金刚石的成因研究(报告)

金刚石的成因研究一、金刚石的基本特征1．化学成分除碳外，还经常含硅、铝、钙、镁、锰、铬、铁、氮和硼等杂质元素。

除氮和硼外，其它杂质元素多以包裹体的形式存在，如磁铁矿、镁铝榴石、铬透辉石、绿泥石、黑云母、橄榄石以及石墨等。

宝石级金刚石含杂质很少，研究证明主要杂质元素是氮和硼，并因此可划分出不同的类型，含氮者称Ⅰ型，其中若氮聚集成片晶，为Ⅰa型，若氮少且成分散状，则为Ⅰb型；不含氮者为Ⅱ型，其中含硼者为Ⅱb型，不含硼者为Ⅱa型。

2．物理性质[1]金刚石纯净的为无色透明，常见的有含石墨包体的呈黑色，含铬的呈天蓝色，含铝或氮的呈黄色，此外还有较常见的褐色、烟灰色及少到罕见的乳白色、浅绿色、玫瑰色、红色、紫色、蓝色等金刚石。

金刚石的硬度是物质中最坚硬的，它的硬度是矿物硬度中最高的，为10（莫斯硬度）。

严格的测量矿物硬度的大小是用绝对硬度—显微硬度计，金刚石的显微硬度为8000-10000kg/mm2，是刚玉的3-4倍，是石英的8倍。

金刚石的比重为3.47~3.56，抗磨性好，熔点高，约为4000℃，化学性质稳定，绝缘性好，耐酸、耐碱。

具发光性，日光曝晒后或强光照射后，夜间在暗室中发出淡青蓝色磷光，在紫外线照射下发绿色、天蓝色或紫色萤光或不发光，不同地区的金刚石所发光色不同。

并且钻石的热导率是所有矿物中最高的。

3．晶体特征金刚石的晶体结构具立方面心晶胞。

碳原子除位于立方体晶胞的角顶及面中心外，把此立方体晶胞划分成八个小立方体，则在相间排列的小立方体中心还存在着碳原子。

图表 1 金刚石的晶体结构每一碳原子周围有四个碳原子围绕，形成四面体配位，整个构造可视为以角顶连接的四面体组合图一。

碳原子间以共价键连结，致使金刚石具有高硬度、高熔点、不导电、化学性质稳定以及很强的抗酸性和抗碱性等特征。

金刚石晶体为立方晶系其结晶习性最常见是八面体，此外，还有立方体、菱形十二面体以及变立方体等。

也有呈磨圆的或呈扁平的，双晶常见。

二、金刚石形成的物质来源金刚石的物质来源，是研究金刚石的重要问题，金刚石的主要成分为碳，此外，还有少量的氮、硼、磷和惰性气体，微量元素有：Si 、Al 、Ti 、Cr 、Mg 、K、Ca 、Mn 、Fe 、Co 、Ni 、Zr 、Sr 、Pb 、Zn 、Ag 、Ba 等50 多种杂质组分。

有人认为，形成金刚石的碳来源于地幔无机碳，是地幔的一种组分；也有人认为，碳来源于壳源，是地表有机碳的一种特殊循环产物[2]。

英国和俄罗斯的科学家都对金刚石的C同位素做过研究，研究表明：具有特定碳同位素组成范围的橄榄岩型金刚石，其碳来源于地幔原始碳；而榴辉岩型金刚石的碳来源是多源的，部分来源于地幔原始碳，部分来源于地壳俯冲有机碳。

还有人做过研究，认为作为金刚石主要成分的碳分布很广，在地壳中的平均丰度为0.02%，地慢中为0.007%，而且还可以通过核聚变形式产生, 因而在任何条件下形成金刚石都有丰富的碳的物质来源。

三、金刚石形成的物化条件高温高压试验表明：金刚石既可从气相碳化合物CO 、CO2、CH4等中结晶出，也可从液相和固相碳结晶而形成。

在金刚石的形成条件中，最重要的因素是温度、压力、氧逸度和结晶时间。

图表 2 金刚石的相变图现代的合成金刚石实验为金刚石的研究做出了重大的贡献，试验证明，在一个大气压下，金刚石石墨化温度下限为1200 ℃；而在2700 ℃时，金刚石石墨化的压力上限为30Kb。

由此可了解形成金刚石的热动力条件。

另外还可根据金刚石的产状及其包体矿物所提供的信息进行估算金刚石形成时的温压条件。

对世界各地的含金刚石俘虏体进行研究后（同时用地质温压计公式进行计算），含金刚石的橄榄岩捕虏体的平衡条件均落在金刚石稳定区内，并且也在橄榄岩型金刚石包体矿物反映的温度、压力条件范围内，推测橄榄岩型金刚石形成于150～250km 的上地幔深处。

含金刚石榴辉岩的平衡温度要比榴辉岩型金刚石包体矿物形成温度低，而榴辉岩型金刚石包体矿物形成温度比橄榄岩型金刚石包体矿物形成温度高，推测榴辉岩型金刚石形成于地幔更深的部位。

有的资料说，部分榴辉岩型金刚石形成于200～300km 的上地幔深处。

金刚石的形成不仅需要高温高压，还需要一定的氧化—还原环境，资料显示：在高的氧化条件下，金刚石将被氧化生产CO2；在还原性过强的地方则与氢气生成甲烷。

美国金刚石地质、高温超高压实验研究专家Haggert y研究总结了地幔氧化—还原条件及其对金刚石形成的影响，他认为金刚石是在氧化—还原条件位于方铁矿—磁铁矿和自然铁—方铁矿之间的还原岩石圈形成的。

推测在距地表约180km 深处的岩石圈与软流圈分界线的地方有可能出现狭窄的低氧逸度区间，可结晶出金刚石；在岩石圈底部金刚石稳定区扩大，CO2、CH4 等碳氢(氧) 化合物稳定区缩小。

四、金刚石形成的地质条件金刚石的形成环境很苛刻，需要在特定的地质构造背景下才能够形成和稳定的保存。

资料表明，金刚石都产于具有稳定结晶基底的古老克拉通地区这些地区是在地史上曾发育过岩石圈厚度大于150Km的地域，只有这样的地区才能达到形成金刚石所需要的深度条件。

从图3可以看出与活动的造山带相比，稳定古老克拉通下的地慢相对要冷一些，等温点的连线等温线是向下凹的；另一方面，金刚石一石墨平衡线是上凸的，这种地区是挥发组分包括形成金刚石的碳大量聚集的有利部位，有利于金刚石形成这种地区也易于达到形成金刚石的深度条件，即比造山带要求的深度要小得多克拉通是形成金刚石最有利的部位，因而世界上绝大多数金刚石都产在这样的地质构造环境中。

图表 3 金刚石的形成地质条件有人对出露金伯利岩的克拉通地区进行了总结，得出了一些规律性的特征。

⑴发育有岩石圈根或加厚的岩石圈, 一般可深达200 km 左右；⑵这些克拉通稳定固结的时间早，多数在太古代时期。

⑶岩石圈的地温低，一般< 40 mW /m2，符合正常的地盾地温和低的地表热流值；⑷岩石圈地幔的氧逸度偏低。

五、金刚石的成因学说1．地幔捕虏晶成因学说[3]70年带以前，人们普遍的认为金刚石是由于金伯利岩结晶而来的，但是这其中却有很多不可解释的现象：金刚石大部分出现于俘虏体内。

80年代后，经过科学家的研究得出金伯利岩中的金刚石是属于俘虏体成因的。

理由有：第一，金刚石中的硫化物包裹体的年龄测定，获得了> 2 000 Ma 的模式年龄，而金伯利岩侵位于90 Ma。

金刚石中石榴石包裹体的Rb-Sr 和Sm-Nd模式年龄，均为太古代(3200～3300 Ma) 结晶产物，而它们的寄主岩侵位于中生代。

这些成果为金刚石属古老地幔结晶成因而岩浆只起了运载工具作用的观点提供了有利的证据，并得到了广泛的认可。

但是对于金刚石的成因机制却有不同的观点。

有人认为金刚石结晶于岩石圈的底部，形成于固态的环境，控制金刚石形成的主要因素是温度和压力。

还有人提出除了温度和压力外，氧逸度也是重要的因素。

上地幔在萃取基性岩浆的同时，H2O 与CO2也随之逸出，岩石圈相对于软流圈不仅成分上亏损而且还处于低的氧化状态，因此二者的交界处是形成金刚石的最有利的地带。

2．幔源岩浆结晶学说[4]金刚石不仅形成于俘虏体中，在金伯利岩中也有发现，只是颗粒细小，晶形完整。

这类岩体是指与蛇绿岩有关的阿尔卑斯型的超镁铁质岩，如我国西藏罗布莎及东巧的方辉橄榄岩，俄罗斯乌拉尔纯橄榄岩,摩洛哥北部方辉橄榄岩中都发现过金刚石。

然而如果详细研究就会发现与金刚石直接相关的岩石，几乎都与熔融作用有联系。

在熔融作用的过程中铬进入熔体，造成铬的初始富集，随即发生地幔上隆对流事件。

继续发生的熔融作用使更多的铬集中成富铬的岩浆囊，最后富铬的矿浆与硅酸盐岩浆分离并贯入到固态的地幔岩中形成矿床。

这种观点也被高温、高压实验工作所证实因此，有理由推测，从铬铁矿矿石中分离出来的金刚石也形成于相同的环境，即经历了熔体的阶段。

原作者认为，岩浆中结晶出金刚石，必须具备三个基本条件：第一，碳源充足，这是形成金刚石的物质基础。

根据有关岩石化学分析资料，金伯利岩等偏碱性超基性岩中的原生碳的含量高于其它岩浆岩，说明金伯利岩等偏碱性超基性岩类形成金刚石的可能性最大。

第二，形成金刚石相应的热动力条件要具备，即高温、超高压条件。

原始岩浆中的CO、CO2、H2O、F 等挥发组分是产生超高压的动力。

从岩石化学分析资料可以看出，金伯利岩和橄榄金云火山岩中的上述挥发组分的含量，明显高于其它岩浆岩，因此，金刚石主要出现在上述岩类中。

第三，金刚石的结晶是在幔源岩浆的残余熔融体中进行的，这种熔融体呈高度流体状态，有利于碳原子自由进出金刚石晶体格架。

残余熔融体中富含碳的挥发组分和岩浆成因的金属硫化物，对金刚石的形成起了重要的关键作用。

3．变质作用成因学说[5]变质岩中的金刚石是由俯冲板块在地幔深处经过变质作用形成。

哈萨克斯坦北部Kokchetav地区的Kumdy2Kol金刚石矿床是世界上惟一的变质金刚石矿床。

在该金刚石矿床中找到的岩相学证据证明，该金刚石矿床的主要含矿岩石大理岩曾经在俯冲带中循环到> 240 km的深部。

笔者认为Kokchetav 金刚石矿床中金刚石的形成与深俯冲大理岩中的白云石分解作用密切相关。

白云石分解反应形成文石和菱镁矿组合，菱镁矿继续分解形成金刚石(MgCO3 = 金刚石+MgO + O2) 。

基于这个认识，Kokchetav 金刚石矿床中碳(金刚石和石墨) 的来源应该是碳酸盐岩。

4．陨石轰击成因说[6]金刚石的形成与来自天外的陨石的猛烈轰击有关，发现一些陨石中常含有因撞击而形成的微粒金刚石，此外，在已发现的一些陨石撞击坑周围的岩石中，也常常有金刚石微晶的发现。

这表明金刚石可因陨石撞击时瞬间产生的巨大压力和高温而形成。

人们还注意到，这种大规模的陨石轰击作用在太阳系形成的早期最为活跃，大约延续到30亿年前左右才逐渐减弱。

如月球表面千疮百孔的环形坑就主要是在30亿年前形成的。

在地球历史的早期显然也曾遭受过相似的大规模陨石轰击，只不过由于地球表面活跃的地质作用，使早期因轰击产生的陨石坑大多已被磨灭，难以辨识。

可作为这一论点的重要证据是，人们发现，地球上的许多金刚石都具有30多亿年的年龄值，表明它们是在陨石轰击地球最猛烈的年代里形成的。

如南非的含金刚石的金伯利岩筒，已测定的同位素年龄值是0.9亿年，而岩筒中所含的金刚石却具有32～33亿年的年龄值。

又如美国阿肯色州的金伯利岩的年龄是1亿年左右，但包含在该金伯利岩的金刚石则是31 亿年的年龄值。

我国山东的金伯利岩形成于4.65亿年前，但该地与金刚石密切共生的一种镁铝榴石矿物则具有32.65亿年的年龄值。

这应当不是偶然的，很可能它们都是当年陨石猛烈轰击的产物。

后来被保存在地下深处，在晚近地质时期才又伴随金伯利岩浆的活动，重新被带到地壳浅部。