山東蒙陰金剛石晶體特征及其形成條件

呂青，夏立獻，肖丙建，王偉德，周登詩

(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006)

0 引言

金剛石作為碳在高溫高壓地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物，具有獨特的晶體特征[1]，隨后經(jīng)歷的地質(zhì)環(huán)境變化又會對其晶體形態(tài)和表面特征等造成影響，使金剛石具有在特定環(huán)境下產(chǎn)出的晶體特征，這些特定的特征揭示了金剛石形成及其后所經(jīng)歷一系列地質(zhì)環(huán)境變化的物化信息。

山東蒙陰地區(qū)是我國最早發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)價值的金剛石原生礦的區(qū)域，前人對該區(qū)金剛石的成因和成礦條件進行了較多研究。研究表明，蒙陰金剛石具有完好的晶體形態(tài)、復(fù)雜多樣的晶面特征、獨特的內(nèi)部生長特征和典型的包裹體特征。該文較全面總結(jié)了前人對金剛石晶形的研究成果，以期為探討金剛石的形成條件、生長過程提供有價值的信息。

1 地質(zhì)背景

山東蒙陰金剛石的原生礦——金伯利巖賦存于魯西地區(qū)的中部，在NW向的蒙山、新泰-垛莊、銅冶店-蔡莊等斷裂與NNE向的上五井?dāng)嗔呀粫帠|側(cè)的斷塊隆起區(qū)。金伯利巖體集中分布，構(gòu)成巖帶。巖帶分布區(qū)斷續(xù)長達55km，總體走向55°，由南向北分成常馬莊、西峪和坡里3個巖帶(圖1)，其中常馬莊巖帶有8組巖脈和2個巖管；西峪巖帶有8個巖管、1個巖床(管)、14組巖脈；坡里巖帶由25組巖脈組成。3個金伯利巖帶中，常馬莊巖帶含礦性最好，發(fā)現(xiàn)巖體(包括巖管、巖床和巖脈)9個，均含礦，8個達到工業(yè)品位[2]；西峪巖帶含礦性次之，金剛石含量中到貧，發(fā)現(xiàn)巖體24個，均含礦，17個達到工業(yè)品位[3]；坡里巖帶含礦性差，發(fā)現(xiàn)25個巖體，10個含礦，均達不到工業(yè)品位。在空間分布上，金伯利巖體的含礦性具有南富北貧、中間富兩邊貧等變化規(guī)律：北部的坡里巖帶中金剛石貧，南部的常馬莊巖帶中金剛石最富，中部的西峪巖帶金剛石含量居兩者之間。同一金伯利巖帶、同一金伯利巖脈中也存在著南富北貧、中間富兩端貧的的現(xiàn)象趨勢[4]。

2 金剛石的晶體特征及形成條件

2.1 金剛石的晶體形態(tài)特征

蒙陰金剛石晶體形態(tài)的以平面八面體、階梯狀八面體、八面體與曲面菱形十二面體聚形和曲面菱形十二面體四類形態(tài)為主(圖2)，還有少量的立方體、曲面四六面體、曲面六八面體、曲面六四面體、八面體與菱形十二面體聚形、八面體與曲面六八面體聚形及立方體聚形等，也常見不規(guī)則連生體和雙晶[5]。

a—八面體 ；b—階梯狀八面體；c—菱形十二面體圖2 蒙陰金剛石常見晶形

(1)平面八面體：晶棱呈直線，頂角尖銳，晶面平滑無溶蝕，透明度高，晶體內(nèi)部很少有包體或裂隙。八個晶面有正三角形、等腰梯形、五邊形和平行六邊形4種。

(2)階梯狀八面體：八面體(111)晶面呈階梯狀層層疊置并逐漸縮小，階梯的高度不一；同時，在八面體晶核兩側(cè)，出現(xiàn)寬窄疏密不等的溝槽狀復(fù)合表面。這種隨(111)晶面逐漸縮小而留下的溝槽，實際上是八面體(111)晶面和菱形十二面體(110)晶面反復(fù)交互生長的結(jié)果。

(3)八面體與曲面菱形十二面體聚形：八面體(111)晶面為三角形平面，八面體晶棱位置是渾圓的菱形十二面體晶面。

(4)菱形十二面體：最常見的是沿晶軸方向壓扁或拉長的曲面變形菱形十二面體。

(5)立方體：晶面粗糙，光澤暗淡，晶棱呈鋸齒狀，它由兩組階梯狀的八面體平面交錯而成，在蒙陰金剛石中少見。常見連生體的是八面體的平行連生晶體，常見有尖晶石律雙晶和星狀雙晶[6]。

在理想的情況下，金剛石應(yīng)該生長為標(biāo)準(zhǔn)的八面體形態(tài)[7]，但由于金剛石形成過程中物理化學(xué)環(huán)境的差異性變化而形成多種多樣的天然結(jié)晶形態(tài)。天然八面體金剛石是低過飽和液相條件下的螺旋生長機制，晶體結(jié)晶時的溫壓條件相對穩(wěn)定；而立方體金剛石形成于碳飽和度較高的條件下；菱形十二面體、四六面體金剛石是原生八面體和立方體金剛石熔蝕的產(chǎn)物，它們不代表金剛石的穩(wěn)定形成條件，而代表金剛石在準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)受改造的條件[1]。

通過對山東蒙陰地區(qū)金剛石晶體形態(tài)和粒徑大小的統(tǒng)計(表1)，可以看出，在3個金伯利巖帶中的立方體形態(tài)的金剛石的所占比例很少，八面體與菱形十二面體的金剛石所占比例高；菱形十二面體明顯大于八面體金剛石的粒徑，立方體的粒徑最小；立方體與八面體聚形的所占比例遠(yuǎn)低于八面體與菱形十二面體聚形。

金剛石的晶體形態(tài)特征、粒徑大小在含礦性不同的金伯利巖體中具有很大的差別。在常馬莊富礦巖帶的主要晶體類型有6種，且大粒徑金剛石占比高；在坡里貧礦巖帶的主要晶體類型只有3種，且小粒徑金剛石占比高。鄭建平等[8]研究認(rèn)為，富礦巖體中金剛石晶體形態(tài)復(fù)雜多樣且熔蝕形態(tài)(菱形十二面體)所占的比例明顯高，表明其中的金剛石經(jīng)歷了更為復(fù)雜的環(huán)境變化。

楊志軍等[9]研究山東蒙陰金剛石多晶的不同金剛石晶粒(或部位)的差異，認(rèn)為金剛石多晶并不是在成核階段所形成的，而可能是金剛石生長過程中或者金剛石顆粒形成后在某個特殊條件下再聚集連接起來的。山東蒙陰金剛石多晶很可能形成于含氮量低的深部地幔，形成后在地幔中儲藏了一段時間。

2.2 金剛石的晶面形貌特征

在金剛石晶體上常見復(fù)雜但有規(guī)律的表面形貌，其形成與晶體的生長過程或與晶體形成后的塑性變形、溶蝕作用有關(guān)。蒙陰金剛石晶體上常見的表面微形主要包括：倒三角形凹坑、平底的四邊形凹坑、溶蝕溝(圖3)、暈線、鱗片狀蝕象、塑性變形滑動線、網(wǎng)格狀蝕象、圓盤狀凹坑、蛀穴狀凹坑、疊瓦狀蝕象、圓弧形蝕象、毛玻璃化蝕象等[5]。

表1 山東蒙陰地區(qū)金剛石晶體形態(tài)和粒徑大小的關(guān)系

a—倒三角形凹坑；b—四邊形凹坑；c—溶蝕溝圖3 蒙陰金剛石的表面形貌

三角形凹坑是在溶解作用的影響下，金剛石晶面上出現(xiàn)的形態(tài)大小不等的凹坑，倒三角形凹坑有時由于快速溶解，可以擴展形成多邊形凹坑。暈線是最常見的晶面形貌之一，密集排列呈凸起狀，這是由于晶面分層及生成溶解而造成的細(xì)微層狀蝕象。溶蝕溝為晶體表面沿連生縫合線、裂隙或包裹體發(fā)育的渾圓槽形溝。塑性變形滑動線反映了金剛石晶體在生長后經(jīng)歷的塑性變形。立方體晶面上的網(wǎng)格狀花紋，花紋與立方體晶棱平行，它是由許多大小相近的正方形或矩形凸起邊毗連而成。疊瓦狀蝕象是因晶面遭受侵蝕而成的三方錐疊加在一起呈疊瓦狀分布所致，表明晶體的晶面遭受了強烈的侵蝕作用。毛玻璃化蝕象呈薄膜狀或斑點狀不均勻地覆蓋在晶體表面，使整個晶體表面粗糙、光澤暗淡、乳白色，似毛玻璃一般[5]。

Beskrovanov[10]報道了金剛石隨著碳過飽和程度的降低或熔蝕作用時間的延長，遭受熔蝕的特征會更加清楚。鄭云龍等[7]認(rèn)為氧逸度對金剛石表面微形貌形態(tài)具有重要作用；金剛石的鋸齒狀生長紋與富含揮發(fā)份的金伯利巖密切相關(guān)。池際尚等[11]對金剛石表面蝕象的研究指出，蝕象在大顆粒金剛石晶面上發(fā)育，而小顆粒金剛石晶面上則不發(fā)育；金剛石的顆粒大小還決定著其受塑性變形作用概率，在小顆粒金剛石比大顆粒金剛石中具塑性變形的概率低；十二面體和立方體金剛石的蝕象較八面體蝕象要發(fā)育的多。

2.3 金剛石的內(nèi)部生長特征

張蓓莉等[12]觀察山東蒙陰金剛石薄片結(jié)果表明金剛石具有不同程度的異常雙折射現(xiàn)象，主要呈現(xiàn)為：花瓣、放射狀消光圖案，復(fù)合疊加消光圖案，平直消光圖案，無固定形態(tài)的消光圖案等。金剛石作為等軸晶系的均質(zhì)體礦物，常常表現(xiàn)出光學(xué)異常性，這是由于不同的內(nèi)應(yīng)力引起的[13]。內(nèi)應(yīng)力源于晶體內(nèi)部構(gòu)造的不同、晶體中的位錯、包裹體、裂隙及與塑性變形和機械沖擊有關(guān)的各種類型缺陷的分布不同，造成了各種各樣的雙折射圖案，這些圖案可以反映金剛石生長過程及生長后期所經(jīng)歷的塑性變形、脆性變形、后期應(yīng)變等相關(guān)信息[14]。

金剛石晶體生長過程通常需要較長的時間，金剛石的異常雙折射現(xiàn)象是由于金剛石在其生長過程中環(huán)境P-T-fO2、碳飽和程度等環(huán)境的改變，導(dǎo)致雜質(zhì)和晶體缺陷在晶體中的不均勻分布而成環(huán)帶構(gòu)造[15]。Beskrovanov[10]研究發(fā)現(xiàn)單晶金剛石內(nèi)部都有中心區(qū)、過渡區(qū)和邊緣區(qū)，這表明天然金剛石生長過程分為早期生長階段、過渡階段和晚期生長階段。鄭建平[16]對金剛石的微形貌和內(nèi)部生長特征觀察后認(rèn)為，金剛石的形成具有多期多階段的特點。通過對不同環(huán)帶形態(tài)的研究就可以了解金剛石生長環(huán)境相態(tài)。山東蒙陰金剛石晶體以兩期和多期生長結(jié)構(gòu)為主。張蓓莉等[12]利用陰極發(fā)光圖像觀察蒙陰常馬勝利Ⅰ號中的金剛石內(nèi)部生長特征：①多數(shù)晶體顯示明顯的兩期生長或多期生長結(jié)構(gòu)，晶體的整體生長過程沒有中斷。②有的金剛石早期階段生長過程不均勻，之后經(jīng)歷了一段時間的均勻生長，但是在晶體生長后期長期遭遇強烈的溶蝕作用。③有的晶體具有“似瑪瑙狀”等特殊的生長結(jié)構(gòu)，這是金剛石在特定的生長條件下，由多中心發(fā)展而成。這種結(jié)構(gòu)反映了金剛石結(jié)晶于粘性大、碳過飽和的環(huán)境中；在高溫下的變形亦是產(chǎn)生“似瑪瑙狀”生長結(jié)構(gòu)的因素之一。陳美華等[17]研究山東蒙陰金剛石的“似瑪瑙狀”生長結(jié)構(gòu)及氮、氫雜質(zhì)分布，認(rèn)為該生長結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)不均一特點揭示了金剛石生長過程中熔/流體的參與作用和生長條件、環(huán)境的復(fù)雜性。

3 金剛石中的包裹體

目前發(fā)現(xiàn)的山東蒙陰金伯利巖區(qū)金剛石包裹體有石墨、橄欖石、石榴石、輝石、鉻尖晶石類礦物、金云母、金剛石、硫化物[18]、針鎳礦、方解石、氯化物包裹體[19]、閃鋅礦[20]、石鹽[21]、自然鐵、自然銀[22]、含銀鐵-金合金包體、巖漿熔融包裹體[23]和共生于同一金剛石的橄欖巖型和榴輝巖型的礦物包裹體[24]。最常見的有以下幾種：石墨包裹體，呈灰黑色或黑色的片狀、鱗片狀或花朵狀，不透明；橄欖石包裹體，為一些無色透明的板柱狀晶體，玻璃光澤；金剛石包裹體，為一些棱角尖銳的平面八面體或階梯狀八面體，無色，透明，金剛光澤；鉻鐵礦包裹體，較少見，為一些瀝青黑色，等軸狀或厚板狀八面體，不透明，在燈光照射下，邊緣呈紅褐色；鎂鋁榴石包裹體，少見，為一些等軸狀的粉紅色、紫紅色、紫色、暗紫紅色、橙黃色晶體，透明或半透明，玻璃光澤；鉻透輝石包裹體，罕見，為翠綠色的板柱狀晶體，半透明，玻璃光澤[5，18]。

根據(jù)源區(qū)特征將包裹體分為：一類為P型或U型(橄欖巖型或超鎂鐵巖型)[25]，如鎂橄欖石、頑火輝石、鎂鋁榴石、硫化物、鉻透輝石、鉻鐵礦、鎂鈦鐵礦、自然鐵、石墨等；另一類為E型(榴輝巖型)，如單斜輝石、鎂鋁-鐵鋁榴石、綠輝石、藍晶石、透長石、尖晶石、金紅石、剛玉、硫化物、石墨、鋯石、榍石等；根據(jù)形成時間將包裹體分為：先成包裹體、同生包裹體和后生包裹體。

蒙陰金剛石包裹體的化學(xué)成分和組合特征以P型占主導(dǎo)，石榴子石幾乎全部為G10型，在P型包裹體中以方輝橄欖巖和純橄欖巖組合為主，二輝橄欖巖組合次之，存在一部分榴輝巖型和混合型的包裹體組合，這與其金伯利巖中地幔巖包裹體主要為橄欖巖類巖石一致。與金剛石同時結(jié)晶形成的同生石墨包裹體的存在可能說明金剛石生長環(huán)境經(jīng)歷了明顯的溫壓變化[12]；在同一顆金剛石中發(fā)現(xiàn)P+E型包裹體[24]，反映了金剛石形成環(huán)境有變化的特點；硫化物包裹體在金剛石中廣泛存在，硫化物熔體被認(rèn)為是絕大多數(shù)幔源金剛石形成的決定性因素[24]；罕見的巖漿熔融包裹體，是經(jīng)熔離作用的巖漿熔體在溫度下降、氧逸度很低和淬火作用條件下形成的[26]。

對流體包裹體的研究表明，金剛石的形成受多種環(huán)境因素制約：溫度和壓力對金剛石的形成起著主要的控制作用，氧逸度在金剛石的形成過程中同樣起著不可缺少的作用[27-28]；實驗證實，在含有揮發(fā)分的環(huán)境中可以合成金剛石，且對溫度、壓力等環(huán)境要求有所降低，可以推測揮發(fā)分的存在有利于金剛石的保存；有經(jīng)濟價值的金伯利巖型金剛石并不一定是在固態(tài)的環(huán)境生長，而是與熔/流體的活動有密切關(guān)系[28]。

4 結(jié)論

(1)山東蒙陰金剛石晶體形態(tài)以平面八面體、階梯狀八面體、八面體與曲面菱形十二面體聚形和曲面菱形十二面體四類形態(tài)為主，多種類型的天然結(jié)晶形態(tài)指示了物理化學(xué)環(huán)境的差異性。八面體金剛石可能是在早期低過飽和液相條件下自由生長形成，后期部分八面體金剛石受熔蝕成曲面菱形十二面體；少量的立方體金剛石形成于較高過飽和條件下；多晶金剛石可能是在其生長過程中或者金剛石顆粒形成后在某個特殊條件下再聚集連接起來的。

(2)蒙陰金剛石的倒三角形凹坑、平底的四邊形凹坑、溶蝕溝、暈線、鱗片狀蝕象與溶蝕作用有關(guān)；塑性變形滑動線是由塑性變形再經(jīng)溶蝕作用形成；網(wǎng)格狀蝕象、圓盤狀凹坑、蛀穴狀凹坑、疊瓦狀蝕象、圓弧形蝕象、毛玻璃化蝕象等與晶體的生長過程或與晶體形成后遭受了強烈的侵蝕作用有關(guān)。

(3)蒙陰金剛石內(nèi)部多呈兩期生長或多期生長結(jié)構(gòu)，有部分晶核有強烈的溶蝕作用，揭示了金剛石生長過程中熔/流體的參與作用和生長條件、環(huán)境的復(fù)雜性。

(4)金剛石中存在多種礦物包裹體，常見的有石墨、橄欖石、鉻鐵礦、鎂鋁榴石、鉻透輝石等，包括P型或U型及E型二種類型包裹體，反映其生長環(huán)境經(jīng)歷了明顯的溫壓變化。