地幔金刚石相态、类型及形成环境研究综述

2021-07-09河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院柴丽洁

内江科技 2021年6期

◇河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院柴丽洁沈芳

金刚石是一种交代矿物，是由含碳流动液体（流体或熔体）侵入到原岩（榴辉岩、橄榄岩、变质岩）后经氧化或还原作用所形成的，金刚石及其包裹体记录下了与化学成分和氧逸度显著变化有关的多级过程，是研究地球深部物质组成和性质的重要标本。本文根据地球内部特定的深度、形成年龄及不同的生长环境，总结了金刚石在岩石地幔中存在的2种相态和6种类型，并阐述了其形成的构造地质背景和形成过程。

金刚石是研究地球深部物质组成和性质的重要标本，常出现在钾镁煌斑岩中，由于其化学惰性，可以保留内部矿物包裹体和生产带，内部生长带特征可以通过阴极发光来显示。详细的碳同位素分析表明，金刚石中碳的扩散缓慢，地幔温度下的细微同位素变化都可能被保留下来，因此对研究上下地幔的压力、温度、成分、氧逸度等物理化学环境具有重要作用。根据金刚石形成的构造地质背景及地幔环境，金刚石可分为2种相态，即稳定相和亚稳定相；根据金刚石形成的深度、年龄及生长环境等，可把金刚石分为6种类型：上地幔捕掳体金刚石、下地幔捕掳晶金刚石、纤维状金刚石、多晶聚集体金刚石、黑金刚石和变质金刚石。

1 金刚石的相态

1.1 稳定相

岩石圈温压条件下遵循典型的大陆地热（38～42mW/m2），石墨-金刚石相变的交叉点意味着地幔中金刚石形成的临界条件是深度>150 km（即4.5 GPa）、温度>950 ℃，即金刚石在超过150 km深度处具有热力学稳定性。金刚石中的矿物包裹体表明，大多数金刚石形成于克拉通带下方150 km～250 km深度范围内（图1）。考虑到较冷的地热梯度，如典型的俯冲带，则金刚石可以在800 ℃和较浅的深度（>3 GPa）条件下保持稳定相。考虑到较热的地热梯度，如典型的洋壳地幔，金刚石在温度>1600℃，深度>200 km条件下可以保持稳定相。但是，尚不明确金刚石在上洋壳地幔中是否能保持稳定，因为地幔柱上升速度缓慢，随着岩浆由地球深部向地表运移，金刚石在高温、低压条件下会发生石墨化、氧化。

图1 碳元素温-压相图

即使在高C/Fe比条件下金刚石和碳化物可以共存，实验岩石学的角度来看，金刚石在深度超过240 km时不太可能保持稳定，因为地幔组成的还原性特征有利于碳化物/碳溶解于金属相中。因此，来自过渡层和下地幔数量稀少的金刚石与其特定且稀有的生长环境有关。

1.2 亚稳定相

古老、稳定的岩石圈地幔具备形成大颗粒金刚石单晶的条件，其他环境因温度、压力波动强烈，只能在短时间内形成颗粒较小的金刚石单晶或集合体，如我国大别-苏鲁超高压变质带中的显微级金刚石、皖北橄榄辉绿岩中的微粒金刚石、俄罗斯Popigai陨石坑中的六方金刚石等。

金刚石可以亚稳定相生长是因为它只比石墨少几电子伏。因此，当一种气态碳化物（如富含CO2- H20的气泡）被氧化或还原为碳元素时，存在一种非零可能性，即金刚石可能与石墨一起成核和生长。利用爆炸法制备的的纳米级金刚石（ND）和陨石中与金刚石混溶的无定形石墨是这一现象的显著例子。在天然金刚石与CVD对比上有一些局限性，但是，以石墨为原材料，金刚石可以被人工合成，这一原理是CVD过程的基础，该工艺也越来越多的用于合成大型金刚石。另外，稳定场外形成的超小金刚石比人们认识到的要丰富的多。

2 金刚石类型

1905年在Premier（现为库里南）金伯利岩矿床发现的重3106克拉的库里南金刚石表明地幔环境适合产生较大型金刚石，然而，这种尺寸和品质的金刚石并非典型。根据金刚石形成地球内部特定的深度、年龄及不同的生长环境，将金刚石分为6类：上地幔捕掳体金刚石、下地幔捕掳晶金刚石、纤维状金刚石、多晶聚集体金刚石、黑金刚石和变质金刚石。

2.1 上地幔（150-250km）捕虏晶金刚石

该类金刚石在宝石级或近宝石级品质单晶金刚石中所占比例最大。可以利用其物理特征如大小、形状、颜色、塑性变形、地球化学和同生包裹体进行研究。该类金刚石通常包括十二面体型和双晶（双晶金刚石）及正八面体和它们的变形。这些金刚石中包裹体的放射性同位素研究表明金刚石是金伯利岩/钾镁煌斑岩的捕虏晶，金刚石捕虏晶体的形成与其高级的氮聚集状态和塑性变形有关，这些金刚石生长于地幔各种岩石类型中，如方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、榴辉岩和二辉岩等，由矿物学和包裹体的化学特征证实其符合地幔捕虏晶的组成。因此，“榴辉岩型金刚石”表示榴辉岩中形成的金刚石，“二辉橄榄岩型金刚石”表示二辉橄榄岩中形成的金刚石，“方辉橄榄岩型金刚石”表示方辉橄榄岩中形成的金刚石，橄榄岩型金刚石表示橄榄岩中（方辉橄榄岩或二辉橄榄岩）生长的金刚石。

2.2 过渡层（300-660km）及下地幔（>660km）捕虏晶金刚石

该类型金刚石主要从石榴石包裹体的特征辨别而出，属于榴辉岩的共生矿物。该类型金刚石目前在四个地点发现，分别是巴西的、几内亚的Kankan、南非的Jagersfontein和Monastery。起源于过渡层的金刚石年龄测定说明它们是在被带到地表之前不久（<200Myr）形成的。

来自下地幔（>660km）同等数量的金刚石，其深层来源是由包含多种非接触MgSiO3、（Mg、Fe）O和两种硅酸盐矿物的包裹体所确定的，CaSiO3被认为是原钙钛矿结构的矿物。大部分包裹体的化学成分指向原岩为橄榄岩，从MgSiO3中的较低的铝含量推断，它们起源于下地幔的最上层。但是，仍有少量样品形成于超过800km的深度。下地幔型金刚石最初发现于巴西的，几内亚的Kankan和加拿大北部Slave克拉通的DO-27岩筒。与来自过渡层的金刚石一样，起源年代测定表明它们在地幔中停留的时间很短，只有几百万年。

2.3 纤维状金刚石

有些钻石完全由不透明的纤维结构组成，通常使整个金刚石呈长方体。在其它情况下，不透明的纤维从透明榴辉岩或橄榄岩金刚石基底生长，通常具有非常明显的界面，这类矿物被称为纤维状或包壳状金刚石。近宝石品质的包壳金刚石已有发现，金刚石核很小甚至没有。不透明金刚石颜色范围从黄色到绿色到最暗的灰色。包壳状金刚石常见立方体，但来自刚果民主共和国的包壳状金刚石常见八面体、十二面体、双晶甚至十四面体。一些金刚石中心出现白到黑灰色云状包裹体，可以识别出一种独特的内部形状，它与寄主钻石的主要方向一致，称为云雾状金刚石。在其它情况下，云雾状的出现似乎是生长地层的一部分。这种纤维状、包壳状和云雾状金刚石的形成与不相溶过程相关，范围从碳酸岩到盐到含水-硅质组成。

2.4 多晶聚集体金刚石

多晶金刚石是由非常细粒到中等粒度的金刚石聚集在一起组成。在非典型的金刚石形成环境中，如陨石和其它与撞击有关的材料中也有相关发现。在金伯利岩和相关冲积矿床中，多晶金刚石的丰度从几个百分点，如Koffiefontein,Premier和Finsch矿床变化到几十个百分点。Orlov（1977）提出金刚石聚集体结构方面（粒状、纤维状、隐晶质）与金刚石生长条件温度、压力和过饱和状态有关并划分出三种多晶金刚石族：半刚石（球形纤维）、圆粒金刚石（颗粒聚集）和隐晶质黑金刚石。

2.5 黑金刚石

黑金刚石是一种热压结金刚石颗粒的多晶质金刚石类型，在火山岩中从未发现过。它大多时间出现在巴西和中非共和国的变质砾岩中。它的地壳包裹体可能是原生的，或者，考虑到它们的高孔隙度，也有可能是次生的。黑金刚石的形成目前仍然没有定论，可能与撞击相关的，也可能与地幔流体有关。

2.6 变质金刚石

变质金刚石是在高压俯冲的地壳岩石中原位发现的金刚石，目前被发现的越来越多。来自Kokchetav山丘最大的变质金刚石（原生有100 μm大，相关的冲积矿床中大小有500 μm）已经被记载并做过地球化学研究。在Kokchetav，金刚石在退化变质作用过程中，由于受到锆石和石榴石对其的保护，使其免受石墨化/氧化。初始起源于亚稳态是不太可能的,金刚石从一种岩性到另一种岩性的丰度和/或形态变化证明金刚石在俯冲作用前并没有在沉积物中进行沉积。变质金刚石从而为深入研究俯冲物质的地球化学打开了一扇独特的窗口。由于变质金刚石的典型小尺寸，大多数研究仍然局限于来自Kokchetav地块的金刚石。

3 地幔金刚石的形成

在过去20年中，一种广泛的科学共识已经出现，承认流动的C-O-H-N-S流体/熔体在地幔金刚石形成中的基本作用，即通过碳酸岩/CO2的还原作用或还原相（如甲烷）的氧化作用来实现的。因此，金刚石是一种交代矿物。这种结论的证据是相当充分的。包括单晶金刚石中矿物包裹体的化学变化；矿物包裹体中稀土元素的正弦型配分曲线；金刚石内的交代包裹体；强烈分区的氮聚集态，有长时间间隔的几个生长期；捕获体中的金刚石沿着富含其它流动元素的矿脉排列；多晶质金刚石聚集体需要大量的碳过饱和；碳同位素组成中有明显的带状分布。

这些证据也进一步表明金刚石生长在一种开放系统环境中，金刚石及其包裹体记录一种与化学成分和氧逸度显著变化有关的多级过程。变质金刚石和黑金刚石都被认为是由交代流体形成。例外的是冲击金刚石形成和碳质富铀沉积物中纳米金刚石的形成这两种情况，固态生长的可能性更大。