岩石学报  2014, Vol. 30 Issue (8): 2125-2136   PDF    
铬在橄榄石中的赋存状态:西藏罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中的富铬橄榄石及对深部地幔成因的启示
梁凤华, 杨经绥, 许志琴, 赵佳楠    
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
摘要:西藏罗布莎蛇绿岩的地幔橄榄岩和铬铁矿中含有目前世界上已知最富铬的包裹体橄榄石(Cr2O3含量最高达1.49%)和富含铬铁矿出溶体的变形残晶橄榄石。通过对富铬橄榄石产出特征和其中Cr与其他元素相关关系的分析,结合前人的研究,指出铬是以还原态的Cr2+进入橄榄石晶格的,Cr2+可能以占据空位和部分替代Fe2+的方式稳定于富铬橄榄石初始相的晶格中。鉴于前人在罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中大量超高压强还原相矿物的发现,认为这些富铬橄榄石的初始相可能为形成于地幔过渡带或下地幔的瓦兹利石或林伍德石,富铬橄榄石的产出也反过来证明了罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中部分物质的深部地幔来源。
关键词富铬橄榄石     地幔橄榄岩     铬铁矿     罗布莎蛇绿岩     西藏    
Chromium in the olivine lattice:Chromium-rich olivines and their implication of deep mantle origin in the Luobusa mantle peridotite and chromitite, Tibet
LIANG FengHua, YANG JingSui, XU ZhiQin, ZHAO JiaNan    
CARMA, State Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, CAGS, Beijing 100037, China
Abstract: Chromium-rich included olivines and chromite exsolution rod-rich deformed porphyroclast olivines occur in the Luobusa mantle peridotite and chromitite in the Yarlung Zangbo ophiolite, Tibet. Included olivines are subhedral to hedral with size up to 50μm and occur in spinels or chromites in harzburgite, dunite, disseminated chromitite, nodular chromitite and massive chromitite. Deformed porphyroclast olivines are coarse-grained (up to 10mm), undulatory extincted, kink banded and recrystallized. Amounts of chromite exsolution rods arrange parallelly with light-white color and extremely narrow width of <3μm. In each sample, no matter what lithology, included olivines contain obviously higher Cr2O3 and lower FeO than other olivines. Parts of those included olivines contain by far the highest Cr2O3 (up to 1.49%) in the world and much higher than those in lunar and chondrite olivines (~0.7%). Except for a weak negative correlation of Cr2O3 vs. FeO for those included olivines, no other correlation of Cr2O3 vs. MnO and of Cr2O3 vs. MgO was observed, distinguishing from those chromium-rich olivines in lunar basalts (Cr varies inversely with Fe) and from those in St. Mesmin chondrite (Cr varies positively with Fe). Aluminum is near background levels and minors of manganese (~0.1%) and nickel (0.3%~0.5%) were detected in included olivines. Combing with previous studies, we analyzed the valence state and substitution of chromium in Cr-rich olivine or its precursor phase. Cr2+ is believed to be the controlled valence in the octahedral site of olivine since an in-situ moissanite in one of samples studied here has been discoveried. A possible vacancy substitution mechanism is proposed to explain the uncorrelated characteristic between Cr and other metal elements. According to lots of findings of ultra-high pressure and extremely reductive minerals reported by previous studies, that the chromium-rich olivines in the Luobusha mantle peridotite and chromitite might originate from mantle transition zone or lower mantle and their precursor phase might be wadsleyite or ringwoodite.
Key words: Chromium-rich Olivine     Mantle peridotite     Chromitite     Luobusa ophiolite     Tibet    
1 引言

罗布莎地幔橄榄岩是罗布莎蛇绿岩体的主要组成部分,位于西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东段,因产出我国最大的铬铁矿床而闻名。关于罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿的成因,是当前人们争论的热点科学问题,传统观点认为其形成于俯冲带上(Suprasubduction zone,SSZ)的浅部地幔环境(周美夫和白文吉,1994; Zhou et al., 1996; Arai,1997; Ren et al., 2008)。而近年来,随着人们陆续在罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中发现金刚石(白文吉等,2001a; Yang et al., 2007200920102012; 杨经绥等,2008a; 徐向珍等,2008)、柯石英(Yang et al., 2007; Yamamoto et al., 2009)、碳硅石(Lee et al., 2006; Xu et al., 2009; Yang et al., 2010; Liang et al., 2014)、Si-金红石(Yang et al., 2003; Ren et al., 2009)、柯石英中TiN、BN、TiC(Dobrzhinetskaya et al., 2009; Xu et al., 2013)及自然铁、方铁矿等异常金属矿物组合(白文吉等, 20022003200420052006; Xu et al., 2009; 杨经绥等, 2008ab),罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿可能形成于>300km地幔深部的新成因机制(Yang et al., 2007; 杨经绥等, 2008a2013; Dobrzhinetskaya et al., 2009)越来越受到人们的重视。尤其是原位金刚石(Yang et al., 2009)、原位柯石英出溶体(Yamamoto et al., 2009)和原位碳硅石(Liang et al., 2014)的发现更证实了这一新机制。

不过这些证据都主要来自特殊矿物相的发现,对于深部地幔过程在造岩矿物中的表现研究仍很少,白文吉等(2001b)曾对罗布莎铬铁矿石中的包裹体橄榄石进行晶体结构测试,发现极端富Mg的包裹体橄榄石具有地球上已知的橄榄石族最小晶胞参数,推测其可能形成于地幔深部的高温超高压环境。本文报道罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中测得的富铬包裹体橄榄石(Cr2O3可达1.49%),这可能是目前世界上已测得的最富Cr橄榄石。本文将在对比富Cr包裹体橄榄石与其他贫Cr橄榄石差别的基础上,分析Cr元素在橄榄石中的赋存状态和富Cr橄榄石的成因,并讨论其对罗布莎地幔橄榄岩深部地幔成因的启示。

2 区域地质概况

罗布莎蛇绿岩体位于西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东段(图 1a),拉萨市东南约200km,呈近东西向延伸约40km,最宽处达约4km。主要由地幔橄榄岩、堆晶岩和基性岩墙组成,少量被肢解的火山岩和硅质岩作为混杂岩出露在堆晶岩的北侧(杨经绥等,2008b; 徐向珍等,2008)。地幔橄榄岩中以方辉橄榄岩为主,包含少量二辉橄榄岩、纯橄岩和铬铁矿,其中赋存我国目前最大的铬铁矿床,为该段岩体的标志特征。

图 1 西藏雅鲁藏布江蛇绿岩(a)及罗布莎岩体(b)的构造简图 Fig. 1 Geological sketch map of Yarlung Zangbo ophiolite belt(a) and Luobusa ophiolite(b)

罗布莎蛇绿岩体以倒转构造岩片被夹持于南北两条大型韧性剪切带(DFT和DFR)之间(图 1b; 梁凤华等,2011),其南侧被晚三叠纪复理石建造叠置,北侧推覆在始新世磨拉石建造之上。岩体内部也呈倒转产状,地幔橄榄岩叠置在堆晶岩上(Zhou et al., 1996)。已有的研究表明罗布莎岩体形成于中侏罗世的扩张脊环境(177~163Ma)(Zhou et al., 2002; Malpas et al., 2003; 钟立峰等,2006),之后于晚侏罗世-白垩纪期间被卷入俯冲带之上的地幔楔环境并受到改造(Bai et al., 1993; Malpas et al., 2003)。晚白垩世-早第三纪印度-亚洲板块碰撞之前,开始自北向南向印度板块被动大陆边缘上仰冲(Molnar and Tapponnier, 1975; Tapponnier et al., 1981; Allègre et al., 1984; Burg and Chen, 1984),并于早中新世最终作为印度-亚洲大陆会聚挤压作用下倒转逆冲体系的一部分被倒转就位于现今的三叠纪复理石建造和第三纪磨拉石建造之间(梁凤华等,2011)。

另外,罗布莎岩体自西向东被分为罗布莎、香卡山和康金拉三个矿区,旨在揭示地幔橄榄岩和铬铁矿深部赋存规律进而探索其成因机制的罗布莎高原科学钻(LSD)位于罗布莎矿区海拔约4400m的山顶。本文中的地幔橄榄岩样品大多采自海拔5200m的康金拉矿区,少数样品(YLL8-33)采自罗布莎矿区(图 1b)。

3 罗布莎蛇绿岩中的地幔橄榄岩和铬铁矿 本文选择康金拉矿区和罗布莎矿区5种不同类型的10块新鲜橄榄岩和铬铁矿(表 1)进行橄榄石的矿物成分研究。按辉石含量递减和铬铁矿含量递增的顺序分别为:方辉橄榄岩(图 2a)、纯橄岩(图 2b)、浸染状铬铁矿(图 2c)、豆状铬铁矿(图 2d)和块状铬铁矿(图 2e)。其中纯橄岩是作为豆荚状铬铁矿的包壳产于方辉橄榄岩和铬铁矿矿体之间的(图 2f),其主晶橄榄石和尖晶石的成分均介于方辉橄榄岩和铬铁矿之间呈过渡状态(Zhou et al., 1996; 梁凤华,2011)。Liang et al.(2014)在YLL10-31纯橄岩中发现原位碳硅石,反映纯橄岩中携带有下地幔来源的物质。从浸染状铬铁矿到块状铬铁矿,橄榄石含量渐少,在块状铬铁矿中,少量橄榄石呈残晶分布于铬铁矿之间(图 2e)。

表 1 罗布莎不同类型新鲜橄榄岩和铬铁矿样品及特征 Table 1 Charateristics of mantle peridotites and chromitites samples in the Luobusa ophiolite

图 2 罗布莎蛇绿岩中不同类型地幔橄榄岩和铬铁矿的显微照片及本文所研究的纯橄岩的产出特征 (a)-方辉橄榄岩;(b)-纯橄岩;(c)-浸染状铬铁矿;(d)-豆状铬铁矿;(e)-块状铬铁矿;(f)-本文所研究的纯橄岩是指位于方辉橄榄岩和铬铁矿矿体之间的、作为豆荚状铬铁矿包壳产出的纯橄岩.Ol-橄榄石;Opx-斜方辉石;Sp-a-b中为铬尖晶石,c-f中为铬铁矿;Har-方辉橄榄岩;Dun-纯橄岩;Cr-豆荚状铬铁矿矿体Fig. 2 Typical microphotographs of mantle peridotite and chromitite in the Luobusa ophiolite (a)-harzburgite;(b)-dunite;(c)-disseminated chromitite;(d)-nodular chromitite;(e)-massive chromitite;(f)-dunite studied here occurs as the crust of podiform chromitite. Ol-olivine; Opx-orthopyroxene; Sp-spinel; Har-Harzburgite; Dun-dunite; Cr-podiform chromitite

总体来看,橄榄石共分为三种产状:粗粒变形残晶橄榄石(图 3a-b中Olpo)、细粒重结晶橄榄石(图 3a-b中Olre)和被包裹在尖晶石中的自形-半自形包裹体橄榄石(图 3c-f中Olin),它们的成分均为镁橄榄石(梁凤华,2011)。相对包裹体橄榄石,其他橄榄石在图 3c-f中表示为OlM,残晶橄榄石是指与新生重结晶橄榄石相对的,其中一部分残晶橄榄石中含有大量铬铁矿出溶结构。

图 3 罗布莎蛇绿岩地幔橄榄岩和铬铁矿中不同类型橄榄石的显微照片特征 (a、b)粗粒变形残晶橄榄石(Olpo)和细粒重结晶橄榄石(Olre);(c-f)被包裹在尖晶石中的自形-半自形包裹体橄榄石(Olin),相对包裹体橄榄石,其他橄榄石表示为OlM. Sp-(a-e)中为铬尖晶石,(f)中为铬铁矿Fig. 3 Microphotographs of olivine with different occurrences in mantle peridotite and chromitite in the Luobusa ophiolite (a,b)-deformed ourse porphyroclast olivine(Olpo) and subhedral fine-grained recrystallized olivine(Olre);(c-f)-hedral or subhedral included olivine in spinel(Olin) and other olivine(OlM). Sp-chromium spinel in(a-e) and chromite in(f)
4 尖晶石中的富Cr橄榄石包裹体 各类型地幔橄榄岩和铬铁矿中的尖晶石里普遍含有橄榄石包裹体(图 3c-f)。这些包裹体状橄榄石常呈自形晶或半自形晶体,通常颗粒细小,大者可达50μm。

为了探讨包裹体状橄榄石的成因,分别对各类型地幔橄榄岩和铬铁矿中的包裹体橄榄石(Olin)与其他橄榄石(OlM)进行了系统的矿物成分电子探针测试。测试在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室完成,电子探针型号为JEOL JXA-8100,测试加速电压15kV,电流20nA,摄谱时间10s,束斑大小对主矿物设定为10μm,包裹体和出溶体设定为~1μm,电子探针采用钴和SPI矿物标定,数据用ZAF程序和相应的标准矿物进行校正。由于测试数据很多,文章篇幅有限,表 2只列出各样品中较典型富铬包裹体橄榄石和其他橄榄石的探针数据。

表 2 不同类型岩石中包裹体橄榄石和其他橄榄岩电子探针成分对比(wt%) Table 2 Mineral composition of included olivines and other olivines in different mantle peridotite and chromitite(wt%)

结果(表 2图 4)表明:与其他橄榄石相比,所有的包裹体橄榄石都显著贫Fe,并轻微富Mg。Fe和Mg的相对差异表现为所有包裹体状橄榄石的Fo值均较主晶橄榄石略大,豆状和块状铬铁矿的包裹体橄榄石Fo高达97~98(图 5表 2),成为极端富Mg的橄榄石。

图 4 各类型地幔橄榄岩和铬铁矿中包裹体橄榄石与其他橄榄石的FeO-MgO、Cr2O3-MgO成分对比 Fig. 4 Correlation diagrams of FeO vs. MgO and Cr2O3 vs. MgO for included olivines and other olivines in harzburgite(a),dunite(b),disseminated chromitite(c),nodular chromitite(d) and massive chromitite(e)respectively All included olivines have obvious richer Cr and pooer Fe than other olivines

图 5 各类型地幔橄榄岩和铬铁矿中包裹体橄榄石的FeO、Cr2O3、NiO、SiO2与MgO成分相关图解Fig. 5 Interelemental relationships of included olivines for different types of peridotite and chromitite in the Luobusa ophiolite (a)-FeO vs. MgO;(b)-Cr2O3 vs. Fo;(c)-NiO vs. MgO;(d)-SiO2 vs. MgO. The arrows show the variation trends of included olivine composition with the decreasing of pyroxene and the increasing of chromite from harzburgite to massive chromitite

另一显著特征是:所有包裹体橄榄石都含有一定量的Cr,Cr2O3含量分别为:方辉橄榄岩中0.14%~0.70%,纯橄岩中0.11%~1.49%,浸染状铬铁矿中0.12%~0.85%,豆状铬铁矿中0.10%~0.97%,块状铬铁矿中0.27%~0.89%,而其他橄榄石中的Cr2O3则<500×10-6(图 4表 2)。纯橄岩(YLL10-29)中的包裹体橄榄石测得最高达1.49%的Cr2O3(表 2),远远高于目前地球上已知的其他富铬橄榄石,也显著高于月岩和陨石中获得的~0.7%的Cr2O3含量(Dodd,1975)。

单纯比较各类型岩石中的包裹体橄榄石成分,发现其Mg、Fe、Ni和Si含量都随着岩石中辉石含量的减少和铬铁矿含量的增加而呈相关渐变趋势(图 5):从方辉橄榄岩到纯橄岩到块状铬铁矿,包裹体橄榄石的FeO(total)与MgO呈负相关(图 5a),NiO和SiO2与MgO呈正相关(图 5c,d)。但值得注意的是:Cr2O3含量不随MgO或Fo的变化而变化,在各类岩石中的包裹体中相对稳定(图 5b)。包裹体橄榄石中含有微量MnO,但大多不含Al2O3

5 富含铬铁矿出溶体的变形残晶橄榄石

对罗布莎地幔橄榄岩进行显微结构观察发现,方辉橄榄岩、纯橄岩和豆状铬铁矿中的部分粗粒变形残晶橄榄石中发育大量出溶体。这些粗粒橄榄石通常0.5~5mm,最大可达10mm,发育膝折和波状消光,常被后期的细粒重结晶围绕。出溶结构只发育在粗粒残晶中,后期的重结晶颗粒中没有。按照出溶体的成分,可分为三种类型:铬铁矿出溶体、辉石出溶体和磁铁矿+透辉石合晶状出溶体,通常在同一残晶颗粒中只主要发育纯铬铁矿出溶体或磁铁矿+透辉石合晶状出溶体中的一种。本文中将只讨论主要出溶纯铬铁矿的橄榄石,因为大量的铬铁矿出溶结构反映该橄榄石的初始相晶格中含有一定量的Cr元素。

铬铁矿出溶体(图 6)在单偏光下呈平行四边形的浅褐色片状(图 6a,b),反射光和背散射图像中呈金属亮白色的细长出溶棒(图 6c,d),说明铬铁矿出溶片只有很窄的边部被切至表面。同一颗橄榄石中所有的出溶体都沿同一方向平行排列,出溶体的宽度一般<3μm,以至于探针测试时不得不将分析束斑调至最小的1μm,这也导致测出的成分总量较低(表 3)。测试表明其成分均为铬尖晶石类,具体为含镁铬铁矿((Ni,Mg,Fe)(Al,Cr)2O4)和几乎纯的铬铁矿(FeCr2O4)。

图 6 罗布莎地幔橄榄岩(YLL10-31)中部分粗粒残晶橄榄石里的铬铁矿出溶体 (a、b)-单偏光镜下铬铁矿出溶体呈四边形的浅褐色片状;(c、d)-背散射图像中铬铁矿出溶体呈金属亮白色的细长出溶棒.Cr-铬铁矿出溶体;Ol-残晶橄榄石Fig. 6 Microphotographs of chromite exsolutions in coarse-grained porphyroclast olivine from Luobusa mantle peridotite (a,b)-pure chromite exsolutions in olivine as brown rectangular lamellae under the polarizing microscope;(c,d)-under the backscattered light,chromite exsolutions show as white thin rods. Cr-chromite exsolution; Ol-olivine

表 3 罗布莎地幔橄榄岩中部分粗粒残晶橄榄石的纯铬铁矿出溶体成分表(wt%) Table 3 Mineral composition of chromite exsolution in coarse-grained porphyroclast olivine from the Luobusa peridotite(wt%)

6 讨论: 铬在橄榄石中的赋存状态及对罗布莎地幔橄榄岩深部地幔成因的启示 6.1 铬在橄榄石中的价态及形成条件

Cr元素在橄榄石中的赋存状态已经被陆续研究了半个多世纪了,最初人们发现玄武质月岩和陨石的橄榄石中富含Cr元素(最高Cr2O3可达~0.7%)(Butler,1972;Dodd,1973; Dodd et al., 1975;Fodor and Keil, 1976)。20世纪70年代以前,地球上的各类橄榄石都被认为几乎不含或仅含有极微量的Cr元素(Smith,1966),70年代后,人们陆续发现地球上的某些橄榄石也含有微量Cr元素,如南非Barberton Mountain L and 太古代科马提岩和美国安大略太古代超基性岩中的骸晶橄榄石(Cr2O3 ~0.32%)(Pyke et al., 1973; Green et al., 1975);金伯利岩及金刚石中的橄榄石包裹体(Cr2O3 ~0.1%)(Sobolev,1972; Meyer and Boyd, 1972; Meyer,1975);日本Bonin岛玻安岩中的橄榄石(Cr2O3 0.06%)(Kuroda and Shiraki, 1975)等。另一方面,人们还陆续在玄武质月岩、球粒陨石和地球地幔橄榄岩的橄榄石中发 现Cr尖晶石(或铬铁矿)出溶体(Bell et al., 1975; Arai,1978; Ashworth,1979; Irving et al., 1992; 陈立辉等,2000; Stachel et al., 2000; Brenker et al., 2002; Yamamoto et al., 2009),也反映橄榄石的初始相晶格中含有一定量的Cr元素。

关于Cr在橄榄石中的赋存状态及Cr进入橄榄石晶格的占位机理和成因条件,前人争议颇多,大致可分为两大类观点:压力有关的还原态Cr2+模式及压力无关的高温氧化态Cr3+模式,争论的焦点集中在Cr离子在橄榄石晶格中的价态以及富铬橄榄石的形成是否与压力有关。

形成于低氧逸度环境的玄武质月岩和陨石中的富铬橄榄石,普遍被认为形成于极端还原条件下的岩浆结晶过程,还原态的Cr2+替代Mn2+或Fe2+进入橄榄石晶格(Butler,1972; Dodd et al., 1975)。Sutton et al.(1993)应用X射线吸收近边结构光谱(X-ray Absorption Near Edge Structure,XANES)技术,实际测得玄武质月岩富铬橄榄石中的铬为还原态的Cr2+,证实其形成于还原环境,并提出富铬橄榄石的形成不仅仅受控于氧逸度。

形成于低氧逸度环境的玄武质月岩和陨石中的富铬橄榄石,普遍被认为形成于极端还原条件下的岩浆结晶过程,还原态的Cr2+替代Mn2+或Fe2+进入橄榄石晶格(Butler,1972; Dodd et al., 1975)。Sutton et al.(1993)应用X射线吸收近边结构光谱(X-ray Absorption Near Edge Structure,XANES)技术,实际测得玄武质月岩富铬橄榄石中的铬为还原态的Cr2+,证实其形成于还原环境,并提出富铬橄榄石的形成不仅仅受控于氧逸度。

由于地球表层的富氧环境,学者们对地球上那些特殊的富铬橄榄石的成因尤为争议,早期部分学者认为富铬橄榄石的形成与压力有关(Green et al., 1975; Meyer,1975),尤其在深部地幔非常高的压力和低氧逸度环境下,Cr2+更容易在橄榄石的畸变晶格中稳定存在(Burns, 1975ab)。但另一部分学者否认压力的作用,Arai(1978)提出铬是以Cr3+进入橄榄石晶格的,上地幔中岩浆和熔体活动的高温条件是主要控制因素,而与压力无关。他认为前人(在他之前70年代初的研究,如Green et al., 1975; Meyer,1975; Burns, 1975ab等)提出的高压成因模式必须要求极低的氧逸度环境,晶格中的Cr2+析出成为铬铁矿又需要自由氧的加入,地球的上地幔环境不满足该要求,而且也没有相关的超高压矿物的证据。继Arai(1978)之后,Moseley(1984)和Irving et al.(1992)在分别分析橄榄石中磁铁矿+透辉石出溶结构和铬铁矿出溶体时又进一步强调了这一观点,形成了高温模式的代表。

不过此后,除了Sutton et al.(1993)实验验证了玄武质月岩中富铬橄榄石的还原态Cr2+之外,Hanson and Jones(1998)通过实验和理论计算,认为虽然Cr3+在较高氧逸度的上地幔环境中更易进入橄榄石晶格,但在氧逸度比自然铁-方铁矿缓冲反应(Iron-Wüstite buffer)更低的过渡带或下地幔极端还原环境中,Cr2+将主要占据橄榄石晶格。 Stachel et al.(2000)在几内亚康康金伯利岩的金刚石中发现含铬铁矿出溶体的橄榄石与四方晶系铁铝-镁铝榴石相矿物(TAPP)共生,Brenker et al.(2002)进一步分析了该合晶状共生体,认为他们是由来自下地幔的林伍德石(Ringwoodite)在向上迁移的过程中,经由地幔过渡带的瓦兹利石相(Wadsleyite)退变,再被带至上地幔浅部进一步减压分解而来,含铬铁矿出溶体的橄榄石是地幔过渡带瓦兹利石直接分解的产物。

另外,Arai(1978)指出,富含Cr3+的橄榄石中往往也同时富含Al3+,Al离子将更加有助于铬铁矿出溶体的析出,但本文中的富铬橄榄石包裹体大多不含Al2O3(表 2),也说明富铬橄榄石包体形成的环境不利于氧化态的三价离子进入晶格。虽然罗布莎地幔橄榄岩中这些富铬橄榄石中Cr的离子价态尚需进一步的实验测试予以证实,但综合上述证据,可以看出下地幔或过渡带的高温高压和极度还原环境正是有利于Cr2+在橄榄石初始相(可能为林伍德石或瓦兹利石)中的稳定存在,并且已经有不少证据(见下节)表明罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中的部分物质来自这一深度。

6.2 对罗布莎地幔橄榄岩深部地幔成因的启示 罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中含有富铬包裹体橄榄石及富铬铁矿出溶体的残晶橄榄石,它们含有比其他橄榄石显著高的Cr元素,说明这些包裹体或残晶橄榄石与其他橄榄石形成于不同世代,从产出关系看,包裹体和残晶橄榄石应早于其他橄榄石。且这些橄榄石中的Cr含量(1.49%)比目前已知最富铬的陨石橄榄石(~0.7%)还要高出一倍多,反映它们可能形成于某种极端环境。

假如6.1中,对铬在橄榄石中的价态和富铬橄榄石形成条件的分析是正确的,那么罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中的富铬橄榄石很可能初始形成于下地幔或地幔过渡带的高温高压和极度还原环境。

另一方面,本世纪以来,西藏雅鲁藏布江蛇绿岩(包括罗布莎蛇绿岩体)中,金刚石、碳硅石、斯石英、BN、自然铁-方铁矿等等大量深部超高压和异常矿物组合的发现(如前言中所列),证实了雅鲁藏布江(包括罗布莎)地幔橄榄岩中保存有来自>300km地幔深部的物质信息(Yang et al., 2007; 杨经绥等, 2008a2013; Dobrzhinetskaya et al., 2009)。Liang et al.(2014)在与本文同一批样品(YLL10-31)中发现原位碳硅石,结合Trumbull(2009)对蛇绿岩碳硅石形成氧逸度和压力环境的分析,推测该样品中部分物质来源于下地幔的极端还原和高压环境。

因此,罗布莎蛇绿岩中的地幔橄榄岩正好具备富铬橄榄石形成及Cr2+进入橄榄石(或初始相)晶格所需要的高温高压和极端还原条件,反过来,富铬橄榄石的存在也进一步佐证了罗布莎地幔橄榄岩中部分物质的深地幔成因。

关于Arai(1978)指出的Cr2+从橄榄石初始相中出溶成为氧化态铬铁矿(Cr3+)需要自由氧加入的问题,大量对于雅鲁藏布江蛇绿岩及地幔橄榄岩的岩石化学研究已经表明:当深部地幔物质通过地幔柱上涌至上地幔浅部时,可能经历了地幔柱冠部与扩张洋脊间的物质交换,从而使来自深部的地幔物质进入蛇绿岩序列,并在之后又经历过俯冲带之上地幔楔环境的系列改造(杨经绥等, 2008a2013; Liang et al., 2014),因此后期浅部地幔内丰富的熔融再循环过程可以为初始富铬橄榄石的氧化出溶作用提供条件,而少量富铬包裹体状橄榄石则由于尖晶石的保护被保留下来。

6.3 Cr2+在橄榄石晶格中的占位机理

虽然可以基本确定铬在橄榄石初始相晶格中是以还原态的Cr2+存在的,但其占位机理是怎样的?

Cr2+进入橄榄石晶格通常会替代其他二价金属离子与氧离子构成八面体配位,其d轨道将分裂成3个t2g和1个eg轨道(t2g3eg1),但eg轨道电子进入规则的八面体配位时会引起晶体场能量的不稳定,因此根据姜-泰勒效应(Jahn-Teller effect),大部分Cr2+构成的络合物都将发生畸变以跃迁电子,使能量降低至稳定状态(Burns,1975b)。Burns(1975b)分析认为地幔中的高压和还原环境将有利于Cr2+进入橄榄石晶格,并保持普遍畸变的八面体配位能的稳定,而地幔深部的高温也会对此起到推动作用,且对称中心的M1位置可能是Cr2+更易稳定的配位位置。但Cr2+究竟替代哪种二价金属离子?

Cr2+的离子半径为0.82(Shannon and Prewitt, 1969),最易替代离子半径相近的Mn2+(0.83)、Fe2+(0.77)而进入橄榄石的八面体配位晶格(Dodd et al., 1975)。不过虽然Mg2+半径(0.72)有些小,但位于对称中心M1位置的Mg2+或许可以得到M1位置本身的大晶体场分裂能的帮助,而也可能被Cr2+替换(Burns,1975b)。Butler(1972)总结了Appllo 12号月岩玄武岩中的含铬橄榄石成分,发现Cr2O3的含量与FeO呈负相关关系(图 7a),似乎Cr2+更易替代Fe2+。Dodd et al.(1975)则发现St. Mesmin陨石的富铬橄榄石中,Cr2O3的含量与FeO呈正相关关系(图 7b),与MnO具相关性,认为Cr2+替代Mn2+进入橄榄石晶格的可能性更大,且它们的离子半径最相近。

本文罗布莎地幔橄榄岩的富铬包裹体橄榄石中,Cr2O3似乎不与其他元素呈相关趋势,如图 7c,d中Cr2O3与FeO、MnO均没有明显的相关性,图 5b中Cr2O3也不随橄榄石Mg#的变化而变化。不过图 7c中,如果只看同一样品,Cr2O3与FeO有微弱的负相关关系,但与MnO则没有。如此,我们猜想Cr2+除了替代部分Fe2+,是否可能主要占据橄榄石晶格中的空位(Δ)呢?Janney and Banfield(1998)在模拟计算似莱河矿的氧化态橄榄石晶格中离子占位情况时,发现所有的空位都占据M1位置,且可以与其他离子一起构成稳定晶体场,并与实验中观察到的晶格缺陷特征相吻合。因此,我们推测罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中的富铬橄榄石,由于形成于地幔转换带或下地幔这样的高温高压和极端还原条件,Cr2+是以占据空位和部分替代Fe2+的方式进入富铬橄榄石的前身——瓦兹利石或林伍德石晶格中的。

图 7 富铬橄榄石中Cr2O3含量与FeO、MnO含量的相关关系图解 (a)-Appllo 12玄武质月岩中的富铬橄榄石(Butler,1972);(b)-St. Mesmin陨石中的富铬橄榄石(Dodd et al., 1975);(c、d)-本文罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中的富铬橄榄石,其中的图例同图 5 Fig. 7 Correlation diagrams of Cr2O3 vs. FeO and Cr2O3 vs. MnO for chromium-bearing olivine (a)-Appllo 12 lunar basalt(Butler,1972);(b)-St. Mesmin chondrite(Dodd et al., 1975);(c,d)-mantle peridotite and chromitite in the Luobusa ophiolite,the symbols are same as in Fig. 5

对这些橄榄石的进一步精细测试和研究仍有待继续,对同样富铬的包裹体状橄榄石和变形残晶状橄榄石的区分及形成阶段的建立将可能为罗布莎蛇绿岩及地幔橄榄岩的成因和演化提供重要线索。

7 结论

(1)西藏罗布莎蛇绿岩的地幔橄榄岩和铬铁矿中含有目前世界上已知最富铬的包裹体橄榄石(Cr2O3含量最高达1.49%)和富含铬铁矿出溶体的变形残晶橄榄石。

(2)结合前人对Cr元素在橄榄石中赋存状态和形成条件的研究,以及同一样品中超高压极端还原矿物碳硅石的产出,指出铬是以还原态的Cr2+进入橄榄石晶格的,且推测Cr2+可能以占据空位和部分替代Fe2+的方式稳定于富铬橄榄石初始相的晶格中。

(3)结合前人在罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中大量超高压强还原相矿物的发现,认为这些富铬橄榄石的初始相可能为形成于地幔过渡带或下地幔的瓦兹利石或林伍德石,它们的产出也进一步证明罗布莎地幔橄榄岩和铬铁矿中部分物质起源于地幔深部的高温高压和极端还原环境。

致谢   样品加工在廊坊市科大岩石矿物分选技术服务有 限公司完成;电子探针测试在大陆构造与动力学国家重点实验室完成,得到戎合工程师的大力帮助;罗照华教授和苏尚国教授对本文提出了宝贵的修改意见;在此一并表示诚挚的感谢。

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