(1) 一些地幔残留体或石榴石二辉橄榄岩、方辉橄榄岩等地幔组成单元既可以机械混入的形式混染初始岩浆(例如, 在金伯利岩中, 往往可见地幔物质解体后形成的金刚石、橄榄石、镁铝榴石、铬铁矿等巨晶捕虏晶组合), 也可以对初始岩浆产生明显的同化作用^{[5, 15, 16]}(例如, 根据金伯利岩中幔源捕虏体岩石的研究结果, 人们认为在金伯利岩的巨晶捕晶组合中理应包括10%~50%的斜方辉石, 但事实并非如此)。值得进一步指出的是, 斜方辉石的熔解将直接影响初始岩浆的SiO₂和挥发份含量。早期实验研究结果表明^[17], 斜方辉石的稳定性取决于共存流体中的H₂O/CO₂比值。在高CO₂含量下(CO₂/( CO₂+H₂O)> 0.4), 顽火辉石较为稳定; 在高H₂O含量下(CO₂/(CO₂+H₂O)< 0.4), 顽火辉石则易发生反应(图1)。这暗示着:①初始岩浆除包含一定量的CO₂外, 还含有相当数量的H₂O; ②斜方辉石的同化作用可以增加岩浆中的SiO₂含量等, 即未受“ 污染” 的初始岩浆可能比早先人们设想的更加贫SiO₂等。

(2) 金伯利质岩浆上升至地壳及(或)浅部就位期间, 还可能受到地壳物质的同化/混染作用。在此期间, 由于岩浆的温度相对较低、氧逸度相对较高, 其在金伯利岩中主要表现为捕虏体或以基质矿物及(或)充填物的形式存在, 并形成一些富含Ti的氧化物矿物以及富含挥发份的矿物等。

然而, 当前由于缺乏对巨晶捕虏晶组合矿物、捕虏体、基质及(或)充填物等中的矿物的SiO₂, CO₂, H₂O等组分含量的微区系统对比研究, 致使人们难于有效分析地幔、地壳物质对初始岩浆的影响, 更难于厘定其中可能涉及的演化动力学机制。

图1

Fig.1

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	图1 2GPa下MgSiO3-H2O-CO2系统中的相位图[5]Fig.1 Phase relations in the system MgSiO3-H2O-CO2 at 2GPa[5]

(1) 随金伯利质岩浆上升期间的P-T-fO₂变化, 尤其是温度的降低(图2), 岩浆中可能结晶出橄榄石、铬尖晶石、镁质钛铁矿、贫Cr镁铝榴石等矿物^{[15, 16, 18, 19]}。这其中, 橄榄石可以在高压→ 低压下均自岩浆中结晶。研究表明, 金伯利岩中的橄榄石包括有原始岩浆中结晶的橄榄石、地幔捕虏体岩石解体及(或同化)后沉淀的橄榄石、自被“ 污染” 岩浆中结晶的橄榄石以及岩浆在地壳浅部就位期间结晶形成的基质微斑晶钙镁橄榄石等^{[18, 19]}。应该说, 这些矿物的结晶和(或)再生长在极大程度上改变了岩浆的化学组成、挥发份相对含量及黏度等物理、化学属性。

(2) 在金伯利质岩浆的上升、侵位过程中, 脱气作用是非常重要的。例如, 富含挥发份的金伯利质岩浆在上升至接近地表喷发时, 溶解在高压岩浆中的CO₂等发生脱气作用, 致使CO₂等的溶解度明显降低, 并导致氧同位分馏, 进而诱发相变。同时, 不同的氧同位素在各个阶段的分配使整个化学平衡系统的振动、旋转和平动的能量最小^[20]。由此看来, 深入、系统地对比这些矿物的结晶及(或)再生长特征, 有效分析金伯利质岩浆演化过程中的脱气作用将是揭示金伯利质岩浆演化机制的关键。

然而, 当前由于缺乏再结晶及(或)再生长矿物在微成分、微结构方面的系统研究报道, 致使人们难以有效精准分析金伯利质岩浆组成的变化规律及脱气作用的影响, 也就难以揭示金伯利质岩浆的演化过程。

图2

Fig.2

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	图2 不同样品在不同缓冲剂下的温度— 氧逸度图解[11] MH:磁铁矿— 赤铁矿; NNO:Ni-NiO; FMQ:铁橄榄石— 石英— 磁铁矿; WM:方铁矿— 磁铁矿; IW:铁— 方铁矿; QIF:石英— 铁— 橄榄石Fig.2 Temperature vs oxygen buffers in Log fO2for different samples[11] MH: Magnetite-Hematite; NNO: Nickel-Nickel Oxide; FMQ: Fayalite-Magnetite-Quartz; WM: Wustite-Magnetite; IW: Iron-Wustite; QIF: Quartz-Iron-Fayalite

人们对金伯利岩中的橄榄石、辉石、镁铝榴石等的结晶学、矿物学及地球化学特征等的研究表明:

(1) 前苏联的“ 成功” 、“ 和平” 2个金伯利岩筒中, 橄榄石的折光率(Ng')的范围为1.679~1.708, 且Ng'值与橄榄石中Fe²⁺的含量、橄榄石颜色的深浅成正相关关系。此外, 金伯利岩中橄榄石的成分变化不大, 大的橄榄石斑晶与超基性岩捕虏体中的橄榄石在折光率和成分上几近相等。这些特征可以为金刚石的含矿性提供线索^[21]。

(2) 我国山东胜利I号岩管的金伯利岩中的橄榄石往往具有多个世代, 同一粒橄榄石的成分较均一, 含MgO, Cr₂O₃, NiO高的橄榄石是寻找金刚石矿的指示性矿物^[22]。

(3) “ 镁橄榄石+铬镁铝榴石+铬次透辉石+金云母” 等标型矿物组合可以用于指示金刚石的形成条件^[23]。

(4) 辉石中Al₂O₃, Ca/(Ca+Mg)比值与金伯利岩的金刚石含矿性呈负相关关系。这是因为辉石中Al₂O₃, Ca/(Ca+Mg)比值反映了其形成时的温压条件, 即含量越低(或比值越小), 形成温压条件越高, 指示其来源越深, 形成于金刚石稳定区的概率越大, 则富含金刚石。反之亦然^{[22, 24]}。

(5) 富金刚石矿的金伯利岩中镁铝榴石颜色种类较多, 而且主要以紫色系列为主; 贫金刚石或不含金刚石的金伯利岩中镁铝榴石的颜色较单一, 而且主要以橙色系列为主^{[22, 25]}。

(6) 镁铝榴石中的Cr, Mg, Mn含量与金伯利岩的含矿性呈正相关关系, Ca, Al, Fe含量与其含矿性呈负相关关系^[26]

(7) 根据镁铝榴石的Cr-Ca组分、Ni含量等也可计算其形成温度、压力条件, 进而为探寻金伯利质岩浆的形成环境、判断是否落入金刚石稳定区等为金刚石的含矿性提供科学线索^[27]等。

由于受到研究手段等的限制, 早期研究成果在强调橄榄石、辉石、镁铝榴石等的金刚石找矿意义的同时, 似乎更多地倾向性认为他们在成分、结构等方面具有均匀性。然而, 随现代研究技术的发展, 人们日渐揭开了橄榄石等矿物的不均匀性面纱。同时, 人们也注意到, 在较大程度上可以利用这种不均匀性来深入研究地球深部过程、探索金伯利质岩浆的演化及其金刚石含矿性^{[2, 7, 28~33]}。此外, 根据矿物的端员组分, 计算金伯利岩中橄榄石、辉石、镁铝榴石形成的P-T条件, 进而评价金伯利岩中的金刚石含矿性也存在相当的局限性。如计算得出的矿物P-T条件落入金刚石稳定区, 只能说明其符合金伯利岩含矿的P-T 2个条件, 至于金刚石是否能够在随金伯利质岩浆向上运移过程中得以保存则不得而知, 且其是否属于地幔捕虏晶仍存在相当的分歧^[28]。

包括作者在内的研究人员发现, 在金伯利岩中的橄榄石捕虏晶中可以检测到强的、均匀的与羟基(-OH)相关的红外吸收峰, 且这种吸收峰广泛存在于地表金伯利岩中的非蛇纹石化橄榄石中^{[1, 6, 7]}。与此同时, 前人^[20]在对比不含金刚石的橄榄岩捕虏体、含金刚石的橄榄岩捕虏体及金刚石中的包裹体矿物等中的橄榄石的红外光谱特征时, 发现金刚石中的橄榄石包裹体是不含水的, 含金刚石的橄榄岩捕虏体中的橄榄石含水量较低(H₂O< 60× 10^-6), 而不含金刚石的橄榄岩捕虏体中的橄榄石含水量较高(H₂O> 100× 10^-6, 甚至达260× 10^-6)(表2)。基于此, 人们认为可以通过红外光谱检测橄榄石的含水性来评估新发现金伯利岩的金刚石含矿性^{[1, 6, 7, 28]}。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 金伯利岩中各类橄榄石的含水量[28] Table 2 Water content of olivine from different peridotite xenoliths[28] 样品编号 样品产地 橄榄石类型 含水量/× 10-6 865 南非芬什 含金刚石橄榄岩捕虏体 50± 10 866 南非芬什 含金刚石橄榄岩捕虏体 20± 5 XM46 南非芬什 含金刚石橄榄岩捕虏体 10± 5 XM48 南非芬什 含金刚石橄榄岩捕虏体 15± 5 BO01 南非博斯霍夫 不含金刚石橄榄岩捕虏体 120± 20 BO02 南非博斯霍夫 不含金刚石橄榄岩捕虏体 115± 15 BO18 南非博斯霍夫 不含金刚石橄榄岩捕虏体 100± 10 BO20 南非博斯霍夫 不含金刚石橄榄岩捕虏体 150± 25 LGS25-9 加拿大杰里科 不含金刚石橄榄岩捕虏体 230± 30

表2 金伯利岩中各类橄榄石的含水量[28] Table 2 Water content of olivine from different peridotite xenoliths[28]

在理论上, 利用上述方法评价金伯利岩的金刚石含矿性有一定的可行性, 但存在以下问题:

(1) 这方面的相关数据还较少, 需要进一步积累。

(2) 在缺乏对橄榄石的微区成分、结构特征及差异研究的情况下, 这种方法可能存在较大的局限性:由于其难于准确、动态地阐明各类橄榄石所经历的形成环境、演化特征, 自然也就难以有效地反映金伯利岩中金刚石的初始品位及保存潜力。

(3) 对于已被认同含水的辉石、铝镁榴石等矿物^[35]是否存在类似的意义仍不得而知。

(4) 对于这种具有金刚石含矿性评价意义、相对较为单一的指标体系的理论依据、普适性知之甚少。

(5) 是否存在更为有效的由矿物组合、微区成分、微区结构等多元指标构成的综合评价体系?

众所周知, 金伯利岩是一种非常复杂的岩石, 并非典型的熔岩。一方面, 在组成结构单元上, 既包括来自地幔、地壳的捕虏体、捕虏晶, 也包括岩浆中形成的斑晶、基质, 还含有不少的充填物; 在组成成分方面, 既含有金伯利质岩浆的初始组分, 也含有受地幔、地壳物质混染、同化作用所带入的组分。另一方面, 金伯利岩在地球浅部极易发生风化作用, 形成蛇纹石化、碳酸盐化等诸多蚀变, 这在较大程度上影响了其初始组成与结构。基于此, 要解决当前金伯利岩研究中所面临的关键基础科学问题, 迫切需要从微区的角度, 采用现代微区、原位分析技术(如LA-ICP-MS, Ramam光谱, SIMS, EPMA, HRTEM和FESEM等)对各组成结构单元中的矿物等的微成分、微结构(微米级、纳米级)进行研究, 提取其中可有效判读其初始岩浆组成、演化过程等方面的信息, 进而为有效重建金伯利质岩浆的演化过程、揭示其对深部过程的响应等奠定科学基础^{[35, 36]}。然而, 正如前文所述, 当前此类研究还相当有限。需要进一步指出的是, 理论上, 正是由于金伯利岩是由地球深部快速上升至浅部的地质体, 具有保留初始岩浆组成信息方面的相对优势(如细小同源包裹体、金伯利岩筒边部隐晶质物质及基质矿物等), 只不过信息载体粒度相对较为细小(微米级、纳米级), 因此更需要将微区研究的思想贯穿其中。

对于前文提到的与金刚石含矿性评价有关的金刚石在地幔中的初始品位、金刚石在金伯利质岩浆演化期间的保存潜力分析等2个关键科学问题, 最好的解决方法是在对已知金刚石矿区的金刚石本身的微成分(杂质、包裹体等)、微结构等进行深入研究的基础上, 反演金刚石的整个“ 成核— 长大— 改造” 过程^{[37, 38]}。但事实上, 这几乎是做不到的。同时, 即便是做到了, 也似乎对未知金伯利岩区的含矿性分析意义不大。这是因为:

(1) 金刚石的微成分、微结构在地幔保存、随金伯利岩上升期间都可能因经历了明显的熔蚀过程而引发多次改造, 甚至缺失, 故单纯通过金刚石本身的研究, 人们很难反演其整个“ 成核— 长大— 改造” 过程, 这也是至今人们都不清楚天然金刚石的“ 成核— 长大” 历史、难于准确揭示地球深部过程及动力学机制的关键原因之一。

(2) 根据金刚石本身研究所建立的理论模型, 难以应用于新发现的或暂被认为不含金刚石的金伯利岩区的金刚石含矿性评价与分析。

由此看来, 人们需要另辟蹊径, 寻找新的相关研究思路。但事实上, 根据前文所述, 如果能通过深入对比金伯利岩中的各个组成单元、金刚石包裹体中存在的矿物(或物质)组分等的微成分、微结构及地球化学组成等的差异及变化规律, 既可以厘定金伯利质岩浆的初始组成及演化, 又可以获取金刚石形成的初始环境及上升期间可能经历的各种环境变化。即基于金伯利岩的微组构(微成分、微结构)研究, 不但可以为有效重建金伯利质岩浆的演化机制奠定基础, 而且可以在对已知金刚石矿区研究的基础上, 建立用于金刚石初始品位预测和保存潜力分析的模型, 以实现有效评价未知金伯利岩区含矿性的目的。

例如, 对于金伯利岩中各类产出状态的橄榄石的微组构研究, 认为:

(1) 对于金伯利岩中的基质、斑晶中的橄榄石而言, 由于人们普遍认同它们是从金伯利质岩浆中结晶而成的, 只不过斑晶中的橄榄石结晶得稍早一些, 因而必然在橄榄石的微成分、微结构中包含着诸多金伯岩形成环境及演化方面的信息^[39]。即便是前人^[40]指出的加拿大Diavik金刚石矿的金伯利岩中的斑晶橄榄石是从细小的捕虏晶橄榄石长大而成的, 但其外部再生长部分仍然同样指示着金伯利岩的形成环境。

(2) 对于金刚石中的橄榄石包裹体而言, 显然其微组构特征可以有效地反映金刚石形成时的初始环境^[41]。

(3) 对于金伯利岩中的橄榄岩捕虏体中的橄榄石而言, 在外观上, 尽管金伯利岩中的橄榄岩型橄榄石似乎并没有发生明显的改变, 但事实上由于P-T-fO₂等条件的快速变化及(或)金伯利质岩浆的影响, 它们往往会在晶体结构、地球化学组成等方面产生明显的变化。例如, 在高温高压下, 橄榄石与金伯利岩质熔体会产生相互作用, 且在橄榄石中形成新的阳离子空穴, 这些空穴易被质子进行电荷补偿, 进而引起橄榄石结构的氢化作用。同时, 这种氢化作用是一个快速的过程, 对于毫米级大小的晶体, 只需要几个小时到几天就可以实现^[31], 这也正是人们利用其评价金刚石含矿性的一个理论与实验依据。