壹、概述
金伯利巖曾是原生金剛石的唯壹來源。碳酸巖是鈮-稀土等稀有金屬的重要來源之壹。這是兩類與堿性超基性巖和堿性巖漿巖有關的較為特殊的巖漿礦床。
金伯利巖由其最早的產地南非金伯利而得名，這種巖石因主要組成礦物為金雲母、橄欖石，並多具特征的角礫狀構造也曾叫角礫雲母橄欖巖，被認為是壹種分異差的偏堿性超基性巖。經過長期研究，已肯定金伯利巖巖漿起源於地幔，具有特殊演化和復雜的成巖條件，與發現較晚的含金剛石鉀鎂煌斑巖實際上可能構成壹個漸變系列 ( 梅厚鈞，2000) 。
金伯利巖巖體呈巖筒狀、巖脈狀或小巖席狀，常成群產出。典型的巖筒是巖漿及碎屑物質充填火山管道形成的。金伯利巖中常有來自上地幔和上覆蓋層巖石的包體或角礫，還有早期金伯利巖巖球、巖屑，巖石結構很不均壹。主要組成礦物可有斑狀、粗粒和細粒基質的不同世代。金伯利巖的主要礦物成分有橄欖石和金雲母，還有鎂鋁榴石、鎂鈦鐵尖晶石、蛇紋石、碳酸鹽礦物，有些還有鉻透輝石。巖石化學成分以矽低、鋁低、鎂和鉀高為特征。金剛石在金伯利巖中含量低且不均勻，具有開采價值的巖體含量在壹立方米巖石中不過 0. 5 克拉 ( 1 克拉 =0. 2 g) 。
碳酸巖是壹種較少見的巖漿巖，主要由碳酸鹽類礦物組成的侵入巖。主要礦物可以是粗粒或細粒方解石，也可以是白雲石或鐵白雲石，還可以有少量的鈉、鉀、鈣碳酸鹽以及壹些鈉長石、鉀長石、鈉輝石、角閃石、矽灰石、磁鐵礦、重晶石等。碳酸巖巖體的最典型產狀是呈環狀雜巖體，與堿性巖***生或與超基性巖及堿性巖***生。此外也有呈巖墻、巖床以及在近火山口呈巖流與霞石巖巖流、凝灰巖壹起產出的。有的研究者認為由方輝橄欖巖組成的局部地幔巖部分熔融產生初始金伯利巖漿，當其受地幔熱柱驅動上升時，富含CO2飽和熔液的巖漿經過液態不混溶可分異形成碳酸鹽巖漿。碳酸巖中可以含有多種不同礦產，主要含稀土類礦產和鐵礦床，有含磷灰石的，有含燒綠石等富鈮礦物及含稀土元素礦物的，個別巖體還產銅和鈾。
金伯利巖和碳酸巖在時空分布上有壹定伴生關系，產出的地質環境和構造控制很相似。兩類巖石均產於古老的地盾和穩定地臺中，巖體成群分布在大陸板塊內地幔隆起的熱點，特別是已發育為裂塹及裂谷的地帶，受深斷裂系統的控制。根據金伯利巖和碳酸巖產狀的特點，特別是有的巖筒明顯為火山頸，有的碳酸巖與某些堿性巖壹起呈巖流產出，近期研究中也特別強調了這類巖漿礦床形成於同火山環境的性質。世界上金伯利巖體和碳酸巖形成於不同的時代，有前寒武紀、古生代和中生代的，壹個地區也有不止壹個時代的。最重要的含金剛石金伯利巖體形成時代是元古宙和白堊紀。世界是上最重要的金剛石礦床是南非金伯利，其次有俄羅斯西伯利亞雅庫特。澳大利亞是最先發現含金剛石鉀鎂煌斑巖的地區，碳酸巖在東非洲很多地區、巴西、加拿大、美國等都有分布，東非裂谷系廣大地區內有眾多的碳酸巖產地，並與含或不含金剛石的金伯利巖壹起產出。我國先是在湘西探明金剛石砂礦，20 世紀 60 年代在山東蒙陰找到第壹個具工業價值的金伯利巖型金剛石原生礦，並進壹步擴展到遼寧南部地區。近年來還在貴州鎮遠、湖北大洪山等地區發現鉀鎂煌斑巖，進行了找礦地質研究工作。
二、重要礦床
1. 南非金伯利巖中的金剛石礦床
在南非已發現 200 多個金伯利巖體，它們侵入於古老的結晶片巖、花崗巖及石炭紀至侏羅紀的砂巖和粗玄巖中。含金剛石的金伯利巖、無礦的金伯利巖和碳酸巖、堿性巖的分布大致呈兩條交叉的帶，壹條呈北東向從桑斯蘭起經金伯利地區壹直延至東北勒陀利亞。另壹條近東西向，由萊索托起在金伯利穿過前壹個帶延至西北面的波斯特馬斯堡。巖筒的分布受太古宙地盾與幾個臺向斜帶交界的隱伏斷裂及其交叉處控制。在金伯利地區8. 5 km2面積內有 15 個巖筒組成巖筒群，它們常幾個集中在壹起或分布在壹條線上，富金剛石的巖筒位於主幹斷裂交會部位。
金伯利巖筒平面上多呈不規則橢圓形，直徑從 250 ～ 850 m，在剖面上呈陡立的漏鬥狀，主要巖筒 ( 圖 3-13) 開采深度早已超過 1000 m。有些呈巖脈產出的巖體延伸達數十公裏。根據重要巖筒采礦和研究資料復原了壹個巖筒模式 ( 圖3-14) 。上部火山口，常被角礫物質充填，中心有凝灰質沈積，可有金伯利巖脈穿入，中部火山頸，呈圓—橢圓形，四壁直立或向中心傾斜。角礫狀金伯利巖為凝灰物質膠結，向下變為無角礫有同源包體的斑狀、隱晶斑狀金伯利巖，有的巖筒向下變為巖脈。
圖3-13 南非金伯利巖的構造環境( 引自米契爾·加森)( 波浪線表示納米比亞和 Bushmanland 基底中的走向)
金伯利巖原生礦物有橄欖石、金雲母、少量鉻鐵礦、鋯石和石墨，次生礦物有蛇紋石、石棉、伊丁石、滑石、綠泥石、方解石、石髓等。金伯利地區的巖筒上部常受到強烈風化，在深數十米的風化蝕變產物 “黃土”和 “藍土”中都采出金剛石。在巖筒中金剛石分布很不均勻，有的地方可集中到每立方米內含 0. 6 ～0. 8 克拉。可采地段平均含量為0. 000036% ～ 0. 00009% 。金剛石有不同的變種，常見的是壹種具平滑的或階梯狀層狀晶面的八面體，透明無色或黃色。晶體直徑從極微小到 8 ～10 cm。
2. 魯中、遼南金伯利巖中金剛石礦床
20 世紀 60 ～ 70 年代，先後在山東蒙陰地區和遼南復縣地區發現含金剛石的金伯利巖，是我國重要的原生金剛石礦床。蒙陰有 3 個金伯利巖帶，50 多個含金剛石金伯利巖體，遼南有規模更大、質量更好壹些的金剛石原生礦和砂礦。
魯中、遼南地區位於中朝地臺上，並且這些地區以分布著太古宙的灰色片麻巖和科馬提巖組合的花崗巖綠巖帶為特征。更明顯的是含礦金伯利巖體局限在郯廬斷裂帶兩側40 ～70 km 範圍內的次級斷裂帶中。已知原生礦橄欖巖組合具有 3100 Ma 的年齡值，而含礦金伯利巖則為 450 ～490 Ma，大致相當於晚奧陶世，與這壹地區當時整體擡升的構造運動時間壹致。
圖3-14 金伯利巖巖漿系統綜合模型( 引自梅厚鈞，1989)
含金剛石金伯利巖呈巖管和巖墻狀產出，並集合成巖群，3 個以上巖群構成金伯利巖田，巖管直徑幾十米，少數幾百米，出露面積壹般不超過 1 km2( 圖 3-15) ，巖墻長十幾米至幾千米不等，寬 0. 3 ～0. 7 m，局部到 20 m，向下延伸達數百米。壹個金伯利巖田內常常有個別巖體達工業品位。研究認為這些巖體大部分應屬根部帶或淺成相。
金伯利巖結構、成分非常不均勻，巖體邊緣相中有震旦系、寒武系和奧陶系灰巖、砂巖、頁巖捕虜體，更多的捕虜體是基底的片麻巖和麻粒巖，此外還有純橄欖巖、石榴子石方輝橄欖巖、石榴子石和鉻尖晶石二輝橄欖巖、金雲母輝石橄欖巖等地幔巖捕虜體，其大小多為 1 ～10 cm，淺成相巖石具塊狀構造，多數橄欖石粗晶假象嵌布在由橄欖石、金雲母、蛇紋石、方解石、鈣鈦礦組成的細粒基質中，有時有富金雲母的金伯利巖。巖墻中的巖石含粗晶，少具細粒隱晶結構。兩個地區金伯利巖中普遍含鉻鎂鋁石榴子石和鉻尖晶石。還有少量鉻透輝石、鎂鈦鐵礦、碳矽石等，其中鉻鎂鋁石榴子石、鉻尖晶石具找礦指示意義。兩地區金剛石的晶形、顏色、粒級特征各不相同，如山東勝利 1 號巖管中以曲面菱形十二面體最多，八面體次之，多為褐灰等色，無色至淺黃少於 30%。品位壹般為80 ～ 120 ct /100 t。遼寧 50 號巖管中金剛石八面體最多，另有三角薄片雙晶和立方體等，顏色以無色為主，褐色次之，黃色不到 10%。所獲的大鉆石近 60 余克拉，巖體品位在200 ct /100 t 左右。兩地原生礦床壹定距離內都發現沖積砂礦，金剛石質量優於原生礦床。
圖3-15 山東蒙陰紅旗六號巖管巖體形態及巖性分布圖 ( 地表)( 據國土資源部 613 礦科研隊)
3. 東非及南非碳酸巖型稀有金屬礦床
東非廣大地區內都有堿性巖和碳酸巖分布，主要是與東非裂谷系有關，產在裂谷系及與之有關的隆起區內部或附近。巖體形成的時代由南向北逐漸由老變新。津巴布韋的碳酸巖是三疊紀的，贊比亞和馬拉維南部的雜巖是早白堊世的，到坦桑尼亞北部沿東非隆起的東部邊緣，在南段的碳酸巖是白堊紀的，而北段到現在仍然是間歇活動著的地區。南非的前寒武紀碳酸巖所處的位置認為是此裂谷系南端的延伸部位。
東非大多數碳酸巖呈環狀雜巖體。碳酸巖與堿性巖***生，較深部位也有超基性巖。碳酸巖常產在巖體核心，即所謂中心式，如津巴布韋和馬拉維、肯尼亞、烏幹達等地的巖體。另外也有壹些巖體無堿性巖伴生或成巖墻、巖席狀分布於主幹斷裂中，如坦桑尼亞有延伸達 25 km 的例子。
碳酸巖體含有不同類型的礦產，如津巴布韋、南非的碳酸巖含中等品位的原生磷灰石礦，馬拉維的奇爾瓦島上有含磷灰石的白雲石、透閃石碳酸巖，有高達百分之幾的燒綠石。馬拉維還有產稀土的碳酸巖，贊比亞、坦桑尼亞和肯尼亞也有高含量稀土礦物碳酸巖。馬拉維南部主幹裂谷內的 Kangankunde 火山口有三個鐵白雲石-菱鍶礦碳酸巖構成的礦體含4% ～7%獨居石、14%菱鍶礦、少量重晶石，是世界上最大稀土-菱鍶礦之壹。
南非 Palabora 是壹少見的含銅碳酸巖堿性巖超基性巖雜巖體。巖體主體為輝石巖，邊緣有正長霓長巖，近南北向延長 6. 5 km，寬 2. 5 km，侵入於較老的花崗巖中。巖體中部有壹個中心式碳酸巖株，碳酸巖周圍發育的是磷灰石磁鐵礦橄欖巖和蛇紋石化的蛭石-輝石-橄欖石似偉晶巖。這種蛇紋石化蛭石輝石橄欖石似偉晶巖在輝石巖大巖體軸部近北端還形成另外兩個中心，以橄欖石-蛭石似偉晶巖構成其核心，整個巖體被壹系列北東向巖墻切穿 ( 圖 3-16) 。這壹地區有三個露天礦場，壹個開采碳酸巖、磷灰石磁鐵礦橄欖巖中的銅礦，另兩個開采由金雲母風化成的蛭石-橄欖石似偉晶巖中的蛭石和輝石巖中富集的磷灰石。雜巖體中心的碳酸巖體有黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦，巖體含銅平均為 0. 69%，副產品有金、銀、鉑族元素、斜鋯石和鈾方釷石。
圖3-16 南非 Palabora 雜巖體地質略圖( 引自梅厚鈞，1989)
4. 鄂陜秦嶺堿性巖帶中的碳酸巖礦床
秦嶺的堿性巖類分布在華北地塊南緣和揚子地塊北緣的深切斷裂地帶，按巖石組合分為兩個系列，壹個是堿性巖-堿性花崗巖系列，包括霞石正長巖、正長巖-粗面巖、石英正長巖、碳酸巖、堿性花崗巖等; 另壹個是堿性基性巖、堿性超基性巖系列，包括霓霞巖、霓輝巖、鈦鐵霓輝巖、輝石堿長巖、金伯利巖及晚期的碳酸巖等。形成時代從新元古代、古生代到中生代，均屬地殼拉張環境下產物。已知代表性礦床屬於晚古生代堿性巖，分布於安康—武當—隨州壹帶，如湖北竹山廟埡巖體。屬早中生代深源堿性巖建造的在嵩縣-盧氏-華縣地區，如陜西華縣華陽川碳酸巖堿性巖帶。
竹山廟埡巖體由正長巖、正長斑巖、方解石碳酸巖和鐵白雲石碳酸巖組成，產於新元古代和早誌留紀地層中，巖體長 2. 95 km，寬 580 m，巖體幾乎全部礦化，已圈定 40 多個礦體，多為層狀、不規則層狀透鏡狀，主礦體長大於 1000 m，寬數十米至 200 m。正長巖、正長斑巖、方解石碳酸巖都含鈮與稀土金屬，黑雲母方解石碳酸巖較富鈮，鐵白雲石碳酸巖和方解石碳酸巖較富稀土，主要礦石礦物有鈮鐵礦、鈮鐵金紅石、獨居石、氟碳鈰礦，***生礦物有燒綠石、鈮鈦鈾礦、鈮鉭鐵礦、鈮易解石、鈮釔礦、磷灰石、黃鐵礦等，礦石平均含 Nb2O50. 118% ，TR2O30. 168% ，稀土元素以鈰族為主。
華縣華陽川礦床產於太古宙大華群中，碳酸巖由方解石碳酸巖、金雲母方解石碳酸巖、磷灰石方解石碳酸巖及後期的白雲石碳酸巖脈組成。沿斷裂裂隙充填呈脈群產出。圍巖為花崗偉晶巖、花崗斑巖、堿性巖脈及其蝕變巖。礦體呈不規則透鏡狀、似板狀，長500 ～ 900 m，寬 5 ～ 20 m，部分為隱伏礦體，礦石礦物包括含鈮、鈾 ( 釷) 礦物、含鋇的天青石、方鉛礦、磁鐵礦、黃鐵礦等，是鈾、鉛、鈮、稀土、鍶的大型綜合礦床。
三、成礦條件和成因問題
研究金剛石礦床成因有壹些特殊的問題，首先是在什麽情況下能提供金剛石生成所需的高溫高壓條件，以及又如何在巖漿溫度壓力降低時金剛石能不被熔融或分解而穩定存在。現在已有根據的認為含金剛石的金伯利巖漿起源於地下深處，是由地幔巖經部分熔融運移而形成的。這種巖漿的最大特點是富鎂、富堿、尤其是富鉀。金伯利巖中有方輝橄欖巖、榴輝巖包體。與金剛石***生的礦物除橄欖石、金雲母外，常有鎂鋁鉻鐵礦、鎂鋁榴石，都是很好的證明。據實驗資料，金剛石形成最適宜的溫度為 1200 ～ 1800℃，壓力為45 ～ 60 kPa。而且多次實驗獲得壹條近似的金剛石-石墨平衡曲線，當壓力不變，溫度迅速降低時金剛石可處於穩定狀態，但當溫度不變壓力迅速變化時，則金剛石會由穩定態轉化為石墨穩定區內的亞穩定態，最後轉化為石墨。所以金伯利巖不是在地下深處緩慢冷卻，而是在巨大內壓力下，通過爆發侵位於近地表淺處迅速冷卻，在這種情況下，金剛石就有利於保持穩定或保持亞穩定態而得以保存。
有關金剛石中碳的來源、金剛石生成時間、生成方式存在不同認識。有壹種觀點認為金剛石是金伯利巖漿從地下深部捕獲的，即金剛石和榴輝巖等壹樣是事先存在於地幔巖中的組分，壹些研究者指出世界許多地區金剛石的年齡都是前寒武紀的，從 3300 Ma 至2700 Ma，而容礦的金伯利巖或鉀鎂煌班巖的侵位年齡則從元古宙到第三紀都有。還有壹種觀點認為金剛石是金伯利巖從被同化的含碳巖石中得到碳而生成的，但碳同位素資料不能證明這種解釋，而且現在知道地幔的去氣作用中，CO2是壹種重要的成分。多數人目前持有的看法還是認為金剛石和其他造巖礦物壹樣是從金伯利巖漿中結晶出來的。並把它歸入早期巖漿礦床，認為金剛石是較早從巖漿中分結出來形成的非常分散的浸染體。也有人推測金剛石的形成只能是在深度很大 ( 可能超過 100 km) 壓力很高的環境下，碳或碳化物滲移到巖漿結晶作用發生的地方生成的。金伯利巖中的金剛石按其種類、結晶外貌，顏色和粒度都是多種多樣的，除了完整的金剛石晶體外，還可見到晶體碎屑，橄欖石、石榴子石中有金剛石的包裹體，金剛石中也有橄欖石、石榴子石等的包裹體，可見金剛石不僅與這些礦物生成時間互相接近，而且也同樣受到金伯利巖漿結晶噴發這些急劇變化過程的影響。但現在對於金剛石有多少是在金伯利巖來源的地方生成，在巖漿上升過程中又有多少金剛石晶出以及當巖漿發生氣體爆炸時是否也有金剛石結晶這些問題，還很難作出明確回答。
碳酸巖及有關礦床研究較晚，加速開展調查研究是近 40 ～50 年的事情。對碳酸巖的成因也曾有過巖漿、熱流交代、捕虜體改造和氣體加註等不同認識。有人曾根據方解石有很高的熔點而懷疑可能沒有碳酸巖巖漿存在，但到後來實驗觀察到在由 H2O-CO2聯合產生壓力為 5 MPa 和 900℃時方解石即開始熔融，特別是到 1960 年觀察到噴出的碳酸巖巖漿。綜合碳酸巖巖體的野外產狀和巖石學、巖石化學諸方面的研究，碳酸巖巖漿成因已不容再有懷疑。特別是碳酸巖含有巖漿巖、特別是堿性巖中所***有的稀有元素，尤其富 Zr、Nb、La、Ce 等微量元素。還有碳酸巖巖石中的鍶同位素特點87Sr /86Sr 與沈積成因的碳酸鹽巖石明顯不同而與伴生的堿性巖相同，它們的87Sr /86Sr 比上地殼物質低，這就說明它們起源地區不是地殼而是下地殼或上地幔。
金伯利巖和碳酸巖有關礦床的成因聯系現在已得到很多研究者的肯定。壹是不僅在如東非裂谷已知典型地區，而且在壹些新的地方都可看到兩類礦床在同壹巖區內產出。二是巖石學研究確定了它們作為偏堿性超鎂鐵質巖區巖石在巖石成分上的壹些***同之處，可以有根據地推測它們是起源於地下深處，且可能有***同的地幔巖源巖。此外這些巖石都是巖漿通過深斷裂帶上升到近地表，侵位在同火山環境中，從而受到區域構造的控制。
四、勘查評價要點
含金剛石金伯利巖巖筒和碳酸巖稀有金屬礦床已有了根據世界典型地區礦床資料建立起來的礦床模式。
這兩類礦床生成和產出的構造背景是大陸內古老地盾及元古宙就已穩定下來的地臺。大多是在區域性深斷裂帶包括時代較新的裂谷帶中。也產在克拉通邊緣已變形的蓋層巖石中，最直接的找礦前提和勘查對象是有關的堿性超鎂鐵質巖，包括金伯利巖角礫巖筒、富鉀鎂煌斑巖、碳酸巖及伴生的其他超基性巖、堿性巖以及發生堿交代作用的巖石。大的堿性巖區 ( 帶) 及特殊的暗色巖區是找礦有利的方向。金伯利巖和碳酸巖形成的時間從早元古代以來各時代都可以有，但世界範圍內重要的形成時代是中元古代和中生代的白堊紀。
金伯利巖特征的產狀是巖筒或巖管，碳酸巖的典型產狀是環狀巖體，此外也呈巖脈及不規則形態，巖體成群分布。金伯利巖體壹般都很小，巖筒直徑壹般幾十米，少數幾百米，但深度大。在這些巖體分布區內常常有多種其他脈巖分布。有的研究者認為: 碳酸巖中稀有金屬和其他礦產產出的深度位置及組合關系可能存在壹定規律 ( 圖 3-17) 。
據稱，現在世界上已發現金伯利巖體近 5000 個，但含金剛石的僅約 500 個，有工業價值的僅是其中十分之壹。金剛石在巖體中很不集中，也很不均勻。但人們已掌握了壹些判別巖體含礦性的標誌特征，如金伯利巖中含橄欖石多並且呈斑晶出現時成礦有利，鎂鋁榴石含量高含礦性好，鉻尖晶石中 Cr2O3含量高含礦性好，微量元素中 Cr/V、Ni/V、Cr / Ti、Th / U 比值高時成礦有利，巖石化學成分 ( Cr2O3+ NiO) / TiO2較高者含礦性好，此外巖體中含純橄巖、橄輝巖等包體多的成礦也有利。在壹些較大的區域中可能先有金剛石砂礦發現，可進壹步找尋原生礦床。此外 Cr、Ti、Mn、Ni、Co、PGE、Ba 等異常，碳酸巖礦床還有稀土、U、Th 等異常也都是成礦的標誌。
圖3-17 超基性-堿性巖垂直截面中含礦碳酸巖的礦物類型( 引自 V. I. 斯米爾諾夫)