山东蒙阴金伯利岩带地球化学特征和源区性质

王海芹 禚传源 王秀凤 牛志力 马晓东 禇志远 李胜虎 吕青 马莉

摘要： 通过主量、微量和稀土元素对山东蒙阴地区的3个金伯利岩带的金伯利岩、辉绿岩、煌斑岩地球化学特征进行分析研究。结果表明，金伯利岩的岩性偏碱性且富钾，K2O、TiO2、P2O5比一般的超基性岩石含量明显高；微量元素中Ba、Th、Ta、Cr、Ni元素含量明显高，Sr和Y、Yb含量相对原始地幔偏低。金伯利岩稀土元素总量偏高、轻稀土富集，重稀土亏损。总体无明显的Eu负异常。暗示了深部地幔成因的金伯利岩岩浆分异程度较低，基性程度相对高，岩浆混合了深部的榴辉岩和相对较浅的地幔橄榄岩，可能存在二辉橄榄岩和榴辉岩、花岗质等包体捕掳体来源的混杂性。从地幔深部的高温高压的环境下，金伯利岩岩浆携带深部的金刚石矿物捕掳体沿辉绿岩侵位通道侵入上涌，在接近地表，温压骤降，岩浆岩隐爆就位，最后形成常马、西峪、坡里三个金伯利岩带。

关键词： 金伯利岩带；金刚石；地球化学；地幔成因；山东蒙阴

中图分类号： P597＋.3；P619.24＋1     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.003

引文格式： 王海芹，禚传源，王秀凤，等.山东蒙阴金伯利岩带地球化学特征和源区性质［J］.山东国土资源，2023，39（2）：17 24.WANG Haiqin， ZHUO Chuanyuan， WANG Xiufeng， et al. Analysis on Geochemical Characteristics and Source Types of Kimberlite Belt in Mengyin County in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：17 24.

0 引言

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150～300km的高温、高压的上地幔［1 3］，携带了宝贵的深部地质信息，是研究地幔物质组成的重要渠道。我国目前发现的金伯利岩体主要集中于辽宁瓦房店和山东蒙阴两地。其中1965年在山东省蒙阴地区首次发现了含有金刚石原生矿的蒙阴金伯利岩［4 7］，随后受到广泛的关注，前人对其岩石学、年代学、地球化学以及陆壳演化做过深入的研究工作［8 10］。但对常马、西峪、坡里三个岩带的金伯利岩岩石地球化学性质系统性对比分析的研究工作相對缺乏。本次工作通过主量、微 量和稀土元素分析对蒙阴地区的3个金伯利岩带的金伯利岩（以及其内团块状的花岗质捕掳体）、伴生的辉绿岩、煌斑岩地球化学特征进行系统分析和研究，并结合岩石学和年代学方面的资料讨论蒙阴金伯利岩的深部地幔的成岩环境和源区性质。

1 地质概况及岩脉特征

蒙阴地区金伯利岩产于沂沭断裂带以西的华北板块鲁西隆起区鲁中隆起内，金伯利岩区附近主要分布NE向的上五井断裂和NW向的蒙山断裂、新泰 垛庄断裂、铜冶店 孙祖断裂（图1）。研究区内出露的沉积盖层主要为寒武纪馒头组、张夏组。结晶基地为 新太古代傲徕山序列二长花岗岩。新太古代形成的  韧性剪切带，经中新生代强烈活动而形成了长期活动性的蒙山断裂，大致呈300°～320°方向延伸［11］。

蒙阴地区金伯利岩带分布在常马庄、西峪和坡里3个地区，全长约55km，宽15km；3个岩带长度分别在12～15km之间，总体走向为55°左右，3个岩带由南向北走向逐渐向东偏转，形态上向北散开向南收敛。坡里岩带分布在东北部，单脉之间呈平行侧列式断续分布，单脉与岩带方向基本一致。西峪岩带主要受2条NNE向破碎带控制，分布岩管数量较多，集中在岩带中部的西峪周围；常马岩带分布在最南端，岩管较为集中；其中常马金伯利岩带含金刚石品位较富，西峪岩带各岩体均含金刚石，但含量中等到贫，相对常马岩带明显下降［12］，坡里岩带金伯利岩带含金刚石极少或不含。各岩脉均由若干小的羽列式排列的小脉组成，长约数百米至1500m左右。岩脉的单体走向一般20°～30°，倾向SW或NW，倾角较陡。

2 岩性特征

区域地层主要有新太古代泰山岩群，古生代寒武纪长清群、九龙群，中新生代侏罗纪蒙阴组、白垩纪青山组、古近纪官庄组，第四系。研究区内主要分布4种岩浆岩，岩性如下：

（1）新太古代细粒片麻花岗岩：岩石呈灰色，具细粒半自形粒状结构，片麻状构造，组成矿物斜长石60%～65%、角闪石15%～20%、石英10%～15%等，另有微量绿泥石、绿帘石、微斜长石等，副矿物为磁铁矿－铬铁矿－磷灰石－锆石型等。片麻理密度3～4条/m，矿物拉伸比1.5～2.5，岩性均匀，产状稳定，倾向200°，倾角56°～72°。该岩体在区内大面积分布，是主要地质体。

（2）辉绿岩：呈脉状，走向4°，长400m，宽0.5～2.5m，产状76°∠70°，岩石呈暗绿色，辉绿结构，块状构造，部分地段见定向构造，主要矿物成分为辉石46%、斜长石44%、角闪石3%～5%、黑云母3%，橄榄石少量，副矿物为磁铁矿、磷灰石。

（3）金伯利岩：金伯利岩是金刚石矿的母岩，呈管状或脉状产出。岩性主要为斑状金伯利岩，岩石呈灰绿色、暗绿色，风化后呈灰黄色、黄绿色，中细粒斑状结构、卵斑结构，块状构造，含较多围岩角砾时具角砾状构造。组成矿物主要为橄榄石（一般具蛇纹石化）75%～97%、金云母1%～15%，斑晶主要为1～6mm豆状蛇纹石化橄榄石，其次为聚片状金云母和镁铝榴石聚晶等，斑晶含量20%～60%。其中有较多的花岗质捕虏体，形状多为椭圆状，岩性多呈肉红色、灰红色，片麻状构造，部分块状构造。该单元中粒晶质斑状结构。斑晶为正长石、斜长石、石英、黑云母等。

（4）煌斑岩：分布在研究区西南部，共出露有7个煌斑岩体，多成脉状产出，侵位于花岗岩之内。新鲜岩石呈灰绿色、黄绿色，风化后呈黄褐色，但仍可见浅绿色斑点，斑状结构、煌斑结构，块状构造。斑晶含量约40%，主要为角闪石（25%）及少量斜长石（15%），粒径一般在0.5～3mm之间，其中角闪石呈他形—半自形柱状，具强烈的绿泥石化及碳酸盐化。基质含量约60%，主要见有显微晶质的斜长石（35%）、角闪石（20%）及少量石英，粒径一般小于0.15mm。

3 样品采集及分析测试

3.1 样品采集及结果

岩石样品一般都采自探槽中的新鲜基岩，主要岩性为金伯利岩、辉绿岩，煌斑岩和金伯利岩中的花岗岩捕掳体4种，具体采样位置见图1，其中C01采自胜利1号金刚石矿采坑，C02，C03采自胜利2金刚石矿采坑。分析结果分别列于表1、表2中。

3.2 测试方法

本次采集的样品，通过探槽编录、野外观察，室内薄片鉴定对岩石的岩相学鉴定，然后对岩石的主量元素、微量元素、稀土元素进行了分析。样品的地球化学测试（主量、微量和稀土元素）分析在济南矿产资源监督检测中心进行，样品报告编号：FX21062。硅酸盐岩石分析依据为DZ/T0279 2016区域地球化学化学样品分析方法之标准。主量元素和微量元素分析采用全谱直读等离子体发射光谱仪，仪器型号为IRISIntrepidⅡ和双道原子荧光光谱仪AFS 820进行分析。分析条件：加速电压15kV、束流20An、修正方法依据PHRZ。稀土元素采用电感耦合等离子体质谱仪，仪器型号为XSERIES2分析。

4 金伯利岩的地球化学特征

4.1 主量元素

常马、西峪、坡里3个岩带中金伯利岩的SiO2含量在27.04%～34.70%之间，平均32.26％；金伯利岩中花岗质捕掳体的SiO2含量在47.54%～87.68%之间，平均62.64％；煌斑岩的SiO2含量52.92%；辉绿岩的SiO2含量在16.77%～48.50%之间，平均39.79％（表1），和周围发育的辉绿岩和煌斑岩相比，蒙阴地区金伯利岩的SiO2含量略低，比国外金伯利岩的平均值34.73％还要偏低。该区的金伯利岩与国外金伯利岩相比，SiO2、FeO和MgO相对偏低；Fe2O3、CaO和Al2O3相对偏高。和中国纯橄榄岩岩石主要化学成分相比，SiO2、FeO、 MgO和Na2O偏低；TiO2、CaO、Al2O3和P2O5偏高。和地幔岩石主要化学成分相比，SiO2、Fe2O3和MgO偏低；TiO2、CaO和FeO偏高。金伯利岩在FeO MgO投影图（图2）上，结晶分异趋势图中未能投入熔体和残留体中；超出了它们的上限，MgO含量明显大于FeO，基性超基性元素部分熔融作用不明显。

在5个金伯利岩样品中，经过Geokit软件计算，金伯利岩的组合指数（σ25）数值在0.01～0.17之间，远远小于钙碱性的边界值1.8；K2O含量0.14%～1.15%，Na2O含量0.06%～0.34%，K2O含量明顯大于Na2O含量，且K2O含量随云母含量而变化。分异指数（ DI） 数值在1.61～4.20之间，表明岩浆分异程度较低，基性程度相对高。固结指数 （SI） 数值在61.06～77.68之间，远大于40，暗示了岩浆来自相对分异程度较低的地幔源原生岩浆。在花岗岩类构造环境判别中，其中花岗质包体的 R1 数值在1941～5587之间， R2 数值在118～1845之间，主要投点在地幔分离的花岗岩和板块碰撞前花岗岩区域区域，显示出金伯利岩成岩构造环境中花岗质包体捕掳体来源的混杂性。

4.2 微量元素

研究区金伯利岩、辉绿岩等岩石微量元素丰度列于表2。从表2可看出，金伯利岩样品中的不相容元素的含量（×10 6）：Rb=10.8～109.0；Zr=150～442；Sr=138～1052；Ba=141～2830；Th=18.2～53.8；Ta=7.64～21.2；U=2.84～8.55；金伯利岩和表中的辉绿岩和煌斑岩相比，Rb、Zr、Sr、U元素的含量基本接近，Ba、Th、Ta元素含量高出很多，个别甚至10倍以上。相容元素的含量（×10 6）：Cr=933～1607；Co=56.1～88.7；Ni=804～1187；Sc=11.1～18.1；Ta=7.64～21.2。Cr、Ni元素，相比辉绿岩和煌斑岩等超基性岩明显高出几倍，Co、Sc比较接近。暗示随金伯利岩岩浆的分异演化程度增强而增加，有壳源物质的混染。高场强元素的含量（×10 6）：Zr=150～442；Hf=4.21～12.6；Nb=115～337；Ta=7.64～21.2；表明高场强元素无明显亏损，整体性质和洋岛玄武岩较为接近，含量明显高于原始地幔的含量，甚至10倍以上。金伯利岩和辉绿岩中的Sr和Yb元素出现明显的负异常（表2，图3、图4），形成2个波谷，Sr和Y、Yb含量相对原始地幔偏低，Sr和Y、Yb主要赋存在橄榄石等矿物中。也暗示金伯利岩岩浆在原始地幔岩浆的基础上部分熔融，并且可能在上升的过程中掺杂有较多的围岩包体，如辉绿岩、煌斑岩和花岗岩等。

4.3 稀土元素

研究区中辉绿岩的中轻重稀土分离不明显，（LREE／HREE＝8.12～36.90），在稀土分配模式曲线上（图5）表现为中间Eu、Gd元素线条有平直，两端倾斜。金伯利岩稀土元素的含量（×10 6），∑REE为436.45～1252.97；LREE为424.31～1220.00；HREE为12.14～32.97；LaN/YbN＝122.70～216.72；δEu为0.76～0.92；δCe为0.98～1.09。金伯利岩中轻重稀土分离比较明显，（LREE／HREE＝28.42～39.22），在稀土分配模式曲线上（图6）表现为向右平滑陡倾，其中轻稀土富集、Eu无明显亏损型。轻稀土强烈富集，缺少负Eu异常。其中在X02样品中，轻稀土的含量异常，其含量是其他样品的2倍左右，达到1220.00；其他一般都在400～900之间。

5 讨论

5.1 金伯利岩岩石化学成分特点

蒙阴地区的金伯利岩的岩性偏碱性并且富钾，K2O、TiO2、P2O5比一般的超基性岩石含量明显高；基性程度较高。金伯利岩和研究区内的辉绿岩和煌斑岩相比，微量元素中Ba、Th、Ta、Cr、Ni元素含量明显高，Sr和Y、Yb含量相对原始地幔偏低。金伯利岩稀土元素的含量（×10 6），∑REE为436.45～1252.97；LREE/HREE=28.42～39.22;LaN/YbN＝122.70～216.72；δEu为0.76～0.92；δCe为0.98～1.09。金伯利岩稀土元素的总体特点表现为，稀土总量偏高、轻稀土富集，重稀土亏损。总体无明显的Eu负异常，反映成岩过程岩浆的分异程度较低。

5.2 金伯利岩和辉绿岩的关系

蒙阴地区金伯利岩的SiO2含量（27.04%～34.70%）偏低，不仅比一般的超基性岩要低，比研究区内辉绿岩等都要低，相对国外金伯利岩的平均值34.73％也偏低。暗示金伯利岩岩浆在前期辉绿岩体的附近，捕掳部分辉绿岩的岩石包体熔融，在化学成分上有同化混染，最后在蒙阴地区基性岩附近的裂隙中上涌就位。蒙阴金伯利岩与四堡期基性辉绿岩墙群受同一构造体系（牛岚构造体系）的控制。该体系较强的控制了牛岚辉绿岩的上侵及定位，并将构造的行迹以岩脉的形式定格下来。牛岚构造体系破坏了鲁西刚性地块的完整性，使得后期的金伯利岩岩浆的上侵沿袭、改造、利用了牛岚构造体系形成的薄弱带。坡里岩带总体是沿着NNE向分布，该展布方向与牛岚构造体系的NNE向剪切裂隙带具有一致性［13］。坡里岩带中的辉绿岩被寒武纪馒头组灰岩覆盖，坡里K24号金伯利岩体发育在辉绿岩体内。常马和西峪金伯利岩带中侵入最新的地层为奥陶纪马家沟群土峪组［14］。

5.3 蒙阴地区金伯利岩的深部地幔源区性质

新太古代晚期，傲徕山序列花岗岩大片岩基侵入，鲁西陆块形成，在克拉通深部产生薄弱的裂隙带，早中奥陶世或稍晚，NW向次级断裂带切割深度30km左右，穿过莫霍面等值线变化密集的梯度带，并且在深部与地幔贯通［15 17］。

金伯利岩岩浆中，金伯利岩的組合指数（σ25）数值在0.01～0.17之间，分异指数（ DI ）数值在1.61～4.20之间，固结指数（ SI） 数值在61.06～77.68之间， R1 数值在1941～5587之间， R2 数值在118～1845之间，暗示了金伯利岩在地幔成岩构造环境中，岩浆分异程度较低，基性程度相对高。复杂的壳幔共同作用［18 19］导致位于约200km深度左右的富含挥发组分的高压高温金伯利岩岩浆沿着裂隙带上侵（图7）。地幔橄榄岩岩浆携带深部高温高压形成的金刚石，在金伯利岩岩浆深部贯通橄榄岩源区和榴辉岩源区的界面，岩浆混合了深部的榴辉岩和相对较浅的地幔橄榄岩，可能存在二辉橄榄岩和榴辉岩、花岗质等包体捕掳体来源的混杂性。

牛岚构造体系对鲁西刚性地块的完整性的破坏，地壳和上地幔盖层的张性节理和裂隙的初步形成，逐渐在深部与地幔相贯通，在深部贯通沉积盖层和橄榄岩榴辉岩源区中，形成一个深达地幔的岩浆通道，从地幔深部的高温高压的环境下，金伯利岩岩浆携带深部的金刚石矿物捕掳体，在通道侵入上涌，在接近地表沉积带层的时候，温压骤降，岩浆岩体隐爆就位，最后形成常马、西峪、坡里3个金伯利岩带。

6 结论

（1）金伯利岩的稀土总量偏高、轻稀土富集，重稀土亏损。无明显的Eu负异常，反应了岩浆分异程度较低，基性程度相对高。

（2）蒙阴地区后期的金伯利岩岩浆的上侵沿袭与改造利用了前期牛岚构造体系形成的薄弱带。

（3）位于约200km深度的地幔橄榄岩岩浆携带深部高温高压形成的金刚石，在金伯利岩岩浆深部贯通橄榄岩源区和榴辉岩源区的界面，岩浆混合了深部的榴辉岩和相对较浅的地幔橄榄岩。

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Analysis on Geochemical Characteristics and Source Types of   Kimberlite Belt in Mengyin County in Shandong Province

WANG Haiqin1， ZHUO Chuanyuan1， WANG Xiufeng1， NIU Zhili1， MA Xiaodong1， CHU Zhiyuan2， LI Shenghu1， LV Qing2，MA Li3

（1.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resource Utilization， MNR， Shandong Provincial Key Laboratory of Metallogenic Geological Process and Resource Utilization，Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China; 2.No.7 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276006， China；3.Shandong Institute of Geological Surveying， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract： In this paper， geochemical characteristics of kimberlite， diabase and lamprophyre in three kimberlite belts in Mengyin area have been studied in terms of major， trace and rare earth elements. The lithology of kimberlite in Mengyin area is alkaline and rich in potassium. The contents of K2O， TiO2， P2O 5 are significantly higher than that of ordinary ultrabasic rocks. The contents of Ba， Th， Ta， Cr and Ni in trace elements are obviously high， and the contents of Sr， Y and Yb are relatively low compared with the original mantle. The total amount of rare earth elements is high， the light rare earth elements are enriched， and the heavy rare earth elements are depleted. There is no obvious negative Eu anomaly. It is indicated that the kimberlite magma of deep mantle origin has a low degree of differentiation and a relatively high degree of basicity. The magma mixes the deep eclogite with relatively shallow mantle peridotite， and there may be a mixture of lherzolite， eclogite， granitic and other xenolith xenoliths. Under the environment of high temperature and high pressure in the deep mantle， the kimberlite magma carries the deep diamond mineral xenoliths， invading and upwelling in the channel. When approaching the surface， the temperature and pressure drop suddenly， and the magmatic rock body implosively explodes in place. Finally， three kimberlite belts， such as Changma， Xiyu， and Poli are formed.

Key words： Kimberlite belt; diamond; geochemistry; mantle origin; Mengyin county in Shandong province