試談金剛石原生礦成礦問題的地幔柱成因解釋

胡一忠，楊光忠，饒紅娟

(貴州省地礦局101地質隊，貴州 凱里 556000)

(Stachel T，et al.，2008)

試談金剛石原生礦成礦問題的地幔柱成因解釋

胡一忠，楊光忠，饒紅娟

(貴州省地礦局101地質隊，貴州 凱里 556000)

原生金剛石的成礦問題，諸如成因、成礦概率低、成礦對地質背景要求高、含礦母巖類型較復雜以及火山機構含礦性差異等，可用地幔柱觀點將其統(tǒng)一于以金剛石捕虜晶為主要成因的系統(tǒng)解釋，即原生金剛石可形成于克拉通巖石圈地幔至核幔邊界D″層范圍，但由于碳循環(huán)的原因主要形成于古老克拉通巖石圈地幔，通過地幔柱或其影響導致的金伯利巖和/或鉀鎂煌斑巖巖漿的捕獲而被攜帶至地表成礦，因其比重較小而偏集于巖漿房及其向上遷移巖漿體上部，隨巖漿爆發(fā)侵位而主要在上部火山機構(火山口及火山頸/管道相)等富集成礦，以及呈現(xiàn)紛繁復雜的金伯利巖和鉀鎂煌斑巖地質現(xiàn)象，因產出大地構造位置及其遷移路徑不同而致巖石礦物學等特征的些許差別。

金剛石；原生礦；成礦；地幔柱

對于原生金剛石的找礦勘查，常因原生金剛石的形成及其成礦概率低、成礦對地質背景要求高、含礦母巖類型復雜以及火山機構含礦性差異等諸多問題，而致工作思路及技術方法等多陷入困惑。對此，本文試圖用地幔柱觀點將原生金剛石成礦的諸多地質問題統(tǒng)一于以金剛石捕虜晶為主要成因的系統(tǒng)解釋，旨在拋磚引玉，誠盼批評指教，希望能對金剛石成礦理論認識和找礦勘查工作有所幫助，加快新一輪金剛石找礦勘查突破。

1 金剛石的形成和賦存深度范圍

1.1 金剛石的形成條件與環(huán)境

1.2 金剛石成因之謎

目前研究認為，深部金剛石很難由石墨通過相轉變直接形成。如果石墨直接轉變?yōu)榻饎偸?，不同碳原子層之間需要組成新的C-C鍵(Sung J，2000)。這個過程需要溫度和壓力發(fā)生突然、劇烈的變化，并且所形成的金剛石多為微型晶體。而地球深部很難提供溫壓突變的條件，同時深部金剛石的晶形多為發(fā)育良好的八面體型(Stachel T，et al.，2005)。因此，深部金剛石不是由固態(tài)單質碳的相轉變形成(張舟等，2011)。目前的主流觀點是金剛石可以從流體/熔體中結晶生成。寶石級金剛石的晶體學研究表明，金剛石的生長過程必須有熔體參與(Bulanova G P，1995)。巖石圈地幔流體主要成分為CO2和H2O，而巖石圈地幔以下流體則主要為CH4和H2O(Zhang C，et al.，2009)。根據(jù)實驗研究結果，金剛石形成于流體/熔體中甲烷的氧化反應和碳酸鹽的還原反應(張舟等，2011)。同時，巖石圈地幔中存在的夭折巖漿脈體及其周圍地幔富含的流體，特別是深源熔體和/或流體的參與，是形成金剛石的最佳條件(鄭建平等，1994)。因為，熔體和/或流體及強應力的存在可以降低金剛石結晶時所需的溫壓條件(路鳳香等，1998)。

盡管原生金剛石的成因仍然是個謎，但地球年齡只有46億年，而已知金剛石的最老(結晶)年齡已有33億年，結合金剛石的生長環(huán)帶特征(陳美華等，1999)等，說明在地球圈層結構形成和演化過程，金剛石即已伴隨形成和生長。

2 金伯利巖與鉀鎂煌斑巖

2.1 金伯利巖

金伯利巖是一種偏堿性的超基性巖、具斑狀結構和(或)角礫狀構造的云母橄欖巖，常成群出現(xiàn)，其中以具斑狀結構且富含顆粒粗大橄欖石者含金剛石較富，而顯微斑狀結構富含金云母的金伯利巖含金剛石較貧。董振信(1994)綜合國內外巖石學家的看法及際研究認為，金伯利巖是一種富含揮發(fā)份(CO2及H2O)的偏堿性超基性巖的淺成—噴出巖，具塊狀、角礫狀及凝灰狀構造，有時見巖球狀構造，斑狀、顯微斑狀結構，斑晶為渾園狀，主要由原生礦物橄欖石、云母及副礦物鉻尖晶石、鎂鋁榴石、鈦鐵礦和單斜輝石等組成。這些礦物往往具有多世代的特點，蛇紋石化和碳酸鹽化強烈發(fā)育。巖石中常含幔源包體及巨晶礦物，含或不含金剛石。路鳳香(2008)認為金伯利巖是地幔物質、熔體(巖漿)和流體三種組分組成的復雜體系的固結產物，由充滿晶體(地幔及深源物質解體的礦物)、充填流體及硅酸鹽的熔體固結而成。

2.2 鉀鎂煌斑巖

鉀鎂煌斑巖為一種過堿性鎂質火山巖，主要由白榴石、火山玻璃形成，可含輝石、橄欖石等礦物，尤其是鉀堿鎂閃石，典型產地為澳大利亞西部阿蓋爾，是一種含金剛石的原巖。A·L·杰克斯(1984)將鉀其定義為一種超鉀質巖系列的火山或淺成相富鉀富鎂的煌斑巖類，主要由原生礦物和副礦物等構成。原生礦物主要為橄欖石、單斜輝石、金云母(通常含鈦)、白榴石、角閃石(通常是鉀堿鎂閃石)、斜方輝石、透長石和火山玻璃中的一種或幾種；副礦物主要為柱紅石、磷灰石、霞石、鉻尖晶石、鈣鈦礦、硅鋯鈣鉀石、鈦鐵礦、鎂鐵鈦礦、鉀鋇石、硅鈮鈦堿石等，可能含有上地幔的捕虜體和捕虜晶(包括橄欖石、輝石、尖晶石類、石榴石、金剛石)?；瘜W成分為基性或超基性，K2O/Na2O>3，Rb、Sr、Ba、Zr、Nb、Pb、Th、U和LREE豐度高(葉德隆，1993)。

3 地幔柱構造

地幔熱柱的認識源于熱點理論。Wilson(1963)首提熱點假說并用于夏威夷群島火山巖的成因解釋。Morgan(1971)認為Wilson(1963)所指的固定熱地幔源區(qū)實際上是一個產生于地幔底部熱邊界附近的熱幔柱，Deffeye(1972)認為熱幔柱系下地幔上涌形成。Anderson(1975)論述地幔柱為一種化學柱，其成分與周圍地幔物質存在明顯差別，來源于地幔底部的D″層，因外地核聚集的大量放射性元素及其放射熱導致D″層高溫低黏度而形成。這些概念奠定了地幔熱柱基本理論：發(fā)育于核—幔邊界的D″層，向上運移并逐漸擴大，當垂直運動至巖石圈底部便向四周拆離擴散，形成火山活動熱區(qū)，并可能使巖石圈上隆；與地幔熱柱上升對應，地幔其它部分形成地幔冷柱向下運動構成對流(牛樹銀等，2007)。

超級(巨型)地幔熱柱起源于核幔邊界，直徑達數(shù)千千米的熱物質上涌體，是大陸裂解和海底擴張的基本動力。冷地幔柱到達核幔邊界，引起熱擾動和熱物質上涌。巨型冷—熱地幔柱的相輔相成，構成了現(xiàn)代地球物質熱對流的主要方式(Senshu H，et al.，2009；滕吉文等，2014)。

4 金剛石原生礦的成礦問題及其地幔柱觀點解釋

4.1 金剛石來源深度問題

前已述及，金剛石的產生需要碳源和高壓環(huán)境。來源于地球深部的金剛石，存在于克拉通巖石圈地幔及其以下的軟流圈、轉換帶，甚至下地幔，以及核幔邊界的D″層(圖1)(Stachel T，et al.，2005)。顯然只有地幔柱才能將克拉通巖石圈地幔及其以下軟流圈、轉換帶、下地幔乃至D″層的金剛石攜帶至地表。

圖1 金剛石存在深度范圍(據(jù)Stachel T，et al.，2005)

4.2 原生金剛石低成礦率及其火山機構賦礦差異問題

但筆者分析認為，導致原生金剛石低成礦率問題，根本原因應主要為深部金剛石的形成以及被捕獲的量少，并且在活動的金伯利巖漿和鉀鎂煌斑巖漿中，比重較小的金剛石主要偏集于巖漿房及運動巖漿體上部，從而導致金伯利巖和鉀鎂煌斑巖火山機構的含礦差異，即作為捕虜晶以及部分結晶礦物的比重較輕的金剛石，應該主要偏集于富含揮發(fā)份的活動的各級巖漿房及其向上運移巖漿體上部，因此，不管是爆發(fā)或緩慢侵位，第一次噴發(fā)侵位的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖，顯然含金剛石的量應該最高，成礦的概率也應最高，并且金剛石主要富集于上部火山機構的火山口和巖管相(據(jù)路鳳香，2008)，從而導致少數(shù)巖體及其巖管才可能構成工業(yè)礦床。

4.3 克拉通條件對金剛石成礦的意義

4.3.1 克拉通根部溫壓條件

歷來強調克拉通對金剛石原生礦的成礦作用，其意義主要在于，克拉通具有適于金剛石形成及保存的如下簡要特征條件：

①發(fā)育有一般可深達200 km左右?guī)r石圈根或加厚的巖石圈；②這些克拉通穩(wěn)定固結時間早(多為太古代，南非克拉通形成于27億年前，華北克拉通穩(wěn)定于18億年前)；③巖石圈地溫低(一般<40 m W/m2)，符合正常地盾地溫和低的地表熱流值；④巖石圈地幔氧逸度偏低(路鳳香，2008)。同時，克拉通根部巖石圈地幔結晶生長的金剛石，位于軟流圈之上，更易于起源于軟流圈的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖巖漿捕獲和攜帶至地表成礦。因此，厚大的克拉通穩(wěn)定時間越長越利于金剛石結晶生長(圖2)及成礦。

4.3.2 深部碳循環(huán)問題

克拉通對金剛石成礦的更重要意義是，由于碳循環(huán)的原因，在克拉通下部巖石圈地幔，由于俯沖帶作用帶來更多的表殼碳源，從而利于金剛石的結晶生長，所以來源于克拉通巖石圈地幔的金剛石對世界金剛石資源的貢獻高達90.4%。巖石圈地幔以下各圈層形成的金剛石，其碳源主要為幔源碳，包括少量深循環(huán)殼源碳。

圖2 克拉通巖石圈地幔及俯沖帶深部金剛石成因

(Stachel T，et al.，2008)

Fig.2 Diamond genesis of Cratonic lithosphere mantle and deep subduction zone

4.3.3 金伯利巖和鉀鎂煌斑巖含礦差異問題

由于金伯利巖產于克拉通內部，不管其巖漿起源于克拉通巖石圈地幔，或者軟圈層及其以下的下地幔，或者源于核幔邊界的超級地幔柱，其巖漿向上遷移路徑金剛石穩(wěn)定區(qū)厚、豐度大，捕獲金剛石的幾率大，因而金伯利巖普遍含金剛石且部分巖體形成金剛石原生礦的概率較大。

4.4 含金剛石寄主巖侵位未形成大火成巖省問題

金伯利巖作為一種堿性巖石，與其它構成大火成巖省的相關巖漿系列不同，金伯利巖的產出顯得有些“獨來獨往”。一般認為，金伯利巖產于太古代克拉通，其下巖石圈厚度>200 km，巨厚的巖石圈可能阻擋了上升的地幔柱而抑制其減壓熔融，只發(fā)生低程度部分熔融形成富CO2的金伯利巖熔體，這些小體積巖體在穿越巖石圈過程中可能與其中交代富集組分發(fā)生反應而不斷增加其堿性程度(Mitchell RH，1986；徐義剛等，2013)。也就是說，厚大的克拉通巖石圈及其剛性特征，致使孕育金伯利巖或鉀鎂煌斑巖的地幔柱夭折，只有少數(shù)富含揮發(fā)份的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖漿能夠上升至淺表部位而“獨來獨往”。而其它巖漿巖多產于巖石圈減薄關系密切的板塊邊緣活動帶、克拉通邊緣褶皺帶，或活化地臺等而構成大火成巖省，這也從另一側面說明克拉通對原生金剛石成礦的重要性。

4.5 金剛石寄主巖石分類問題

自1887年Lewis正式識別并命名金伯利巖之后，人們對金伯利巖所特有的礦物組合及結構構造認識愈加深入，對金伯利巖的定義和分類也日趨一致。但也存在不少爭議或所強調側重點不一等。如Mitchell Rh(1986)強調金伯利巖必須含地幔捕虜體，并依據(jù)南非金伯利巖管開采揭示的結構，提出了金伯利巖結構成因分類及金伯利巖漿體系(淺成相、火山通道相和火山口相等)理想模式。我國華北地臺金伯利巖未涉及成因及相特點地劃分為金伯利角礫巖、凝灰金伯利巖和斑狀金伯利巖三大類(宋瑞祥等，2013)。

關于金伯利巖能否形成一個獨立的巖類問題。Mitchell(1986)主張引入金伯利巖類(金伯利巖漿分異形成的巖石范圍很寬)的概念。但1989年國際地質科學聯(lián)合會(IUGS)火成巖分類學委員會建議把金伯利巖從超鎂鐵質巖石中分出來，歸入煌斑巖類，即煌斑巖類包括煌斑巖、碳酸巖和金伯利巖三個亞類(王碧香，1990)。

這樣，金伯利巖和鉀鎂煌斑巖作為煌斑巖類的兩類巖石，不僅特征類似，在成因上應存在某種聯(lián)系，例如印度含金剛石的馬加旺巖體(筒)，既不是典型金伯利巖也不是典型鉀鎂煌斑巖，而似為金伯利巖和鉀鎂煌斑巖之間的過渡類型(A.Д.Харькив等，1992)。結合地幔柱觀點，可以認為金伯利巖和鉀鎂煌斑巖的起源應無本質區(qū)別，各巖石類型間的差異應系“分道揚鑣”之后，因遷移路逕和侵位構造部位不同而致巖石礦物學特征的有所不同。

4.6 原生金剛石成礦的地幔柱成因及其圍繞地幔柱分布問題

深部地球物理探測發(fā)現(xiàn)，在非洲和西南太平洋存在兩個超級地幔柱(Torsvik TH，et al.，2008)。將重建古地理位置的含金剛石金伯利巖投影，發(fā)現(xiàn)全球85%的金伯利巖落在兩大超級地幔柱范圍內，強烈暗示金伯利巖的形成可能與超級地幔柱的活動有關(Torsvik et al.，2010)。同時有力地支持了超級地幔柱的“固定”概念以及地幔柱的核慢邊界來源的傳統(tǒng)認識，而且為大火成巖省的地幔柱成因提供了強有力的證據(jù)。至于為什么大火成巖省出現(xiàn)在超級地幔柱的邊緣而不是在地幔柱的內部，目前還沒有定論，我們猜測這可能與超級地幔柱的陡峭邊緣有關(徐義剛等，2013)。因此，金剛石礦是地幔柱成礦體系的一個組成部分。某些大火成巖省內部可能存在被同化了的鉀鎂煌斑巖或金伯利巖金剛石礦床。

5 華北地臺與揚子地臺原生金剛石成礦淺析

中國東部巖石圈地幔在金伯利巖噴出的同時(460 Ma)及之前未曾受到過俯沖洋殼物質的改造，至少對碳同位素而言是如此。而揚子克拉通大陸巖石圈地幔在金剛石結晶前存在含輕碳同位素地殼物質的可能性(張宏福等，2009；陳華等，2013)。

6 結語

原生金剛石形成深度范圍包括克拉通巖石圈地幔至下地幔以及核幔邊界的D″層，但由于碳循環(huán)的原因主要形成于古老克拉通巖石圈地幔，通過地幔熱柱及其影響導致的金伯利巖漿和/或鉀鎂煌斑巖漿的捕獲而攜帶至地表成礦，在巖漿活動過程中作用，比重較小的金剛石主要偏集于各級巖漿房及向上遷移巖漿體的上部，因多次巖漿爆發(fā)或“緩慢”侵位而至金剛石主要富集于少數(shù)巖體及其上部火山機構——火山口相和火山頸(管道)而成礦，原生金剛石成礦為地幔柱成礦體系的一個組成部分，因遷移路逕及其產出大地構造位置的不同而致巖石礦物學等特征的些許差別，金伯利巖和鉀鎂煌斑巖紛繁復雜的地質現(xiàn)象等，均可統(tǒng)一于地幔熱柱的成因解釋中。

A.Д.Харькив，葉德隆.1992.印度中部Маджгаван含金剛石巖管的物質成分特征.地質科學譯叢，1：48-54.

陳華，丘志力，陸太進，等.2013.揚子克拉通及華北克拉通大陸巖石圈地幔碳同位素組成及其差異：金剛石碳同位素原位測試證據(jù).科學通報，58(4)：355-364.

陳美華，路鳳香，鄭建平.1999.遼寧復縣金剛石陰極發(fā)光特征及意義.地球科學，24(2)：179-182.

董振信.1994.中國金伯利巖.北京：科學出版社，12，298.

方維萱，胡瑞忠，蘇文超，漆亮，蔣國豪.2002.黔東-湘西早古生代巖石圈熱狀態(tài)與高產熱率HHPRM型地幔源區(qū).大地構造與成礦學，26(4)：337-344.

路鳳香，鄭建平，陳美華.1998.有關金剛石形成條件的討論.地學前緣(中國地質大學，北京)，5(3)：125-131.

路鳳香.2008.金伯利巖與金剛石.自然雜志，30(2)：63-66.

路鳳香.2011.地幔的窗口：金剛石.自然雜志，33(3)：161-165.

莫默，丘志力，陳華，等.2013.澳大利亞金剛石的成因類型及產地來源特征綜述.寶石和寶石學雜志，15(3)：65-74.

牛樹銀，孫愛群，王寶德.2007.地幔熱柱與資源環(huán)境.北京：地質出版社，1-2.

宋瑞祥，主編.2013.中國金剛礦礦床專論——中國金剛石礦找礦與開發(fā).北京：地質出版社，62-256.

滕吉文，宋鵬漢，毛慧慧.2014.當代大陸內部物理學與動力學研究的導向和科學問題.中國地質，41(3)：675-697.

王碧香.1990.國際火成巖分類命名研究現(xiàn)狀.地質科技情報，第4期：32，49.

徐義剛，王焰，位荀，等.2013.與地幔柱有關的成礦作用及其主控因素.巖石學報，29(10)：3307-3322.

葉德隆.1993.鉀鎂煌斑巖的鑒別標準和分類命名.地質科技情報，12(1)：39-46.

張宏福，路鳳香，趙磊，等.2009.中國原生金剛石的碳同位素組成及其來源.地球科學——中國地質大學學報，34(1)：37-42.

張培元，周永芳，王家樞.1982.世界金剛石礦床的形成和分布規(guī)律.北京：地質出版社，1-236.

張舟，張宏福.2011.金剛石與深部碳循環(huán).地學前緣(中國地質大學，北京)，18(3)：268-283.

鄭建平，路鳳香，郭暉，等.1994.金剛石中流體包裹體的研究.科學通報，29(3)：253-256.

Agashev A，Pokhilenko N，Takazawa E，et al.2008.Primary melting sequence of a deep(>250 km) lithospheric mantle as recorded in the geochemistry of kimberlite-carbonatite assemblages，Snap Lake dyke system，Canada.Chemical Geology，255(3/4)：317-328.

Anderson D L.1975.Chemical plume in the mantle.Geo，Soc.Am，Bull.，86：1593-1600.Bulanova G P.1995.The formation of diamond.Journal of Geochemical Exploration，53：1-23.

Cartigny P.2005.Stable isotopes and the origin of diamond.Elements，1(2)：7l-84.

Clifford T.1966.Tectono-metallogenic units and metallogenic provinces of Africa.Earth and Planetary Science Letters，1(6)：421-434.

Deffeys K S.1972.Plume convection with a upper mantle temperature inversion.Nature，240：539-544.

Gurney J J，Helmstaedt H H，Roex L.2005.Diamonds：Crustal distribution and formation processes in time and space and an integrated deposit model.Economic Geology，100th Anniversary Volume：143-177.

Haggerty SE.1994.Superkimberlites：A geodynamic diamond window to the Earth’s core.Earth and Plannetary Science Letters，122(1-2)：57-69.

Mitchell Rh.1986.Kimberlites：Mineralogy，Geoohemistry and Petrology.New York：Plenum Press，1-442.

Morgan W J.1971.Plate motions and deep mantle convection.Geo，Soc.Am，Mem.，132：7-23.

Richardson SH.1986.Latter-day origin of diamonds of eclogitic paragenesis.Nature，322：623-626.

Ringwood AE，Kesson SE，Hibberson W，et al.1992.Origin of kimberlites and related magmas.Earth and Planetary Science Letters，113(4)：521-538.

Senshu H，Maruyama S，Rino S，et al.2009.Role of tonalite-trodhjemite-granite(TTG) crust subduction on the mechanism of supercontinent breakup.Gondwana Research，15(3)：433-442.

Stachel T，Brey G，Harris J.2005.In clusions in sublit hospheric diarnonds：Glimpses of deep Earth.Elements，1(2)：73-78.

Sung J.2000.Graphite-diamond transition under high pressure：A kinetics approach.Journal of Materials Science，35(23)：6041-6054.

T.Stachel，J.W.Harris.2008.The origin of cratonic diamonds-Constraints from mineral inclusions.Ore Geology Reviews 34：5-32.

Torsvik TH，Burke K，Steinberger B，et al.2010.Diamonds sampled by plumes from the core-mantle boundary.Nature，466(7304)：352-355.Torsvik TH，Smethurst MA，Burke K，et al.2008.Long term stability in deep mantle structure：Evidence from the -300Ma Skagerrak-Centered Large Igneous Province(the SCLIP).Earth and Planetary Science Letters，267(3-4)：444-452.

Walter MJ，Kohn SC，Araujo D，et al.2011.Deep mantle cycling of oceanie crust：Evidence from diamonds and their mineral inclusions.Science，334(6052)：54-57.

Wilson J T.1963.Mantle plume and Plate motion.Tectonophysi￣cs，19(2)：149-194.

Wyllie P.1980.The origin of kimberlite.Journal of Geophysical Research，85：6902-6910.

Zhang C，Duan Z H.2009.A model for C-O-H fluid in the Earth’s mantle.Geochimica et Cosmochimica Acta，73(7)：2089-12102.

Zhang Zhou，Zhang Hongfu.2011.Diamond and deep carbon cycle.EarthScience Frontiers，18(3)：268-283.

Mantle plume genetic explanation:Metallogenesis of primary diamond deposit

HU Yi- zhong，YANG Guang-zhong，RAO Hong-juan

(GeologicalParty101，GuizhouBureauofGeologyandMineralExploration&Development，Kaili556000，Guizhou，China)

It is widely concerned about the undetermined metallogenic problems of primary diamond，such as complicated metallogenesis，low metallogenetic probability，severe ore-forming geologic setting，complex ore-bearing parent rock types，different ore-bearing potential of volcanic edifice，and so on. However，we maybe attribute these issues to diamond xenocryst mainly genetic interpretation，the primary diamond can be formed in the cratonic lithosphere mantle to core-mantle boundary D″layer range，owing to carbon cycle results from ancient cratonic lithospheric mantle，the mantle plume leads to diamonds in deep earth could be captured and carried to the surface by kimberlitic and/or lamproitic magmas，which experienced a livelong and complicated mineralization process. Because its specific gravity is low，it tends to assemble in the upper unit of magma chamber and upwelling asthenolith. Along with magmatic explosion，it intrudes into surface and enrichment mineralization，mainly in the upper part (volcanic crater and neck or pipe facies) of volcanic edifice. Besides it also appears multitudinous and varying geology phenomena of kimberlites and lamproites，different geotectonic positions and its migration paths give rise to different petrological and mineralogical characteristics.

Diamond；Primary deposit；Metallogenesis；Mantle plume

胡一忠(1969—)，男，貴州凱里人，地質工程師，長期從事區(qū)域地質和礦產地質調查工作。

P619.24+2

A

1000-5943(2016)04-0251-06

[收購日期]2016-08-05