Question

矿床形成条件

Answer 1

目前已知金刚石赋存的母岩除金伯利岩、钾镁煌斑岩外，还有超基性岩（如云母橄榄岩、榴辉岩）、碱性玄武岩、陨石及变质岩等，但赋存工业矿床的，只是前两种，少数变质岩中的金刚石也可能具有工业意义。世界上已发现上万个金伯利岩岩体，其中有工业价值的岩体约占5%～10%。近年来在西澳金伯利岩区发现100多个钾镁煌斑岩体，也只有少部分具有工业意义。所以，自然界中金刚石矿床是极稀少的，其形成条件是复杂的。

一、地质构造背景

现今世界上已发现的含金刚石金伯利岩体主要分布于非洲和西伯利亚（俄罗斯）地区，部分见于南美、北美、印度等地。在澳大利亚西部、印度、美国、赞比亚等地还发现有含金刚石的钾镁煌斑岩。我国山东、辽宁、贵州等地也发现有含金刚石的金伯利岩和钾镁煌斑岩。

含金刚石金伯利岩均处于特定的大地构造位置，即古老的前寒武纪地盾或克拉通古陆，是地壳演化过程相对稳定的地质构造环境。世界上几个规模较大、形成较早的前寒武纪板块，如非洲、西伯利亚、印度、南美以及我国的华北板块都找到了具有工业意义的金伯利岩型金刚石矿床；其他一些前寒武纪板块，如北美、澳洲及我国扬子板块内也发现金伯利岩或金刚石砂矿。在地槽活动带内目前尚未找到过含金刚石的金伯利岩。含金刚石的钾镁煌斑岩多产于克拉通边缘活动带附近，或克拉通毗邻的时代相对年轻的盆地中，20世纪70年代以来，在西澳环绕金伯利古克拉通的西南部和东部两个古元古代活动带内，发现几十个含金刚石的钾镁煌斑岩筒，其中东部活动带内的AK-1岩筒规模大，品位高，是近来世界上发现的一个大而富的新的钾镁煌斑岩型金刚石矿床。

二、控制含矿岩体的断裂构造

含矿岩体常呈岩管（筒）、岩脉和岩株产出，并沿一定方向成群成带产出，其空间分布严格受断裂构造控制。古老的稳定的太古宙克拉通，刚性强度较大，当遭受后期应力作用时，容易形成切过地壳的深大断裂，重新分割古地块构成隆起带与坳陷带。金伯利岩主要产于地块内部深断裂内或深断裂带两侧的次级断裂带中，或地块与坳陷带衔接地带附近以及坳陷带内部的断裂中。钾镁煌斑岩多产于元古宙边缘活动带内。总之，含矿岩体无不受深断裂构造体系控制。

我国华北克拉通内已发现9个金伯利岩群和1个钾镁煌斑岩群（池际尚等，1996），其中山东蒙阴和辽南复州两个含金刚石金伯利岩群分布于郯庐断裂带两侧。蒙阴含矿岩体侵入于太古宙克拉通隆起带内的片麻岩和混合岩中，有3个矿带，各受北西向、北北东向和北东向断裂控制。复州含矿岩群产于克拉通内坳陷带的震旦纪—古生代沉积岩中（图2-2），共3个矿带，走向为北东65°～75°，受围岩的密集节理带、张裂隙带等构造控制。

图2-2 复州金伯利岩及矿带分布概图

（据池际尚等，1996）

1—金伯利岩岩体及编号；2—矿带编号；3—金刚石古砂矿；4—实测逆断层；5—性质不明断层

三、矿床的形成时代

原生矿床的成矿时代一般用含矿岩浆侵位时间来表示。世界各地金伯利岩的形成时代有①前寒武纪，如非洲金伯利岩管年龄为20亿～23亿年，南非、印度、巴西等国发现前寒武纪含金刚石砾岩的时代为27亿～5.5亿年；②泥盆纪—石炭纪，如西伯利亚地区，金伯利岩管穿切奥陶纪地层，在石炭纪地层中发现金刚石；③中、晚三叠纪，如西伯利亚金伯利岩有些年龄为1.85亿～2.05亿年；④晚侏罗—早白垩世，如西伯利亚地区；⑤晚白垩世，如南非许多岩管为0.58亿年；⑥第三纪，发现于捷克。总之，世界上金伯利岩岩浆活动有几个时期，一般岩浆活动与主构造运动相适应，而金伯利岩的岩浆活动往往发生在构造运动的末期。此外，据道森（1967）报道，同一地区可以有几期金伯利岩浆活动，如西非地区至少有4期金伯利岩浆活动，由早到晚为：23亿～21亿年、11.5亿年、7亿年、1亿～0.8亿年。南非和西伯利亚地区在地质历史上存在着长期的金伯利岩浆活动条件。已有资料揭示，尽管金伯利岩在漫长的地史中多期活动，但含工业意义金刚石的金伯利岩形成时代主要是古生代（奥陶纪-二叠纪）和中生代（侏罗纪-白垩纪）。

我国金伯利岩的形成也具有几个地质时期。产于华北克拉通内山东蒙阴与辽宁复州含金刚石的金伯利岩侵位时间为457～462Ma（Bristow，1988），属加里东晚期产物；产于扬子克拉通内含金刚石岩体主要为钾镁煌斑岩-钾质煌斑岩，侵位时间为368～477Ma和326～493Ma（池际尚等，1996），属加里东期-华力西早期。总之，我国已知金刚石矿床主要形成于古生代，加里东构造运动对含矿岩体的活动影响较大，中生代的矿床还未发现。

四、与成矿有关的岩浆岩

就目前所知，原生金刚石矿床仅与金伯利岩和钾镁煌斑岩有关。

（一）金伯利岩

1.岩石学特点

1870年，在南非“金伯利”城附近第一次发现含金刚石的岩石，当时称角砾云母橄榄岩，以后改为“金伯利岩”。它是一种富含挥发分（CO₂、H₂O）的偏碱性超基性岩，产状为浅成或喷出岩。其中既含直接由岩浆结晶的斑晶和基质矿物，又包含多种幔源、同源捕虏体（包体）和捕虏晶以及围岩碎屑。常见斑晶为橄榄石（假象）、镁铝榴石、金云母、铬尖晶石、钛铁矿、单斜辉石、金刚石等，粒度为0.5～5cm，其形成往往是多世代的。捕虏晶一般较斑晶大的多，有的可达十几厘米。同源捕虏体有早期金伯利岩、金伯利岩岩球等，幔源捕虏体有纯橄榄岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、榴辉岩等以及组成这些岩石的捕虏晶。此外，还有壳源捕虏体（包体）。各种斑晶、捕虏晶和捕虏体碎块被熔浆性质的显微斑状的细晶物质胶结，后者主要成分是金云母、镁铝榴石、铬尖晶石、钛矿物、碳酸盐和蛇纹石等，它们共同构成金伯利岩。因此，它具斑状和碎屑状结构，块状、斑杂状及角砾状构造，其岩浆作用过程兼有侵入和爆发作用。晚期常伴随蛇纹石化、碳酸盐化热液蚀变。一般呈复式岩体产出，是多阶段岩浆活动产物，多呈岩管（筒）、岩脉、岩床状。具有工业价值的金刚石矿床多产于岩管内。

2.主要化学成分

由于金伯利岩岩浆在活动过程中常混杂周围岩石与矿物，从而对成分影响较大，化学分析结果不能代表岩浆的真实成分。我国山东、辽宁等地金伯利岩的主要化学成分变化范围及其平均值如下：SiO₂为23.21%～35.90%，平均为33.06%；Al₂O₃为1.11%～5.92%，平均2.90%；Na₂O/K₂O比值0.05～0.5，平均0.29。因此，金伯利岩是Al₂O₃含量非常低，SiO₂不饱和及Na₂O/K₂O比值很低的偏碱性的超基性岩。

主要氧化物对含矿性的判别为：富矿的金伯利岩较中-贫矿金伯利岩含MgO高。据Al₂O₃+TiO₂+K₂O+Na₂O+P₂O₅等值计算的T.A值，富矿的岩石在4～6.5之间，而贫矿者在6.5～9.5之间，＞9.5时基本无矿（池际尚等，1988）。

3.金伯利岩的成因

图2-3 金伯利岩产区地温曲线及金伯利岩形成深度的确定

（据Mitche11，1986）

1—典型地盾区地温；2—山东蒙阴金伯利岩区地温；3—辽宁复州金伯利岩区地温

图中四边形是根据山东、辽宁金伯利岩成分和铬镁铝榴石组分推算的温压范围

大多数岩石学家认为，金伯利岩源于上地幔，并提出多种成因假说。我国的黄蕴慧等（1992）综合国内外资料，特别是通过华北克拉通金伯利岩的研究，认为部分熔融理论较为合理。他们认为金伯利岩的形成深度比一般岩浆岩都深，根据①山东和辽宁金伯利岩和金刚石中都曾发现过柯石英，而未发现斯石英（形成深度大）；②Mitchell（1986）绘出的山东和辽宁金伯利岩产区的地温曲线（图2-3）；③金刚石与石墨转变曲线与地温曲线交点的关系研究等，认为山东和辽宁两地金伯利岩的形成深度约为145～310km，此点与Haggerty（1986）所估计的金伯利岩浆形成深度为250km左右吻合，也与由来源于二辉橄榄岩、纯橄榄岩和方辉橄榄岩捕虏体中铬镁铝榴石组分推测的形成温度（1100～1300℃）和深度（240km）基本一致，说明金伯利岩浆是母岩部分熔融而形成。

当克拉通内部出现有利的构造条件，富含挥发分的金伯利岩浆，在巨大的气流作用下，携带着周围地幔岩石的碎块和金刚石以及上升通道附近的地幔岩石和金刚石，呈流体状态迅速上升，在上升至上地壳过程中结晶成岩。当金伯利岩浆贯入次一级断裂中或盖层岩石的层间，形成岩脉或岩床，也可以在地壳有利部位形成金伯利岩爆发岩筒。

（二）钾镁煌斑岩

钾镁煌斑岩是近年来在西澳发现的一种重要的含金刚石的岩石，从而为寻找金刚石原生矿床开辟了新的领域。钾镁煌斑岩是一种超钾质系列的火山成因的富钾、富镁的煌斑岩（Jaques，A.L，1987）。具角砾状和块状构造，角砾中除围岩碎屑外，还有幔源包体（主要为二辉橄榄岩和斜辉橄榄岩），具斑状或岩屑、晶屑结构。主要矿物为橄榄石、金云母、斜方辉石、铬透辉石、铬尖晶石、白榴石、富钾镁闪石、红柱石[Priderite，（K，Ba）（Ti，Fe）₈O₁₂]、钾钙板锆石、钾钡长石和磷灰石，还有少量镁铝榴石、锆石、钙钛矿和金红石。根据矿物含量可进一步划分为橄榄石钾镁煌斑岩（橄榄石＞20%～50%）和白榴石钾镁煌斑岩（白榴石含量＞25%～50%）。

钾镁煌斑岩的化学成分：SiO₂为40%～50%，Al₂O₃为4%～10%，TiO₂为1%～5%，CaO为2%～10%，MgO为5%～29%，K₂O为5%～10%，Na₂O为0.2%～1.5%，P₂O₅为0.5%～2.0%，BaO为1%～3%。与金伯利岩比较，K₂O、SiO₂、TiO₂含量较高，而MgO、NiO、Cr₂O₃、CO₂含量低于金伯利岩，微量元素 Rb、Sr、Ba、Ti、Zr、Nb、Pb、Th、U等含量高，稀土组成与金伯利岩相似，轻稀土富集，重稀土偏低，La/Y比值极高。钾镁煌斑岩中的金刚石多为捕虏晶，众多的西澳钾镁煌斑岩中含矿的不多，只有橄榄钾镁煌斑岩及相应的火山碎屑岩含金刚石较高，金刚石矿化主要集中在火山口相。目前，只有西澳的阿尔盖地区的AK-1号岩管和印度马加旺岩筒具有工业价值。

五、金刚石形成的物化条件

形成金刚石的主要因素是温度、压力、氧逸度、地幔流体和碳源。Haggerty（1986）认为，在C-O-H系统中，

值高时，CO₂稳定；

低时，CH₄稳定；

中等时，单质碳稳定；金刚石在

较低时比石墨稳定。我国一些研究者认为，山东和辽宁两地金伯利岩中的金刚石是多成因的，其在金伯利岩中以捕虏晶为主，应代表软流圈中的产物。郑建平等（1991）估算了辽宁复州50号岩管金刚石的结晶年龄，金刚石粒度大于2mm者为2198Ma；1～2mm者为1204～1509Ma。这个资料至少表明复州金刚石结晶于岩浆侵位（462Ma）之前，而且跨越较长时期。大部分金刚石是金伯利岩的捕虏晶，与国外研究结果是一致的；少部分金刚石是在金伯利岩浆上升的过程中形成的斑晶，应代表岩石圈中的产物。

金刚石的主要成因观点有“捕虏晶成因说”（幔源岩浆搬运说）和“幔源岩浆结晶说”。前者主张金刚石斑晶是金伯利岩浆的捕虏晶，经搬运至地壳上部（甚至地表）形成矿床，代表近代金刚石成因的新观点；后者主张金刚石斑晶是金伯利岩浆结晶沉淀出来的一个矿物相，代表金刚石属于正岩浆矿床的传统观点。池际尚等（1996）提供的复县金刚石捕虏晶平衡温度、压力平均为1123℃，6.3Ga；蒙阴的平均为1184℃，6.75Ga，皆位于金刚石稳定区。

根据我国山东、辽宁金刚石结晶特点，黄蕴慧等（1992）将金刚石结晶过程自软流圈—接近地表分为3个阶段，并认为在不同阶段所结晶的金刚石晶体物理性质皆有差别。

由上述可见，在各个阶段，环境的改变都可能引起晶体变形、再生、溶解和石墨化等。形成金刚石的碳质来源，过去不少人认为来自碳酸盐地层和围岩中的有机碳，近年来，随着对金刚石及其包体碳同位素的研究发现，生成金刚石的碳源来自金伯利岩本身的游离碳。据包亚男（1990）的资料，辽宁42号岩筒中金刚石δ¹³C值为-3.03‰～-8.88‰（集中在-4‰～-8‰），平均-6.15‰；山东胜利1号岩筒中金刚石的δ¹³C为-3.77‰～-6.42‰，平均为-5.62‰，与前人测定的δ¹³C值基本一致。根据储雪蕾（1996）总结地幔碳的同位素δ¹³C主要分布在-5‰附近判断，金刚石的碳源主要来自地幔。