鲁苏皖一带基性-超基性岩中金刚石特征及其成因分析

褚志远，刘卫东，胡戈，范振生，温殿刚，董国威，王琦

(1.山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006；2.山东省地矿局金刚石成矿机理与探测重点实验室，山东 临沂 276006；3.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013)

0 引言

关于金刚石的成因，20世纪70年代末以前，地质学家普遍认为金刚石是由于金伯利岩结晶而来。20世纪70年代以后，通过对南非、西伯利亚和西澳主要原生矿床中金刚石包体矿物成分、组合、同位素组成和年龄测定等研究，结合主岩的时空分布、金刚石在克拉通内与克拉通之间及岩体内的分布等宏观地质资料，确立了金刚石的古老地幔捕掳晶成因。目前国际上对金刚石成因仍有争议，国外学者通过对金刚石中硫化物包裹体的Re-Os测年工作，发现南非Koffiefonterin金伯利岩中金刚石具有69±30Ma的年龄，这代表了金刚石的结晶年龄，与金伯利岩的侵位年龄(90Ma)接近(国外金刚石战略调查情报，2014)，这一发现不得不重新审视金刚石的岩浆结晶成因学说。此外对于金刚石变质作用成因学说、陨石轰击成因学说也得到了相关的证据[1-7]。

根据目前资料，凡是具有工业价值的金刚石原生矿赋存岩体均为金伯利岩或钾镁煌斑岩，对于金伯利岩和钾镁煌斑岩中的金刚石具有代表性的成因观点仍然是上地幔形成、捕掳晶说。近年来，在鲁苏皖一带相继开展了多个金刚石勘查研究项目，在辉绿岩、橄榄玄武岩、煌斑岩等基性岩中相继发现了大量金刚石，但均未达到工业品位，前人研究工作主要集中在岩石“地球化学特征和同位素年龄”等方面，并取得了一定成果，对该区沿NE向的基性-超基性岩金刚石特征缺乏系统分析与对比，对其金刚石成因也缺乏探讨。该文对基性岩中产出的金刚石与典型金伯利岩产出金刚石分析其差异性，总结基性超基性岩与金刚石的成因关系。

1 区域地质概况

鲁苏皖一带位于华北克拉通东部陆块东南缘，稳定的古老克拉通内(图1)，该区已知具有工业价值的金刚石原生矿床分布于“郯庐断裂带”西侧蒙阴常马庄和西峪一带，郯庐断裂带与金刚石成矿关系相当密切，其西侧是我国金刚石原生矿的主要成矿远景区。除山东蒙阴地区金伯利岩带达到工业价值外，其他地区的含金刚石基性-超基性岩体均达不到工业矿体的品位，含金刚石基性-超基性岩体呈串珠状分布，自北向南为山东费县地区含金刚石钾镁煌斑岩、江苏贾汪地区橄榄玄武玢岩、江苏四山地区橄榄玄武岩、安徽栏杆地区辉绿岩。

1—元古界露头：2—太古界露头：3—郯庐断裂：4—克拉通边缘：5—古陆核边界：6—含金刚石金伯利岩：7—不含金刚石金伯利岩：8—钾镁煌斑岩：9—含金刚石基性岩图1 苏鲁皖一带区域地质简图[8]

2 含金刚石基性超基性岩产出特征

2.1 山东蒙阴金伯利岩

山东蒙阴含金刚石岩体为金伯利岩体，主要产于常马庄、西峪、坡里一带(图2)，所处大地构造位置为华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)，东距郯庐断裂带约50km。三个金伯利岩带总走向为55°左右，全长约55km，宽15km。产出的构造部位为NNE向及NW向断裂中。目前已发现金伯利岩体58个，含金刚石的岩体为42个，有24个达到工业品位。含矿岩体岩性主要为斑状金伯利岩、细粒金伯利岩、金伯利角砾岩，围岩为新太古代片麻状英云闪长岩、二长花岗岩、奥陶纪马家沟群灰岩、寒武纪张夏组灰岩、馒头组砂、页岩。

2.2 费县大井头钾镁煌斑岩

费县大井头钾镁煌斑岩位于蒙阴坡里、西峪和常马三大金刚石原生矿带左行雁列式向南延伸约35km(图2)，所处大地构造位置为华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)尼山-平邑断隆(Ⅳ)临沂凸起(Ⅴ)的西北部，东距郯庐断裂带约55km。大井头岩管位于大井头村南0.9km、燕甘断裂东1.5km处，产出于2条NNE向断裂和2条NW向断裂复合交会的构造薄弱区。大井头岩管的近地表岩性为强风化蚀变钾镁煌斑岩、凝灰质角砾岩、层状火山碎屑岩及火山集块岩，岩管深部新鲜岩石为钾镁煌斑岩，围岩为古生代寒武-奥陶纪九龙群炒米店组灰岩和三山子组白云岩。

图2 山东蒙阴-费县一带区域地质简图

2.3 江苏贾汪地区橄榄玄武玢岩

江苏贾汪地区橄榄玄武玢岩体位于华北板块(Ⅰ)胶东古陆块(Ⅱ)鲁南被动陆缘与陆表海盆地(Ⅲ)徐淮陆表海盆地(Ⅳ)徐州-宿县弧形断褶带的北东段，东距郯庐断裂带约45km(图3)。区内断裂构造主要有NE向、NW向、NNE向、近NW向，断裂构造多期活动明显。金刚石含矿母岩橄榄玄武玢岩受NNE向断裂控制，呈脉状产出。围岩为震旦纪、寒武纪、奥陶纪灰岩。江苏第五地质大队对该区橄榄玄武岩进行了K-Ar年龄测定，结果显示其形成于0.49～1.24Ma，属于燕山晚期-喜马拉雅期岩浆活动的产物。

图3 徐州贾汪地区区域地质简图

2.4 江苏四山地区橄榄玄武岩

江苏四山地区橄榄玄武岩体位于华北板块(Ⅰ)胶东古陆块(Ⅱ)鲁南被动陆缘与陆表海盆地(Ⅲ)徐淮陆表海盆地(Ⅳ)徐州-宿县弧形断褶带(Ⅴ)的中部(图4)，东距郯庐断裂带约40～45km。NW向废黄河断裂与郯庐断裂带相连，橄榄玄武岩体位于废黄河断裂北5km,区内暗色岩体严格受NNE向构造控制，NNE向构造多为张性或张扭性。橄榄玄武岩体位于NE向凤凰山-白露山断层西北，岩浆沿断裂上侵，在地表南北向密集节理带中爆发形成岩管，后期岩浆岩沿NE向断裂侵入形成岩脉，区内共发现3个橄榄玄武岩岩管和1个橄榄玄武岩岩脉。其围岩为九顶山组灰岩。对岩体内挑选的锆石进行U-Pb测年，年代约125±2.1Ma，为中生代早白垩世产物。

图4 江苏四山地区地质简图

2.5 安徽栏杆地区辉绿岩

安徽栏杆地区辉绿岩体位于华北板块(Ⅰ)淮河台坳(Ⅱ)淮北陷褶断带(Ⅲ)的灵璧台穹和宿州凹断褶束(Ⅳ)(图5)，东距郯庐断裂带约50km。东西向隐伏断裂有宿北断裂和泗北断裂，岩体西侧分布较密集的NNE向断裂(以刘庙断裂为代表)。区内出露的岩体主要为老寨山岩体(岩性以辉绿岩为主)和马鞍山岩体(岩性以石英辉绿岩为主)，主体部分为晚震旦世辉绿岩，位于宝光寺、猫山头和老寨山、大堂山一带，侵入震旦系望山组、史家庄组，呈NNE向条带状弧形展布，长约19km，最宽1.6km。老寨山辉绿岩岩体受横向断裂破坏，岩体分支较多。

图5 安徽栏杆地区地质简图

3 串珠状基性超基性岩中金刚石特征对比分析

3.1 金刚石颜色

罗声宣等[9]对山东蒙阴地区金伯利岩中钻石颜色的统计显示，金刚石的颜色主要为无色和淡黄色，无色晶体数量占51.61%，淡黄色晶体占33.29%。费县大井头含金刚石钾镁煌斑岩中选获的8粒金刚石，其中6颗为黄绿色，2颗为无色透明[10]。江苏贾汪地区大李庄橄榄玄武玢岩中选获的1颗金刚石呈黄绿色[11]；江苏四山橄榄玄武岩中选获3粒金刚石，其中1颗呈黄绿色，2颗为浅黄色。安徽栏杆地区辉绿岩中先后产出3000多颗金刚石，颜色皆呈黄绿色[12]。由图6可知金伯利岩中的金刚石与其他基性岩中金刚石颜色差别较大，金伯利岩中的金刚石以无色为主，不含黄绿色金刚石，而其他基性岩中的金刚石多数以黄绿色为主。

图6 金刚石颜色对比分析图

3.2 金刚石晶型

蒙阴金刚石晶体形态以平面八面体、阶梯状八面体、八面体与菱形十二面体的聚形和曲面菱形十二面体为主，立方体和立方体与八面体聚形较少[13]。据常马胜利1号岩管4807颗金刚石统计，平面八面体占4.10%，阶梯状八面体占39.28%，八面体与菱形十二面体的聚形占6.2%，曲面菱形十二面体占50.38%，这四类晶型的金刚石占比为99.96%。费县大井头钾镁煌斑岩中的8颗金刚石中，晶形为立方体与八面体的聚形为6颗，占比75%，晶形为菱形十二面体为2颗，占比25%。江苏贾汪橄榄玄武玢岩中产出的1颗金刚石为立方体与八面体聚形。江苏四山橄榄玄武岩中产出的3颗金刚石中，晶形为曲面菱形十二面体2颗，占比66.7%，八面体与立方体聚形1颗，占比33.3%[14]。在安徽栏杆地区辉绿岩中先后产出3000多粒金刚石，晶体形态多为立方体与菱形十二面体的聚形为主。从金刚石晶型来说，金伯利岩中金刚石与其他基性岩中金刚石晶型差异明显(图7)，金伯利岩中的金刚石以平面八面体、阶梯状八面体、八面体与菱形十二面体的聚形和曲面菱形十二面体为主，江苏四山橄榄玄武岩中金刚石以曲面菱形十二面体为主，其他基性岩中的金刚石以立方体与八面体的聚形、立方体与菱形十二面体的聚形为主。金刚石的晶型与其形成环境有关，由于金刚石形成过程中物理化学环境的差异变化而形成。在理想情况下，金刚石应该生长为标准的八面体形态。天然八面体金刚石是低过饱和液相条件下的螺旋生长机制，晶体结晶时温压条件相对稳定，而立方体金刚石形成于碳饱和度较高的条件下。金伯利岩与其他基性岩中金刚石晶型的差异也反映了其形成环境的差异。

图7 金刚石晶型对比分析图

3.3 金刚石大小

蒙阴金伯利岩中金刚石粒径一般0.2～0.8mm。费县大井头钾镁煌斑岩中金刚石粒径在0.1～0.35mm之间，江苏贾汪橄榄玄武玢岩中金刚石粒径为0.22mm，江苏四山橄榄玄武岩中金刚石粒径为0.2～1.0mm，安徽栏杆地区辉绿岩中的金刚石粒径多在0.2mm左右。从金刚石大小来说，蒙阴金伯利岩和江苏四山橄榄玄武岩中的金刚石粒径较大，其他基性岩中的金刚石粒径较小，多为0.2mm。

3.4 金刚石类型

氮以6种形式存在于金刚石的晶格中：①孤N中心(单原子N)、②A中心(双原子氮)、③N3中心(3原子N)、④B中心(集合体N，4-9个N原子和一个结构空位或称B1中心)、⑤片晶N、⑥孔隙N。根据杂质聚集状态将金刚石划分为6个基本类型：Ⅰ-aA型、Ⅰ-aB型、Ⅰ-aAB型、Ⅰ-b型、Ⅱ-a型、Ⅱ-b型。由于金刚石晶格中杂质氮的进入，在7～10μm区域内出现红外吸收，表现在红外光谱图上1430～1000cm-1之间的附加吸收峰或杂质峰，不同类型的金刚石具有标型特征峰。根据红外光谱特征分析，蒙阴地区金刚石以Ⅰ型为主(约占80%)，Ⅱ型为辅(约占20%)，其中常马庄矿带金伯利岩中ⅠaA型占47%，ⅠaB型占22.67%，Ⅱ型金刚石占21.67%，混合型占8.67%；西峪矿带金伯利岩中ⅠaA型占45.07%，ⅠaB型占27.19%，Ⅱ型金刚石占18.62%，混合型占9.12%；山东金伯利岩中Ⅰb型金刚石含量甚微。费县大井头钾镁煌斑岩中测试的6颗金刚石中5颗为Ⅰb型金刚，1颗为ⅠaB型金刚。江苏四山地区的3颗金刚石类型分别为Ⅰb型、ⅠaA型和ⅠaB型金刚石。安徽栏杆辉绿岩中金刚石类型全部为Ⅰb型金刚石[15]。从金刚石类型对比分析，金伯利岩中很少含有Ⅰb型金刚石，费县大井头镁煌斑岩和安徽栏杆辉绿岩中金刚石以Ⅰb型金刚石为主，江苏四山橄榄玄武岩中Ⅰb型金刚石也占有较高的比例。除金伯利岩含有Ⅱ型金刚石，其他基性岩中均为Ⅱ型金刚石。

3.5 金刚石蚀变特征

蒙阴地区金伯利岩金刚石晶体上常见晶面蚀象，主要有倒三角形凹坑、平底的四边形凹坑、溶蚀沟、束状晕线、蛛网状晕线和鳞片状蚀象等。费县大井头地区钾镁煌斑岩、贾汪地区橄榄玄武玢岩、安徽栏杆地区辉绿岩中金刚石表面完整，未见溶蚀坑和三角形凹坑，面棱锐利，圆化作用弱。江苏四山橄榄玄武岩中2颗浅黄色金刚石表面有明显的溶蚀沟。

4 基性超基性岩中金刚石成因分析

关于金刚石的成因之争由来已久。概况起来说主要由四种观点：一是地幔捕掳晶成因说，二是幔源岩浆结晶说，三是变质作用成因说，四是陨石作用成因说。20世纪60年代以前金刚石的幔源岩浆结晶学说占统治地位。20世纪70年代以来，特别是1979年在西澳发现了橄榄金云火山岩型的金刚石原生矿床以来，加之对金伯利岩中含金刚石的幔源捕掳体和金刚石内包裹体矿物的深入研究，以及同位素地质学的发展，现在绝大多数地质学家赞成金刚石地幔捕掳晶成因学说，认为颗粒较大的金刚石都属于地幔捕掳晶成因。该文通过金伯利岩中金刚石与基性岩中的金刚石对比、金刚石含矿母岩研究、金刚石在容矿岩石中分布对金刚石成因进行分析。

4.1 金伯利岩中金刚石与基性岩中的金刚石对比分析

尹作为等[16]对蒙阴金刚石中(金刚石大小0.2～0.5ct)的NB含量和金刚石年龄进行了计算，结果显示金刚石样品的年龄从0.57～1.78Ga，通过金刚石中橄榄石的拉曼光谱漂移值与内部压力的关系计算出金刚石形成深度在150～180km范围内，这说明大颗粒金刚石是距地表150km以上的深度经历漫长的结晶过程形成的。从金刚石与金伯利岩的形成时代分析，金刚石年龄远大于其母岩形成年龄，说明金刚石早已在上地幔形成，之后被金伯利岩携带至地表，蒙阴金伯利岩中金刚石地幔捕掳晶成因已得到证实。

从金刚石颜色、晶体形态、粒径、表面蚀像、金刚石类型对比分析，江苏张集地区橄榄玄武岩中的金刚石与蒙阴金伯利岩中的金刚石有一定的相似性，以无色或淡黄色颜色为主，晶体形态多样，以八面体和菱形十二面体为主，粒径变化范围较大，多在0.2～1mm，金刚石表面有溶蚀沟及毛玻璃蚀像，金刚石类型Ⅰb型金刚石占比较小。南京地质调查中心蔡逸涛博士通过红外光谱计算江苏张集地区橄榄玄武岩中金刚石从中心到边缘的存留年龄为843～1289Ma，远大于橄榄玄武岩侵入年龄125±2.1Ma。四山橄榄玄武岩中含有接近G10的富铬镁铝榴石[17]，这也侧面反映橄榄玄武岩中含有金刚石包体或含金刚石金伯利岩捕掳体，江苏张集地区橄榄玄武岩中的金刚石来源于上地幔，属地幔捕掳晶成因。

安徽栏杆地区辉绿岩中金刚石与江苏贾汪地区橄榄玄武玢岩中金刚石具有相似的特征。金刚石皆呈黄绿色，粒径多在0.2mm左右，晶形为立方体与八面体的聚形，金刚石表面完整，未见溶蚀坑和三角形凹坑，金刚石外形特征与其本身形成的深度较浅且未有足够的生长时间有关，显示出金刚石生长初期的特点。地幔中金刚石形成初期，氮以孤原子形式分布在金刚石晶格中，金刚石为Ⅰb型金刚石，在地幔高温高压环境下，Ⅰb型金刚石中的孤氮向偶氮或四氮转变，Ⅰb型金刚石会快速的转变成ⅠaA或ⅠaB型金刚石，这也是蒙阴和辽宁瓦房店金伯利岩中几乎不含Ⅰb型金刚石原因[18-19]。安徽栏杆地区所产出金刚石全部为Ⅰb型金刚石，这也表明金刚石在形成后快速的带离地幔环境，金刚石中的氮尚未来的及转换。此外栏杆地区金刚石红外光谱有1130cm-1的吸收谱带，而未见天然金刚石中1176cm-1,1282cm-1的吸收谱带，显示出金刚石在高温高压下快速结晶形成的人造金刚石的特征。综上认为金刚石形成和基性岩浆的形成和运移是同时的，即金刚石在基性岩浆中形成并携带至地表。

费县大井头钾镁煌斑岩中金刚石绝大多数与安徽栏杆地区辉绿岩中金刚石特征相似，为岩浆结晶形成。大井头钾镁煌斑岩中还有2粒无色金刚石，晶形菱形十二面体外，与金刚石形成初期的Ⅰb型金刚石有较大差别，且指示矿物中见有典型金伯利岩型金刚石指示矿物低铝富镁高铬铬铁矿(S1,S2)、低钙富铬镁铝榴石(G10)、含钠(Na2O>0.07%)镁铝榴石(G4)等，反映钾镁煌斑岩中含有金刚石包体或含金刚石金伯利岩捕掳体，少数金刚石为地幔捕掳晶成因。

4.2 金刚石含矿母岩

金刚石成矿理论认为，金刚石在地幔150～180km范围内形成，然后被后形成的超基性岩浆捕获携带至地表，携带金刚石的岩浆需要有非常深的源区深度。蒙阴金刚石含矿母岩为金伯利岩，金伯利岩的基本矿物镁质橄榄石和镁铝榴石、富镁铬尖晶石等和含有石榴石纯橄岩、榴辉岩等深源岩石包体都证明它的深幔源特征。安徽栏杆地区辉绿岩中未发现镁铝榴石、高铬铬铁矿、铬透辉石等深源包体，手标本及镜下观察也均未发现超基性角砾，含金刚石的辉绿岩和不含金刚石辉绿岩化学成分相似，因此也排除了含金刚石辉绿岩中含有超基性角砾的可能。同时根据辉绿岩Nd-Sr图解，安徽栏杆地区辉绿岩靠近原始地幔组分，形成于浅部软流圈地幔(深度约65～95km)，以上证明安徽栏杆地区辉绿岩中金刚石很难为深源捕获而来。费县大井头钾镁煌斑岩和江苏四山橄榄玄武岩中选获的高铬铬铁矿和低钙高铬镁铝榴石(G10)、铬镁铝榴石(G9)均为金刚石共生或包体相矿物，金刚石有来自于超基性岩角砾的可能。

4.3 金刚石在容矿岩石中的分布

蒙阴金伯利岩中金刚石在容矿岩石中分布相对均匀，同一岩体中深部与浅部、边部与中部均有分布。安徽栏杆地区老寨山岩体中的金刚石主要分布在近地表1～20m辉绿岩中，强风化残积作用是该区金刚石成矿的另一控矿因素，深部新鲜辉绿岩中金刚石含量极少或不含。金伯利岩和辉绿岩中金刚石在容矿岩石中的分布差异明显，如若辉绿岩中的金刚石也为上地幔捕获而来，则其在容矿岩石中的分布应相对均匀。前苏联部分学者在研究西伯利亚雅库特地区产的金刚石时，发现该地金刚石中碳同位素组成与岩体周围的碳质页岩的碳同位素组成十分相似，故认为金刚石既有形成于地幔深处后被岩浆带上来的，也有来自浅部周围岩石中的碳在岩浆内部高温高压下以金刚石的形式结晶出来的[20]。安徽栏杆地区辉绿岩围岩为望山组灰岩和史家庄组砂页岩，其围岩与雅库特金伯利岩围岩一致，类比分析认为安徽栏杆地区辉绿岩体中的黄绿色金刚石为岩浆结晶形成。

5 结论

鲁苏皖一带基性超基性岩中金刚石特征差异明显，金伯利岩中金刚石几乎不含Ⅰb型金刚石，基性岩中金刚石则多为Ⅰb型金刚石，基性岩中虽含有金刚石，但至今未发现能够成矿的岩体。该文从蒙阴金伯利岩中金刚石特征与其他基性岩中金刚石特征对比分析，认为蒙阴地区金伯利岩中金刚石属地幔捕掳晶成因，江苏张集地区橄榄玄武岩中含有金刚石包体或含金刚石金伯利岩捕掳体，其金刚石也属幔源成因，安徽栏杆地区辉绿岩中金刚石与江苏贾汪地区橄榄玄武玢岩中金刚石为岩浆结晶成因，费县大井头钾镁煌斑岩中金刚石既有岩浆结晶成因，也有地幔捕掳晶成因。