岩浆爆发分异矿床

一、概述

金伯利岩曾是原生金刚石的唯一来源。碳酸岩是铌-稀土等稀有金属的重要来源之一。这是两类与碱性超基性岩和碱性岩浆岩有关的较为特殊的岩浆矿床。

金伯利岩由其最早的产地南非金伯利而得名，这种岩石因主要组成矿物为金云母、橄榄石，并多具特征的角砾状构造也曾叫角砾云母橄榄岩，被认为是一种分异差的偏碱性超基性岩。经过长期研究，已肯定金伯利岩岩浆起源于地幔，具有特殊演化和复杂的成岩条件，与发现较晚的含金刚石钾镁煌斑岩实际上可能构成一个渐变系列 ( 梅厚钧，2000) 。

金伯利岩岩体呈岩筒状、岩脉状或小岩席状，常成群产出。典型的岩筒是岩浆及碎屑物质充填火山管道形成的。金伯利岩中常有来自上地幔和上覆盖层岩石的包体或角砾，还有早期金伯利岩岩球、岩屑，岩石结构很不均一。主要组成矿物可有斑状、粗粒和细粒基质的不同世代。金伯利岩的主要矿物成分有橄榄石和金云母，还有镁铝榴石、镁钛铁尖晶石、蛇纹石、碳酸盐矿物，有些还有铬透辉石。岩石化学成分以硅低、铝低、镁和钾高为特征。金刚石在金伯利岩中含量低且不均匀，具有开采价值的岩体含量在一立方米岩石中不过 0. 5 克拉 ( 1 克拉 =0. 2 g) 。

碳酸岩是一种较少见的岩浆岩，主要由碳酸盐类矿物组成的侵入岩。主要矿物可以是粗粒或细粒方解石，也可以是白云石或铁白云石，还可以有少量的钠、钾、钙碳酸盐以及一些钠长石、钾长石、钠辉石、角闪石、硅灰石、磁铁矿、重晶石等。碳酸岩岩体的最典型产状是呈环状杂岩体，与碱性岩***生或与超基性岩及碱性岩***生。此外也有呈岩墙、岩床以及在近火山口呈岩流与霞石岩岩流、凝灰岩一起产出的。有的研究者认为由方辉橄榄岩组成的局部地幔岩部分熔融产生初始金伯利岩浆，当其受地幔热柱驱动上升时，富含CO2饱和熔液的岩浆经过液态不混溶可分异形成碳酸盐岩浆。碳酸岩中可以含有多种不同矿产，主要含稀土类矿产和铁矿床，有含磷灰石的，有含烧绿石等富铌矿物及含稀土元素矿物的，个别岩体还产铜和铀。

金伯利岩和碳酸岩在时空分布上有一定伴生关系，产出的地质环境和构造控制很相似。两类岩石均产于古老的地盾和稳定地台中，岩体成群分布在大陆板块内地幔隆起的热点，特别是已发育为裂堑及裂谷的地带，受深断裂系统的控制。根据金伯利岩和碳酸岩产状的特点，特别是有的岩筒明显为火山颈，有的碳酸岩与某些碱性岩一起呈岩流产出，近期研究中也特别强调了这类岩浆矿床形成于同火山环境的性质。世界上金伯利岩体和碳酸岩形成于不同的时代，有前寒武纪、古生代和中生代的，一个地区也有不止一个时代的。最重要的含金刚石金伯利岩体形成时代是元古宙和白垩纪。世界是上最重要的金刚石矿床是南非金伯利，其次有俄罗斯西伯利亚雅库特。澳大利亚是最先发现含金刚石钾镁煌斑岩的地区，碳酸岩在东非洲很多地区、巴西、加拿大、美国等都有分布，东非裂谷系广大地区内有众多的碳酸岩产地，并与含或不含金刚石的金伯利岩一起产出。我国先是在湘西探明金刚石砂矿，20 世纪 60 年代在山东蒙阴找到第一个具工业价值的金伯利岩型金刚石原生矿，并进一步扩展到辽宁南部地区。近年来还在贵州镇远、湖北大洪山等地区发现钾镁煌斑岩，进行了找矿地质研究工作。

二、重要矿床

1. 南非金伯利岩中的金刚石矿床

在南非已发现 200 多个金伯利岩体，它们侵入于古老的结晶片岩、花岗岩及石炭纪至侏罗纪的砂岩和粗玄岩中。含金刚石的金伯利岩、无矿的金伯利岩和碳酸岩、碱性岩的分布大致呈两条交叉的带，一条呈北东向从桑斯兰起经金伯利地区一直延至东北勒陀利亚。另一条近东西向，由莱索托起在金伯利穿过前一个带延至西北面的波斯特马斯堡。岩筒的分布受太古宙地盾与几个台向斜带交界的隐伏断裂及其交叉处控制。在金伯利地区8. 5 km2面积内有 15 个岩筒组成岩筒群，它们常几个集中在一起或分布在一条线上，富金刚石的岩筒位于主干断裂交会部位。

金伯利岩筒平面上多呈不规则椭圆形，直径从 250 ～ 850 m，在剖面上呈陡立的漏斗状，主要岩筒 ( 图 3-13) 开采深度早已超过 1000 m。有些呈岩脉产出的岩体延伸达数十公里。根据重要岩筒采矿和研究资料复原了一个岩筒模式 ( 图3-14) 。上部火山口，常被角砾物质充填，中心有凝灰质沉积，可有金伯利岩脉穿入，中部火山颈，呈圆—椭圆形，四壁直立或向中心倾斜。角砾状金伯利岩为凝灰物质胶结，向下变为无角砾有同源包体的斑状、隐晶斑状金伯利岩，有的岩筒向下变为岩脉。

图3-13 南非金伯利岩的构造环境( 引自米契尔·加森)( 波浪线表示纳米比亚和 Bushmanland 基底中的走向)

金伯利岩原生矿物有橄榄石、金云母、少量铬铁矿、锆石和石墨，次生矿物有蛇纹石、石棉、伊丁石、滑石、绿泥石、方解石、石髓等。金伯利地区的岩筒上部常受到强烈风化，在深数十米的风化蚀变产物 “黄土”和 “蓝土”中都采出金刚石。在岩筒中金刚石分布很不均匀，有的地方可集中到每立方米内含 0. 6 ～0. 8 克拉。可采地段平均含量为0. 000036% ～ 0. 00009% 。金刚石有不同的变种，常见的是一种具平滑的或阶梯状层状晶面的八面体，透明无色或黄色。晶体直径从极微小到 8 ～10 cm。

2. 鲁中、辽南金伯利岩中金刚石矿床

20 世纪 60 ～ 70 年代，先后在山东蒙阴地区和辽南复县地区发现含金刚石的金伯利岩，是我国重要的原生金刚石矿床。蒙阴有 3 个金伯利岩带，50 多个含金刚石金伯利岩体，辽南有规模更大、质量更好一些的金刚石原生矿和砂矿。

鲁中、辽南地区位于中朝地台上，并且这些地区以分布着太古宙的灰色片麻岩和科马提岩组合的花岗岩绿岩带为特征。更明显的是含矿金伯利岩体局限在郯庐断裂带两侧40 ～70 km 范围内的次级断裂带中。已知原生矿橄榄岩组合具有 3100 Ma 的年龄值，而含矿金伯利岩则为 450 ～490 Ma，大致相当于晚奥陶世，与这一地区当时整体抬升的构造运动时间一致。

图3-14 金伯利岩岩浆系统综合模型( 引自梅厚钧，1989)

含金刚石金伯利岩呈岩管和岩墙状产出，并集合成岩群，3 个以上岩群构成金伯利岩田，岩管直径几十米，少数几百米，出露面积一般不超过 1 km2( 图 3-15) ，岩墙长十几米至几千米不等，宽 0. 3 ～0. 7 m，局部到 20 m，向下延伸达数百米。一个金伯利岩田内常常有个别岩体达工业品位。研究认为这些岩体大部分应属根部带或浅成相。

金伯利岩结构、成分非常不均匀，岩体边缘相中有震旦系、寒武系和奥陶系灰岩、砂岩、页岩捕虏体，更多的捕虏体是基底的片麻岩和麻粒岩，此外还有纯橄榄岩、石榴子石方辉橄榄岩、石榴子石和铬尖晶石二辉橄榄岩、金云母辉石橄榄岩等地幔岩捕虏体，其大小多为 1 ～10 cm，浅成相岩石具块状构造，多数橄榄石粗晶假象嵌布在由橄榄石、金云母、蛇纹石、方解石、钙钛矿组成的细粒基质中，有时有富金云母的金伯利岩。岩墙中的岩石含粗晶，少具细粒隐晶结构。两个地区金伯利岩中普遍含铬镁铝石榴子石和铬尖晶石。还有少量铬透辉石、镁钛铁矿、碳硅石等，其中铬镁铝石榴子石、铬尖晶石具找矿指示意义。两地区金刚石的晶形、颜色、粒级特征各不相同，如山东胜利 1 号岩管中以曲面菱形十二面体最多，八面体次之，多为褐灰等色，无色至浅黄少于 30%。品位一般为80 ～ 120 ct /100 t。辽宁 50 号岩管中金刚石八面体最多，另有三角薄片双晶和立方体等，颜色以无色为主，褐色次之，黄色不到 10%。所获的大钻石近 60 余克拉，岩体品位在200 ct /100 t 左右。两地原生矿床一定距离内都发现冲积砂矿，金刚石质量优于原生矿床。

图3-15 山东蒙阴红旗六号岩管岩体形态及岩性分布图 ( 地表)( 据国土资源部 613 矿科研队)

3. 东非及南非碳酸岩型稀有金属矿床

东非广大地区内都有碱性岩和碳酸岩分布，主要是与东非裂谷系有关，产在裂谷系及与之有关的隆起区内部或附近。岩体形成的时代由南向北逐渐由老变新。津巴布韦的碳酸岩是三叠纪的，赞比亚和马拉维南部的杂岩是早白垩世的，到坦桑尼亚北部沿东非隆起的东部边缘，在南段的碳酸岩是白垩纪的，而北段到现在仍然是间歇活动着的地区。南非的前寒武纪碳酸岩所处的位置认为是此裂谷系南端的延伸部位。

东非大多数碳酸岩呈环状杂岩体。碳酸岩与碱性岩***生，较深部位也有超基性岩。碳酸岩常产在岩体核心，即所谓中心式，如津巴布韦和马拉维、肯尼亚、乌干达等地的岩体。另外也有一些岩体无碱性岩伴生或成岩墙、岩席状分布于主干断裂中，如坦桑尼亚有延伸达 25 km 的例子。

碳酸岩体含有不同类型的矿产，如津巴布韦、南非的碳酸岩含中等品位的原生磷灰石矿，马拉维的奇尔瓦岛上有含磷灰石的白云石、透闪石碳酸岩，有高达百分之几的烧绿石。马拉维还有产稀土的碳酸岩，赞比亚、坦桑尼亚和肯尼亚也有高含量稀土矿物碳酸岩。马拉维南部主干裂谷内的 Kangankunde 火山口有三个铁白云石-菱锶矿碳酸岩构成的矿体含4% ～7%独居石、14%菱锶矿、少量重晶石，是世界上最大稀土-菱锶矿之一。

南非 Palabora 是一少见的含铜碳酸岩碱性岩超基性岩杂岩体。岩体主体为辉石岩，边缘有正长霓长岩，近南北向延长 6. 5 km，宽 2. 5 km，侵入于较老的花岗岩中。岩体中部有一个中心式碳酸岩株，碳酸岩周围发育的是磷灰石磁铁矿橄榄岩和蛇纹石化的蛭石-辉石-橄榄石似伟晶岩。这种蛇纹石化蛭石辉石橄榄石似伟晶岩在辉石岩大岩体轴部近北端还形成另外两个中心，以橄榄石-蛭石似伟晶岩构成其核心，整个岩体被一系列北东向岩墙切穿 ( 图 3-16) 。这一地区有三个露天矿场，一个开采碳酸岩、磷灰石磁铁矿橄榄岩中的铜矿，另两个开采由金云母风化成的蛭石-橄榄石似伟晶岩中的蛭石和辉石岩中富集的磷灰石。杂岩体中心的碳酸岩体有黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿，岩体含铜平均为 0. 69%，副产品有金、银、铂族元素、斜锆石和铀方钍石。

图3-16 南非 Palabora 杂岩体地质略图( 引自梅厚钧，1989)

4. 鄂陕秦岭碱性岩带中的碳酸岩矿床

秦岭的碱性岩类分布在华北地块南缘和扬子地块北缘的深切断裂地带，按岩石组合分为两个系列，一个是碱性岩-碱性花岗岩系列，包括霞石正长岩、正长岩-粗面岩、石英正长岩、碳酸岩、碱性花岗岩等; 另一个是碱性基性岩、碱性超基性岩系列，包括霓霞岩、霓辉岩、钛铁霓辉岩、辉石碱长岩、金伯利岩及晚期的碳酸岩等。形成时代从新元古代、古生代到中生代，均属地壳拉张环境下产物。已知代表性矿床属于晚古生代碱性岩，分布于安康—武当—随州一带，如湖北竹山庙垭岩体。属早中生代深源碱性岩建造的在嵩县-卢氏-华县地区，如陕西华县华阳川碳酸岩碱性岩带。

竹山庙垭岩体由正长岩、正长斑岩、方解石碳酸岩和铁白云石碳酸岩组成，产于新元古代和早志留纪地层中，岩体长 2. 95 km，宽 580 m，岩体几乎全部矿化，已圈定 40 多个矿体，多为层状、不规则层状透镜状，主矿体长大于 1000 m，宽数十米至 200 m。正长岩、正长斑岩、方解石碳酸岩都含铌与稀土金属，黑云母方解石碳酸岩较富铌，铁白云石碳酸岩和方解石碳酸岩较富稀土，主要矿石矿物有铌铁矿、铌铁金红石、独居石、氟碳铈矿，***生矿物有烧绿石、铌钛铀矿、铌钽铁矿、铌易解石、铌钇矿、磷灰石、黄铁矿等，矿石平均含 Nb2O50. 118% ，TR2O30. 168% ，稀土元素以铈族为主。

华县华阳川矿床产于太古宙大华群中，碳酸岩由方解石碳酸岩、金云母方解石碳酸岩、磷灰石方解石碳酸岩及后期的白云石碳酸岩脉组成。沿断裂裂隙充填呈脉群产出。围岩为花岗伟晶岩、花岗斑岩、碱性岩脉及其蚀变岩。矿体呈不规则透镜状、似板状，长500 ～ 900 m，宽 5 ～ 20 m，部分为隐伏矿体，矿石矿物包括含铌、铀 ( 钍) 矿物、含钡的天青石、方铅矿、磁铁矿、黄铁矿等，是铀、铅、铌、稀土、锶的大型综合矿床。

三、成矿条件和成因问题

研究金刚石矿床成因有一些特殊的问题，首先是在什么情况下能提供金刚石生成所需的高温高压条件，以及又如何在岩浆温度压力降低时金刚石能不被熔融或分解而稳定存在。现在已有根据的认为含金刚石的金伯利岩浆起源于地下深处，是由地幔岩经部分熔融运移而形成的。这种岩浆的最大特点是富镁、富碱、尤其是富钾。金伯利岩中有方辉橄榄岩、榴辉岩包体。与金刚石***生的矿物除橄榄石、金云母外，常有镁铝铬铁矿、镁铝榴石，都是很好的证明。据实验资料，金刚石形成最适宜的温度为 1200 ～ 1800℃，压力为45 ～ 60 kPa。而且多次实验获得一条近似的金刚石-石墨平衡曲线，当压力不变，温度迅速降低时金刚石可处于稳定状态，但当温度不变压力迅速变化时，则金刚石会由稳定态转化为石墨稳定区内的亚稳定态，最后转化为石墨。所以金伯利岩不是在地下深处缓慢冷却，而是在巨大内压力下，通过爆发侵位于近地表浅处迅速冷却，在这种情况下，金刚石就有利于保持稳定或保持亚稳定态而得以保存。

有关金刚石中碳的来源、金刚石生成时间、生成方式存在不同认识。有一种观点认为金刚石是金伯利岩浆从地下深部捕获的，即金刚石和榴辉岩等一样是事先存在于地幔岩中的组分，一些研究者指出世界许多地区金刚石的年龄都是前寒武纪的，从 3300 Ma 至2700 Ma，而容矿的金伯利岩或钾镁煌班岩的侵位年龄则从元古宙到第三纪都有。还有一种观点认为金刚石是金伯利岩从被同化的含碳岩石中得到碳而生成的，但碳同位素资料不能证明这种解释，而且现在知道地幔的去气作用中，CO2是一种重要的成分。多数人目前持有的看法还是认为金刚石和其他造岩矿物一样是从金伯利岩浆中结晶出来的。并把它归入早期岩浆矿床，认为金刚石是较早从岩浆中分结出来形成的非常分散的浸染体。也有人推测金刚石的形成只能是在深度很大 ( 可能超过 100 km) 压力很高的环境下，碳或碳化物渗移到岩浆结晶作用发生的地方生成的。金伯利岩中的金刚石按其种类、结晶外貌，颜色和粒度都是多种多样的，除了完整的金刚石晶体外，还可见到晶体碎屑，橄榄石、石榴子石中有金刚石的包裹体，金刚石中也有橄榄石、石榴子石等的包裹体，可见金刚石不仅与这些矿物生成时间互相接近，而且也同样受到金伯利岩浆结晶喷发这些急剧变化过程的影响。但现在对于金刚石有多少是在金伯利岩来源的地方生成，在岩浆上升过程中又有多少金刚石晶出以及当岩浆发生气体爆炸时是否也有金刚石结晶这些问题，还很难作出明确回答。

碳酸岩及有关矿床研究较晚，加速开展调查研究是近 40 ～50 年的事情。对碳酸岩的成因也曾有过岩浆、热流交代、捕虏体改造和气体加注等不同认识。有人曾根据方解石有很高的熔点而怀疑可能没有碳酸岩岩浆存在，但到后来实验观察到在由 H2O-CO2联合产生压力为 5 MPa 和 900℃时方解石即开始熔融，特别是到 1960 年观察到喷出的碳酸岩岩浆。综合碳酸岩岩体的野外产状和岩石学、岩石化学诸方面的研究，碳酸岩岩浆成因已不容再有怀疑。特别是碳酸岩含有岩浆岩、特别是碱性岩中所***有的稀有元素，尤其富 Zr、Nb、La、Ce 等微量元素。还有碳酸岩岩石中的锶同位素特点87Sr /86Sr 与沉积成因的碳酸盐岩石明显不同而与伴生的碱性岩相同，它们的87Sr /86Sr 比上地壳物质低，这就说明它们起源地区不是地壳而是下地壳或上地幔。

金伯利岩和碳酸岩有关矿床的成因联系现在已得到很多研究者的肯定。一是不仅在如东非裂谷已知典型地区，而且在一些新的地方都可看到两类矿床在同一岩区内产出。二是岩石学研究确定了它们作为偏碱性超镁铁质岩区岩石在岩石成分上的一些***同之处，可以有根据地推测它们是起源于地下深处，且可能有***同的地幔岩源岩。此外这些岩石都是岩浆通过深断裂带上升到近地表，侵位在同火山环境中，从而受到区域构造的控制。

四、勘查评价要点

含金刚石金伯利岩岩筒和碳酸岩稀有金属矿床已有了根据世界典型地区矿床资料建立起来的矿床模式。

这两类矿床生成和产出的构造背景是大陆内古老地盾及元古宙就已稳定下来的地台。大多是在区域性深断裂带包括时代较新的裂谷带中。也产在克拉通边缘已变形的盖层岩石中，最直接的找矿前提和勘查对象是有关的碱性超镁铁质岩，包括金伯利岩角砾岩筒、富钾镁煌斑岩、碳酸岩及伴生的其他超基性岩、碱性岩以及发生碱交代作用的岩石。大的碱性岩区 ( 带) 及特殊的暗色岩区是找矿有利的方向。金伯利岩和碳酸岩形成的时间从早元古代以来各时代都可以有，但世界范围内重要的形成时代是中元古代和中生代的白垩纪。

金伯利岩特征的产状是岩筒或岩管，碳酸岩的典型产状是环状岩体，此外也呈岩脉及不规则形态，岩体成群分布。金伯利岩体一般都很小，岩筒直径一般几十米，少数几百米，但深度大。在这些岩体分布区内常常有多种其他脉岩分布。有的研究者认为: 碳酸岩中稀有金属和其他矿产产出的深度位置及组合关系可能存在一定规律 ( 图 3-17) 。

据称，现在世界上已发现金伯利岩体近 5000 个，但含金刚石的仅约 500 个，有工业价值的仅是其中十分之一。金刚石在岩体中很不集中，也很不均匀。但人们已掌握了一些判别岩体含矿性的标志特征，如金伯利岩中含橄榄石多并且呈斑晶出现时成矿有利，镁铝榴石含量高含矿性好，铬尖晶石中 Cr2O3含量高含矿性好，微量元素中 Cr/V、Ni/V、Cr / Ti、Th / U 比值高时成矿有利，岩石化学成分 ( Cr2O3+ NiO) / TiO2较高者含矿性好，此外岩体中含纯橄岩、橄辉岩等包体多的成矿也有利。在一些较大的区域中可能先有金刚石砂矿发现，可进一步找寻原生矿床。此外 Cr、Ti、Mn、Ni、Co、PGE、Ba 等异常，碳酸岩矿床还有稀土、U、Th 等异常也都是成矿的标志。

图3-17 超基性-碱性岩垂直截面中含矿碳酸岩的矿物类型( 引自 V. I. 斯米尔诺夫)