鉀鎂煌斑巖:優質金剛石主要載體與幔源流體活動標志

李睿哲, 曾普勝, 王十安, 劉斯文, 溫利剛, 趙九江

1)自然資源部生態地球化學重點實驗室, 國家地質實驗測試中心, 北京 100037;2)中國地質大學(北京), 北京 100083;3)礦冶科技集團有限公司, 礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室, 北京 100160

煌斑巖是成分和成因復雜的一組中至暗色的斑狀脈巖, 按其化學成分和礦物組合, 可分為鈣堿性煌斑巖、堿性煌斑巖和超基性煌斑巖三大類, 鉀鎂煌斑巖是其中較為特殊的代表之一。

在礦物學方面, 鉀鎂煌斑巖的礦物組分較為復雜, 因此很難僅用巖石學來定義: 其主要礦物有橄欖石、透輝石、頑輝石、金云母、鉀堿鎂閃石、白榴石和/或透長石, 及多種副礦物, 不含斜長石、伊利石和鉀霞石, 但并不是所有鉀鎂煌斑巖都含有以上所有礦物組分(Gill, 2010)。

詳細分類:

鉀鎂煌斑巖的進一步劃分應按照國際地科聯火成巖分委會建議(Le Maitre, 2005)使用 Mitchell and Bergman(1991)描述的鉀鎂煌斑巖分類系統, 并被后來的研究者所采用(Gill, 2010), 根據優勢礦物金云母、堿鎂閃石、橄欖石、透輝石、透長石和白榴石重新定名以取代曾用名, 如表 1所示。這些曾用名在國際上已被廢止, 而國內的文獻中還常出現,應統一為宜。

表1 鉀鎂煌斑巖的命名Table 1 Nomenclature of lamproites

簡而言之, 鉀鎂煌斑巖是一種重要的深源巖石,是深源巖漿活動的標志性產物, 可作為了解地幔信息的窗口。鉀鎂煌斑巖是一類較為特殊的火山成因或淺成的超基性巖, 常與金伯利巖共生, 但相對而言, 鉀鎂煌斑巖的研究不如金伯利巖的研究廣泛深入, 自澳大利亞西北部的阿蓋爾(Argyle)地區的鉀鎂斑巖成為世界上最富且品質最好的金剛石礦之后, 鉀鎂煌斑巖的勘查研究才得到了快速的發展。研究表明, 每 100 t鉀鎂煌斑巖的鉆石含量約為500克拉, 而金伯利巖僅為20～80克拉(Mitchell and Bergman, 1991), 因此鉀鎂煌斑巖也作為繼金伯利巖之后的另一種金剛石寄主巖被持續關注。

1 國內外鉀鎂煌斑巖簡況

目前已知, 全球鉀鎂煌斑巖主要分布于西澳的Argyle和 Ellendale地區、美國 Leucite Hill地區(Bergman, 1987)以及中國黔湘地區, 除上述地區外,亦有幾處鉀鎂煌斑巖星散分布于全球各地(圖 1),但由于資料較少, 本文不作詳細描述。

圖1 全球典型鉀鎂煌斑巖分布圖(據Bergman, 1987; Mitchell and Bergman, 1991; Shirey, 2013修改)Fig.1 Typical global distribution of lamproite (modified after Bergman, 1987; Mitchell and Bergman, 1991; Shirey, 2013)

西澳鉀鎂煌斑巖作為常與金伯利巖伴生的一種巖石, 前人對其研究時間較長。西澳鉀鎂煌斑巖位于西澳大利亞的西金伯利煌斑巖省的 Argyle地區, 年齡1940～1800 Ma, 巖體上覆寒武系沉積物。不同于Dawson(1980)中經典模型提到的“含金剛石的金伯利巖位于穩定克拉通內部, 而邊部只能產出不含金剛石的金伯利巖和煌斑巖”, 西澳鉀鎂煌斑巖地處克拉通核心外圍。其主要礦物有橄欖石(被滑石和碳酸鹽取代)和四鐵金云母斑晶以及細粒金云母、銳鈦礦、榍石、鈣鈦礦、磷灰石、錳鈦鐵礦、鈦鎂鉻鐵礦和硫化物基質組成。前人提出西澳鉀鎂煌斑巖含有金剛石的可能性(Wade and Prider, 1940;Prider, 1959), 后來的確在Argyle的鉀鎂煌斑巖(Akl)中發現了金剛石(Mitchell and Bergman, 1991)。

美國懷俄明州 Leucite Hill地區的鉀鎂煌斑巖是全球典型的鉀鎂煌斑巖體, 其 K-Ar年齡為97～106 Ma(Zartman, 1977; Gogineni et al., 1978), 出露面積2000～2500 km2, 巖性包含金云斑白榴巖(白榴石-金云母-透輝石煌斑巖±橄欖石±鉀堿鎂閃石)、金云白榴粗面巖(白榴石-透閃石-透輝石-金云母煌斑巖±鉀堿鎂閃石)和透輝金云斑巖(透輝石-金云母煌斑巖)。目前認為其不具含金剛石條件。

中國鉀鎂煌斑巖主要集中在貴州鎮遠—湖南常德—寧鄉一帶的“黔湘鉀鎂煌斑巖帶”(池際尚等,1996), 是中國含金剛石鉀鎂煌斑巖的代表地區(圖2)。

2 中國鉀鎂煌斑巖簡況

2.1 中國鉀鎂煌斑巖空間分布

中國鉀鎂煌斑巖主要分布于黔東南、湖南寧鄉、山西飲牛溝、山東大井頭、湖北大洪山和西昆侖克里陽地區(表2)。

2.2 中國典型鉀鎂煌斑巖帶

中國鉀鎂煌斑巖主要分布于深大斷裂附近,大致沿兩個主要的金剛石成礦帶分布, 即黔湘鉀鎂煌斑巖帶和郯廬斷裂帶(大井頭一帶), 另外山西飲牛溝、湖北大洪山和西昆侖克里陽地區幾處星散分布在中國各地(圖2, 表2)。其中, 已探明含金剛石的巖體主要位于貴州鎮遠馬坪、湖南寧鄉云影窩和山東大井頭巖體, 湖北大洪山地區具有成礦潛力, 其他地區未發現含金剛石礦。

表2 中國鉀鎂煌斑巖時空間分布Table 2 Time and space distribution of lamproite in China

圖2 中國鉀鎂煌斑巖分布圖(據王留海, 1991; 王取義, 1995; 童潛明, 1996; 柴鳳梅, 2001; 張宏福和楊岳衡, 2007; 陳漢林等, 2009;楊經綏等, 2011; 宋謝炎等, 2011; 宋瑞祥, 2013; 蔡逸濤等, 2019; 黃友波等, 2019修改)Fig.2 Distribution of lamproite in China(modified after WANG, 1991; WANG, 1995; TONG, 1996; CHAI, 2001; ZHANG and YANG, 2007;CHEN et al., 2009; YANG et al., 2011; SONG et al., 2011; SONG, 2013; CAI et al., 2019; HUANG et al., 2019)

2.2.1 黔湘鉀鎂煌斑巖帶

黔湘鉀鎂煌斑巖帶位于桂北—黔東北—湘西北延至湘中地區(池際尚等, 1996; 董斌等, 2006;楊光忠等, 2019; 黃遠成等, 2015), 其中貴州鎮遠馬坪和湖南寧鄉云影窩兩地有原生金剛石產出。

貴州鎮遠鉀鎂煌斑巖帶

黔東南鉀鎂煌斑巖以鎮遠縣白墳和思南塘兩大鉀鎂煌斑巖體群為主, 另有施秉縣等地幾個較小巖體群中亦可見(圖 3)。區內鉀鎂煌斑巖大多呈巖墻或巖管狀產出(羅會文和楊光樹, 1989), 侵位于下寒武統明心寺組至清虛洞組和中寒武統高臺組的白云巖與碳酸鹽巖中(方維萱等, 2002)。自1976年在西澳發現鉀鎂煌斑巖之后, 前人將黔東南部分與之具有類似性質的金伯利巖改稱為鉀鎂煌斑巖(江萬, 1995)。

圖3 貴州鎮遠地區鉀鎂煌斑巖出露地質概況圖(據饒紅娟等, 2019修改)Fig.3 Geological profile of lamproite outburst in Zhenyuan, Guizhou (modified after RAO et al., 2019)

鎮遠地區鉀鎂煌斑巖具有富鈦, 貧鋁的特征,微量元素和稀土元素富集程度比國外典型鉀鎂煌斑巖略低(池際尚等, 1996)。

湖南寧鄉鉀鎂煌斑巖帶

湖南沅水地區是我國重要的金剛石砂礦源區,許多學者也對湖南含金剛石的鉀鎂煌斑巖進行研究, 但目前仍未找到其原生礦區的位置。湖南鉀鎂煌斑巖主要出露點為寧鄉云影窩(李子云和馬文運,1993)(圖 4)。湖南 413地質隊在 1990年發現含金剛石微粒的鉀鎂煌斑巖(林瑋鵬等, 2009), 后由于多方面條件限制, 目前其研究進展較慢。

圖4 寧鄉云影窩地質略圖(據李子云和馬文運, 1993)Fig.4 Geological sketch of Yunyingwo, Ningxiang(modified from LI and MA, 1993)

寧鄉鉀鎂煌斑巖群產于揚子板塊與華南板塊邊界的桃江—城步巖石圈碰撞斷裂帶和雙牌—汨羅地殼斷裂帶的交匯區附近(饒家榮, 1999), 主要為火山管道相, 部分為脈狀淺成侵入相, 巖體多呈狹長帶狀北西向展布, 巖帶大約長5 km。

2.2.2 其他地區

除上述幾個鉀鎂煌斑巖區以外, 在山東大井頭(王玉峰等, 2019)、湖北大洪山(劉觀亮等, 1993)、山西飲牛溝(李佑國等, 1991)及新疆克里陽(李友枝等,2000; 柴鳳梅, 2001)等地亦有鉀鎂煌斑巖出露。

3 討論

3.1 鉀鎂煌斑巖的典型礦物及其金剛石含礦性

3.1.1 地球化學特征

原生金剛石的主要來源為大陸板塊內部的堿性巖漿作用的產物, 含金剛石的鉀鎂煌斑巖一般位于P型克拉通的邊緣帶, 巖漿來源深度在150 km以上,形成壓力大于5 Gp, 形成溫度大于1100℃(Bergman,1987; Haggerty, 1986; 劉觀亮等, 1993)。結合世界典型鉀鎂煌斑巖的主量和微量元素豐度特征, 相比于不含金剛石的鉀鎂煌斑巖, 含金剛石的會呈現出 FeO、MgO、Cao、CO2含量高, M 值高, Gd、Cr、Ni、Co、LREE、Ta、Rb、Ba豐度高, Ba/Sr、La/Yb比值高, K/Rb比值低的特點(表3)(李昌年, 1991; 柴鳳梅, 2001)。

表3 中國典型鉀鎂煌斑巖與世界典型鉀鎂煌斑巖主量元素特征對比表Table 3 Comparison of main element characteristics of typical lamproite in China and the rest of the world

3.1.2 鉀鎂煌斑巖深源的典型礦物

鉀鎂煌斑巖的深源典型礦物主要包括金云母、鉀堿鎂閃石、以及鎂鋁榴石、鉻尖晶石、鈣鈦礦等捕擄晶礦物(張安棣, 1991; 劉觀亮等, 1993)。其中富鈦貧鋁金云母和鉀堿鎂閃石是鉀鎂煌斑巖的標志性礦物。

金云母: 鉀鎂煌斑巖中中金云母分為斑晶金云母和基質金云母, 最特征的是金云母富鈦(TiO2: 2%～10%), 貧鋁(Al2O3: 5%～10%), 另有富鈦(TiO2: 5%～10%)的嵌晶狀基質四配鐵金云母出現(池際尚等, 1996)。

鉀堿鎂閃石: 含鈦的鉀堿鎂閃石是鉀鎂煌斑巖最特征的礦物之一, 具有貧鋁高鈦的特征,一般存在于基質之中, 分子式可寫為(Na,K)NaCa(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2, A位存在大量K(池際尚等, 1996)。

鎂鋁榴石: 鉀鎂煌斑巖中的石榴子石多自人工重砂中獲得, 以橄欖巖型鉻-鎂鋁榴石和鈣鋁榴石-鎂鋁榴石為主, 特點為表面具有熔蝕結構以及渾圓狀外形(池際尚等, 1996)。

劉觀亮等(1993)提出, 在埃倫代爾(Ellendale)地區僅發現了3顆G10組鎂鋁榴石, 而富含金剛石礦的阿蓋爾(Argyle)礦區卻并未發現G10組鎂鋁榴石,且貴州馬坪巖體的石榴子石的分析結果均呈現不貧Ca的特征, 可被歸類為G9組。可見G10組的鎂鋁榴石作為鉀鎂煌斑巖中金剛石的特征指示礦物的可靠性較低, 可能不適用于鉀鎂煌斑巖型金剛石礦床, 反而含有G9組鉻-鎂鋁榴石的鉀鎂煌斑巖存在含礦的可能性, 但具體關系還有待確認。

鉻尖晶石: 張安棣(1991)根據鉻尖晶石捕擄晶中TiO2、Al2O3、Cr2O3和MgO進行聚類分析, 將鉻尖晶石分為S1–S12十二組。其中S1組無鈦貧鋁富鎂鉻鐵礦中鉻尖晶石的 MgO與 Cr2O3含量很高,Al2O3含量在5%左右, 而TiO2的含量小于0.2%, 是金剛石最早期的鉻尖晶石化學成分特征, 這反映了金剛石形成早期的高虧損環境。并且經過統計, 貴州馬坪、湖南寧鄉、西澳的鉀鎂煌斑巖以及許多含金剛石的金伯利巖均含有這一組的鉻尖晶石, 含金剛石性的好壞與這一組的鉻尖晶石含量有一定的正相關關系。S2組的含鈦貧鋁富鎂鉻鐵礦與S1組主要在于TiO2的含量變化, 代表了金剛石中較晚期的鉻尖晶石包體及與金剛石連生的成分特征, 與 S1組具有同樣的金剛石指示意義。

金剛石: 國外鉀鎂煌斑巖中最具代表性的金剛石礦床有西澳阿蓋爾和埃倫代爾, 全球對鉀鎂煌斑巖中的金剛石的研究多以上述兩礦床為主, 在阿蓋爾和埃倫代爾中的鉆石多是Ⅰ類, 主色大多為棕色,大小平均為 0.1～0.2克拉, 最大可達 16克拉(Mitchell and Bergman, 1991)。國內僅有馬坪、寧鄉和大井頭三個巖體有原生金剛石產出, 以Ⅰ類為主。但相比于阿蓋爾中的金剛石, 顆粒細、數量小(池際尚等, 1996)。

金剛石包裹體的深源信息特征: 鉀鎂煌斑巖是了解地幔信息的窗口之一, 因為鉀鎂煌斑巖中所含的金剛石一般會含有其形成時捕獲的來自深部地幔的包裹體, 而通過對這些包裹體的研究可以獲得金剛石形成環境所處的地幔部位的很多信息。

金剛石中礦物包裹體一般存在兩大類——橄欖質或超鎂鐵質 (紫色鉻鎂鋁榴石、鉻透輝石和鎂橄欖石等)和榴輝巖質(橙色鎂鋁榴石-鐵鋁榴石、綠輝石和藍晶石等)。相比于金伯利巖, 鉀鎂煌斑巖中金剛石一般含有較多的榴輝巖質包裹體, 部分較富含K、Al和 Fe(Mitchell and Bergman, 1991)。近些年的工作發現, 某些地區的高鎂含量的碳酸巖流體夠與碳酸橄欖巖處于平衡狀態, 因此代表了可能存在于巖石圈較深處的一種更原始的端元, 并與原始金伯利巖漿巖中的流體有關(Shirey, 2013)。

3.2 中國鉀鎂煌斑巖與金剛石成礦的時期

前人測得黔湘鉀鎂煌斑巖帶年齡范圍范圍較大, 鎮遠地區早期鉀鎂煌斑巖形成時代為400～500 Ma (馬大銓等, 1983; 羅會文和楊光樹,1989; 梅厚鈞等, 1998; 方維萱等, 2002), 與華北地臺蒙陰、瓦房店一帶金伯利巖帶早期獲得的年齡一致(池際尚等, 1996)。其中產出原生金剛石的馬坪巖體中馬坪1號和2號的全巖K-Ar年齡為402 Ma和467 Ma(馬大銓等, 1983)。晚期鉀鎂煌斑巖形成時代為192～147 Ma(馬大銓等, 1983)。

林瑋鵬等(2011)測得寧鄉鉀鎂煌斑巖中巖漿鋯石的 U-Pb年齡為(101.6±5.1) Ma, 形成于燕山期,呈現出較為年輕的特點。

前人對大井頭巖體的形成時期沒有精確的測定。毛景文等(2005)總結在中國北方中生代大規模成礦作用期次中, 位于郯廬斷裂周邊的倉上金礦、焦家金礦、望兒山金礦、新城金礦等多個深源金屬礦床的成礦年齡均在 120 Ma左右, 這些礦床的形成與大井頭鉀鎂煌斑巖的形成在時間與空間上存在一定聯系。褚志遠等(2019)研究得到, 山東蒙陰坡里地區中, 巖管相的金伯利巖穿切了輝綠巖脈, 而輝綠巖脈的年齡為122 Ma左右, 根據以上穿切關系,可推斷蒙陰坡里金伯利巖的年齡最大為122 Ma。大井頭鉀鎂煌斑巖在空間上與坡里金伯利巖帶相近,且鉀鎂煌斑巖與金伯利巖常存在伴生關系, 故可得出大井頭鉀鎂煌斑巖的年齡可能與坡里金伯利巖年齡相近, 均為122 Ma左右, 為晚燕山期構造運動的產物。

馬大銓等(1980)測定大洪山徐家沖巖體的K-Ar法年齡為326 Ma, 劉觀亮等(1993)測得該巖體的全巖K-Ar年齡為326 Ma和327 Ma, 以及一組Rb-Sr法礦物等時線同位素年齡為352 Ma。

綜上, 中國含金剛石的鉀鎂煌斑巖的主要成巖時期為 147～100 Ma的燕山期, 也是和金剛石相關的金-稀土等金屬礦產的重要成礦時期。

3.3 關于中國鉀鎂煌斑巖與金剛石的找礦前景討論

目前世界上金剛石主要賦存于金伯利巖以及鉀鎂煌斑巖中, 其中阿蓋爾地區鉀鎂煌斑巖中產出了大量優質的金剛石(Mitchell and Bergman, 1991),所以鉀鎂煌斑巖具有極高的金剛石成礦潛力。而隨著工作的展開, 在中國的鉀鎂煌斑巖帶中將會發現更多優質金剛石原生礦床。

中國最早發現的含有原生金剛石礦的鉀鎂煌斑巖體位于貴州馬坪(池際尚等, 1996), 目前發現的大部分鉀鎂煌斑巖都位于揚子地臺, 且在湖南沅水等地產出了大量優質的砂礦金剛石, 但源頭未知, 其原因與黔湘鉀鎂煌斑巖帶的構造活動、地表抬升與剝蝕有密切聯系, 所以黔湘鉀鎂煌斑巖帶仍有較大的金剛石成礦潛力。而位于揚子北緣的湖北大洪山地區的鉀鎂煌斑巖中不發育金剛石,但其周邊地區存在金剛石的產出(劉觀亮等, 1993),因此揚子北緣大洪山地區及其鄰區值得進一步調查與關注。

在郯廬斷裂帶兩側, 除大井頭地區的鉀鎂煌斑巖管外, 遼寧瓦房店和魯西地區的金伯利巖管群中亦發現大量優質金剛石(馮愛平等, 2021; 付海濤等,2021), 因此在郯廬斷裂帶周邊仍有發現鉀鎂煌斑巖體以及原生金剛石的潛力。

總之, 中國對鉀鎂煌斑巖的研究程度較低, 對鉀鎂煌斑巖成礦潛力的研究對于今后中國東部大火成巖省以及地幔柱的深入工作具有重大意義。

4 結論

根據上述對中國鉀鎂煌斑巖的研究, 可得出以下結論:

(1)鉀鎂煌斑巖主要分布于深大斷裂附近, 中國鉀鎂煌斑巖受江南臺隆西緣的都勻—貴陽—銅仁—懷化深斷裂、常德—安仁深斷裂以及郯廬斷裂帶等深大斷裂帶控制, 其中貴州鎮遠馬坪、湖南寧鄉云影窩、山東平邑大井頭等鉀鎂煌斑巖有原生金剛石產出。

(2)鉀鎂煌斑巖的標志性礦物有富鈦貧鋁金云母、鉀堿鎂閃石、鎂橄欖石、鎂鋁榴石、鉻尖晶石、鉻鐵礦等, 其中S1、S2組貧鋁富鎂鉻鐵礦對鉀鎂煌斑巖中金剛石的形成有指示意義。

(3)中國鉀鎂煌斑巖活動具多期性, 其中晚侏羅世—早白堊世(147～100 Ma)時期屬于中國含金剛石鉀鎂煌斑巖和相關的金-稀土等金屬礦產的重要成礦時期。

致謝: 感謝貴州101地質隊楊光忠研究員、吳世光高級工程師、湖南413地質隊李帥總工程師在野外勘查工作中給予的幫助, 以及國家地質實驗測試中心各位老師的指導。

Acknowledgements:

This study was supported by Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(No.JYYWF20180101), Key Research & Development Project of Shandong Province (No.2019GSF109101),China Geological Survey (Nos.DD20190589;DD20160220; DD20190703), and National Natural Science Foundation of China (No.41072073).