地幔金剛石相態(tài)、類型及形成環(huán)境研究綜述

◇河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院 柴麗潔 沈 芳

金剛石是一種交代礦物，是由含碳流動液體（流體或熔體）侵入到原巖（榴輝巖、橄欖巖、變質(zhì)巖）后經(jīng)氧化或還原作用所形成的，金剛石及其包裹體記錄下了與化學(xué)成分和氧逸度顯著變化有關(guān)的多級過程，是研究地球深部物質(zhì)組成和性質(zhì)的重要標(biāo)本。本文根據(jù)地球內(nèi)部特定的深度、形成年齡及不同的生長環(huán)境，總結(jié)了金剛石在巖石地幔中存在的2種相態(tài)和6種類型，并闡述了其形成的構(gòu)造地質(zhì)背景和形成過程。

金剛石是研究地球深部物質(zhì)組成和性質(zhì)的重要標(biāo)本，常出現(xiàn)在鉀鎂煌斑巖中，由于其化學(xué)惰性，可以保留內(nèi)部礦物包裹體和生產(chǎn)帶，內(nèi)部生長帶特征可以通過陰極發(fā)光來顯示。詳細(xì)的碳同位素分析表明，金剛石中碳的擴(kuò)散緩慢，地幔溫度下的細(xì)微同位素變化都可能被保留下來，因此對研究上下地幔的壓力、溫度、成分、氧逸度等物理化學(xué)環(huán)境具有重要作用。根據(jù)金剛石形成的構(gòu)造地質(zhì)背景及地幔環(huán)境，金剛石可分為2種相態(tài)，即穩(wěn)定相和亞穩(wěn)定相；根據(jù)金剛石形成的深度、年齡及生長環(huán)境等，可把金剛石分為6種類型：上地幔捕擄體金剛石、下地幔捕擄晶金剛石、纖維狀金剛石、多晶聚集體金剛石、黑金剛石和變質(zhì)金剛石。

1 金剛石的相態(tài)

1.1 穩(wěn)定相

巖石圈溫壓條件下遵循典型的大陸地?zé)幔?8～42mW/m2），石墨-金剛石相變的交叉點意味著地幔中金剛石形成的臨界條件是深度>150 km（即4.5 GPa）、溫度>950 ℃，即金剛石在超過150 km深度處具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。金剛石中的礦物包裹體表明，大多數(shù)金剛石形成于克拉通帶下方150 km～250 km深度范圍內(nèi)（圖1）?？紤]到較冷的地?zé)崽荻?，如典型的俯沖帶，則金剛石可以在800 ℃和較淺的深度（>3 GPa）條件下保持穩(wěn)定相?？紤]到較熱的地?zé)崽荻龋绲湫偷难髿さ蒯?，金剛石在溫?1600℃，深度>200 km條件下可以保持穩(wěn)定相。但是，尚不明確金剛石在上洋殼地幔中是否能保持穩(wěn)定，因為地幔柱上升速度緩慢，隨著巖漿由地球深部向地表運(yùn)移，金剛石在高溫、低壓條件下會發(fā)生石墨化、氧化。

圖1 碳元素溫-壓相圖

即使在高C/Fe比條件下金剛石和碳化物可以共存，實驗巖石學(xué)的角度來看，金剛石在深度超過240 km時不太可能保持穩(wěn)定，因為地幔組成的還原性特征有利于碳化物/碳溶解于金屬相中。因此，來自過渡層和下地幔數(shù)量稀少的金剛石與其特定且稀有的生長環(huán)境有關(guān)。

1.2 亞穩(wěn)定相

古老、穩(wěn)定的巖石圈地幔具備形成大顆粒金剛石單晶的條件，其他環(huán)境因溫度、壓力波動強(qiáng)烈，只能在短時間內(nèi)形成顆粒較小的金剛石單晶或集合體，如我國大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶中的顯微級金剛石、皖北橄欖輝綠巖中的微粒金剛石、俄羅斯Popigai隕石坑中的六方金剛石等。

金剛石可以亞穩(wěn)定相生長是因為它只比石墨少幾電子伏。因此，當(dāng)一種氣態(tài)碳化物（如富含CO2- H20的氣泡）被氧化或還原為碳元素時，存在一種非零可能性，即金剛石可能與石墨一起成核和生長。利用爆炸法制備的的納米級金剛石（ND）和隕石中與金剛石混溶的無定形石墨是這一現(xiàn)象的顯著例子。在天然金剛石與CVD對比上有一些局限性，但是，以石墨為原材料，金剛石可以被人工合成，這一原理是CVD過程的基礎(chǔ)，該工藝也越來越多的用于合成大型金剛石。另外，穩(wěn)定場外形成的超小金剛石比人們認(rèn)識到的要豐富的多。

2 金剛石類型

1905年在Premier（現(xiàn)為庫里南）金伯利巖礦床發(fā)現(xiàn)的重3106克拉的庫里南金剛石表明地幔環(huán)境適合產(chǎn)生較大型金剛石，然而，這種尺寸和品質(zhì)的金剛石并非典型。根據(jù)金剛石形成地球內(nèi)部特定的深度、年齡及不同的生長環(huán)境，將金剛石分為6類：上地幔捕擄體金剛石、下地幔捕擄晶金剛石、纖維狀金剛石、多晶聚集體金剛石、黑金剛石和變質(zhì)金剛石。

2.1 上地幔（150-250km）捕虜晶金剛石

該類金剛石在寶石級或近寶石級品質(zhì)單晶金剛石中所占比例最大?？梢岳闷湮锢硖卣魅绱笮?、形狀、顏色、塑性變形、地球化學(xué)和同生包裹體進(jìn)行研究。該類金剛石通常包括十二面體型和雙晶（雙晶金剛石）及正八面體和它們的變形。這些金剛石中包裹體的放射性同位素研究表明金剛石是金伯利巖/鉀鎂煌斑巖的捕虜晶，金剛石捕虜晶體的形成與其高級的氮聚集狀態(tài)和塑性變形有關(guān)，這些金剛石生長于地幔各種巖石類型中，如方輝橄欖巖、二輝橄欖巖、榴輝巖和二輝巖等，由礦物學(xué)和包裹體的化學(xué)特征證實其符合地幔捕虜晶的組成。因此，“榴輝巖型金剛石”表示榴輝巖中形成的金剛石，“二輝橄欖巖型金剛石”表示二輝橄欖巖中形成的金剛石，“方輝橄欖巖型金剛石”表示方輝橄欖巖中形成的金剛石，橄欖巖型金剛石表示橄欖巖中（方輝橄欖巖或二輝橄欖巖）生長的金剛石。

2.2 過渡層（300-660km）及下地幔（>660km）捕虜晶金剛石

該類型金剛石主要從石榴石包裹體的特征辨別而出，屬于榴輝巖的共生礦物。該類型金剛石目前在四個地點發(fā)現(xiàn)，分別是巴西的、幾內(nèi)亞的Kankan、南非的Jagersfontein和Monastery。起源于過渡層的金剛石年齡測定說明它們是在被帶到地表之前不久（<200Myr）形成的。

來自下地幔（>660km）同等數(shù)量的金剛石，其深層來源是由包含多種非接觸MgSiO3、（Mg、Fe）O和兩種硅酸鹽礦物的包裹體所確定的，CaSiO3被認(rèn)為是原鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的礦物。大部分包裹體的化學(xué)成分指向原巖為橄欖巖，從MgSiO3中的較低的鋁含量推斷，它們起源于下地幔的最上層。但是，仍有少量樣品形成于超過800km的深度。下地幔型金剛石最初發(fā)現(xiàn)于巴西的，幾內(nèi)亞的Kankan和加拿大北部Slave克拉通的DO-27巖筒。與來自過渡層的金剛石一樣，起源年代測定表明它們在地幔中停留的時間很短，只有幾百萬年。

2.3 纖維狀金剛石

有些鉆石完全由不透明的纖維結(jié)構(gòu)組成，通常使整個金剛石呈長方體。在其它情況下，不透明的纖維從透明榴輝巖或橄欖巖金剛石基底生長，通常具有非常明顯的界面，這類礦物被稱為纖維狀或包殼狀金剛石。近寶石品質(zhì)的包殼金剛石已有發(fā)現(xiàn)，金剛石核很小甚至沒有。不透明金剛石顏色范圍從黃色到綠色到最暗的灰色。包殼狀金剛石常見立方體，但來自剛果民主共和國的包殼狀金剛石常見八面體、十二面體、雙晶甚至十四面體。一些金剛石中心出現(xiàn)白到黑灰色云狀包裹體，可以識別出一種獨特的內(nèi)部形狀，它與寄主鉆石的主要方向一致，稱為云霧狀金剛石。在其它情況下，云霧狀的出現(xiàn)似乎是生長地層的一部分。這種纖維狀、包殼狀和云霧狀金剛石的形成與不相溶過程相關(guān)，范圍從碳酸巖到鹽到含水-硅質(zhì)組成。

2.4 多晶聚集體金剛石

多晶金剛石是由非常細(xì)粒到中等粒度的金剛石聚集在一起組成。在非典型的金剛石形成環(huán)境中，如隕石和其它與撞擊有關(guān)的材料中也有相關(guān)發(fā)現(xiàn)。在金伯利巖和相關(guān)沖積礦床中，多晶金剛石的豐度從幾個百分點，如Koffiefontein,Premier和Finsch礦床變化到幾十個百分點。Orlov（1977）提出金剛石聚集體結(jié)構(gòu)方面（粒狀、纖維狀、隱晶質(zhì)）與金剛石生長條件溫度、壓力和過飽和狀態(tài)有關(guān)并劃分出三種多晶金剛石族：半剛石（球形纖維）、圓粒金剛石（顆粒聚集）和隱晶質(zhì)黑金剛石。

2.5 黑金剛石

黑金剛石是一種熱壓結(jié)金剛石顆粒的多晶質(zhì)金剛石類型，在火山巖中從未發(fā)現(xiàn)過。它大多時間出現(xiàn)在巴西和中非共和國的變質(zhì)礫巖中。它的地殼包裹體可能是原生的，或者，考慮到它們的高孔隙度，也有可能是次生的。黑金剛石的形成目前仍然沒有定論，可能與撞擊相關(guān)的，也可能與地幔流體有關(guān)。

2.6 變質(zhì)金剛石

變質(zhì)金剛石是在高壓俯沖的地殼巖石中原位發(fā)現(xiàn)的金剛石，目前被發(fā)現(xiàn)的越來越多。來自Kokchetav山丘最大的變質(zhì)金剛石（原生有100 μm大，相關(guān)的沖積礦床中大小有500 μm）已經(jīng)被記載并做過地球化學(xué)研究。在Kokchetav，金剛石在退化變質(zhì)作用過程中，由于受到鋯石和石榴石對其的保護(hù)，使其免受石墨化/氧化。初始起源于亞穩(wěn)態(tài)是不太可能的,金剛石從一種巖性到另一種巖性的豐度和/或形態(tài)變化證明金剛石在俯沖作用前并沒有在沉積物中進(jìn)行沉積。變質(zhì)金剛石從而為深入研究俯沖物質(zhì)的地球化學(xué)打開了一扇獨特的窗口。由于變質(zhì)金剛石的典型小尺寸，大多數(shù)研究仍然局限于來自Kokchetav地塊的金剛石。

3 地幔金剛石的形成

在過去20年中，一種廣泛的科學(xué)共識已經(jīng)出現(xiàn)，承認(rèn)流動的C-O-H-N-S流體/熔體在地幔金剛石形成中的基本作用，即通過碳酸巖/CO2的還原作用或還原相（如甲烷）的氧化作用來實現(xiàn)的。因此，金剛石是一種交代礦物。這種結(jié)論的證據(jù)是相當(dāng)充分的。包括單晶金剛石中礦物包裹體的化學(xué)變化；礦物包裹體中稀土元素的正弦型配分曲線；金剛石內(nèi)的交代包裹體；強(qiáng)烈分區(qū)的氮聚集態(tài)，有長時間間隔的幾個生長期；捕獲體中的金剛石沿著富含其它流動元素的礦脈排列；多晶質(zhì)金剛石聚集體需要大量的碳過飽和；碳同位素組成中有明顯的帶狀分布。

這些證據(jù)也進(jìn)一步表明金剛石生長在一種開放系統(tǒng)環(huán)境中，金剛石及其包裹體記錄一種與化學(xué)成分和氧逸度顯著變化有關(guān)的多級過程。變質(zhì)金剛石和黑金剛石都被認(rèn)為是由交代流體形成。例外的是沖擊金剛石形成和碳質(zhì)富鈾沉積物中納米金剛石的形成這兩種情況，固態(tài)生長的可能性更大。

4 結(jié)論

（1）金剛石是在一種開放系統(tǒng)環(huán)境中形成的，流動的C-O-H-N-S流體/熔體是地幔金剛石形成的基本地球化學(xué)條件，金剛石及其包裹體記錄著與化學(xué)成分和氧逸度顯著變化有關(guān)的多級過程，是研究地球深部物質(zhì)組成和性質(zhì)的重要標(biāo)本。

（2）大多數(shù)金剛石形成于克拉通帶下方150 km～250 km深度范圍內(nèi)，古老、穩(wěn)定的巖石圈地幔是形成大顆粒金剛石單晶的必要條件，其他環(huán)境因溫度、壓力波動強(qiáng)烈，只能在短時間內(nèi)形成顆粒較小的金剛石單晶或集合體。

（3）根據(jù)金剛石形成的構(gòu)造地質(zhì)背景及溫壓條件，金剛石可分為2種相態(tài)，即穩(wěn)定相和亞穩(wěn)定相；根據(jù)金剛石形成的深度、年齡及生長環(huán)境等，可把金剛石分為6種類型：上地幔捕擄體金剛石、下地幔捕擄晶金剛石、纖維狀金剛石、多晶聚集體金剛石、黑金剛石和變質(zhì)金剛石。