寻找超高压地幔矿物的储存库——豆荚状铬铁矿

沿印度河—雅鲁藏布江缝合线出露的罗布莎蛇绿岩块位于拉萨南东 2 0 0km处 ,含有地幔矿物群。罗布莎蛇绿岩主要由地幔方辉橄榄岩、堆晶岩和蛇纹混杂岩组成。由 60～ 70种矿物组成的一个地幔矿物群出现在方辉橄榄岩相内的豆荚状铬铁矿中。这些矿物包括 :自然元素矿物 :金刚石、石墨、金、铜、铁、镍、硅、铬、铝、钨、锌、铅、锡 ;铂族矿物 :铱锇矿、锇铱矿、铱锇钌矿、含锇铱矿、含铱钌矿、Ir Os硫化物 ;合金 :FeSi,FeNi,SiC ,CrC ,NiC ,NiCrC ,Au Ag ,Ag Au ,Ag Sn ,AlFe ,IrFe ,NiFeCr,NiIrFe ,FeC ,FePtPd ;硫 (砷 )化物 :黄铁矿、毒砂、镍黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、三方闪锌矿 ;氧化物 :铬铁矿、含硅镁尖晶石、刚玉、方镁石、金红石、方铁矿、锰方铁矿、CaO、石英 ;磷酸盐 :磷灰石 ;硅酸盐 :橄榄石、斜顽辉石、铬透辉石、锆石、榍石、硅线石、蓝晶石、角闪石、白云母、黑云母、金云母、钙铬榴石、钙铁榴石、镁铝榴石、铬绿泥石、蛇纹石、八面体假象蛇纹石、八面体假象绿泥石 ;碳酸盐 :方解石、白云石等。文中只介绍几个矿物 ,如金刚石、碳硅石、富Cr铬铁矿、富Si顽辉石、富Mg橄榄石、锆石、含硅镁尖晶石、八面体硅酸盐以及含水硅酸盐的深部爆破结构。这些矿物信息对地幔研究具有重要意义。

西藏罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿石中的合金成分

从西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的罗布莎豆荚状铬铁矿床中 ,揭示出包含 70～ 80种矿物的一个地幔矿物群 ,其中特别引人注意的是含有多种合金。本文报道了已发现的合金类型和它们的化学成分。这些合金矿物主要通过人工重砂选矿提取的 ,少数合金在矿石光片中可以见到。本文报道的部分合金系有 :Ni(Fe) - C- Cr系 ,W-Cr- Co系 ,Al- Fe- L a系 ,Fe- Si- Ti系 ,Ag- Sn- Si系 ,Ni- Ir- Fe系 ,Fe- Pd- Pt系 ,Fe- Ni- C系。这些碳化物、金属硅以及铁合金等表明它们形成于还原环境 ,然而主岩铬铁矿石则形成于氧化环境 ,认为罗布莎铬铁矿是从玻安质岩浆中结晶的。这样合金矿物可能是外来晶体 ;或者它们形成于地核被后来上升的地幔柱带到浅部 ,包在铬铁矿中 ;或者是滞留在地幔中的成核物质后来被铬铁矿捕获。

西藏罗布莎蛇绿岩铬铁矿中金刚石的研究

在西藏罗布莎豆荚状铬铁矿中发现过金刚石,但迄今仍有人因为自己所取的小试样中没有分离出金刚石而否定罗布莎等地金刚石的存在。由于金刚石涉及西藏雅鲁藏布江缝合线和蛇绿岩、铬铁矿成因等问题,笔者重新在罗布莎铬铁矿中取样,经过选矿,又在1500kg样品中选出了25粒金刚石和近70种伴生矿物。这就表明西藏金刚石是的确存在的,而且它和蛇绿岩的铬铁矿同是深部成因的产物。

西藏蛇绿岩的超高压矿物:FeO、Fe、FeSi、Si和SiO_2组合及其地球动力学意义

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东段 ,出露罗布莎蛇绿岩块和豆荚状铬铁矿床。从豆荚状铬铁矿石中查明 6 0～ 70种伴生矿物 ,其中包含FeO、Fe、FeSi、Si和SiO2 组合。根据超高压 高温实验 ,该组合应形成于地球外核与下地幔之间的D″层 ,是地球外核的液态铁与镁硅酸盐钙钛矿 (MgSiO3 )相互化学反应的产物。西藏该超高压矿物组合揭示了蛇绿岩地幔活动可能深达地球外核。罗布莎蛇绿岩的该矿物组合可能是地幔 外地核之间的产物 ,或者是被对流作用 ,亦或是被起源于D″层的地幔柱活动带到上地幔的。铬铁矿在地幔中结晶 。

西藏罗布莎蛇绿岩地幔岩中首次发现超高压矿物方铁矿和自然铁

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东部,距拉萨市200 km 的罗布莎蛇绿岩的豆荚状铬铁岩中,发现方铁矿和自然铁。而且以自然铁为核心并包裹于方铁矿中,两者形成圆球形态。自然铁的空间群为 Fm3m,晶胞参数α=0.28663 nm。方铁矿空间群为 Fm3m,晶胞参数α=0.43070 nm。根据有关实验资料推断,高压矿物方铁矿和自然铁来自下地幔,并且可能为核幔边界化学反应生成物。

西藏蛇绿岩中不寻常的地幔矿物群

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩的铬铁矿中,首次发现由100余种(亚种)矿物组成的地幔矿物群,其中包括:自然元素、合金、氧化物、硫(砷)化物和硅酸盐。根据实验资料,其中一部分是超高压成因矿物,可能来自地球核-幔边界,是地球外核与下地幔底部硅酸盐之间化学反应的产物,另一部分矿物可能来自下地幔、过渡带和上地幔。西藏地幔矿物群,无论在矿物学和地球动力学上均有重要意义。

西藏蛇绿岩豆荚状铬铁矿中简单氧化物矿物组合及其超高压成因

最近在西藏罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿中，发现包括金刚石、柯石英和某些简单氧化物，诸如SiO2、MgO、Fe2O2、Cr2O2、A12O2以及（Si，Ti）02等组成的矿物群。这些矿物是非常复杂的由70~80种矿物组成的地幔矿物群的一部分。这充分证实在地幔中存在简单氧化物。高压一高温相平衡实验表明，硅酸盐矿物在下地幔条件才可分解成FeO、MgO和SiO2等简单氧化物（＞670km）。因此有理由认为罗布莎简单氧化物可能来自下地幔深部。

西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带罗布莎地幔橄榄岩的成因

广泛分布在雅鲁藏布江蛇绿岩带的地幔橄榄岩是没有蛇纹石化的新鲜岩石，因而通过显微镜下观察和全岩化学分析探索其成因和地幔活动，是十分有利和简便的。最近几年来，利用岩石化学资料揭示远洋橄榄岩，认为它不是原始地幔岩（ Ｐｙｒｏｌｉｔｅ） 经过分批或分离熔化作用萃取出玄武岩熔体后的直接残余物。罗布莎蛇绿岩橄榄岩的镜下观察和岩石化学资料也证明，它不是原始地幔岩经局部熔化后的残余物，而是由来自更深层的地幔过渡带的硅酸盐超高压矿物（ 八面体硅酸盐—尖晶石） 底辟上升经熔化萃取出玄武质熔体后，再次局部熔化后的残余物。局部熔化作用与地幔柱底辟上升有关。

西藏蛇绿岩地幔中的主要自然金属矿物

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的罗布莎蛇绿岩块的豆荚状铬铁矿床中 ,揭示出一个由 70～ 80种矿物组成的地幔矿物群 ,包括自然金属、合金、硫 (砷 )化物、氧化物和硅酸盐等。这些矿物呈包裹体或脉石产于铬铁矿石中 ,经人工重砂分析 ,自然元素矿物有自然硅、自然铁、自然锌、自然铅、自然铝、自然铬、自然锡、自然镍、自然钨、自然钛、自然锇、自然铱、自然钌、自然钯、石墨、金刚石、自然金和自然银等。文中选择一些自然元素矿物 ,探索这些地幔矿物特点以及蛇绿岩和铬铁矿的形成机制。根据共生矿物群以及罗布莎地幔橄榄岩为新鲜的未蛇纹石化的岩石 ,认为罗布莎自然元素矿物与蛇纹石化作用无关。它们可能是在地核形成时期滞留于地幔中的成核物质 ,抑或是核幔之间化学反应的产物 ,后来被铬铁矿矿浆捕获 ,并同铬铁矿一起由地幔柱作用和板块作用侵位于浅部并仰冲出露于地表。

内蒙古贺根山蛇绿岩岩石成因和地壳增生的地球化学制约

内蒙古贺根山蛇绿岩代表了吉亚洲洋岩石圈的最后残余。由贺根山、朝根山、乌斯尼黑和崇根山等岩块组成。岩石类型有地幔橄榄岩、橄长岩和辉长岩组成的堆晶岩、玄武质熔岩以及切割堆晶岩的玄武质和辉石岩质岩墙。方辉辉橄岩具有稍高的Ｔｉ含量和台高铝尖晶石，并且含有耐火型豆荚状铬铁矿，与橄长岩为主的堆晶岩序列共生。大部分岩墙强烈亏损某些不相容元素，与未成熟岛弧岩石相似。玄武质熔岩来源于独立的岩浆，具有较宽的化学成分变化特点，表明它们可能形成于岛弧一边缘盆地体系中．

西藏罗布莎蛇绿岩的Os-Ir-Ru合金及其中玻安岩质包体的研究

笔者最近在西藏罗布莎蛇绿岩块豆荚状铬铁矿的Os-Ir-Ru合金中,发现自形晶的玻安岩质的包体群。按它们的主要化学成分,其相当于高Ca玻安岩。18个包体的平均化学成分为:MgO=20.15%,Al2O3=8.99%,SiO2=54.42%,CaO=11.15%,FeO=2.81%,Na2O=1.00%,并含有少量NiO和Cr2O3。由于该包体粒径较小(<20μm),用Raman激光光谱仪测定,它们具有尖晶石、磁铁矿和辉石等Raman谱,由此确定存在玻安岩质尖晶石。结合已发现的共生矿物,如硅金红石、八面体Mg-Fe硅酸盐等高压矿物,有理由推断玻安岩质尖晶石形成于400～670km深的过渡带。玻安岩质辉石是尖晶石降压相变产物。根据罗布莎铬铁矿高Cr特点,罗布莎铬铁矿的形成与该玻安岩质熔体有关。玻安岩质尖晶石、铬铁矿和Os-Ir-Ru合金三者统一形成于过渡带或地幔深部,由地幔柱快速上升搬运这些矿物到地幔浅部。

西准噶尔不同时代蛇绿岩及其构造演化

新疆西准噶尔有三个时代的蛇绿岩，它们都是古生代，但根据地层学和同位素定年可确定为中奥陶世、晚－中志留世和早－中泥盆世。这些蛇绿岩大多是肢解的蛇绿混杂，下部主要有方辉橄榄岩，夹有纯橄岩和二辉橄榄岩透镜体，中部是镁铁质一超镁铁质堆晶岩，其中有岩墙穿插，上都是基性熔岩夹有放射虫硅质岩。地质、岩石、矿物和地球化学特征表明，这三个不同时代蛇绿岩具有明显的相似性，它们都是在深的小洋盆地中形成的。西准噶尔地区自奥陶纪至泥盆纪，古小洋盆经历三次扩张一收缩同步运动，而不存在一个广阔的古大洋。小洋盆的形成和封闭共同造成了广大的古生代褶皱带。

西藏蛇绿岩中硅铁合金组合及成因探讨

在雅鲁藏布江蛇绿岩带的东端罗布莎蛇绿岩的铬铁矿中发现不寻常的硅铁合金组合。 4种硅铁合金的理论分子式分别为Fe0 .84 Si2 .0 0 (Fe3 Si7)、Fe7Si3 、Fe6Si4 以及Fe4 Ti3 Si2 P。这些合金均选自铬铁矿石的人工重砂中 ,在少数颗粒中见到由 3种硅铁合金组成的交生结构 ,明显表明这些合金的同生和同成因性。推测它们为化学反应成因 ,来自于核幔边界地带。

藏南罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿中的铂族元素和贱金属合金

铂族元素和贱金属合金矿物选自西藏南部罗布莎蛇绿岩的豆荚状铬铁矿石中 ,包括Os Ir、Os Ir Ru、Pt Fe、Ir Ni Fe、Fe Ni Cr和Fe Co ,它们都具有成分上的广阔变动。此外还见到少量的金刚石、石墨、SiC和未定名的Cr C、Fe Si等合金 ;自然Fe、Ni、Cr、Cu和Si。这些合金和自然元素矿物是选自于铬铁矿的人工重砂样品中 ,但是有些矿物呈包裹体或呈连晶与铬尖晶石共生。它们大多为半自形和它形的颗粒状矿物 ,偶有完好晶体保存 ,矿物粒径 0 .0 5～ 0 .5mm。有些矿物颗粒呈浑圆形 ,认为是液态乳滴。富Ru的铂族元素合金 ,Fe Ni、Fe Co合金 ,以及自然铁和自然镍 ,可以被解释成由铂族硫化物蚀变物。但是Pt Fe、Os Ir、Ir Ni Fe、FeSi合金、自然Si、FeO(方铁矿 )等 ,认为是来自地幔的外来 (捕虏 )晶体 ,是被地幔柱搬运到浅部的 ,最后被铬铁矿浆捕获并成为其包体。

新矿物:罗布莎矿

最近在西藏罗布莎村豆荚状铬铁矿石中发现一个由70～80种矿物组成的地幔矿物群。其中包括新矿物：罗布莎矿，还有金刚石、柯石英、碳硅石、方铁矿、以及Fe-Si相矿物。所有这些矿物都是从豆荚铬铁矿石的人工大样中经选矿后得到的。罗布莎矿作为主矿物而含有自然硅和fersilicite[FeSi]的包裹体或呈交生体与自然硅共生。罗布莎矿呈不规则粒状，粒径0．1～0．2mm，由细粒聚合体组成，呈钢灰色，金属光泽，不透明。以Si为基础实验分子式为Fe0.83Si2。X-射线分析资料：斜方晶系，空间群Cmca，a=9．874（14）A，b=7．784（5）A，c=7．829（7）A，V=601．7（9）A^3，Z=16。罗布莎矿已为国际新矿物和矿物命名委员会批准。样品保存在中国地质博物馆。

西藏蛇绿岩中二种合金矿物新变种

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东部 ,距拉萨 2 0 0km的泽当罗莎蛇绿岩的铬铁矿中 ,发现有种类繁多的合金矿物 ,铬铁镍矿和铱铁镍矿就是其中二种。铬铁镍矿分子式 :Ni0 .41Fe0 .3 5Cr0 .2 4,为等轴晶系 ,空间群为Fm3m ,晶胞参数a=0 .3 5 62 2 (2 )nm。铱铁镍矿分子式 :Ni0 .66Fe0 .18Ir0 .16,属等轴晶系 ,空间群Oh5 Fm 3m ,晶胞参数a =0 .3 6486(4 )nm。

西藏罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿中镁橄榄石的晶体结构及其意义

在西藏罗布莎蛇绿岩块的豆荚状铬铁矿中 ,存在包裹体矿物镁橄榄石。这些镁橄榄石为无色透明多晶面组成的自形晶 ,Fo值可达到 97～ 98,具富镁端员组分。选取一代表性颗粒的单晶进行X单晶衍射分析 ,表明其为斜方晶系 ,空间群Pbnm ,镁橄榄石晶胞参数a、b、c以及M 1— 0和M 2— 0键长均小于地幔包裹体和一般地幔岩中橄榄石的对应值。测试出的晶胞参数与人工合成镁橄榄石的一致。镁橄榄石具有橄榄石族中已知最小的晶胞参数 。

地幔内超高压矿物的爆炸

在西藏雅鲁藏布江缝合带的蛇绿岩的豆荚状铬铁矿中 ,首次发现硅酸盐包裹体具有爆炸结构。在矿石薄片中普遍见到这种高能硅酸盐包体的爆炸结构。在爆炸结构中 ,铬尖晶石被炸落成不规律的显微碎块 ,具有尖锐棱角 ,碎块大小不一 ,堆积在硅酸盐包体内。此外 ,许多张性显微裂隙围绕爆炸的硅酸盐包体呈蛛网状分布。推断爆炸前的原生矿物是含水的镁硅酸盐和镁铝硅酸盐矿物。当这种高能级的超高压含水矿物受地幔柱带动超过“水线”时发生爆炸和放水作用 ,同时产生地震。

雅鲁藏布江蛇绿岩中超高压矿物硅尖晶石的研究

从西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的罗布莎蛇绿岩的铬铁矿中,发现一个由70～80种奇异矿物组成的地幔矿物群,其中包括一种成分特殊的尖晶石类矿物。该种尖晶石呈包裹体分布在毒砂中,28粒该矿物的平均化学成分:Na_2O1.58%,MgO7.52%,Al_2O_336.59%,SiO_244.45%,FeO8.72%,并含少量CaO和TiO_2。经激光拉曼谱仪测试,一部分颗粒具有Franclinite(锌铁尖晶石ZnFe_2O_4)拉曼谱。根据尖晶石结构和化学成分,可以得出两种分子式:(Mg_(0.52)Na_(0.14)Fe_(0.32)Al_(0.74))_(1.72)(Si_(2.00)Al_(1.20))_(3.20)O_8和(Mg_(0.52)Na_(0.14)Fe_(0.32)Si_(0.50))_(1.48)(Si_(1.50)Al_(1.94))_(3.44)O_8。两种分子式都表明阳离子Si呈六配位占据尖晶石八面体晶格位置。Si离子呈六配位的硅酸盐,实验证明具有超高压性质,来自相当于过渡带400～670km的深部。表明西藏雅鲁藏布江蛇绿岩(古大洋岩石圈)的岩浆活动达到过渡带。可能是地幔柱活动将硅尖晶石类等超高压矿物搬运到上地幔浅部的。

记录地幔中存在氧元素的自然铁-方铁矿组合

笔者在西藏蛇绿岩的铬铁矿石中发现了十分复杂的地幔矿物群,其中包括自然铁-方铁矿的共生组合,它们被认为是外地核和下地幔的物质通过地幔柱作用携带到上地幔的。新发现的自然铁-方铁矿组合表明,外地核液态铁溶解有部分氧,当液态铁由外地核上升时,氧从液态铁中析出并呈不混溶状态存在于液态铁中。随着乳滴状自然铁球粒向上运移,在降压条件下液态铁和氧元素发生化学反应生成方铁矿(包括NI AS结构)。当氧耗尽时,在方铁矿中遗留下氧耗尽的空洞,形成眼球状构造。因此,眼球构造可能是外地核向地幔释放氧,下地幔内存在氧元素的历史记录。