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

(山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006)

0 引言

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

山東蒙陰地區是我國最早發現具有工業價值的金剛石原生礦的區域，前人對該區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、復雜多樣的晶面特征、獨特的內部生長特征和典型的包裹體特征。該文較全面總結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 地質背景

山東蒙陰金剛石的原生礦——金伯利巖賦存于魯西地區的中部，在NW向的蒙山、新泰-垛莊、銅冶店-蔡莊等斷裂與NNE向的上五井斷裂交會處東側的斷塊隆起區。金伯利巖體集中分布，構成巖帶。巖帶分布區斷續長達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，發現巖體(包括巖管、巖床和巖脈)9個，均含礦，8個達到工業品位[2]；西峪巖帶含礦性次之，金剛石含量中到貧，發現巖體24個，均含礦，17個達到工業品位[3]；坡里巖帶含礦性差，發現25個巖體，10個含礦，均達不到工業品位。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 金剛石的晶體形態特征

蒙陰金剛石晶體形態的以平面八面體、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，出現寬窄疏密不等的溝槽狀復合表面。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)晶面反復交互生長的結果。

(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，金剛石應該生長為標準的八面體形態[7]，但由于金剛石形成過程中物理化學環境的差異性變化而形成多種多樣的天然結晶形態。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，晶體結晶時的溫壓條件相對穩定；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物，它們不代表金剛石的穩定形成條件，而代表金剛石在準穩定區內受改造的條件[1]。

通過對山東蒙陰地區金剛石晶體形態和粒徑大小的統計(表1)，可以看出，在3個金伯利巖帶中的立方體形態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低于八面體與菱形十二面體聚形。

金剛石的晶體形態特征、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]研究認為，富礦巖體中金剛石晶體形態復雜多樣且熔蝕形態(菱形十二面體)所占的比例明顯高，表明其中的金剛石經歷了更為復雜的環境變化。

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雜但有規律的表面形貌，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。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 山東蒙陰地區金剛石晶體形態和粒徑大小的關系

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，金剛石晶面上出現的形態大小不等的凹坑，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歷的塑性變形。立方體晶面上的網格狀花紋，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]認為氧逸度對金剛石表面微形貌形態具有重要作用；金剛石的鋸齒狀生長紋與富含揮發份的金伯利巖密切相關。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育，而小顆粒金剛石晶面上則不發育；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育的多。

2.3 金剛石的內部生長特征

張蓓莉等[12]觀察山東蒙陰金剛石薄片結果表明金剛石具有不同程度的異常雙折射現象，主要呈現為：花瓣、放射狀消光圖案，復合疊加消光圖案，平直消光圖案，無固定形態的消光圖案等。金剛石作為等軸晶系的均質體礦物，常常表現出光學異常性，這是由于不同的內應力引起的[13]。內應力源于晶體內部構造的不同、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歷的塑性變形、脆性變形、后期應變等相關信息[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象是由于金剛石在其生長過程中環境P-T-fO2、碳飽和程度等環境的改變，導致雜質和晶體缺陷在晶體中的不均勻分布而成環帶構造[15]。Beskrovanov[10]研究發現單晶金剛石內部都有中心區、過渡區和邊緣區，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部生長特征觀察后認為，金剛石的形成具有多期多階段的特點。通過對不同環帶形態的研究就可以了解金剛石生長環境相態。山東蒙陰金剛石晶體以兩期和多期生長結構為主。張蓓莉等[12]利用陰極發光圖像觀察蒙陰常馬勝利Ⅰ號中的金剛石內部生長特征：①多數晶體顯示明顯的兩期生長或多期生長結構，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”等特殊的生長結構，這是金剛石在特定的生長條件下，由多中心發展而成。這種結構反映了金剛石結晶于粘性大、碳過飽和的環境中；在高溫下的變形亦是產生“似瑪瑙狀”生長結構的因素之一。陳美華等[17]研究山東蒙陰金剛石的“似瑪瑙狀”生長結構及氮、氫雜質分布，認為該生長結構和雜質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、環境的復雜性。

3 金剛石中的包裹體

目前發現的山東蒙陰金伯利巖區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]。

根據源區特征將包裹體分為：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成分和組合特征以P型占主導，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。與金剛石同時結晶形成的同生石墨包裹體的存在可能說明金剛石生長環境經歷了明顯的溫壓變化[12]；在同一顆金剛石中發現P+E型包裹體[24]，反映了金剛石形成環境有變化的特點；硫化物包裹體在金剛石中廣泛存在，硫化物熔體被認為是絕大多數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，在含有揮發分的環境中可以合成金剛石，且對溫度、壓力等環境要求有所降低，可以推測揮發分的存在有利于金剛石的保存；有經濟價值的金伯利巖型金剛石并不一定是在固態的環境生長，而是與熔/流體的活動有密切關系[28]。

4 結論

(1)山東蒙陰金剛石晶體形態以平面八面體、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為主，多種類型的天然結晶形態指示了物理化學環境的差異性。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；塑性變形滑動線是由塑性變形再經溶蝕作用形成；網格狀蝕象、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。

(3)蒙陰金剛石內部多呈兩期生長或多期生長結構，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、環境的復雜性。

(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，反映其生長環境經歷了明顯的溫壓變化。