钾镁煌斑岩:优质金刚石主要载体与幔源流体活动标志

李睿哲, 曾普胜, 王十安, 刘斯文, 温利刚, 赵九江

1)自然资源部生态地球化学重点实验室, 国家地质实验测试中心, 北京 100037;2)中国地质大学(北京), 北京 100083;3)矿冶科技集团有限公司, 矿冶过程自动控制技术国家重点实验室, 北京 100160

煌斑岩是成分和成因复杂的一组中至暗色的斑状脉岩, 按其化学成分和矿物组合, 可分为钙碱性煌斑岩、碱性煌斑岩和超基性煌斑岩三大类, 钾镁煌斑岩是其中较为特殊的代表之一。

在矿物学方面, 钾镁煌斑岩的矿物组分较为复杂, 因此很难仅用岩石学来定义: 其主要矿物有橄榄石、透辉石、顽辉石、金云母、钾碱镁闪石、白榴石和/或透长石, 及多种副矿物, 不含斜长石、伊利石和钾霞石, 但并不是所有钾镁煌斑岩都含有以上所有矿物组分(Gill, 2010)。

详细分类:

钾镁煌斑岩的进一步划分应按照国际地科联火成岩分委会建议(Le Maitre, 2005)使用 Mitchell and Bergman(1991)描述的钾镁煌斑岩分类系统, 并被后来的研究者所采用(Gill, 2010), 根据优势矿物金云母、碱镁闪石、橄榄石、透辉石、透长石和白榴石重新定名以取代曾用名, 如表 1所示。这些曾用名在国际上已被废止, 而国内的文献中还常出现,应统一为宜。

表1 钾镁煌斑岩的命名Table 1 Nomenclature of lamproites

简而言之, 钾镁煌斑岩是一种重要的深源岩石,是深源岩浆活动的标志性产物, 可作为了解地幔信息的窗口。钾镁煌斑岩是一类较为特殊的火山成因或浅成的超基性岩, 常与金伯利岩共生, 但相对而言, 钾镁煌斑岩的研究不如金伯利岩的研究广泛深入, 自澳大利亚西北部的阿盖尔(Argyle)地区的钾镁斑岩成为世界上最富且品质最好的金刚石矿之后, 钾镁煌斑岩的勘查研究才得到了快速的发展。研究表明, 每 100 t钾镁煌斑岩的钻石含量约为500克拉, 而金伯利岩仅为20～80克拉(Mitchell and Bergman, 1991), 因此钾镁煌斑岩也作为继金伯利岩之后的另一种金刚石寄主岩被持续关注。

1 国内外钾镁煌斑岩简况

目前已知, 全球钾镁煌斑岩主要分布于西澳的Argyle和 Ellendale地区、美国 Leucite Hill地区(Bergman, 1987)以及中国黔湘地区, 除上述地区外,亦有几处钾镁煌斑岩星散分布于全球各地(图 1),但由于资料较少, 本文不作详细描述。

图1 全球典型钾镁煌斑岩分布图(据Bergman, 1987; Mitchell and Bergman, 1991; Shirey, 2013修改)Fig.1 Typical global distribution of lamproite (modified after Bergman, 1987; Mitchell and Bergman, 1991; Shirey, 2013)

西澳钾镁煌斑岩作为常与金伯利岩伴生的一种岩石, 前人对其研究时间较长。西澳钾镁煌斑岩位于西澳大利亚的西金伯利煌斑岩省的 Argyle地区, 年龄1940～1800 Ma, 岩体上覆寒武系沉积物。不同于Dawson(1980)中经典模型提到的“含金刚石的金伯利岩位于稳定克拉通内部, 而边部只能产出不含金刚石的金伯利岩和煌斑岩”, 西澳钾镁煌斑岩地处克拉通核心外围。其主要矿物有橄榄石(被滑石和碳酸盐取代)和四铁金云母斑晶以及细粒金云母、锐钛矿、榍石、钙钛矿、磷灰石、锰钛铁矿、钛镁铬铁矿和硫化物基质组成。前人提出西澳钾镁煌斑岩含有金刚石的可能性(Wade and Prider, 1940;Prider, 1959), 后来的确在Argyle的钾镁煌斑岩(Akl)中发现了金刚石(Mitchell and Bergman, 1991)。

美国怀俄明州 Leucite Hill地区的钾镁煌斑岩是全球典型的钾镁煌斑岩体, 其 K-Ar年龄为97～106 Ma(Zartman, 1977; Gogineni et al., 1978), 出露面积2000～2500 km2, 岩性包含金云斑白榴岩(白榴石-金云母-透辉石煌斑岩±橄榄石±钾碱镁闪石)、金云白榴粗面岩(白榴石-透闪石-透辉石-金云母煌斑岩±钾碱镁闪石)和透辉金云斑岩(透辉石-金云母煌斑岩)。目前认为其不具含金刚石条件。

中国钾镁煌斑岩主要集中在贵州镇远—湖南常德—宁乡一带的“黔湘钾镁煌斑岩带”(池际尚等,1996), 是中国含金刚石钾镁煌斑岩的代表地区(图2)。

2 中国钾镁煌斑岩简况

2.1 中国钾镁煌斑岩空间分布

中国钾镁煌斑岩主要分布于黔东南、湖南宁乡、山西饮牛沟、山东大井头、湖北大洪山和西昆仑克里阳地区(表2)。

2.2 中国典型钾镁煌斑岩带

中国钾镁煌斑岩主要分布于深大断裂附近,大致沿两个主要的金刚石成矿带分布, 即黔湘钾镁煌斑岩带和郯庐断裂带(大井头一带), 另外山西饮牛沟、湖北大洪山和西昆仑克里阳地区几处星散分布在中国各地(图2, 表2)。其中, 已探明含金刚石的岩体主要位于贵州镇远马坪、湖南宁乡云影窝和山东大井头岩体, 湖北大洪山地区具有成矿潜力, 其他地区未发现含金刚石矿。

表2 中国钾镁煌斑岩时空间分布Table 2 Time and space distribution of lamproite in China

图2 中国钾镁煌斑岩分布图(据王留海, 1991; 王取义, 1995; 童潜明, 1996; 柴凤梅, 2001; 张宏福和杨岳衡, 2007; 陈汉林等, 2009;杨经绥等, 2011; 宋谢炎等, 2011; 宋瑞祥, 2013; 蔡逸涛等, 2019; 黄友波等, 2019修改)Fig.2 Distribution of lamproite in China(modified after WANG, 1991; WANG, 1995; TONG, 1996; CHAI, 2001; ZHANG and YANG, 2007;CHEN et al., 2009; YANG et al., 2011; SONG et al., 2011; SONG, 2013; CAI et al., 2019; HUANG et al., 2019)

2.2.1 黔湘钾镁煌斑岩带

黔湘钾镁煌斑岩带位于桂北—黔东北—湘西北延至湘中地区(池际尚等, 1996; 董斌等, 2006;杨光忠等, 2019; 黄远成等, 2015), 其中贵州镇远马坪和湖南宁乡云影窝两地有原生金刚石产出。

贵州镇远钾镁煌斑岩带

黔东南钾镁煌斑岩以镇远县白坟和思南塘两大钾镁煌斑岩体群为主, 另有施秉县等地几个较小岩体群中亦可见(图 3)。区内钾镁煌斑岩大多呈岩墙或岩管状产出(罗会文和杨光树, 1989), 侵位于下寒武统明心寺组至清虚洞组和中寒武统高台组的白云岩与碳酸盐岩中(方维萱等, 2002)。自1976年在西澳发现钾镁煌斑岩之后, 前人将黔东南部分与之具有类似性质的金伯利岩改称为钾镁煌斑岩(江万, 1995)。

图3 贵州镇远地区钾镁煌斑岩出露地质概况图(据饶红娟等, 2019修改)Fig.3 Geological profile of lamproite outburst in Zhenyuan, Guizhou (modified after RAO et al., 2019)

镇远地区钾镁煌斑岩具有富钛, 贫铝的特征,微量元素和稀土元素富集程度比国外典型钾镁煌斑岩略低(池际尚等, 1996)。

湖南宁乡钾镁煌斑岩带

湖南沅水地区是我国重要的金刚石砂矿源区,许多学者也对湖南含金刚石的钾镁煌斑岩进行研究, 但目前仍未找到其原生矿区的位置。湖南钾镁煌斑岩主要出露点为宁乡云影窝(李子云和马文运,1993)(图 4)。湖南 413地质队在 1990年发现含金刚石微粒的钾镁煌斑岩(林玮鹏等, 2009), 后由于多方面条件限制, 目前其研究进展较慢。

图4 宁乡云影窝地质略图(据李子云和马文运, 1993)Fig.4 Geological sketch of Yunyingwo, Ningxiang(modified from LI and MA, 1993)

宁乡钾镁煌斑岩群产于扬子板块与华南板块边界的桃江—城步岩石圈碰撞断裂带和双牌—汨罗地壳断裂带的交汇区附近(饶家荣, 1999), 主要为火山管道相, 部分为脉状浅成侵入相, 岩体多呈狭长带状北西向展布, 岩带大约长5 km。

2.2.2 其他地区

除上述几个钾镁煌斑岩区以外, 在山东大井头(王玉峰等, 2019)、湖北大洪山(刘观亮等, 1993)、山西饮牛沟(李佑国等, 1991)及新疆克里阳(李友枝等,2000; 柴凤梅, 2001)等地亦有钾镁煌斑岩出露。

3 讨论

3.1 钾镁煌斑岩的典型矿物及其金刚石含矿性

3.1.1 地球化学特征

原生金刚石的主要来源为大陆板块内部的碱性岩浆作用的产物, 含金刚石的钾镁煌斑岩一般位于P型克拉通的边缘带, 岩浆来源深度在150 km以上,形成压力大于5 Gp, 形成温度大于1100℃(Bergman,1987; Haggerty, 1986; 刘观亮等, 1993)。结合世界典型钾镁煌斑岩的主量和微量元素丰度特征, 相比于不含金刚石的钾镁煌斑岩, 含金刚石的会呈现出 FeO、MgO、Cao、CO2含量高, M 值高, Gd、Cr、Ni、Co、LREE、Ta、Rb、Ba丰度高, Ba/Sr、La/Yb比值高, K/Rb比值低的特点(表3)(李昌年, 1991; 柴凤梅, 2001)。

表3 中国典型钾镁煌斑岩与世界典型钾镁煌斑岩主量元素特征对比表Table 3 Comparison of main element characteristics of typical lamproite in China and the rest of the world

3.1.2 钾镁煌斑岩深源的典型矿物

钾镁煌斑岩的深源典型矿物主要包括金云母、钾碱镁闪石、以及镁铝榴石、铬尖晶石、钙钛矿等捕掳晶矿物(张安棣, 1991; 刘观亮等, 1993)。其中富钛贫铝金云母和钾碱镁闪石是钾镁煌斑岩的标志性矿物。

金云母: 钾镁煌斑岩中中金云母分为斑晶金云母和基质金云母, 最特征的是金云母富钛(TiO2: 2%～10%), 贫铝(Al2O3: 5%～10%), 另有富钛(TiO2: 5%～10%)的嵌晶状基质四配铁金云母出现(池际尚等, 1996)。

钾碱镁闪石: 含钛的钾碱镁闪石是钾镁煌斑岩最特征的矿物之一, 具有贫铝高钛的特征,一般存在于基质之中, 分子式可写为(Na,K)NaCa(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2, A位存在大量K(池际尚等, 1996)。

镁铝榴石: 钾镁煌斑岩中的石榴子石多自人工重砂中获得, 以橄榄岩型铬-镁铝榴石和钙铝榴石-镁铝榴石为主, 特点为表面具有熔蚀结构以及浑圆状外形(池际尚等, 1996)。

刘观亮等(1993)提出, 在埃伦代尔(Ellendale)地区仅发现了3颗G10组镁铝榴石, 而富含金刚石矿的阿盖尔(Argyle)矿区却并未发现G10组镁铝榴石,且贵州马坪岩体的石榴子石的分析结果均呈现不贫Ca的特征, 可被归类为G9组。可见G10组的镁铝榴石作为钾镁煌斑岩中金刚石的特征指示矿物的可靠性较低, 可能不适用于钾镁煌斑岩型金刚石矿床, 反而含有G9组铬-镁铝榴石的钾镁煌斑岩存在含矿的可能性, 但具体关系还有待确认。

铬尖晶石: 张安棣(1991)根据铬尖晶石捕掳晶中TiO2、Al2O3、Cr2O3和MgO进行聚类分析, 将铬尖晶石分为S1–S12十二组。其中S1组无钛贫铝富镁铬铁矿中铬尖晶石的 MgO与 Cr2O3含量很高,Al2O3含量在5%左右, 而TiO2的含量小于0.2%, 是金刚石最早期的铬尖晶石化学成分特征, 这反映了金刚石形成早期的高亏损环境。并且经过统计, 贵州马坪、湖南宁乡、西澳的钾镁煌斑岩以及许多含金刚石的金伯利岩均含有这一组的铬尖晶石, 含金刚石性的好坏与这一组的铬尖晶石含量有一定的正相关关系。S2组的含钛贫铝富镁铬铁矿与S1组主要在于TiO2的含量变化, 代表了金刚石中较晚期的铬尖晶石包体及与金刚石连生的成分特征, 与 S1组具有同样的金刚石指示意义。

金刚石: 国外钾镁煌斑岩中最具代表性的金刚石矿床有西澳阿盖尔和埃伦代尔, 全球对钾镁煌斑岩中的金刚石的研究多以上述两矿床为主, 在阿盖尔和埃伦代尔中的钻石多是Ⅰ类, 主色大多为棕色,大小平均为 0.1～0.2克拉, 最大可达 16克拉(Mitchell and Bergman, 1991)。国内仅有马坪、宁乡和大井头三个岩体有原生金刚石产出, 以Ⅰ类为主。但相比于阿盖尔中的金刚石, 颗粒细、数量小(池际尚等, 1996)。

金刚石包裹体的深源信息特征: 钾镁煌斑岩是了解地幔信息的窗口之一, 因为钾镁煌斑岩中所含的金刚石一般会含有其形成时捕获的来自深部地幔的包裹体, 而通过对这些包裹体的研究可以获得金刚石形成环境所处的地幔部位的很多信息。

金刚石中矿物包裹体一般存在两大类——橄榄质或超镁铁质 (紫色铬镁铝榴石、铬透辉石和镁橄榄石等)和榴辉岩质(橙色镁铝榴石-铁铝榴石、绿辉石和蓝晶石等)。相比于金伯利岩, 钾镁煌斑岩中金刚石一般含有较多的榴辉岩质包裹体, 部分较富含K、Al和 Fe(Mitchell and Bergman, 1991)。近些年的工作发现, 某些地区的高镁含量的碳酸岩流体够与碳酸橄榄岩处于平衡状态, 因此代表了可能存在于岩石圈较深处的一种更原始的端元, 并与原始金伯利岩浆岩中的流体有关(Shirey, 2013)。

3.2 中国钾镁煌斑岩与金刚石成矿的时期

前人测得黔湘钾镁煌斑岩带年龄范围范围较大, 镇远地区早期钾镁煌斑岩形成时代为400～500 Ma (马大铨等, 1983; 罗会文和杨光树,1989; 梅厚钧等, 1998; 方维萱等, 2002), 与华北地台蒙阴、瓦房店一带金伯利岩带早期获得的年龄一致(池际尚等, 1996)。其中产出原生金刚石的马坪岩体中马坪1号和2号的全岩K-Ar年龄为402 Ma和467 Ma(马大铨等, 1983)。晚期钾镁煌斑岩形成时代为192～147 Ma(马大铨等, 1983)。

林玮鹏等(2011)测得宁乡钾镁煌斑岩中岩浆锆石的 U-Pb年龄为(101.6±5.1) Ma, 形成于燕山期,呈现出较为年轻的特点。

前人对大井头岩体的形成时期没有精确的测定。毛景文等(2005)总结在中国北方中生代大规模成矿作用期次中, 位于郯庐断裂周边的仓上金矿、焦家金矿、望儿山金矿、新城金矿等多个深源金属矿床的成矿年龄均在 120 Ma左右, 这些矿床的形成与大井头钾镁煌斑岩的形成在时间与空间上存在一定联系。褚志远等(2019)研究得到, 山东蒙阴坡里地区中, 岩管相的金伯利岩穿切了辉绿岩脉, 而辉绿岩脉的年龄为122 Ma左右, 根据以上穿切关系,可推断蒙阴坡里金伯利岩的年龄最大为122 Ma。大井头钾镁煌斑岩在空间上与坡里金伯利岩带相近,且钾镁煌斑岩与金伯利岩常存在伴生关系, 故可得出大井头钾镁煌斑岩的年龄可能与坡里金伯利岩年龄相近, 均为122 Ma左右, 为晚燕山期构造运动的产物。

马大铨等(1980)测定大洪山徐家冲岩体的K-Ar法年龄为326 Ma, 刘观亮等(1993)测得该岩体的全岩K-Ar年龄为326 Ma和327 Ma, 以及一组Rb-Sr法矿物等时线同位素年龄为352 Ma。

综上, 中国含金刚石的钾镁煌斑岩的主要成岩时期为 147～100 Ma的燕山期, 也是和金刚石相关的金-稀土等金属矿产的重要成矿时期。

3.3 关于中国钾镁煌斑岩与金刚石的找矿前景讨论

目前世界上金刚石主要赋存于金伯利岩以及钾镁煌斑岩中, 其中阿盖尔地区钾镁煌斑岩中产出了大量优质的金刚石(Mitchell and Bergman, 1991),所以钾镁煌斑岩具有极高的金刚石成矿潜力。而随着工作的展开, 在中国的钾镁煌斑岩带中将会发现更多优质金刚石原生矿床。

中国最早发现的含有原生金刚石矿的钾镁煌斑岩体位于贵州马坪(池际尚等, 1996), 目前发现的大部分钾镁煌斑岩都位于扬子地台, 且在湖南沅水等地产出了大量优质的砂矿金刚石, 但源头未知, 其原因与黔湘钾镁煌斑岩带的构造活动、地表抬升与剥蚀有密切联系, 所以黔湘钾镁煌斑岩带仍有较大的金刚石成矿潜力。而位于扬子北缘的湖北大洪山地区的钾镁煌斑岩中不发育金刚石,但其周边地区存在金刚石的产出(刘观亮等, 1993),因此扬子北缘大洪山地区及其邻区值得进一步调查与关注。

在郯庐断裂带两侧, 除大井头地区的钾镁煌斑岩管外, 辽宁瓦房店和鲁西地区的金伯利岩管群中亦发现大量优质金刚石(冯爱平等, 2021; 付海涛等,2021), 因此在郯庐断裂带周边仍有发现钾镁煌斑岩体以及原生金刚石的潜力。

总之, 中国对钾镁煌斑岩的研究程度较低, 对钾镁煌斑岩成矿潜力的研究对于今后中国东部大火成岩省以及地幔柱的深入工作具有重大意义。

4 结论

根据上述对中国钾镁煌斑岩的研究, 可得出以下结论:

(1)钾镁煌斑岩主要分布于深大断裂附近, 中国钾镁煌斑岩受江南台隆西缘的都匀—贵阳—铜仁—怀化深断裂、常德—安仁深断裂以及郯庐断裂带等深大断裂带控制, 其中贵州镇远马坪、湖南宁乡云影窝、山东平邑大井头等钾镁煌斑岩有原生金刚石产出。

(2)钾镁煌斑岩的标志性矿物有富钛贫铝金云母、钾碱镁闪石、镁橄榄石、镁铝榴石、铬尖晶石、铬铁矿等, 其中S1、S2组贫铝富镁铬铁矿对钾镁煌斑岩中金刚石的形成有指示意义。

(3)中国钾镁煌斑岩活动具多期性, 其中晚侏罗世—早白垩世(147～100 Ma)时期属于中国含金刚石钾镁煌斑岩和相关的金-稀土等金属矿产的重要成矿时期。

致谢: 感谢贵州101地质队杨光忠研究员、吴世光高级工程师、湖南413地质队李帅总工程师在野外勘查工作中给予的帮助, 以及国家地质实验测试中心各位老师的指导。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.JYYWF20180101), Key Research & Development Project of Shandong Province (No.2019GSF109101),China Geological Survey (Nos.DD20190589;DD20160220; DD20190703), and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).