金伯利岩: 地球深部探测的重要探针

王十安, 曾普胜, 刘斯文, 温利刚, 李睿哲, 赵九江

1)自然资源部生态地球化学重点实验室, 国家地质实验测试中心, 北京 100037;2)中国地质大学(北京), 北京 100083;3)矿冶科技集团有限公司, 矿冶过程自动控制技术国家重点实验室, 北京 100160

金伯利岩属于偏碱性的镁铁质超基性岩, 是自然界起源最深的岩浆, 来自150～300 km的地幔, 含有橄榄石、金云母、金刚石等特征性矿物, 其中金刚石形成于更深的高温、高压的上地幔(Shirey et al.,2013)条件下, 所以金伯利岩携带了宝贵的深部地质信息, 是研究地球内部的重要窗口(连东洋, 2019)。

中国金伯利岩及其相关金刚石矿勘查, 一直受到高度重视。1965年在山东省蒙阴地区首次发现了有工业价值的金伯利岩型金刚石原生矿(刘继太,2002), 随后受到广泛关注, 并做了大量的研究工作;1971年在该区发现第一个金伯利岩体以来, 已发现超过 100个金伯利岩体, 既有岩管也有岩脉, 该区已提交4个大型原生金伯利岩型金刚石矿床和3个近源小型金刚石砂矿床(付海涛, 2020)。中国的金伯利岩带是世界金伯利岩带的一部分, 特别是辽宁瓦房店—山东蒙阴含金刚石金伯利岩带, 构成太平洋西岸金伯利岩带的重要组成部分。长期以来受到国内、国际同行的高度重视(Shirey et al., 2013; 宋瑞祥, 2013a), 是深部探测的重要窗口(莫宣学, 2011)。本文对金伯利岩及相关金刚石等指示矿物最新研究做梳理总结, 并结合辽宁瓦房店金伯利岩带及其金刚石矿产特征, 探索金伯利岩与金刚石携带的深源信息, 供对地球深部探测感兴趣的同行参考。

1 国内外金伯利岩研究现状

1.1 金伯利岩的概念

英国人路易斯最早提出将南非金伯利(Kimberley)地区含金刚石、呈岩管或岩墙产出的超基性角砾岩命名为金伯利岩(Kimberlite)。作为自然界中已知起源最深的岩浆岩, 金伯利岩也是探究地球深部信息的一个重要工具。携带了 150～300 km范围甚至更深的地幔信息, 包括矿物组成、岩石类型、地球化学特征、温压条件等。目前, 世界上已有30多个国家发现了具有经济价值的金伯利岩管。我国于 1965年在山东蒙阴发现了含金刚石的金伯利岩和贵州马坪“东风一号”含金刚石钾镁煌斑岩岩体(宋瑞祥, 2013a)。

金伯利岩是深部探测研究中最重要的岩石类型之一, 其分类命名等资料在国内文献中涉及甚少,而国内同行(尤其深地探测)又很需要了解这方面的信息, 兹对金伯利岩做一简要介绍。金伯利岩是一种既熟悉又较为“陌生”的岩石, 按照国际地科联火成岩分委会的分类命名(Le Maitre, 2002): 金伯利岩分为一类和二类。一类金伯利岩对应于南非金伯利地区原型, 原先被称为“玄武质金伯利岩”(Wagner, 1914); 二类金伯利岩, 则对应于“云母质或煌斑岩质金伯利岩”(Wagner, 1914)。为了让读者对金伯利岩有一个基本的经验判断, 有必要介绍一下这两类金伯利岩。两组金伯利岩的特征矿物组合概括如下(Mitchell, 1979, 1986, 1994, 1995; Clement et al., 1984; Sparks et al., 2009):

第一类金伯利岩

这是一类富挥发分(主要是 CO2)的钾质超基性岩, 通常表现为明显的不等粒结构, 结构是粗晶(指直径0.5～10 mm的大晶体)出现, 并且有时出现巨晶(1～20 cm 的大晶体), 镶嵌在细粒基质中。粗晶-巨晶组合, 至少其中一些是捕掳晶, 包括他形晶的橄榄石、镁钛铁矿、镁铝榴石、透辉石(有时低钙)、金云母、顽火辉石、贫钛铬铁矿。在所有金伯利岩中橄榄石是特征和优势组分, 除了结晶分异的金伯利岩外。

这类金伯利岩的基质含有第二代的原生自形-半自形橄榄石, 与下述一种和多种原生矿物一起产出: 钙镁橄榄石(monticelite)、金云母、钙钛矿、尖晶石(镁质钛尖晶石-镁铬铁矿-钛尖晶石-磁铁矿固溶体)、磷灰石、碳酸盐、蛇纹石。许多金伯利岩含有晚阶段嵌晶云母, 属于富钡金云母-镁钡脆云母系列。含镍硫化物和金红石是常见的副矿物, 较早形成的橄榄石、金云母、钙镁橄榄石、磷灰石常被岩浆期后的蛇纹石和方解石交代。

第一类金伯利岩的演化组分可能贫甚至缺粗晶, 并且本质上有二代橄榄石、方解石、蛇纹石、磁铁矿和少量的金云母、磷灰石和钙钛矿组成。

很明显, 金伯利岩是复杂的混杂岩石, 从中不能用一个简单的定义来解决从包裹的捕掳晶中区分原生组分的问题。

粗晶包括镁橄榄石、高铬镁铝榴石、铁铝榴石-镁铝榴石、高铬透辉石、镁钛铁矿、金云母等晶体。它们现在通常被认为是源于幔源二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、榴辉岩和交代的地幔橄榄岩捕虏体中分离而来的。大多数金刚石(不在上述“定义”中)即属于这套矿物, 但很少见。

巨晶以镁钛铁矿、钛-镁铝榴石、透辉石、顽火辉石占优, 它们相对贫铬(<2%Cr2O3)。

粗晶和巨晶都属于金伯利岩的特征组合, 因为它们常出现在金伯利岩中。

第二类金伯利岩(或橙黄岩, orangite)

这是属于一类超钾质过碱性富挥发分(主要是H2O)的岩石, 以金云母粗晶和微斑岩与基质云母共生为特征, 基质云母成分变化从四配铁金云母到金云母均有。磨圆的橄榄石粗晶和自形的原生橄榄石晶体均常见, 但不是不变的主要成分。

基质中特征的原生矿物相包括: (1)透辉石(常具环带)-包裹覆盖的霓岩; (2)尖晶石, 成分范围从含镁铬铁矿到含钛磁铁矿; (3)富锶、稀土钙钛矿;(4)富锶磷灰石; (5)富稀土磷酸盐(独居石、大青山矿); (6)属于锰钡矿族(hollandite)的钾钡钛酸盐;(7)钾质钛 13酸盐(triskaidecatitanates, K2Ti13O27);(8)含铌金红石和含锰钛铁矿。这些矿物嵌在后期的填隙物中, 可含有方解石、白云石、碳酸锶铈矿及其他含稀土碳酸盐、毒重石、钡白云石(norsethite)和蛇纹石。

该类的演化成员包括基质的透长石钾质碱镁闪石(richterite)。锆硅酸盐(硅锆钙钾石——wadeite、锆石、锆榴石, 钙、锆的硅酸盐)可能出现后期的基质矿物中, 重晶石是常见的岩浆期后次生矿物。这组岩石在矿物学上更像钾镁煌斑岩, 但在成分和总体矿物组合上有重大的不同, 上述细节可让它们区别于钾镁煌斑岩。

中国金伯利岩的分类命名可参考《火成岩岩石分类和命名方案》(GB/T 17412.1—1998)和矿物类型(常丽华等, 2009), 并结合国际地科联最新发布的分类方案。

1.2 全球金伯利岩分布

金伯利岩主要分布在俄罗斯、博茨瓦纳、加拿大、安哥拉、南非、刚果民主和纳米比亚(图1)(Shiery et al., 2013; 宋瑞祥, 2013a)。金伯利岩一般以岩筒、岩管、岩脉、岩床等形态产出(董振信, 1991; Field et al., 2007)。含矿金伯利岩通常分布在厚的稳定克拉通内(Clifford, 1966)。

图1 全球金伯利岩分布图(据Shirey et al., 2013修改)Fig.1 Distribution map of kimberlite in the world(modified after Shirey et al., 2013)

1.3 中国金伯利岩分布

华北地台目前共发现有 12个金伯利岩岩体群,分别是吉林集安、辽宁桓仁、铁岭、瓦房店(旧复县)、葫芦岛、内蒙古四子王旗龙头山、河北涉县、山西应县、大同采凉山、柳林尖家沟、山东蒙阴、河南鹤壁金伯利岩岩体群(图2)(刘继太, 2002; 宋瑞祥, 2013b;侯广顺等, 2016; 连东洋等, 2019)。其中山东蒙阴和辽宁瓦房店地区是中国目前仅有的两个金伯利岩型金刚石原生矿, 也是工业价值最好的金刚石原生矿(连东洋等, 2019)。70年代初, 辽宁南部瓦房店地区发现了我国最大的金伯利岩金刚石原生矿, 该矿储量大,质量好, 具有较高的经济价值(贾晓丹, 2014)。

图2 中国金伯利岩和金刚石产出地(据宋瑞祥, 2013b修改)Fig.2 Kimberlite and diamond producing areas in China (modified after SONG, 2013b)

2 金伯利岩中的典型矿物及其深部信息

金伯利岩常见的典型矿物包括镁铝榴石、橄榄石、高铬磁铁矿等, 部分还含有金刚石。

2.1 含金刚石金伯利岩的矿物成分特点

含包裹体的金伯利岩型金刚石中大多数形成于岩石圈地幔, 该类包裹体主要为橄榄石、辉石、石榴石、尖晶石以及硫化物等矿物(Shirey et al.,2013; 连东洋等, 2019)。少部分含包裹体的金刚石来自于软流圈、地幔过渡带、下地幔甚至核幔边界,如中国辽宁瓦房店和山东蒙阴的金刚石具有相似的岩石圈矿物包裹体组合, 主要包含橄榄石、高铬尖晶石、透辉石、高铬磁铁矿、钙钛矿、石榴石、自然铁、硫化物等矿物(殷莉, 2008; 冯爱平等,2021)(图3, 图4)。从表1可以看出, 由富金刚石金伯利岩—贫(中)金刚石金伯利岩—无(极贫)金刚石金伯利岩, 其化学成分的变化具有明显的方向性:超基性组MgO和Cr2O3等的含量逐渐减少, TiO2的含量由富金刚石到贫(中)金刚石金伯利岩显著增高,在无(极贫)金刚石金伯利岩中各地区相差较大。Fe2O3和 FeO的含量总的趋势也是增加的, 而且一般Fe2O3>FeO(种瑞元, 1981)。

图3 地球深部金刚石示意图(据Stachel et al., 2008; Scott et al., 1984整理)Fig.3 Schematic diagram of diamond in deep earth(modified after Stachel et al., 2008; Scott et al., 1984)

表1 典型金伯利岩的平均化学成分(据种瑞元, 1981)Table 1 Average chemical composition of representative kimberlites (after ZHONG, 1981)

2.2 金刚石中矿物包裹体特征

绝大多数金刚石属于两大类: 橄榄岩型(Peridotitic型或 P型)和榴辉岩型(Eclogitic型或 E型)(Stachel and Harris, 2008)。P型金刚石包裹体的主要矿物为橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和石榴石;E型金刚石包裹体主要矿物为单斜辉石和石榴石。P型和E型金刚石包裹体的石榴石和单斜辉石成分存在差异: P型的石榴石ω(Cr2O3) >1%; E型的单斜辉石 Cr#(100Cr/[Cr+Al])<7 (Stachel and Harris,2008)。金刚石包裹体在形成后与外界“隔离”, 较好地保存了地球深部信息。包裹体的成分多种多样,有富含挥发份的流体或熔体、固态CO2、碳化硅、碳酸盐、石墨、硫化物和硅酸盐等, 及还原环境中还有自然硅等(曾普胜等, 2020)。

含硼蓝色(Ⅱb型)金刚石中含有系统的深部地幔矿物信息和流体信息(图4, Smith et al., 2018)。其中, 主要造岩矿物橄榄石、石榴石、辉石等随深度变化而有规律地变化: 对橄榄岩型(petidotite-type)地幔而言, 橄榄石从上地幔向深部依次变为瓦兹利石(wadsleyite, 420—560 km 深度)→林伍德石(lingwoodite, ～560—670 km)→布里奇曼石(bridgmanite, 670—1000 km); 石榴石向深部依次变为镁铁榴石(majorite)→钙钛矿(Ca-perovskite)→布里奇曼石; 而二辉橄榄岩仅能在上地幔存在。对于玄武岩型(basalt-type)地幔, 石榴石同橄榄岩型, 单斜辉石(clinopyroxene)在上地幔占据优势, 且在下地幔成分中出现斯石英(stishovite)-钙铁氧化物(CF)等标志性矿物(图4)。

含硼蓝色金刚石中广泛地含有烃类(CH4)和氢气(H2)等原生的还原性气体组分(表 2), 表明金刚石及其金伯利岩所含的各种 CH4、H2可直接来自于地球深部(Smith et al., 2018), 而无需浅部的生物活动参与合成, 这对于理解沿深部断裂带展布的油气田的形成有重要意义。

由图1、图3、图4可见, 含金刚石地质体深度不仅是岩石圈(Lithospheric)尺度, 还包括整个地幔直达核幔边界(CMB), 进一步可从含金刚石岩石的相标志矿物(如橄榄石等)的出现与否来判别, 石墨相/金刚石相转变在稳定克拉通岩石圈内就可产出金刚石; 瓦兹利石-林伍德石的出现则表明金刚石源区位于地幔过渡带; 而布里奇曼石(bridgmanite)出现则表明源区已处于下地幔(Smith et al., 2018)。

整理前人(Smith et al., 2018)对Ⅱ型(含硼)蓝色金刚石的分析数据(表 2)可以发现, 不管是橄榄岩质成分地幔还是玄武质成分地幔, 在上地幔尺度,柯石英、斜方辉石较常见, 在总样品数(46件)中分别占 13%和 26%; 在地幔过渡带则广泛地出现瓦兹利石(Wadsleyite)和斜硅钙石(Larnite), 出现比例分别高达70%和50%; 在下地幔深度, 则主要为布里奇曼石(bridgmanite), 也可有广泛的铁、镁氧化物(如方铁矿、铁方镁石等), 并可出现甲烷(CH4)等烃类物质和氢气(H2), 这表明地幔既是还原的,也可是氧化的(Mao et al., 2017)。

表2 含硼蓝色金刚石的包裹体和流体组分统计表(根据Smith et al., 2018整理)Table 2 Inclusion and fluid composition statistics of boron-bearing blue diamonds (compiled from Smith et al., 2018)

金伯利岩中富含 H2O、CO2的矿物(金云母、蛇纹石、方解石)。金伯利岩浆在侵入的浅成阶段,高度浓缩的爆破气体起着重要作用, 单位重量的H2O、CO2体积在 4×107～8×107Pa压力下急剧增加并发生爆破(郑建平等, 1994)。许多实验表明金刚石的生长可以通过矿物和熔体中碳酸盐组分的还原而直接发生。通过拉曼光谱, 在金刚石中检测到了甲烷和氢(CH4, H2)的产生, 他们作为一种薄薄的流体层围绕着一个或多个不同矿物类型的包裹体。这种流体是氢气逃逸包裹体并在包裹体-宿主界面聚集的结果。当氢被金刚石包围时, 它可以与周围的碳反应生成甲烷。在天然和人造金刚石中的金属熔体包裹体周围也发现了类似的 CH4±H2流体包裹体。这种包裹体是由先前溶解的氢原子在冷却和减压后从包裹体中扩散出来形成的。在目前的矿物包裹体中, CH4±H2流体强烈表明至少有一部分逆行矿物组合是氢饱和的, 这意味着原始的高压矿物与含水介质相互作用(Smith et al., 2016)。金伯利岩中的橄榄岩和玄武岩体组成随深度变化, 图 4蓝色阴影表示在该相中发现了稀薄的流体CH4±H2。

图4 橄榄岩型地幔和玄武岩型地幔中矿物组成随深度变化情况(据Smith et al., 2018修改)Fig.4 Mineralogy of mantle rocks with peridotitic and basaltic bulk composition as a function of depth(modified after Smith et al., 2018)

3 中国典型金伯利岩: 辽宁瓦房店金伯利岩岩相特征

50号金伯利岩管位于辽宁瓦房店市炮台乡干河村头道沟(图5), 产于标高140 m的头道沟谷源头处的负地形中, 岩管最高出露标高 190 m。岩管于 1974年根据追索水系重砂异常发现, 被第四系残坡积物所覆盖。中国含金刚石的金伯利岩主要有辽宁瓦房店(复县)金伯利岩群和山东蒙阴金伯利岩群(郑建平等, 1994)。辽宁瓦房店金伯利岩群和山东蒙阴金伯利岩岩群都处于古老的克拉通, 有着发育的深断裂,辽宁瓦房店金伯利岩群位于中朝准地台上的辽东台隆南端, 西有开源营口断裂, 东有鸭绿江断裂, 金州断裂纵贯本区中部。其东西两部分在地层、岩浆活动方面均有明显差异, 在东部广泛出露前震旦纪的古老变质岩和燕山期花岗岩; 西部为震旦纪以来的一套沉积岩层, 仅在局部地区有结品基底出露(丁俊英等, 2016)。

蒙阴金伯利岩群位于华北板块鲁西隆起区鲁中隆起内, 属于华北板块东部的冀鲁辽古陆核,为太古代—古元古代克拉通。金伯利岩型金刚石原生矿需基底固结年龄大于 25亿年～28亿年太古代地台(A型克拉通)。目前已发现的金刚石原生矿带均分布在鲁西隆起区内的鲁中隆起之上(褚志远等,2019)。本文重点阐述述辽宁瓦房店地区金伯利岩矿床。

3.1 辽宁瓦房店金伯利岩带区域地质背景

辽宁瓦房店金伯利岩带是中国含金刚石最富最典型的金伯利岩, 其中赋存的金刚石资源量占中国的金刚石资源量 50%以上(付海涛, 2020), 其中,50号岩管含金刚石品质最好, 携带有丰富的深源信息, 与全球金刚石所含深源信息(Cartigny et al.,1997; Smith et al., 2018)可以对比。

根据钻探资料, 50号金伯利岩管赋存于新元古界青白口系南芬组粉砂岩、页岩及南华系桥头组石英砂岩中(矿区地表仅出露桥头组)。矿区地层产状平缓, 倾角一般为10°～20°。矿区内断裂构造比较发育,破坏了金伯岩体的完整性, 但断距不大。矿区内见有辉绿岩脉产出(付海涛等, 2021)。勘探资料显示,50号金伯利岩管的地表形态大致呈蝌蚪状, 呈近东西走向, 长约275 m, 宽约55 m, 岩管总体产状倾向南西, 倾角70°～80°。岩管可分为东西两段, 西段主矿体平面上呈近椭圆状, 东部为脉状矿体。岩管从地表向下呈逐渐膨大的趋势。–20 m标高时, 岩管面积是地表面积的2.3倍(宋瑞祥, 2013b)。在–70 m标高附近岩管急剧缩小并尖灭(图5b, c)。

图5 辽宁瓦房店金伯利岩带区域地质图(a, 据付海涛, 2020修改)及50号岩管地质图(b)、104线勘探剖面图(c) (b, c据丁俊英等, 2016改编)Fig.5 Regional geological map of the Wafangdian kimberlite belt (a, modified after FU, 2020), plan geological map of No.50 pipe (b) and exploration profile of line 104 (c) (b and c, compiled after DING et al., 2016)

在笔者的野外观察中, 可见 50号岩管中的金伯利岩主要成分有橄榄石, 金云母、蛇纹石、金刚石。50号岩管中含金刚石的金伯利岩, 野外金伯利岩呈灰白色, 块状构造, 斑状结构, 斑晶为橄榄石和金云母, 含蚀变灰色金伯利岩角砾, 角砾呈圆状-浑圆状角砾, 角砾1 mm(图6a), 镜下可见自形金云母和橄榄石斑晶(图6c)。

图6 辽宁瓦房店金伯利岩带50号岩管含角砾状碳酸岩的金伯利岩Fig.6 Kimberlite with rounded breccias from No.50 pipe of the Wafangdian, Liaoning

不含金刚石的金伯利岩, 含有两种角砾, 一部分来自于围岩的复成分角砾, 围岩角砾主要为石英(砂)岩、炭质板岩, 呈次棱角状-浑圆状, 粒径2～4 cm, 另一部分为岩浆角砾, 成分为少量橄榄石和金云母, 角砾多为浑圆状-次圆状, 粒径 1 mm,角砾间有蚀变的隐晶质-显微晶质金伯利岩填充(图6b), 镜下可见蚀变的围岩角、炭质板岩的角砾, 金云母等(图6d)。

3.2 成矿时代

瓦房店地层由太古代—古元古代基底(鞍山群和辽河群混合花岗岩、斜长角闪岩、片麻岩等) 和前震旦系—古生代(青白口系、南华系和寒武系灰岩、页岩等)组成(池际尚等, 1996; 池际尚和路凤香,1996; Zhang et al., 2010)。锆石SHRIMP U-Pb年龄显示鞍山群形成年代为3.8 Ga(Liu et al., 1992), 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄显示辽河群最大沉积年龄为2.1 Ga (Luo et al., 2004)。最新研究发现50号岩管金伯利岩岩管与后期的年龄为166～138 Ma(丁俊英等, 2016)的石英闪长玢岩等岩脉相互穿切, 表明金伯利岩可能存在燕山期活动的时期。

辽宁瓦房店金伯利岩带中, 金刚石和地幔包体和含量差异较大, 但都含有丰富的橄榄岩包体, 属于Ⅱ型(云母型)金伯利岩(郑建平等, 1994; 宋瑞祥,2013b; 付海涛, 2020), 其中的金刚石的包裹体中含有丰富的甲烷(CH4)和氢气(H2)(郑建平等, 1994),与全球含金刚石金伯利岩可以类比(Shirey et al.,2013), 是中国深部探测郯庐断裂带的最佳窗口之一。

4 结论

通过综合对比国内外金伯利岩, 可以得出如下结论:

(1)中国金伯利岩也产于稳定克拉通, 主要分布于郯庐断裂带两侧, 属于Ⅱ(云母)型金伯利岩。

(2)辽宁瓦房店—山东蒙阴的金伯利岩带的活动时期存在138～121 Ma时期的金伯利岩活动。

(3)金伯利岩源区, 除了岩石圈地幔外, 还可以存在地幔过渡带, 乃至下地幔, 各个层圈的源区的矿物组合随温压条件产生相变, 橄榄石在包括岩石圈在内的上地幔为橄榄石; 在地幔过渡带则变为瓦兹利石(β相橄榄石)和林伍德石(γ相橄榄石), 在下地幔则变为布里奇曼石(δ相橄榄石)。中国金伯利岩中源区包体主要产出橄榄石, 属于相对较浅的岩石圈(lithospheric)型金伯利岩。

(4)金刚石及其寄主岩石之一的金伯利岩中, 常常含有丰富的深部源区信息, 包括反映深度的橄榄石-石榴石-辉石类矿物和铁-镁的氧化物、碳化物,向深部有规律相变, 并且常常伴有甲烷(CH4)、氢气(H2)等烃类或天然气信息, 是深部探测的重要探针。

致谢: 在辽宁瓦房店的野外实地调查中得到了辽宁省第六地质大队高级工程师冯闯、康宁和国家地质实验测试中心研究生张婕的指导和帮助, 在此表示深深地感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.JYYWF20180101), China Geological Survey(Nos.DD20160220; DD20190589; DD20190703), and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).