来自达尔瓦尔克拉通金伯利岩中的钛铁矿巨晶，及其对印度下方岩石圈地幔结构的影响

本文系统研究了印度Wajrakarur金刚石岩田Kalyandurga和Chigicherla群落的176粒ilmenite超镁铁质晶体，通过矿物学、主元素及微量元素分析揭示其形成机制与地幔结构演化。发现ilmenite普遍存在高温变形与再结晶特征，CC4产地的ilmenite具有更高MgO和TiO2含量，暗示不同深部原初kimberlitic熔融体的分异过程。地温-地压计算表明这些晶体形成于27-60 kbar、680-1110℃的深部环境，支持克拉通地幔深部存在持续熔融体的模型。通过对比全球ilmenite数据，确认其与地幔包体及原初熔体的成因关联，并构建了Dharwar克拉通地幔分层结构模型。

　　
印度瓦贾卡尔鲁尔金刚石岩浆岩田的 ilmenite（角闪石）巨晶研究揭示了地幔深部结构及岩浆演化过程的关键信息。本文通过矿物学、元素分析和热力学模拟，系统解析了该岩田中 ilmenite 巨晶的成因及其对德干瓦拉尔克拉通地幔架构的启示。

### 一、研究背景与意义
角闪石作为金刚石岩浆岩（kimberlites）中常见的副矿物，其形成机制与克拉通地幔深部过程密切相关。传统观点认为 ilmenite 巨晶多来源于地幔 xenoliths（地幔异离体）的破碎，但近年研究发现其可能直接结晶于原生岩浆中。印度德干克拉通缺乏典型的金刚石原生矿床，而瓦贾卡尔鲁尔岩田的 kimberlites 中普遍发育 ilmenite 巨晶，为研究地幔深部过程提供了独特样本。

### 二、研究方法与样本特征
研究采集了 KL1、KL3、KL4 和 CC4 四个 kimberlite 灰岩中的 ilmenite 巨晶（总样本量 176 粒），其中 KL4 和 CC4 的 ilmenite 颗粒（>10mm）进行详细分析。采用背散射电子显微镜（BSE）进行矿物结构观察，结合 X 射线荧光光谱（XRF）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析主量元素与 trace elements（如 Nb、Ta、Zr、Hf 等）。热力学计算采用 olivine–ilmenite 温度计和 Ashchepkov 等人（2014）的压力校正方法。

### 三、关键发现
1. **矿物结构与变形特征**：
- 45% 的 ilmenite 巨晶显示 recrystallization（再结晶）特征，包括多边形晶粒、变形带和 exsolution（析出）片状结构。
- 部分晶粒可见外生长的 perovskite（透辉石）和 Mg-ulv?spinel（镁铁尖晶石），表明与岩浆活动相关。
- 颗粒边界常见 Mg、Ti 和 Cr 的局部富集，显示与熔体相互作用。

2. **元素组成特征**：
- **主量元素**：Kalyandurga（KL）地区的 ilmenite 以 ilmenite-geikielite（角闪石-霓辉石）固溶体为主（Ilm 46-66%），而 Chigicherla（CC4）的 ilmenite 更富 Ti（TiO? 48.5-56.4%）和 Mg（MgO 8.4-14.7%），显示熔体分异差异。
- **trace elements**：KL 地区 ilmenite富集 Nb（1700-4900 ppm）、V（1416-1989 ppm）等 HFSE（高场strength elements），而 CC4 地区 ilmenite 更高 Zr（793-1205 ppm）、Hf（27-40 ppm），显示不同地幔源的熔融过程。

3. **热力学演化分析**：
- 单晶 ilmenite 的 P-T 条件为 27-52 kbar 和 680-1060°C，多晶 ilmenite 略宽（30-60 kbar，675-1110°C）。
- Δlog fO? 值介于 FMQ-1.1 至 FMQ-2.3，表明氧化环境适合金刚石保存，与区域地幔热模型（37-38 mW/m2）吻合。

### 四、地幔结构模型重构
整合 ilmenite 巨晶数据与早期 garnet（石榴石）、 clinopyroxene（单斜辉石）等 xenocrysts 研究结果，提出德干克拉通地幔柱结构新模型：
1. **分层结构**：
- 表层（<145 km）：以 depleted lherzolite（亏损地幔橄榄岩）为主，含少量 pyroxenite（辉长岩）。
- 中深层（145-190 km）：广泛发育 eclogite（榴辉岩）异离体，显示强烈 metasomatism（ metasomatism，指地幔岩石被熔体改造）。
- 最深层（>190 km）：可能存在原生 eclogite 带状体，与 ilmenite 巨晶的深部来源相关。

2. **熔体动态过程**：
- 原生 kimberlitic 熔体在上升过程中经历 multiple stages（多阶段）分异：
- 初期分异形成 olivine（橄榄石）、 garnet（石榴石）等巨晶。
- 深部熔体通过地幔柱循环，与 metasomatised 岩石发生反应，导致 ilmenite 巨晶的元素组成分化（如 CC4 地区熔体更富 HFSE）。
- 部分熔体未完全挥发，在 35-60 kbar 条件下持续存在 10^8 年量级，形成多脉冲 kimberlite 爆发。

3. **元素分异机制**：
- Nb/Ta 比值恒定（0.3-0.4），显示 zircon（锆石）分异主导过程。
- Zr/Hf 比值与 kimberlite 岩浆演化阶段相关，低值对应较年轻熔体。
- V/Sc 比值（约 20）与全球 ilmenite 巨晶数据一致，反映地幔橄榄岩源区特征。

### 五、与全球对比及地质意义
1. **元素组成对比**：
- 印度 ilmenite 巨晶的 Nb（1700-4900 ppm）、Ta（200-540 ppm）含量显著高于西伯利亚（俄罗斯）同类矿物，但 Zr（890-1950 ppm）、Hf（32-71 ppm）分布范围重叠。
- 与 Kaapvaal 克拉通 ilmenite 相比，德干地区更富 Sc（42-67 ppm vs 27-36 ppm），显示地幔源区差异。

2. **动力学过程启示**：
- ilmenite 巨晶的 recrystallization（再结晶） textures（如多边形晶粒、定向 exsolution 片）表明熔体上升过程中经历了 500-1000°C 的退火过程，持续时间约 10^6 年。
- CC4 地区 ilmenite 巨晶的 FeO（FeO 22.3-30.4%）含量显著低于 KL 地区（FeO 4.3-11.3%），显示不同深度地幔熔体的氧化状态差异。

3. **克拉通演化模型**：
- 德干克拉通地幔柱在 1.1 Ga 前后经历了 two-stage（两阶段）演化：
1. **早阶段（1.1 Ga）**：地幔橄榄岩部分熔融，形成富含 HFSE 的熔体池，触发早期 kimberlite 成因。
2. **晚阶段（0.9-0.8 Ga）**：熔体池通过地幔柱底部的 eclogite 带发生 metasomatism（地幔熔融改造），形成 ilmenite 巨晶富集带。
- 深部熔体在 150 km 处形成 discontinuity（不连续面），阻碍其完全上升，导致多期 kimberlite 爆发。

### 六、结论
1. **ilmenite 巨晶成因**：
- 主要形成于 proto-kimberlite 熔体在上升过程中与地幔橄榄岩发生反应，经历 recrystallization（再结晶）和 exsolution（析出）过程。
- 少量巨晶可能源自地幔异离体（xenoliths）的破碎重结晶。

2. **地幔结构证据**：
- ilmenite 巨晶的 P-T 数据显示其在 35-60 kbar 深度广泛分布，支持地幔柱存在 100 km 量级的熔体积累层。
- CC4 地区 ilmenite 的 Zr/Hf 比值（4.5-6.2）与 kaapvaal 克拉通的 eclogite（榴辉岩）数据吻合，指示地幔柱底部存在 eclogite 带状体。

3. **金刚石成矿意义**：
- 熔体在上升过程中携带地幔橄榄岩碎片（xenoliths），与地幔岩浆房内的 eclogite 发生反应，形成富含 HFSE 的 ilmenite 巨晶。
- 该过程导致地幔柱中存在长期（10^6 年）的熔体储存，为金刚石成核提供热力学条件。

### 七、模型验证与后续研究
1. **模型验证**：
- ilmenite 巨晶的 trace element 系统与 olivine、garnet 等矿物数据一致，支持统一的岩浆分异模型。
- 热力学计算显示地幔温度（37-38 mW/m2）低于区域估计值（40 mW/m2），可能与晚阶段冷却事件相关。

2. **未来研究方向**：
- 对 ilmenite 巨晶包裹体（如 perovskite、spinel 包裹体）进行原位 Raman 光谱分析，揭示熔体-矿物相互作用细节。
- 结合 zircon（锆石）和 spinel（尖晶石）巨晶的 U-Pb 定年数据，建立地幔熔体循环时间线。

本研究通过 ilmenite 巨晶的矿物学与元素学分析，揭示了德干克拉通地幔柱的动态过程，为克拉通内金刚石原生矿床的形成机制提供了新证据。该模型可推广至其他地区克拉通的 kimberlites 研究中，特别是那些缺乏典型 xenoliths 的区域。