山东蒙阴金刚石晶体特征及其形成条件

吕青，夏立献，肖丙建，王伟德，周登诗

(山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006)

0 引言

金刚石作为碳在高温高压地质环境下的产物，具有独特的晶体特征[1]，随后经历的地质环境变化又会对其晶体形态和表面特征等造成影响，使金刚石具有在特定环境下产出的晶体特征，这些特定的特征揭示了金刚石形成及其后所经历一系列地质环境变化的物化信息。

山东蒙阴地区是我国最早发现具有工业价值的金刚石原生矿的区域，前人对该区金刚石的成因和成矿条件进行了较多研究。研究表明，蒙阴金刚石具有完好的晶体形态、复杂多样的晶面特征、独特的内部生长特征和典型的包裹体特征。该文较全面总结了前人对金刚石晶形的研究成果，以期为探讨金刚石的形成条件、生长过程提供有价值的信息。

1 地质背景

山东蒙阴金刚石的原生矿——金伯利岩赋存于鲁西地区的中部，在NW向的蒙山、新泰-垛庄、铜冶店-蔡庄等断裂与NNE向的上五井断裂交会处东侧的断块隆起区。金伯利岩体集中分布，构成岩带。岩带分布区断续长达55km，总体走向55°，由南向北分成常马庄、西峪和坡里3个岩带(图1)，其中常马庄岩带有8组岩脉和2个岩管；西峪岩带有8个岩管、1个岩床(管)、14组岩脉；坡里岩带由25组岩脉组成。3个金伯利岩带中，常马庄岩带含矿性最好，发现岩体(包括岩管、岩床和岩脉)9个，均含矿，8个达到工业品位[2]；西峪岩带含矿性次之，金刚石含量中到贫，发现岩体24个，均含矿，17个达到工业品位[3]；坡里岩带含矿性差，发现25个岩体，10个含矿，均达不到工业品位。在空间分布上，金伯利岩体的含矿性具有南富北贫、中间富两边贫等变化规律：北部的坡里岩带中金刚石贫，南部的常马庄岩带中金刚石最富，中部的西峪岩带金刚石含量居两者之间。同一金伯利岩带、同一金伯利岩脉中也存在着南富北贫、中间富两端贫的的现象趋势[4]。

2 金刚石的晶体特征及形成条件

2.1 金刚石的晶体形态特征

蒙阴金刚石晶体形态的以平面八面体、阶梯状八面体、八面体与曲面菱形十二面体聚形和曲面菱形十二面体四类形态为主(图2)，还有少量的立方体、曲面四六面体、曲面六八面体、曲面六四面体、八面体与菱形十二面体聚形、八面体与曲面六八面体聚形及立方体聚形等，也常见不规则连生体和双晶[5]。

a—八面体 ；b—阶梯状八面体；c—菱形十二面体图2 蒙阴金刚石常见晶形

(1)平面八面体：晶棱呈直线，顶角尖锐，晶面平滑无溶蚀，透明度高，晶体内部很少有包体或裂隙。八个晶面有正三角形、等腰梯形、五边形和平行六边形4种。

(2)阶梯状八面体：八面体(111)晶面呈阶梯状层层叠置并逐渐缩小，阶梯的高度不一；同时，在八面体晶核两侧，出现宽窄疏密不等的沟槽状复合表面。这种随(111)晶面逐渐缩小而留下的沟槽，实际上是八面体(111)晶面和菱形十二面体(110)晶面反复交互生长的结果。

(3)八面体与曲面菱形十二面体聚形：八面体(111)晶面为三角形平面，八面体晶棱位置是浑圆的菱形十二面体晶面。

(4)菱形十二面体：最常见的是沿晶轴方向压扁或拉长的曲面变形菱形十二面体。

(5)立方体：晶面粗糙，光泽暗淡，晶棱呈锯齿状，它由两组阶梯状的八面体平面交错而成，在蒙阴金刚石中少见。常见连生体的是八面体的平行连生晶体，常见有尖晶石律双晶和星状双晶[6]。

在理想的情况下，金刚石应该生长为标准的八面体形态[7]，但由于金刚石形成过程中物理化学环境的差异性变化而形成多种多样的天然结晶形态。天然八面体金刚石是低过饱和液相条件下的螺旋生长机制，晶体结晶时的温压条件相对稳定；而立方体金刚石形成于碳饱和度较高的条件下；菱形十二面体、四六面体金刚石是原生八面体和立方体金刚石熔蚀的产物，它们不代表金刚石的稳定形成条件，而代表金刚石在准稳定区内受改造的条件[1]。

通过对山东蒙阴地区金刚石晶体形态和粒径大小的统计(表1)，可以看出，在3个金伯利岩带中的立方体形态的金刚石的所占比例很少，八面体与菱形十二面体的金刚石所占比例高；菱形十二面体明显大于八面体金刚石的粒径，立方体的粒径最小；立方体与八面体聚形的所占比例远低于八面体与菱形十二面体聚形。

金刚石的晶体形态特征、粒径大小在含矿性不同的金伯利岩体中具有很大的差别。在常马庄富矿岩带的主要晶体类型有6种，且大粒径金刚石占比高；在坡里贫矿岩带的主要晶体类型只有3种，且小粒径金刚石占比高。郑建平等[8]研究认为，富矿岩体中金刚石晶体形态复杂多样且熔蚀形态(菱形十二面体)所占的比例明显高，表明其中的金刚石经历了更为复杂的环境变化。

杨志军等[9]研究山东蒙阴金刚石多晶的不同金刚石晶粒(或部位)的差异，认为金刚石多晶并不是在成核阶段所形成的，而可能是金刚石生长过程中或者金刚石颗粒形成后在某个特殊条件下再聚集连接起来的。山东蒙阴金刚石多晶很可能形成于含氮量低的深部地幔，形成后在地幔中储藏了一段时间。

2.2 金刚石的晶面形貌特征

在金刚石晶体上常见复杂但有规律的表面形貌，其形成与晶体的生长过程或与晶体形成后的塑性变形、溶蚀作用有关。蒙阴金刚石晶体上常见的表面微形主要包括：倒三角形凹坑、平底的四边形凹坑、溶蚀沟(图3)、晕线、鳞片状蚀象、塑性变形滑动线、网格状蚀象、圆盘状凹坑、蛀穴状凹坑、叠瓦状蚀象、圆弧形蚀象、毛玻璃化蚀象等[5]。

表1 山东蒙阴地区金刚石晶体形态和粒径大小的关系

a—倒三角形凹坑；b—四边形凹坑；c—溶蚀沟图3 蒙阴金刚石的表面形貌

三角形凹坑是在溶解作用的影响下，金刚石晶面上出现的形态大小不等的凹坑，倒三角形凹坑有时由于快速溶解，可以扩展形成多边形凹坑。晕线是最常见的晶面形貌之一，密集排列呈凸起状，这是由于晶面分层及生成溶解而造成的细微层状蚀象。溶蚀沟为晶体表面沿连生缝合线、裂隙或包裹体发育的浑圆槽形沟。塑性变形滑动线反映了金刚石晶体在生长后经历的塑性变形。立方体晶面上的网格状花纹，花纹与立方体晶棱平行，它是由许多大小相近的正方形或矩形凸起边毗连而成。叠瓦状蚀象是因晶面遭受侵蚀而成的三方锥叠加在一起呈叠瓦状分布所致，表明晶体的晶面遭受了强烈的侵蚀作用。毛玻璃化蚀象呈薄膜状或斑点状不均匀地覆盖在晶体表面，使整个晶体表面粗糙、光泽暗淡、乳白色，似毛玻璃一般[5]。

Beskrovanov[10]报道了金刚石随着碳过饱和程度的降低或熔蚀作用时间的延长，遭受熔蚀的特征会更加清楚。郑云龙等[7]认为氧逸度对金刚石表面微形貌形态具有重要作用；金刚石的锯齿状生长纹与富含挥发份的金伯利岩密切相关。池际尚等[11]对金刚石表面蚀象的研究指出，蚀象在大颗粒金刚石晶面上发育，而小颗粒金刚石晶面上则不发育；金刚石的颗粒大小还决定着其受塑性变形作用概率，在小颗粒金刚石比大颗粒金刚石中具塑性变形的概率低；十二面体和立方体金刚石的蚀象较八面体蚀象要发育的多。

2.3 金刚石的内部生长特征

张蓓莉等[12]观察山东蒙阴金刚石薄片结果表明金刚石具有不同程度的异常双折射现象，主要呈现为：花瓣、放射状消光图案，复合叠加消光图案，平直消光图案，无固定形态的消光图案等。金刚石作为等轴晶系的均质体矿物，常常表现出光学异常性，这是由于不同的内应力引起的[13]。内应力源于晶体内部构造的不同、晶体中的位错、包裹体、裂隙及与塑性变形和机械冲击有关的各种类型缺陷的分布不同，造成了各种各样的双折射图案，这些图案可以反映金刚石生长过程及生长后期所经历的塑性变形、脆性变形、后期应变等相关信息[14]。

金刚石晶体生长过程通常需要较长的时间，金刚石的异常双折射现象是由于金刚石在其生长过程中环境P-T-fO2、碳饱和程度等环境的改变，导致杂质和晶体缺陷在晶体中的不均匀分布而成环带构造[15]。Beskrovanov[10]研究发现单晶金刚石内部都有中心区、过渡区和边缘区，这表明天然金刚石生长过程分为早期生长阶段、过渡阶段和晚期生长阶段。郑建平[16]对金刚石的微形貌和内部生长特征观察后认为，金刚石的形成具有多期多阶段的特点。通过对不同环带形态的研究就可以了解金刚石生长环境相态。山东蒙阴金刚石晶体以两期和多期生长结构为主。张蓓莉等[12]利用阴极发光图像观察蒙阴常马胜利Ⅰ号中的金刚石内部生长特征：①多数晶体显示明显的两期生长或多期生长结构，晶体的整体生长过程没有中断。②有的金刚石早期阶段生长过程不均匀，之后经历了一段时间的均匀生长，但是在晶体生长后期长期遭遇强烈的溶蚀作用。③有的晶体具有“似玛瑙状”等特殊的生长结构，这是金刚石在特定的生长条件下，由多中心发展而成。这种结构反映了金刚石结晶于粘性大、碳过饱和的环境中；在高温下的变形亦是产生“似玛瑙状”生长结构的因素之一。陈美华等[17]研究山东蒙阴金刚石的“似玛瑙状”生长结构及氮、氢杂质分布，认为该生长结构和杂质不均一特点揭示了金刚石生长过程中熔/流体的参与作用和生长条件、环境的复杂性。

3 金刚石中的包裹体

目前发现的山东蒙阴金伯利岩区金刚石包裹体有石墨、橄榄石、石榴石、辉石、铬尖晶石类矿物、金云母、金刚石、硫化物[18]、针镍矿、方解石、氯化物包裹体[19]、闪锌矿[20]、石盐[21]、自然铁、自然银[22]、含银铁-金合金包体、岩浆熔融包裹体[23]和共生于同一金刚石的橄榄岩型和榴辉岩型的矿物包裹体[24]。最常见的有以下几种：石墨包裹体，呈灰黑色或黑色的片状、鳞片状或花朵状，不透明；橄榄石包裹体，为一些无色透明的板柱状晶体，玻璃光泽；金刚石包裹体，为一些棱角尖锐的平面八面体或阶梯状八面体，无色，透明，金刚光泽；铬铁矿包裹体，较少见，为一些沥青黑色，等轴状或厚板状八面体，不透明，在灯光照射下，边缘呈红褐色；镁铝榴石包裹体，少见，为一些等轴状的粉红色、紫红色、紫色、暗紫红色、橙黄色晶体，透明或半透明，玻璃光泽；铬透辉石包裹体，罕见，为翠绿色的板柱状晶体，半透明，玻璃光泽[5，18]。

根据源区特征将包裹体分为：一类为P型或U型(橄榄岩型或超镁铁岩型)[25]，如镁橄榄石、顽火辉石、镁铝榴石、硫化物、铬透辉石、铬铁矿、镁钛铁矿、自然铁、石墨等；另一类为E型(榴辉岩型)，如单斜辉石、镁铝-铁铝榴石、绿辉石、蓝晶石、透长石、尖晶石、金红石、刚玉、硫化物、石墨、锆石、榍石等；根据形成时间将包裹体分为：先成包裹体、同生包裹体和后生包裹体。

蒙阴金刚石包裹体的化学成分和组合特征以P型占主导，石榴子石几乎全部为G10型，在P型包裹体中以方辉橄榄岩和纯橄榄岩组合为主，二辉橄榄岩组合次之，存在一部分榴辉岩型和混合型的包裹体组合，这与其金伯利岩中地幔岩包裹体主要为橄榄岩类岩石一致。与金刚石同时结晶形成的同生石墨包裹体的存在可能说明金刚石生长环境经历了明显的温压变化[12]；在同一颗金刚石中发现P+E型包裹体[24]，反映了金刚石形成环境有变化的特点；硫化物包裹体在金刚石中广泛存在，硫化物熔体被认为是绝大多数幔源金刚石形成的决定性因素[24]；罕见的岩浆熔融包裹体，是经熔离作用的岩浆熔体在温度下降、氧逸度很低和淬火作用条件下形成的[26]。

对流体包裹体的研究表明，金刚石的形成受多种环境因素制约：温度和压力对金刚石的形成起着主要的控制作用，氧逸度在金刚石的形成过程中同样起着不可缺少的作用[27-28]；实验证实，在含有挥发分的环境中可以合成金刚石，且对温度、压力等环境要求有所降低，可以推测挥发分的存在有利于金刚石的保存；有经济价值的金伯利岩型金刚石并不一定是在固态的环境生长，而是与熔/流体的活动有密切关系[28]。

4 结论

(1)山东蒙阴金刚石晶体形态以平面八面体、阶梯状八面体、八面体与曲面菱形十二面体聚形和曲面菱形十二面体四类形态为主，多种类型的天然结晶形态指示了物理化学环境的差异性。八面体金刚石可能是在早期低过饱和液相条件下自由生长形成，后期部分八面体金刚石受熔蚀成曲面菱形十二面体；少量的立方体金刚石形成于较高过饱和条件下；多晶金刚石可能是在其生长过程中或者金刚石颗粒形成后在某个特殊条件下再聚集连接起来的。

(2)蒙阴金刚石的倒三角形凹坑、平底的四边形凹坑、溶蚀沟、晕线、鳞片状蚀象与溶蚀作用有关；塑性变形滑动线是由塑性变形再经溶蚀作用形成；网格状蚀象、圆盘状凹坑、蛀穴状凹坑、叠瓦状蚀象、圆弧形蚀象、毛玻璃化蚀象等与晶体的生长过程或与晶体形成后遭受了强烈的侵蚀作用有关。

(3)蒙阴金刚石内部多呈两期生长或多期生长结构，有部分晶核有强烈的溶蚀作用，揭示了金刚石生长过程中熔/流体的参与作用和生长条件、环境的复杂性。

(4)金刚石中存在多种矿物包裹体，常见的有石墨、橄榄石、铬铁矿、镁铝榴石、铬透辉石等，包括P型或U型及E型二种类型包裹体，反映其生长环境经历了明显的温压变化。