华北克拉通金刚石形成压力——来自橄榄石包裹体的约束.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW93华北克拉通金刚石形成压力来自橄榄石包裹体的约束一秦临莅，施光海，赵欣中国地质大学（北京）珠宝学院，北京，100083注：本文为国家自然科学基金资助项目（编号：42273044）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.035作者简介：秦临莅，1991 年生，博士研究生，主要从事天然金刚石及其包裹体的研究；Email：。通讯作者：施光海，男，1968年生，博士，教授，矿物学、宝石学相关研究；Email：。关键词：关键词：金刚石；橄榄石；包裹体；残余应力；形成压力金刚石中的刚性共价键使其能够在巨大的温度压力变化下发生极小的体积变化，这使它成为一个非常坚固的宿主，以及极好的圈闭压力记录仪。在包裹体完成封装后随着金刚石抬升至地表的过程中，由于二者热膨胀和压缩性的差异，包裹体相对寄主金刚石发生膨胀或相对压缩。通过限定矿物包裹体周围的残余压力，可以得到寄主金刚石形成压力、起源深度等有用信息。橄榄石是金刚石中最为常见的包裹体之一，也是迄今为止用于限定金刚石源区压力的包裹体中研究程度最高的包裹体。研究通过两种技术手段（微区原位 X 射线粉晶衍射法和显微拉曼光谱点测法）获得了橄榄石包裹体在金刚石中所处的残余应力，通过计算获得金刚石形成压力范围 4.925.41 Gpa。比较两种方法，认为对于“半包裹”的橄榄石包裹体，原位微区 X 射线单晶衍射的测试方法能更好的获得包裹体残余应力，且无需对样品金刚石进行进一步“破坏”。1金刚石及其橄榄石包裹体概述样品金刚石共 5 粒，其中山东蒙阴 2 粒（MY-2，M3-25），辽宁瓦房店 3 粒（L1-2，L2-16，L2-61），均含有橄榄石包裹体，现已通过抛磨样品金刚石将包裹体露出至其中一个表面。对已暴露至表面的橄榄石包裹体进行电子探针成分分析，表明其 Fo 含量为91.6394.27（表1，表2），均属镁橄榄石系列，因此金刚石属于典型的橄榄岩型金刚石(Stachel and Harris2008)。需要注意的是，样品L1-14、L2-61 中较小的橄榄石包裹体由于未暴露至样品表面而未测得。2不同测试方法下金刚石形成压力2.1微区原位 X 射线粉晶衍射法（XRD）橄榄石包体的内部压力(Pi)可以通过其单位晶胞体积(Vi)和针对其特定成分标定的 P-V-T 状态方程获得。橄榄石包裹体晶胞参数 a，b，c，单位晶胞体积 V 通过 XRD 数据获得（其中样品 L1-14 由于橄榄石包裹体由于未暴露至样品表面而未获得良好测试结果），根据Nestola等(2011),对于Fo 92.0的橄榄石，体积模量 KT0=123.4(9)GPa，其第一压力导数 K=5.5(3)，T=300 k，V0=291.7923。橄榄石中至少10%的镁橄榄石含量变化对KT0和K值的影响可以忽略不计，因此可将 Fo 92 的状态方程应用于本文 Fo 约 91.6394.27 的橄榄石。对应的残余应力 Pi 使用 EOSFIT6.0 软件并基于三阶 Birch-Murnaghan 计算获得（表 1）。结果表明，样品金刚石中橄榄石包裹体所处残余应力 Pi 为 0.691.13 Gpa。由于金刚石源区形成压力 P0与包裹体的残余应力 Pi呈正相关，即 P0=（3.25910-4Pi+3.28510-3)T0+0.9246Pi+0.319(Izraeli et al.,1999)，我们得到了 4.925.41 Gpa 的金刚石形成压力（表 1）。2.2拉曼点测法金刚石中橄榄石包裹体的拉曼位移变化常用于定量计算包裹体的残余应力。在完全包裹的包裹体中保留的残余压力的变化将导致“峰值偏移”peak1 相对于完全游离状态下的包裹体 peak0 偏移到更高的波数(Izraeli et al.,1999)。具有特定 Fo 成地质论评 2023 年 69 卷 增刊 194分橄榄石的拉曼光谱中，谱带或谱峰的位置也与其保 留 的 残 余 压 力 成 正 比(Izraeli et al.,1999，Ugapeva et al.,2016)。本研究中所有已暴露于表面的橄榄石中 Fo 约 9193 之间的标定拉曼峰均为854.684 cm-1，取此值为大气压力下橄榄石Fo91-93的拉曼峰值，并假定未暴露的 L1-2，L2-61 中小橄榄石包裹体所对应的拉曼峰位主要受到了残余应力的影响，得到了 0.32 Gpa 的残余应力(表 2)。计算得到的残余压力的不确定度为 1标准误差为0.6 GPa，这是由拉曼光谱仪的 1 cm1分辨率控制的(Ugapeva et al.,2016)。3结果对比通过原位微区 XRD 得到橄榄石包裹体的残余应力 Pi 约 0.691.13 Gpa（表 1），其中 1.13 Gpa，超出多数前人研究范围(Nestola et al.,2011,Howellet al.,2012)，可能是由于其与 Fo 92 的的镁橄榄石含量相差超过 15%，P-V 状态方程及其参数发生的变化不可被忽略所致。受到测试技术条件影响，原位单晶 XRD 的测试往往需要包裹体部分暴露于表面，但这种情况下，随着垂直于包裹体暴露面方向上应力的消失，包裹体在该方向上也会发生相应的弹性变化。由此可见，这种“半包裹”包裹体原位XRD 的测试可能使得压力的测试值偏小，但目前尚且缺乏足够的数据来定量支撑这种弹性变化与压力的关系。通过原位显微拉曼点测的方法得到的残余压力的标准误差为0.6 GPa，远大于本文测试结果0.32 Gpa。且此方法不仅需要包裹状态下橄榄石的拉曼峰位值 peak1，也需要与其相同 Fo 含量橄榄石在大气压力下的拉曼峰位 peak0。而本文中对于peak0 峰位多来自于“半包裹”的其他橄榄石包裹体，而测试橄榄石包裹体的 Fo 含量的不确定性，也使得结果误差较大。综上所述，对于“半包裹”的橄榄石包裹体，原位微区X 射线单晶衍射的测试方法能相对更好的获得金刚石压力，且无需对样品金刚石进行进一步“破坏”。表 2橄榄石包裹体的原位拉曼光谱点测试结果及其寄主金刚石形成压力样品编号Fo 平均含量Peak1(cm-1)Pi(Gpa)P0(Gpa)MY-294.27856.366-M3-2591.9854.6840.00-L1-291.63854.6840.00-L1-14未暴露未测855.6580.324.48L2-1692.63854.6840.00-L2-61-大93.09854.6840.00-L2-61-小未暴露未测855.6580.324.48参考文献/ReferencesHowell D,Wood I G,Nestola F,Nimis P and Nasdala L.2012.Inclusionsunder remnant pressure in diamond:a multi-technique approach.European Journal of Mineralogy,24(4):563573.Izraeli E S,Harris J W and Navon O.1999.Raman barometry of diamondformation.Earth and Planetary Science Letters,173(3):351360.Nestola F,Nimis P,Ziberna L,Longo M,Marzoli A,Harris J W,ManghnaniM H and Fedortchouk Y.2011.First crystal-structure determination ofolivine in diamond:Composition and implications for provenance inthe Earths mantle.Earth and Planetary Science Letters,305(1):249255.StachelTandHarrisJW.2008.TheoriginofcratonicdiamondsConstraints from mineral inclusions.Ore Geology Reviews,34(1):532.Ugapeva S,Goryainov S and Afanasiev V.2016.Raman Spectroscopy ofMineral Inclusions in Diamonds from Yakutia.IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,44:042007.QIN Linli,SHI Guanghai,ZHAO Xin:The source pressureof diamond from North China Craton Constrains fromthe olivine inclusionsKeywords:diamond;olivine;inclusion;remnant pressure;source pressure表 1橄榄石包裹体的原位 XRD 结果及其寄主金刚石形成压力样品编号Fo 平均含量a()b()c()V()V0(3)Pi(Gpa)P0(Gpa)MY-294.275.972910.21494.7351288.9291.491.135.41M3-2591.95.983810.214.7485290.11291.940.795.05L1-291.635.97810.214.747289.71291.80.915.21L2-1692.635.985210.21444.7466290.18291.80.74.94L2-6193.095.973410.20354.76290.12291.720.694.92