第1章 绪论
金刚石是一种由碳元素组成的单质矿物，与石墨、赵击石等共同构成同质四象。它是目前自然界发现的*为坚硬的矿物，化学性质稳定，用途广泛。在工业上常用作切割工具，在高温高压实验研究中用作金刚石压腔，在生活中象征*坚不可摧的爱情。由于金刚石具有高折射率，在灯光下显得熠熠生辉，因此常作为宝石，具有极高的经济价值。金伯利岩作为与金刚石关系*为紧密的岩石，虽然在自然界的分布极少，但受到地质学者们的广泛关注。金伯利岩也是目前地球上来源*深的天然样品，对于了解深部岩石圈地幔性质及演化具有不可替代的优势。本书选择华北克拉通瓦房店含金刚石金伯利岩岩区作为研究对象，重点介绍金伯利岩岩石学特征及金刚石成矿过程，以期对我国金刚石成矿作用和金刚石勘探提供一定的理论指导。
1.1 金刚石
1.1.1 世界金刚石矿床发现简史
印度是*早发现金刚石的国家。大约在2800年前，在现在印度安得拉邦境内的克里希纳河和彭纳河的砂砾层中，发现了大量的金刚石。从河流砂砾层和古老的砂砾岩中开采金刚石在印度持续了十几个世纪。到20世纪30年代印度才发现了原生金刚石矿，然而这些原生矿储量有限，品位很低（张培元，1997）。17世纪中叶，巴西在米纳斯吉拉斯州首次发现金刚石砂矿，随后在皮奥伊州等地也找到了金刚石砂矿床。结果，巴西取代了印度成为世界金刚石的主要来源地。然而经过300多年的普查找矿，巴西虽然找到了600 多个金伯利岩体，但没有一个岩体是具有经济价值的金刚石原生矿（张培元，1997）。
1866年是世界金刚石找矿史上非常重要的一年，这一年在南非首次发现金刚石。这颗金刚石在开普省金伯利城以西的霍普敦附近的奥兰治河（Orange river）阶地上被发现，重21.25克拉，被命名为“尤里卡”（Eureka）（Lewis， 1887）。1869年在该地又发现了一颗重达83.5克拉的宝石级金刚石，命名为“南非之星”（Star of South Africa）。此后，在南非掀起了寻找金刚石的热潮，成千上万的人聚集在奥兰治河的阶地砂砾层中寻找金刚石并发现了几处规模大、品位高的金刚石砂矿。在开采金刚石砂矿的过程中，于1869年在金伯利地区的布尔丰坦（Bulfontien）农场首次发现了世界上第一个富含金刚石的金伯利岩筒，即金刚石原生矿床；同年在布尔丰坦农场附近的杜托依茨潘（Dutoitspan）农场发现了富含金刚石的金伯利岩筒。1870年在金伯利城附近发现了举世闻名的“金伯利”（Kimberlity）和“戴比尔斯”（De Beers）金伯利岩筒。金伯利岩（kimberlite）的命名由此而来（张培元，1997）。后来在南非又陆续发现了著名的“普列米尔”（Premier）、“芬契”（Finsch）和“维尼仕亚”（Venetia）金伯利岩筒。随着这些原生矿和其他砂矿的发现，在19世纪中叶，南非取代了巴西，成为世界上*重要的金刚石产地。南非目前发现的金伯利岩筒超600个，其中约60%含金刚石，具有重要经济价值的大约有10个。
1908年在西南非洲（1968年更名为纳米比亚）发现了金伯利岩筒。随后的勘查工作表明，这里蕴藏着世界上*大的滨海金刚石砂矿，金刚石的质量也*好，宝石级金刚石约占95%。
俄罗斯早在1829年就发现了第一个次生金刚石，然而直到1954年才发现第一个含金刚石的金伯利岩筒——“闪光”岩筒。1955年以后，该区又陆续发现了多个大型金刚石原生矿床。自1971年以后，苏联的金刚石产量就超过南非，仅次于扎伊尔[现为刚果（金）]，跃居为世界第二位。
澳大利亚1851年在东南部的新南威尔士开采黄金和锡石砂矿时首次发现金刚石。历经一个多世纪，直到20世纪70年代才将金刚石找矿的重点地区由东部转移到西北部，在西澳的金伯利地区发现了一批含金刚石的金伯利岩筒。特别是1979年发现了金刚石原生矿床的新类型——钾镁煌斑岩型金刚石原生矿床，使澳大利亚一跃成为世界上*重要的金刚石产地。
美国早在20世纪初期就有发现金刚石的报道，但至今尚未找到具有重要经济价值的金刚石矿床。与美国相邻的加拿大早在1899年就被预测有金刚石，然而历经近100年，除发现少量金刚石和微含金刚石的金伯利岩筒外，几乎一无所获。直到1981年，在菲普克为首的三人小组艰苦奋斗下，才终于发现了大型金刚石原生矿床。加拿大比较著名的金伯利岩筒有“熊猫”“树熊”“狐狸”“莱斯里”“米色利”等。
中国*早发现金刚石是清朝道光年间（1821～1850年）在湘西地区的桃源、常德等地。大约在同一时期，山东临沭中下游的郯城地区也发现了金刚石（张培元，1997）。1953年以来先后在山东、湖南、贵州、江苏、辽宁等省开展金刚石普查，并取得了金刚石的勘探突破。20世纪50年代在湖南发现了金刚石砂矿；60年代在山东沂蒙地区首次发现了金伯利岩型金刚石原生矿床；70年代在辽宁南部地区发现了金刚石原生矿床，金刚石品质高，以宝石级金刚石为主。
1.1.2 金刚石物理化学特征
金刚石（diamond），又称钻石，是一种由碳元素组成的单质矿物，与石墨、赵击石等构成同质四象。它具有金刚光泽、高折射率（2.40～2.48）等特征。自然界中金刚石有无色、淡黄色、黄色、蓝色、褐色等，其中以前两种颜色为主。市场上*为常见的为无色透明的钻石，而有些特殊颜色的有色钻石价格不菲。世界上*昂贵的有色钻为蓝色的水蓝钻石——希望之星。金刚石呈现不同颜色的原因有多种，如金刚石中含有杂色元素、晶格错位或缺陷、包裹体等。金刚石中除碳元素外，常含有一定含量的氮（N）、硼（B）、硅（Si）和氧（O）（Mainwood，1979；BriddoNand Jones， 1993; Kaminsky et al.， 2001; Breeding and Shigley， 2009）。氮和硼是金刚石中含量*高并且*重要的杂质元素，它们的含量和赋存状态是金刚石类型划分的重要依据（图1-1）。
图1-1不同类型金刚石的内部原子特征
金刚石中N的含量及特征可以利用红外光谱仪进行分析。根据N含量的不同，金刚石可以被划分为Ⅰ型金刚石（N含量高于20×10–6）和Ⅱ型金刚石（N含量低于20×10–6，不足以被红外吸收光谱仪检测到）（Kaminsky et al.，2001；Breeding and Shigley，2009）。Ⅰ型金刚石杂质N的红外吸收峰主要表现为1370 cm–1、1430 cm–1、1282 cm–1、1175 cm–1 和1130 cm–1等，Ⅱ型金刚石表现为微弱的或无杂质N吸收峰。根据杂质N在晶格中的聚集状态，Ⅰ型金刚石可以进一步被划分为Ⅰa和Ⅰb型金刚石。Ⅰa型金刚石中的氮原子呈现出聚集状态，可以表现为两个氮原子相邻（又称作A 心）或四个氮原子相邻（又称之为B心）以及它们的过渡状态，相对应形成的金刚石称为ⅠaA型、ⅠaB型和ⅠaAB型金刚石。Ⅰb型金刚石中的氮原子表现出孤立的状态，相互之间不相邻。Ⅱ型金刚石同样可以根据杂质硼（B）含量进一步分为Ⅱa 和Ⅱb型金刚石，其中Ⅱa型金刚石不含杂质硼，红外光谱无明显吸收峰，Ⅱb型金刚石含有杂质硼，具有2800 cm–1 的红外光谱吸收峰（Breeding and Shigley， 2009）。
在地幔环境中，金刚石中的氮呈现出由孤立状态向聚集状态转变的趋势，转变的速率主要由金刚石所在的地幔源区温度决定（Evans and Qi，1982）。从Ⅰb型金刚石向ⅠaA型金刚石的杂质N转变速率是非常快的，而ⅠaA型金刚石向ⅠaB型金刚石的杂质N转变要缓慢一些（Taylor et al.， 1996）。在金刚石稳定的温度范围内（例如>950℃），Ⅰb 和ⅠaA型金刚石在地幔中的滞留时间很短（<<15Ma），而ⅠaB型金刚石的滞留时间相对较长一些。金刚石中不同类型的氮集合体（主要是“A心”和“B心”）的相对比例可用来估算金刚石在地幔中的留存时间，结合金刚石载体岩石（如金伯利岩）的形成时代，可获得金刚石的结晶时间（Evans and Harris，1986; Taylor et al.，1990)。蔡逸涛等（2020）利用此方法计算了徐州碱性基性岩中金刚石在地幔中赋存的年龄为550 Ma，比辽宁金刚石赋存年龄短300 Ma。
1.1.3 金刚石中包裹体
金刚石在形成过程中往往会包裹周围环境中的物质，这些物质被称为包裹体。金刚石中包裹体为我们了解金刚石形成环境、形成时代、形成机制提供了重要信息（Stachel and Luth， 2015）。对金刚石中包裹体的描述和研究可以追溯到20世纪50年代。金刚石中包裹体主要为硅酸盐矿物（如橄榄石、单斜辉石和石榴石），还包括氧化物（如铬尖晶石和柯石英）、金属（如自然铁和自然镍）、硫化物（如黄铁矿）以及碳化硅和碳化铁（Davies et al.， 2004; Hunt et al.， 2012; Kaminsky and Wirth， 2011; Leung et al.， 1990; Miller et al.， 2014; Moore and Gurney， 1985; PearsoNet al.， 1998; Smit et al.， 2010；Stachel and Harris， 2008）。Stachel 和Harris（2008）对3145 粒含有硅酸盐矿物和氧化物矿物包裹体的金刚石进行了统计分析，约有90.4% 的金刚石来源于克拉通岩石圈地幔；3.6%的金刚石含有超硅石榴石（majoritic garnet）包裹体，其中2.8%为深部榴辉岩型，0.8%为深部地幔橄榄岩型；此外还有约6% 的金刚石含有铁方镁石（ferropericlase）包裹体，可能来自于下地幔。根据包裹体的组合以及成分特征，可以将来自于克拉通岩石圈地幔中的金刚石划分为3种类型，分别为地幔橄榄岩型、榴辉岩型和二辉辉石岩型（Stachel and Harris， 2008）。在所有金刚石中，地幔橄榄岩型金刚石*多，约占65%；榴辉岩型金刚石次之，约占33%；二辉辉石岩型金刚石仅占2%（图1-2）。典型的地幔橄榄岩型金刚石中单斜辉石包裹体通常为翠绿色，有较高的Cr2O3 含量（0.6%～2.4%），同时具有较高的Mg#（92.5～93.5）（Mg#=[Mg/(Mg+Fe2+)×100]），石榴子石包裹体的Cr2O3 含量通常大于1%（Grütter et al.， 2004）；榴辉岩型金刚石中单斜辉石包裹体通常为浅绿色，具有较低的Mg#，小于85，石榴子石包裹体的Cr2O3含量通常小于1%（Stachel and Harris， 2008， 2009)。
图1-2 不同类型的幔源型金刚石分布
地幔橄榄岩型金刚石可以进一步划分为二辉橄榄岩型、方辉橄榄岩型以及异剥橄榄岩型（Stachel and Harris，2009）。地幔橄榄岩型金刚石中，方辉橄榄岩型占比86%，二辉橄榄岩型占比13%，异剥橄榄岩型占比约1%（Stachel and Harris，2008， 2009）。二辉辉石岩型金刚石的橄榄石包裹体通常具有较低的Mg#，小于88；二辉橄榄岩型金刚石中的橄榄石的Mg#介于90.1～93.6，平均值为92.0；方辉橄榄岩型金刚石的橄榄石包裹体具有较高的Mg#，介于90.2～95.4，平均值为93.2。二辉辉石岩型金刚石的斜方辉石包裹体具有较低的 Mg#，通常小于86；方辉橄榄岩型和二辉橄榄岩型金刚石中的斜方辉石包裹体成分接近，但是前者具有较高的Mg#值和较低的CaO，显示更为亏损的特征，与橄榄石包裹体的成分具有一致的特征规律（Stachel and Harris，2008）。金刚石中橄榄石包裹体Mg#的增高，反映了形成金刚石的围岩的亏损程度增加，这种从二辉橄榄岩到方辉橄榄岩逐渐亏损的趋势，与现代大洋地幔橄榄岩和蛇绿岩型地幔橄榄岩的亏损特征是一致的。金刚石中的尖晶石包裹体主要以铬尖晶石为主，不透明，深红色，具有很高的Cr2O3 含量（*高可达65%）。铬尖晶石
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