),而后者则强调,来自更深处(有可能是核幔边界)的地幔柱上升穿过地幔转换带时,裹携这些含有超高压和超还原矿物的铬铁矿至洋中脊下方(Yang et al., 2014)。无论是哪种机制,如果这些超高压和超还原矿物的确被证实来自地幔转换带,那无疑极具科学意义,因为这些蛇绿岩有可能代表了来自地幔转换带的真实样品,它们是我们了解与窥探深部地幔为数不多的窗口。 

1 蛇绿岩型金刚石的自上而下(左)和自下而上(右)两种机制。自上而下机制认为铬铁矿在浅部形成后俯冲到地幔转换带后发生超高压变质,然后携带超高压和超还原矿物折返至地表(Griffin et al., 2016)。自下而上机制则强调铬铁矿和超高压、超还原矿物一直位于地幔转换带,是被地幔柱携带至浅部(Yang et al., 2014    

  然而,对于蛇绿岩中金刚石形成的压力及其形成机制一直争议不断,尤其是已有的理论与实验研究都表明超基性在低压条件下蛇纹岩化蚀变过程中可以形成金刚石(Simakov et al., 2018)。Farré-de-Pablo等(2018)在GEOLOGY上报道了蛇绿岩中金刚石可能形成于低压条件下的实例。他们对墨西哥Tehuizingo蛇绿岩中铬铁矿开展了详细的矿物学与地球化学研究,发现铬铁矿的化学成分明显具有边结构。铬铁矿的边部发生明显蚀变呈海绵结构,并含有大量的绿泥石和蛇纹石包裹体,而核部相对新鲜未发生蚀变,但发育有愈合的裂隙。铬铁矿的核部相对边部具有更低的Cr#Fe3+值,而核部裂隙边缘的铬铁矿成分与边部蚀变的铬铁矿类似。在核部已愈合的裂隙中,发现有原位的金刚石(直径1-8 um),同时还伴生有蛇纹石、绿泥石和石英等低温蚀变矿物(图2)。

        作者利用Perple_X温压软件模拟获得核部裂隙的蚀变温度为670 oC -515 oC,而蚀变边的形成温度为410 oC -340 oC。作者提出Tehuizingo铬铁矿中的金刚石形成于低压条件下(即石墨稳定区)橄榄岩的低温退变质过程(图3),即蛇纹石化过程中有富CH4H2的还原性流体参与,而水岩反应导致原本碳不饱和的C-O-H流体最终达到碳饱和,从而结晶出金刚石。     

2 墨西哥Tehuizingo蛇绿岩及铬铁矿的显微结构

3 石墨与金刚石平衡转变的温压曲线。浅蓝色区域为在热液条件下合成金刚石的温压范围,橙色区域为通过化学气相沉积法合成金刚石的温压范围,绿色区域则是自然界蛇纹石化橄榄岩中金刚石形成的温压范围。三个红五角星代表了Tehuizingo橄榄岩遭受退变质过程中的峰期温压以及两个低温蚀变阶段

  值得指出的,除了超基性低温蚀变成因外,铬铁矿中金刚石的形成还被认为可能与铬铁矿出露至地表时遭受到的闪电雷击活动过程有关,因为Ballhaus et al.(2017) 对玄武岩样品在9900伏条件下开展了放电实验,发现超高压和超还原矿物可以从瞬间温度高达6000 K的等离子体中沉淀出来,从而提出闪电过程可以导致在电导率较好的铬铁矿中发生瞬间高温汽化而形成超还原矿物。然而,该实验结果与实际在罗布莎铬铁矿中观察到的超高压、超还原矿物的实际情况之间还存在一定的出入,能否用来直接解释金刚石的成因还值得商榷(Griffin et al., 2018Yang et al., 2018Ballhuas et al., 2018a, 2018b)。很显然,金刚石的深部来源与浅部成因之间还存在很大的争议,值得未来开展更加深入的研究。     

 

  主要参考文献 

  1. Ballhaus C, Wirth R, Fonseca R O C, et al. Ultra-high pressure and ultra-reduced minerals in ophiolites may form by lightning strikes[J]. Geochemical Perspectives Letters, 2017, 5: 42-46.原文链接 
  2. Ballhaus C, Fonseca R O C, Bragagni A. Reply to Comment on “Ultra-high pressure and ultra-reduced minerals in ophiolites may form by lightning strikes” by Griffin et al., 2018: No evidence for transition zone metamorphism in the Luobusa ophiolite[J]. Geochemical Perspectives Letters, 20187:3-4.原文链接 
  3. Ballhaus C, Blanchard H, Fonseca R O C, et al. Reply 2 to comment on “Ultra-high pressure and ultra-reduced minerals in ophiolites may form by lightning strikes”[J]. Geochemical Perspectives Letters, 2018, 8: 8-10.原文链接 
  4. Farré-de-Pablo J, Proenza J A, González-Jiménez J M, et al. A shallow origin for diamonds in ophiolitic chromitites[J]. Geology, 2018, 47(1): 75-78.原文链接 
  5. Griffin W L, Afonso J C, Belousova E A, et al. Mantle recycling: transition zone metamorphism of Tibetan ophiolitic peridotites and its tectonic implications[J]. Journal of Petrology, 2016, 57(4): 655-684.原文链接 
  6. Griffin W L, Howell D, Gonzalez-Jimenez J M, et al. Comment on “Ultra-high pressure and ultra-reduced minerals in ophiolites may form by lightning strikes”[J]. Geochemical Perspectives Letters,2018,7:1-2.原文链接 
  7. Simakov S K. Nano-and micron-sized diamond genesis in nature: An overview[J]. Geoscience Frontiers, 2018, 9(6): 1849-1858.原文链接 
  8. Yang J S, Dobrzhinetskaya L, Bai W J, et al. Diamond-and coesite-bearing chromitites from the Luobusa ophiolite, Tibet[J]. Geology, 2007, 35(10): 875-878.原文链接 
  9. Yang J S, Robinson P T, Dilek Y. Diamonds in ophiolites[J]. Elements, 2014, 10(2): 127-130.原文链接 
  10. Yang J S, Trumbull R B, Robinson P T, et al. Comment 2 on “Ultra-high pressure and ultra-reduced minerals in ophiolites may form by lightning strikes”[J] Geochemical Perspectives Letters, 2018, 8:6-7. (原文链接

    

(撰稿:刘传周/岩石圈室)

 
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