超高压变质带金刚石研究进展
发布时间：2021-01-21 19:44
金刚石在自然界中非常稀缺,是极其珍贵的矿产资源。其中,变质成因的金刚石陆续在世界范围内多个超高压变质带被发现,更新了人们对超高压变质作用和板块构造运动的认识,推动了超高压变质带动力学的研究,引起了学术界的广泛关注。然而,对于变质成因金刚石的形成机制,还未形成一致的认识。本文在综述前人研究成果的基础上,介绍了金刚石形成的大地构造背景,研究了其形成所需的地质环境和物理化学条件,并着重对超高压变质带金刚石成因机制进行了探讨,全面分析了温压条件、XCO2、fO2对变质成因金刚石形成的影响。对比发现,当变质作用的峰期压力达到金刚石稳定域且具有较高的温度时（压力> 3 GPa,温度为600～1 000℃）,有利于金刚石的形成,C-O-H流体中的较高CO2含量和较低氧逸度也是超高压变质带金刚石形成的必需因素。另外,金刚石形成后折返早期的降温作用有利于其保存。
【文章来源】：岩石矿物学杂志. 2020,39(02)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
Ca O-Mg O-Si O2-C-O2-H2O体系在P=6 GPa时的 关系图(Ogasawara et al.,1995)
前文提及，目前全球发现了30多条超高压变质带，仅有部分地体含有金刚石，多数地体不含金刚石。金刚石的形成受多方面因素影响，温压条件是其中之一。不同的超高压变质带会有不同的变质作用峰期温压条件，但金刚石的形成，必须要达到金刚石的稳定域。本文统计了部分超高压变质带达到金刚石稳定域的变质作用峰期温压条件及p-T轨迹(图1)，其中，柯石英-石英和金刚石-石墨的转变线是基于THERMOCALC 3.33(Powell et al.,1998)及数据库tc-ds55.txt(Holland&Powell,1998)计算得出的。从图中可看出，除了科克切塔夫地区的变质作用峰期压力较高外，其他地区的峰期压力相差不多，但是峰期温度在不同超高压变质带中相差很大。相比洋壳俯冲，陆壳俯冲形成金刚石往往需要更高的温压条件，例如西阿尔卑斯LCU、西南天山不含金刚石的超高压变质带温度明显较低。对比超高压变质带峰期温压条件数据可知，含有金刚石的超高压变质带峰期温度普遍大于等于600℃，压力介于2.6～6.0 GPa之间，而仅含柯石英超高压变质带的峰期温压条件基本在490～600℃、3.0～4.0 GPa之间(表1)。也就是说，在压力相似的情况下，不含金刚石的超高压变质带峰期温度普遍偏低。究其原因，变质作用过程中金刚石的形成除需具有在其稳定范围内的压力条件外，温度也是控制金刚石形成的重要因素，温度相对较低，一方面变质岩石很难发生部分熔融或者脱水，从而抑制了碳流体或熔体的形成，另一方面在低温下金刚石难以成核和生长(Hermann 2003;Castelli et al.,2007)。除此之外，在流体存在的情况下，高Δp/ΔT也是形成金刚石的有利条件之一，例如西阿尔卑斯LCU(Frezzotti et al.,2014)。2.4 XCO2对金刚石形成的影响
如前文所述，超高压变质带金刚石形成受到多方面因素的控制和影响，例如C-H-O流体、变质作用温压条件、流体中CO2含量和氧逸度等。一般来说，富水的C-H-O流体(介于0.992～0.997之间，Frezzotti et al.,2014)、较高的温压条件(温度大于等于600℃，压力介于3.0～6.0 GPa之间)、较高的流体成分(介于0.01～0.10之间)、较低的氧逸度(图4)条件下，容易形成金刚石。在自然界，并非所有超高压地体都含有金刚石，含金刚石地体中也并非所有超高压岩石都含有金刚石(表1、表2)。西南天山超高压变质带是典型的洋壳深俯冲型低温高压超高压变质带，尽管该超高压变质带存在着大量的大理岩及大理岩化榴辉岩，榴辉岩变质作用峰期温压条件也在金刚石稳定域(最高可达3.1～3.3 GPa和490～520℃，Du et al.,2014)，然而到目前为止在该超高压变质带还没有发现金刚石(Tian&Wei,2013)。为了进一步解释这一现象，本文依照金刚石含量从多-少-无的顺序将科克切塔夫、苏鲁-大别和西南天山3处超高压变质带的基本情况进行了对比(表2)。如表2所示，3处超高压变质带主要由经历了超高压变质作用的榴辉岩、石英岩和硬玉岩及围岩黑云母片麻岩、大理岩和多硅白云母片岩等组成，在科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区的大理岩和榴辉岩中，金刚石主要赋存于石榴子石和锆石中;科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区超高压变质岩变质作用峰期压力均大于4 GPa，温度高于900℃，而西南天山地区超高压变质岩变质作用峰期压力为3.1～3.3 GPa，温度为490～520℃，明显低于前两者;科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区含金刚石岩石流体的(Ogasawara et al.,2000;Proyer et al.,2013)，而科克切塔夫地区和西南天山地区不含金刚石岩石流体的(Ogasawara et al.,2000;张立飞等，2002;Du et al.,2014)。综上，本文认为尽管西南天山超高压变质岩变质作用峰期温压条件位于金刚石稳定域，但是较低的变质作用峰期温度和流体值阻碍了金刚石的形成(Ogasawara et al.,2000;Castelli et al.,2007)，这可能是西南天山超高压变质带未发现金刚石的原因之一。图4 金刚石的氧化速率与温度、氧逸度、时间的关系(据Cull&Meyer,1986)
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析榴辉岩型金刚石成因[J]. 王会敏,陈守余. 矿物学报. 2015(S1)
[2]俯冲带的碳循环及其对地球深部动力学过程的启示[J]. 刘鹏雷,吴耀,刘强,金振民. 地质科技情报. 2014(03)
[3]推荐一个系统的矿物缩写表[J]. 沈其韩. 岩石矿物学杂志. 2009(05)
[4]中国主要高压-超高压变质带的大地构造背景及俯冲/折返机制的探讨[J]. 杨经绥,许志琴,张建新,张泽明,刘福来,吴才来. 岩石学报. 2009(07)
[5]碳酸盐化榴辉岩的岩石学研究进展[J]. 沈晓洁,张立飞. 地学前缘. 2009(03)
[6]苏鲁超高压变质带中国大陆科学钻探主孔（CCSD-MH）榴辉岩中发现金刚石[J]. 张仲明,杨经绥,戎合,MAO HoKuang. 岩石学报. 2007(12)
[7]哈萨克斯坦北部Kumdy-Kol金刚石矿床地质与变质金刚石成因[J]. Pavel NITSENKO,Igor I. USSOLTSEV. 地学前缘. 2004(02)
[8]大别山、苏鲁地区榴辉岩中新发现的微粒金刚石[J]. 徐树桐,刘贻灿,陈冠宝,R. Compagnoni,F. Rolfo,何谋春,刘惠芳. 科学通报. 2003(10)
[9]新疆西天山超高压变质榴辉岩[J]. 张立飞,David J.Ellis,艾永亮,姜文波,魏春景. 岩石矿物学杂志. 2002(04)
[10]秦岭发现金刚石:横贯中国中部巨型超高压变质带新证据及古生代和中生代两期深俯冲作用的识别[J]. 杨经绥,许志琴,裴先治,史仁灯,吴才来,张建新,李海兵,孟繁聪,戎合. 地质学报. 2002(04)
本文编号：2991782
【文章来源】：岩石矿物学杂志. 2020,39(02)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
Ca O-Mg O-Si O2-C-O2-H2O体系在P=6 GPa时的 关系图(Ogasawara et al.,1995)
前文提及，目前全球发现了30多条超高压变质带，仅有部分地体含有金刚石，多数地体不含金刚石。金刚石的形成受多方面因素影响，温压条件是其中之一。不同的超高压变质带会有不同的变质作用峰期温压条件，但金刚石的形成，必须要达到金刚石的稳定域。本文统计了部分超高压变质带达到金刚石稳定域的变质作用峰期温压条件及p-T轨迹(图1)，其中，柯石英-石英和金刚石-石墨的转变线是基于THERMOCALC 3.33(Powell et al.,1998)及数据库tc-ds55.txt(Holland&Powell,1998)计算得出的。从图中可看出，除了科克切塔夫地区的变质作用峰期压力较高外，其他地区的峰期压力相差不多，但是峰期温度在不同超高压变质带中相差很大。相比洋壳俯冲，陆壳俯冲形成金刚石往往需要更高的温压条件，例如西阿尔卑斯LCU、西南天山不含金刚石的超高压变质带温度明显较低。对比超高压变质带峰期温压条件数据可知，含有金刚石的超高压变质带峰期温度普遍大于等于600℃，压力介于2.6～6.0 GPa之间，而仅含柯石英超高压变质带的峰期温压条件基本在490～600℃、3.0～4.0 GPa之间(表1)。也就是说，在压力相似的情况下，不含金刚石的超高压变质带峰期温度普遍偏低。究其原因，变质作用过程中金刚石的形成除需具有在其稳定范围内的压力条件外，温度也是控制金刚石形成的重要因素，温度相对较低，一方面变质岩石很难发生部分熔融或者脱水，从而抑制了碳流体或熔体的形成，另一方面在低温下金刚石难以成核和生长(Hermann 2003;Castelli et al.,2007)。除此之外，在流体存在的情况下，高Δp/ΔT也是形成金刚石的有利条件之一，例如西阿尔卑斯LCU(Frezzotti et al.,2014)。2.4 XCO2对金刚石形成的影响
如前文所述，超高压变质带金刚石形成受到多方面因素的控制和影响，例如C-H-O流体、变质作用温压条件、流体中CO2含量和氧逸度等。一般来说，富水的C-H-O流体(介于0.992～0.997之间，Frezzotti et al.,2014)、较高的温压条件(温度大于等于600℃，压力介于3.0～6.0 GPa之间)、较高的流体成分(介于0.01～0.10之间)、较低的氧逸度(图4)条件下，容易形成金刚石。在自然界，并非所有超高压地体都含有金刚石，含金刚石地体中也并非所有超高压岩石都含有金刚石(表1、表2)。西南天山超高压变质带是典型的洋壳深俯冲型低温高压超高压变质带，尽管该超高压变质带存在着大量的大理岩及大理岩化榴辉岩，榴辉岩变质作用峰期温压条件也在金刚石稳定域(最高可达3.1～3.3 GPa和490～520℃，Du et al.,2014)，然而到目前为止在该超高压变质带还没有发现金刚石(Tian&Wei,2013)。为了进一步解释这一现象，本文依照金刚石含量从多-少-无的顺序将科克切塔夫、苏鲁-大别和西南天山3处超高压变质带的基本情况进行了对比(表2)。如表2所示，3处超高压变质带主要由经历了超高压变质作用的榴辉岩、石英岩和硬玉岩及围岩黑云母片麻岩、大理岩和多硅白云母片岩等组成，在科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区的大理岩和榴辉岩中，金刚石主要赋存于石榴子石和锆石中;科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区超高压变质岩变质作用峰期压力均大于4 GPa，温度高于900℃，而西南天山地区超高压变质岩变质作用峰期压力为3.1～3.3 GPa，温度为490～520℃，明显低于前两者;科克切塔夫地区和苏鲁-大别地区含金刚石岩石流体的(Ogasawara et al.,2000;Proyer et al.,2013)，而科克切塔夫地区和西南天山地区不含金刚石岩石流体的(Ogasawara et al.,2000;张立飞等，2002;Du et al.,2014)。综上，本文认为尽管西南天山超高压变质岩变质作用峰期温压条件位于金刚石稳定域，但是较低的变质作用峰期温度和流体值阻碍了金刚石的形成(Ogasawara et al.,2000;Castelli et al.,2007)，这可能是西南天山超高压变质带未发现金刚石的原因之一。图4 金刚石的氧化速率与温度、氧逸度、时间的关系(据Cull&Meyer,1986)
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析榴辉岩型金刚石成因[J]. 王会敏,陈守余. 矿物学报. 2015(S1)
[2]俯冲带的碳循环及其对地球深部动力学过程的启示[J]. 刘鹏雷,吴耀,刘强,金振民. 地质科技情报. 2014(03)
[3]推荐一个系统的矿物缩写表[J]. 沈其韩. 岩石矿物学杂志. 2009(05)
[4]中国主要高压-超高压变质带的大地构造背景及俯冲/折返机制的探讨[J]. 杨经绥,许志琴,张建新,张泽明,刘福来,吴才来. 岩石学报. 2009(07)
[5]碳酸盐化榴辉岩的岩石学研究进展[J]. 沈晓洁,张立飞. 地学前缘. 2009(03)
[6]苏鲁超高压变质带中国大陆科学钻探主孔（CCSD-MH）榴辉岩中发现金刚石[J]. 张仲明,杨经绥,戎合,MAO HoKuang. 岩石学报. 2007(12)
[7]哈萨克斯坦北部Kumdy-Kol金刚石矿床地质与变质金刚石成因[J]. Pavel NITSENKO,Igor I. USSOLTSEV. 地学前缘. 2004(02)
[8]大别山、苏鲁地区榴辉岩中新发现的微粒金刚石[J]. 徐树桐,刘贻灿,陈冠宝,R. Compagnoni,F. Rolfo,何谋春,刘惠芳. 科学通报. 2003(10)
[9]新疆西天山超高压变质榴辉岩[J]. 张立飞,David J.Ellis,艾永亮,姜文波,魏春景. 岩石矿物学杂志. 2002(04)
[10]秦岭发现金刚石:横贯中国中部巨型超高压变质带新证据及古生代和中生代两期深俯冲作用的识别[J]. 杨经绥,许志琴,裴先治,史仁灯,吴才来,张建新,李海兵,孟繁聪,戎合. 地质学报. 2002(04)
本文编号：2991782
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