◇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成分和氧逸度顯著變化有關的多級過程，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)的重要標本，常出現(xiàn)在鉀鎂煌斑巖中，由于其化學惰性，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。詳細的碳同位素分析表明，金剛石中碳的擴散緩慢，地幔溫度下的細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、氧逸度等物理化學環(huán)境具有重要作用。根據(jù)金剛石形成的構造地質(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熱（38～42mW/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]到較冷的地熱梯度，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]到較熱的地熱梯度，如典型的洋殼地幔，金剛石在溫度>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。

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，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、地球化學和同生包裹體進行研究。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，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，由礦物學和包裹體的化學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被認為是原鈣鈦礦結構的礦物。大部分包裹體的化學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構組成，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，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的材料中也有相關發(fā)現(xiàn)。在金伯利巖和相關沖積礦床中，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構方面（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，可能與撞擊相關的，也可能與地幔流體有關。

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，相關的沖積礦床中大小有500 μm）已經(jīng)被記載并做過地球化學研究。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，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，一種廣泛的科學共識已經(jīng)出現(xiàn)，承認流動的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。這種結論的證據(jù)是相當充分的。包括單晶金剛石中礦物包裹體的化學變化；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成分和氧逸度顯著變化有關的多級過程。變質(zhì)金剛石和黑金剛石都被認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條件，金剛石及其包裹體記錄著與化學成分和氧逸度顯著變化有關的多級過程，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。