Hiroseite分享 http://blog.sciencenet.cn/u/chunyinzhou 讨论地球深部研究进展(SEDI)的纯科学博客

博文

Geology:蛇绿岩铬铁矿中发现浅源成因金刚石

已有 1964 次阅读 2019-3-6 18:16 |个人分类:最新论文介绍|系统分类:论文交流| 金刚石, 铬铁矿, 蛇绿岩

Geology:蛇绿岩铬铁矿中发现浅源成因金刚石

周春银

编译说明:原文发表于《Geology》地学期刊2019年第一期A shallow origin for diamonds in ophiolitic chromitites,这是一篇翻译。蛇绿岩中铬铁矿以及金刚石的地学成因,近年来成为新的研究热点。尤其是西藏罗布莎蛇绿岩中铬铁矿的显微出溶结构以及相伴生的超高压矿物(包括部分还原性矿物),指示这些超高压矿物可能来源于410km以下的地幔转换带甚至下地幔,这对传统蛇绿岩模型提出了很大挑战。Farré-de-Pablo等(2018)这篇Geology文章报道了蛇绿岩铬铁矿中浅源成因的金刚石,通过显微构造和地球化学分析,以及热动力学模拟计算,认为这些微粒金刚石形成于低温低压条件下(石墨稳定域内)还原性流体参与的蛇纹石化过程中,而并不是传统认为的超高压(UHP环境。铬铁矿和金刚石的真正成因,还需更多的研究去证明。

 

摘要:最近在蛇绿橄榄岩和铬铁岩(chromitite)中发现的金刚石对我们传统地幔动力学认识产生了新的挑战,现有模型的解释是,这些金刚石是在接近地幔转换带时包裹于铬铁矿(chromite)中形成的。但是这些模型并没有考虑在这些地质环境下出露的亚稳态金刚石。我们首次报道了在寄生于Tehuitzuingo蛇纹岩(南墨西哥)中的蛇绿铬铁岩荚铬铁矿中发现的原位微米金刚石。金刚石以裂隙填充包裹体的形式和石英、斜绿泥石、蛇纹石以及非晶碳共生,指示了铬铁岩浅层水化作用的成因。铬铁矿地球化学特征沿金刚石填充裂隙的变化,指示其形成于670-515 oC温度条件下铬铁岩的退变质过程中,其中金刚石以亚稳定形式析出于低压还原C-O-H流体中,这些流体曾在蛇纹岩化过程中浸入寄主橄榄岩中。在铬铁矿开始蚀变的相同温度条件下,金刚石随裂隙填充而保存下来。这一金刚石形成机制对传统观点,即蛇绿岩中出露的金刚石是超高压明确标志,提出了挑战。

介绍

关于蛇绿杂岩里橄榄岩和铬铁岩中1μm-0.5mm金刚石发现的报道逐渐增多(Yang et al.,2007,2015; Griffin et al.,2016)。他们通常出露于矿物集合体中,这些集合体包含了大量的超高压(UHP)矿物如柯石英和斯石英、超还原相(SuR)碳硅石、单质和合金,以及陆壳矿物如石英、刚玉、白云母、钾长石和锆石。但是,金刚石和其他SuR-UHP矿物以及陆壳矿物组合之间的组构关系还并不清楚,除了西藏罗布莎蛇绿岩里铬铁岩中原位发现的部分金刚石(Yang et al.,2007,2015; McGowan et al.,2015; Griffin et al.,2016)。一般认为这些金刚石形成于>4 GPa (大约120 km深度)压力条件下,随后可能在上地幔底部或地幔转换带中被包裹于铬铁岩中,尽管包裹机制尚不明确。但与此相反的是,越来越多的野外证据、实验和理论研究表明,纳米-微米级金刚石可以在石墨稳定温压条件下结晶形成(Simakov,2018),包括(1)化学气相沉积法(CVD)、(2)取向附生与CO2还原法、以及(3)热液合成法。CVD纳米-微米级金刚石是由混合气体在近大气压条件下生成的,这一过程已经证实在火山爆发后的熔岩中存在(Kaminsky et al.,2016)。根据实验结果,取向附生-CO2还原法可以利用金属种子作为还原反应物还原稠密的CO2在低至440 oC温度条件下生成微米级金刚石(Lou et al.,2004)。已有的实验结果、理论方法(Manuella, 2013)以及含蛇纹岩的热液体系研究(Simakov et al.,2015)均指示在压力低至0.1 GPa和温度< 1000 oC条件下受热液C-O-H流体蚀变的超基性岩可以生成纳米-微米级金刚石。这些流体成分变化从CO2-H2O-CH4CO2-H2O-H2CO-H2,取决于稳压条件,但主要是热液蚀变温压条件下的CO2-H2O-CH4体系(Simakov,2010,2011; Manuella,2013)。

我们在南墨西哥Tehuitzuingo蛇纹岩里的蛇绿铬铁岩中发现了原位微米金刚石,金刚石颗粒系统共生于石英、斜绿泥石、蛇纹石和非晶碳并充填包裹在铬铁矿裂隙中,该矿物组合以及铬铁矿成分沿裂隙的变化指示微米级包裹体是由浅源蛇纹岩化相关的流体形成的,而不是在更深源或近地幔转换带条件下,因此这种地幔铬铁岩中金刚石的成因,提醒我们在解释蛇绿岩套中幔源岩石的深部循环时应持谨慎态度。

 

1. A: Geological map of Tehuitzingo serpentinite and cross section of body, with location of chromitite samples indicated (masl—meters above sea level). B: Backscattered images of chromite (Chr) grain from sample CR-07 showing linear arrays of inclusions. Secondary electron field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) images show diamond inclusions (d1–d5) and their corresponding Raman spectra (in yellow), and quartz (Qtz), serpentine (Srp), and chlorite (Chl). Ilm—ilmenite; d—diamond; Pph—pyrophanite.

地质背景

含铬铁岩的Tehuitzingo蛇纹岩(Puebla Stagesouthern Mexico,图1)是Acatlán杂岩中出露最多的超基性岩石,该套古生界杂岩经历过多期变质和变形事件(Ortega-Gutiérrez et al., 1999; Galaz et al., 2013)。该超基性岩体被认为是“Xayacatlán裂解蛇绿岩”(Ortega-Gutiérrez et al.,1999; González-Mancera et al., 2009)地幔部分完全蛇绿岩化后的构造方辉橄榄岩(达500米后8千米长),很可能是形成于/改造于弧后环境(Proenza et al., 2004)。

Tehuitzingo蛇纹岩在空间上与变沉积基质混杂岩透镜体相伴生,这些混杂岩透镜体还包裹了高压榴辉岩、变质片岩和变花岗岩岩体(Ortega-Gutiérrez et al., 1999; Galaz et al., 2013)。Tehuitzingo高压变基性岩体经历了正常的变质历史,包括:起始榴辉岩相进变质期,变质峰期在758 ± 28 °C and 16.3 ± 0.7 kbar;紧随其后是绿帘石-角闪岩相退变质期,变质条件为471 ± 35 °C ~7.1–3.4 kbar;最后是绿片岩相退变质期,变质条件为~356 ± 33 °C and 2.7 ± 1.2 kbarGalaz et al., 2013)。但是仅有退变质矿物组合被保存在Tehuitzingo超基性岩中,包括叶蛇纹石,少量利蛇纹石和纤蛇纹石,另外还有透闪石、绿泥石、铬云母、碳铬镁矿和几种碳酸盐矿物(Proenza et al., 2004; González-Mancera et al., 2009)。Tehuitzingo蛇纹岩中蛇纹石和绿泥石的δ18O and δ2H组分指示它们的形成与海水相互作用相关(González-Mancera et al., 2009)。需要强调的是,我们所估算的Tehuitzingo高压岩石的压力远低于金刚石稳定域压力。事实上,蛇纹岩和相伴生变质岩缺乏超高压(UHP)矿物组合特征。

Proenza等(2004)对Tehuitzingo铬铁岩进行了详细的岩石学描述和矿物化学分析。铬铁岩岩体以数十米长、<2米厚豆荚状产出,未蚀变的颗粒核指示第一期铬铁矿化学成分为富Al的(Cr#[Cr/{Cr+Al}]=0.53-0.57)。但是铬铁岩经历过一系列强烈的蚀变而未能保存第一期硅酸盐矿物(Proenza et al., 2004),因此他们认为蚀变作用发生于杂岩低压低温退变质蚀变阶段。

结果与说明

含金刚石的铬铁岩

Tehuitzingo蛇绿岩中有两个铬铁岩样品里(CR-05CR-07)发现了金刚石(图1A)。含金刚石的铬铁矿颗粒显示中心是岩浆型的、未蚀变的高Al铬铁矿核(Cr# = 0.59–0.61; Mg#[Mg/{Mg + Fe2+}] = 0.57–0.55; Fe3+# [Fe3+/{Fe3++Fe2+}]=0.07-0.09),被第二期富Fe2+、多孔的铬铁矿蚀变边所包围,铬铁矿蚀变边含有很多的蛇纹石和绿泥石包裹体。核-边蚀变伴随着(沿边缘方向)AlMg含量的降低, Fe2+Cr含量升高,以及Fe3+略微升高(Cr# = 0.75–0.90; Mg# =0.32–0.25; Fe3+# = 0.19–0.29)。

原位金刚石直径在1-8 μm之间,呈线型排列,伴生矿物蛇纹石、绿泥石(斜绿泥石)和石英,指示其为铬铁矿颗粒核中的充填裂隙(图1B)。与富Fe2+、多孔的铬铁矿类似,充填裂隙中CrFe2+含量略微升高,而AlMg含量相对于铬铁矿核则下降(Cr# = 0.61–0.65; Mg# = 0.54–0.52; Fe3+ = 0.05–0.13)。与多孔铬铁矿边不同,充填裂隙中Fe3+含量的变化没有意义。这些地球化学变化趋势是,第一期高Al铬铁矿和基质橄榄石与还原性流体反应,生成与绿泥石平衡的第二期富CrFe2+、贫AlMg的多孔铬铁矿(Colás et al., 2017, 2018)。铬铁矿边相对于核中Fe3+含量的略微升高,是因为第二期铬铁矿蚀变期间氧化流体的渗入。我们利用Perple_X软件去分析铬铁矿蚀变期间的相关系和温度条件,借助流体饱和的Cr2O3-MgO-FeO-Al2O3-SiO2-H2O (CrMFASH)体系的Cr#Mg#等值线剖面图,考虑Cr尖晶石、橄榄石和绿泥石固溶体系。该热动力模型结果推测,充填裂隙里的铬铁矿(Cr# = 0.64 and Mg# = 0.50,平均值)形成于670-515 oC,而含铬铁矿颗粒的外围多孔边则形成于410-340 oC

铬铁矿充填裂隙中的金刚石以及伴生矿物

高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM)单点EDS显示其成分为纯CFE-SEM图像显示金刚石和主矿物铬铁矿是直接接触关系(图1B),残留的空隙指示曾经有流体相所填充并最终流失。显微拉曼光谱显示在1329-1331 cm-1之间存在非常锐利的峰,对应金刚石C-C的对称伸展振动(图1B)。1332 cm-1以下峰位置的偏移,正是天然金刚石的特征,对应于无序结构的金刚石(Smith and Godard, 2013)。部分金刚石颗粒显示其拉曼光谱在大约1383 cm-1中心和大约1490-1580 cm-1之间存在两个隆起,这反映了非晶碳的出现(Chu and Li, 2006)。

 

2. Details of diamond grains within chromite from sample CR-05. Top-left: Field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) backscattered image showing locations of diamonds in chromite (Chr) grain. Detailed FE-SEM secondary electron image of diamond 6 (d6) shows direction of cut performed by focused ion beam spectroscopy. Right: High-resolution transmission electron microscopy image showing diamond d6, with indication of two areas analyzed by electron energy loss spectroscopy (EELS). Bottom: EELS spectra of two areas analyzed that confirm diamond structure of the crystal and amorphous carbon with oxygen in material enveloping the diamond grain.

6号金刚石(d6)通过FIB-TEM详细研究发现其存在复杂的结构特征,同时保留着一颗直径大约1 μm的自形金刚石晶体和非晶碳(图2)。非晶碳中存在环形空隙,局部与金刚石和铬铁矿接触。并没有观察到抛光碎屑以及任何包裹的金刚石。金刚石以及周围的非晶含碳相由EELS所确认,并同时还指示存在与非晶含碳相伴生的含氧物质(图2)。金刚石 EELS谱图中大约284 eV位置处的弱边前峰,是因为分析区内非晶碳的存在。

石英颗粒沿金刚石填充裂隙而出露(图1B),通过FE-SEMEDS以及显微拉曼分析所确认,显示其在463 cm-1的特征峰(图1B)。石英颗粒呈次圆状,直径6 μm,与铬铁矿直接接触。其他矿物还包括铬铁矿负晶、斜绿泥石、蛇纹石(叶蛇纹石,据Colás et al., 2018)、钛铁矿以及红钛锰矿(图1B)。该矿物组合与铬铁矿蚀变、铬铁岩和包裹方辉橄榄岩的水化和蛇纹石化有关。

讨论

所有的结构和矿物特征均指示铬铁矿裂隙中的金刚石形成于相对较低的温度条件,计算得到这些金刚石的形成温度(670-515 oC)比前人估计的地幔超高压条件(120km深度>1000 oC,转换带>1500 oC)低很多,但是与Tehuitzingo蛇纹岩相伴生的高压岩体的退变质温度区间重合。填充裂隙中铬铁矿化学成分的变化,证明计算温度对应于更低温度有孔铬铁矿形成以前的铬铁矿的首期水化作用。铬铁矿这一退变质转变通常与强还原条件下铬铁岩和橄榄岩原岩中硅酸盐矿物的蛇纹石化相关(Colás et al., 2017, 2018)。金刚石被非晶碳和含氧物质所包裹,说明蛇纹岩原岩中渗出的富C-O-H流体参与了裂隙中第一期铬铁矿向第二期铬铁矿的转变。

 

3. Pressure-temperature (P-T) equilibrium curve for graphite-diamond transition with fields of diamond synthesized within graphite stability field at hydrothermal conditions, by chemical vapor deposition (CVD), epitaxy, and CO2 reduction (compiled in Manuella, 2013) and of natural nanodiamonds in serpentinized peridotite (Simakov et al., 2015). Red dotted line marks boundary of CO2-H2O-CH4 field (Simakov, 2010). Black thick curve denotes calculated maximum stability of antigorite (Atg) in MgO-SiO2-H2O system (Schwartz et al., 2013). Fo—fosterite; Tlc—talc. Red stars indicate metamorphic peak and two retrogression stages during retrograde metamorphism (Galaz et al., 2013). Vertical shaded area from 515 to 670 °C indicates calculated temperature of formation of fracture.

因此,我们认为Tehuitzingo铬铁岩中的金刚石形成于石墨稳定域浅层蛇纹石化过程中的热液C-O-H流体,正如Simakov2018)所提出的。裂隙中叶蛇纹石的出露指明裂隙填充的温度在500-620 oC0.2-1.0 GPa),这代表着MgO-SiO2-H2O体系中叶蛇纹石的稳定域上限(Schwartz et al., 2013;图3)。在这样的条件下,还原流体渗入铬铁岩并使其在CO2-H2O-CH4体系中成分发生改变(图3)。还原流体物质,如CH4H,已经在超基性岩石中被报道过,这些岩石经历过由海水和/或变质流体渗入引起的蛇纹石化(e.g. Kelley et al., 2005)。退变质/蛇纹石化过程中的水化反应作用指示H2O参与了含水相的结晶过程(e.g. 蛇纹石,绿泥石),此过程总消耗了C-O-H流体, 而这些流体从起初的C不饱和逐渐达到后来的C饱和并最终析出C相(e.g. Frezzotti et al., 2014)。

这些观测证实了理论和实验模型所提出的,金刚石可以经过石墨稳定域浅层超基性岩蛇纹石化过程中的蚀变作用而形成(Manuella, 2013; Simakov et al., 2015)。裂隙的迅速填充有利于金刚石的保存,这是铬铁矿蚀变过程中溶解-析出作用的结果,而铬铁矿的化学成分也在变化,即它的成分相对于残留的未蚀变核部是变化的。核部在蚀变过程中是隔离的,蚀变作用对铬铁矿边部、铬铁岩中的硅酸盐矿物以及橄榄岩原岩的影响作用强烈。

结论

我们报道了在蛇绿岩套铬铁岩中的铬铁矿填充裂隙中发现的第一例原位金刚石。除了金刚石,充填裂隙中还包含斜绿泥石、蛇纹石、石英以及非晶碳,这些都指示着低温低压条件(如石英)。通过对裂隙中铬铁矿和其他矿物的结构和化学成分分析,以及热动力学模拟研究,我们认为这些微粒金刚石是在670-515 oC温度条件下超基性围岩蛇纹石化过程中还原性CO2-H2O-CH4流体渗入铬铁矿而析出的。这里并没有发现微粒金刚石生成的超高压(UHP)条件,挑战了幔源铬铁矿深部再循环观点,这是根据蛇绿岩套铬铁岩中的铬铁矿或铬铁矿里提取的重矿物中发现的原位微粒金刚石所推测的。因此,我们所提出的微粒金刚石成因机制,即金刚石形成于铬铁矿和超基性原岩蚀变过程中的(超)还原低压低温环境,可以应用到与裂隙中非晶碳和铬铁岩蛇纹石化形成的硅酸盐矿物所共存的原位金刚石,以前曾认为这些金刚石是形成于超高压条件下的。

 

参考文献

 

Chu, P.K., and Li, L., 2006, Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films: Materials Chemistry and Physics , v. 96, p. 253–277, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.07.048.

Colás, V., Padrón-Navarta, J.A., González-Jiménez, J.M., Fanlo, I., López Sánchez-Vizcaíno, V., Gervilla, F., and Castroviejo, R., 2017, The role of silica in the hydrous metamorphism of chromite: Ore Geology Reviews , v. 90, p. 274–286, https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2017.02.025.

Colás, V., González-Jiménez, J.M., Camprubí, A., Proenza, J.A., Griffin, W.L., Fanlo, I., O’Reilly, S.Y., Gervilla, F., and González-Partida, E., 2018, A reappraisal of the metamorphic history of the Tehuitzingo chromitite, Puebla State, Mexico: International Geology Review , https://doi.org/10.1080/00206814.2018.1542633 (in press).

Frezzotti, M.L., Huizenga, J.M., Compagnoni, R., and Selverstone, J., 2014, Diamond formation by carbon saturation in C-O-H fluids during cold subduction of oceanic lithosphere: Geochimica et Cosmochimica Acta , v. 143, p. 68–86, https://doi.org/10.1016/j.gca.2013.12.022.

Galaz, G.E., Keppie, J.D., Lee, J.K.W., and Ortega-Rivera, A., 2013, A high-pressure folded klippe at Tehuitzingo on the western margin of an extrusion zone, Acatlán Complex, southern México: Gondwana Research , v. 23, p. 641–660, https://doi.org/10.1016/j.gr.2012.04.011.

González-Mancera, G., Ortega-Gutiérrez, F., Proenza, J.A., and Atudorei, V., 2009, Petrology and geochemistry of Tehuitzingo serpentinites (Acatlán Complex, SW Mexico): Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana , v. 61, p. 419–435, https://doi.org/10.18268/BSGM2009v61n3a9.

Griffin, W.L., et al. , 2016, Mantle recycling: Transition zone metamorphism of Tibetan ophiolitic peridotites and its tectonic implications: Journal of Petrology , v. 57, p. 655–684, https://doi.org/10.1093/petrology/egw011.

Kaminsky, F.V., Wirth, R., Anikin, L.P., Morales, L., and Schreiber, A., 2016, Carbonado-like diamond from the Avacha active volcano in Kamchatka, Russia: Lithos , v. 265, p. 222–236, https://doi.org/10.1016/j.lithos.2016.02.021.

Kelley, D.S., et al. , 2005, A serpentine-hosted ecosystem: The Lost City Hydrothermal Field: Science , v. 307, p. 1428–1434, https://doi.org/10.1126/science.1102556.

Lou, Z., Chen, Q., Zhang, Y., Qian, Y., and Wang, W., 2004, Synthesis of large-size diamonds by reduction of dense carbon dioxide with alkali metals (K, Li): The Journal of Physical Chemistry B , v. 108, p. 4239–4241, https://doi.org/10.1021/jp036356p.

Manuella, F.C., 2013, Can nanodiamonds grow in serpentinite-hosted hydrothermal systems?: A theoretical modelling study: Mineralogical Magazine , v. 77, p. 3163–3174, https://doi.org/10.1180/minmag.2013.077.8.10.

McGowan, N.M., Griffin, W.L., González-Jiménez, J.M., Belousova, E., Afonso, J.C., Shi, R., McCammon, C.A., Pearson, N.J., and O’Reilly, S.Y., 2015, Tibetan chromitites: Excavating the slab graveyard: Geology , v. 43, p. 179–182, https://doi.org/10.1130/G36245.1.

Ortega-Gutiérrez, F., Elías-Herrera, M., Reyes-Salas, M., Macías-Romo, C., and López, R., 1999, Late Ordovician–Early Silurian continental collisional orogeny in southern Mexico and its bearing on Gondwana Laurentia connections: Geology , v. 27, p. 719–722, https://doi.org/10.1130/0091-7613(1999)027<0719:LOESCC>2.3.CO;2.

Proenza, J.A., Ortega-Gutiérrez, F., Camprubí, A., Tritlla, J., Elías-Herrera, M., and Reyes-Salas, M., 2004, Paleozoic serpentinite-enclosed chromitites from Tehuitzingo (Acatlán Complex, southern Mexico): A petrological and mineralogical study: Journal of South American Earth Sciences , v. 16, p. 649–666, https://doi.org/10.1016/j.jsames.2003.12.003.

Schwartz, S., Guillot, S., Reynard, B., Lafay, R., Debret, B., Nicollet, C., Lanari, P., and Auzende, A.L., 2013, Pressure-temperature estimates of the lizardite/antigorite transition in high pressure serpentinites: Lithos , v. 178, p. 197–210, https://doi.org/10.1016/j.lithos.2012.11.023.

Simakov, S.K., 2010, Metastable nanosized diamond formation from a C-H-O fluid system: Journal of Materials Research , v. 25, p. 2336–2340, https://doi.org/10.1557/jmr.2010.0303.

Simakov, S.K., 2011, Nanodiamond formation in natural processes from fluid system at low P-T parameters: Doklady Earth Sciences , v. 436, p. 148–151, https://doi.org/10.1134/S1028334X11010326.

Simakov, S.K., 2018, Nano- and micron-sized diamond genesis in nature: An overview: Geoscience Frontiers , v. 9, p. 1849–1858, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.10.006.

Simakov, S.K., Kouchi, A., Mel’nik, N.N., Scribano, V., Kimura, Y., Hama, T., Suzuki, N., Saito, H., and Yoshizawa, T., 2015, Nanodiamond finding in the Hyblean shallow mantle xenoliths: Scientific Reports , v. 5, p. 10765, https://doi.org/10.1038/srep10765.

Smith, D.C., and Godard, G., 2013, A Raman spectroscopic study of diamond and sp3-carbon in the coesite-bearing Straumen Eclogite Pod, Norway: Journal of Metamorphic Geology , v. 31, p. 19–33, https://doi.org/10.1111/jmg.12007.

Yang, J., Meng, F., Xu, X., Robinson, P.T., Dilek, Y., Makeyev, A.B., Wirth, R., Wiedenbeck, M., Griffin, W.L., and Cliff, J., 2015, Diamonds, native elements and metal alloys from chromitites of Ray-Iz ophiolite of the Polar Urals: Gondwana Research , v. 27, p. 459–485, https://doi.org/10.1016/j.gr.2014.07.004.

Yang, J.S., Dobrzhinetskaya, L., Bai, W.J., Fang, Q.-S., Robinson, P.T., Zhang, J., and Green, H., 2007, Diamond- and coesite-bearing chromitites from the Luobusa ophiolite, Tibet: Geology , v. 35, p. 875–878, https://doi.org/10.1130/G23766A.1.




http://blog.sciencenet.cn/blog-92454-1166060.html

上一篇:生命起源研究需考虑的行星环境因素

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-8-3 18:11

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部