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金伯利岩（kimberlite）又称庆伯利岩，[5]是一种火成岩，旧称“角烁云母橄榄岩”，[1]是一种碱性或偏碱性的超基性岩，[6]形成时代以白垩纪为主。金伯利岩是产出金刚石的岩浆岩之一，1869年，人们在南非一处叫金伯利的地方发现了重达83.5克拉的“南非之星”金刚石，[3]1887年刘易斯根据其产地将这种岩石命名为“金伯利岩”，[7][8]金伯利岩多呈深色，以绿色居多。[1]其矿物组成比较复杂，主要含铝镁榴石、金刚石、橄榄石、金云母和辉石，此外还有铬铁矿、钛铁矿、磁铁矿、磷灰石等一些副矿物。[4][9][10]
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，[2]主要由地壳深处的岩浆快速上升冷却而形成，[11]一般以岩筒、岩管、岩脉、岩床等形态产出，[2]故又称金伯利岩筒、金伯利岩管、金伯利岩脉或金伯利岩床。[1][12]全球金伯利岩主要分布在俄罗斯、博茨瓦纳、加拿大、安哥拉、南非、刚果民主和纳米比亚；中国的金伯利岩主要分布在华北地台, 在山东、辽宁、吉林、山西、河南和新疆等地。[2]
金伯利岩是产出金刚石的岩浆岩之一，金刚石是一种贵重宝石，应用广泛，常用于制作饰品或工业中的切割工具；[6]另外，金伯利岩携带了宝贵的深部地质信息，是研究地球内部的重要物质。[2]
矿物组成
金伯利岩的矿物成分十分复杂，种类比较多，主要有以下几种：[4]
镁铝榴石：为金伯利岩中重要特征矿物，常呈浑圆状斑晶或棱角状碎屑出现，是金刚石伴生矿物之一，颜色可有多种，从黄色至橙色、从玫瑰色到血红色、从淡紫色到暗紫青色都有。镁铝榴石几乎都具浅灰色或淡绿色次变边外壳，外壳呈圆形或椭圆形，可达3~4层，最外层为黑色“皮壳”，壳内由鲜绿色高岭石、绿泥石及水云母组成，成绿色豆状，习惯上称之为“绿豆”。金伯利岩与非金伯利岩中镁铝榴石特征是不同的，含矿金伯利岩中，若镁铝榴石含量高，个体大，晶体颜色深，则含矿性一般较好。[4]
金刚石：为金伯利岩的标型矿物，是在高温、高压条件下产生的。金刚石生成的压力大于镁铝榴石。因此，在自然界中，含镁铝榴石的金伯利岩不一定含金刚石，但含金刚石的金伯利岩总含镁铝榴石。[9]
橄榄石：为金伯利岩的主要造岩矿物，有几个世代，与金云母、镁铝榴石同为斑晶。橄榄石斑晶多被熔成椭圆形并被蛇纹石交代。[4]
金云母：斑晶和基质中均有，含量变化大，呈黄绿色、棕黄色，呈斑晶时可达数厘米，常见熔蚀和暗化现象。基质中的多为0.1～0.5mm，多蚀变为绿泥石、水云母等。金伯利岩中金云母含量高者，含矿性差。[4]
辉石：是金伯利岩的主要矿物之一，[6]富含Cr2O3的铬透辉石是金伯利岩的特征矿物之一。[13]
此外，在金伯利岩中还有铬铁矿、钛铁矿、磁铁矿、磷灰石等一些副矿物。[4]
金伯利岩的岩石化学成分主要包括SiO2、MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3、TiO2、FeO、MnO、K2O、Na2O等，岩浆岩中富含水和CO2，其特点是SiO2较一般超基性岩含量低（27%～40%），K2O、TiO2、P2O5、Nb2O5含量高，K2O>Na2O，显示偏碱性且富钾的特征，微量元素上Cr、Ni、Co、P、Nb等含量相对较高。[4]
物理特性
金伯利岩颜色多为黑色、灰色和暗绿色，[6]具有磁性和电性特征。[14][15]
磁性特征：金伯利岩的磁性取决于其中镁铁质矿物的含量和磁性矿物的含量，磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿含量越高，则磁性越强，特别是磁铁矿的含量决定金伯利岩磁场的高低，磁铁矿是金伯利岩常见副矿物，大多是橄榄石蛇纹石化的析出物，通常呈粉粒状分布在蛇纹石的周围，少部分是原生矿物颗粒，存在于橄榄石和金云母之间隙中。经部分样品的统计，斑状金伯利岩和含岩球金伯利岩磁铁矿含量较高，而金伯利角烁岩含量较少，相应的岩石磁化率也随之升高或降低。[14]
电性特征：金伯利岩及其围岩的电阻率变化较大，其变化范围在24－893之间。其中金伯利岩碳酸盐岩角烁岩、金伯利岩角烁岩、强碳酸盐化粗晶金伯利岩及粗晶金云母金伯利岩的电阻率>200，其他金伯利岩的电阻率均<100。金伯利岩的电阻率与岩石组分、结构、构造、风化程度及次生蚀变有关。围岩的电阻率都>100。由于金伯利岩都产在断裂中，且易于风化。风化层中含水较多，水中含较多的导电离子，故金伯利岩的电阻率普遍比围岩低。在金伯利岩管（脉)上都有明显的低阻异常，矿区及外围的断裂破碎带、煌斑岩、闪长岩等岩体（脉）上都有明显的低阻异常。[15]
结构特征
金伯利岩常见细粒结构、斑状结构和环边假象结构，块状、角砾状、岩球状构造。[4]
斑状结构：以斑晶矿物呈椭圆状为特点，也称卵斑结构。斑晶以蛇纹石化橄榄石最多。若被交代的橄榄石假象边缘围绕着细粒铁质矿物，则称环边假象结构。[4]
块状构造：含岩石碎屑很少，一般不超过20%。[16]
角砾状构造：角烁成分复杂，有同源岩屑（如细粒金伯利岩、二辉橄榄岩、榴辉岩等），也有异源岩屑（围岩），胶结角烁的多为斑状金伯利岩。[4]
岩球构造：球体为圆形－椭圆形，球心多为蛇纹石化橄榄石，少数球心为灰岩、片麻岩，球体外壳由细粒金伯利岩组成，矿物呈同心环状分布。[4]
形成原因
金伯利岩的成因和生成条件是十分复杂的。 [11]根据矿物学、地球化学和同位素特征，金伯利岩可分为两种类型。先根据金云母的含量，把金伯利岩被分为玄武岩类（I类）和云母类（Ⅱ类）两类，再根据同位素成分又将I类分成IA型与IB型，IA型金伯利岩和Ⅱ类金伯利岩的成因如下：[17]
IA型金伯利岩岩浆是来自软流圈或过渡带的深部熔体，这种在过渡带形成的熔体含挥发分少，在与大陆岩石圈底部的强烈亏损方辉橄榄岩相互作用后，才成为IA型金伯利岩岩浆，这样的反应可以使流体不饱和的熔体富集CO2直到饱和。流体不饱和的熔体与周围岩石的相互反应也将导致菱镁矿的溶解和橄榄石的结晶。温度大于1700℃时，菱镁矿的溶解是很快的，菱镁矿的溶解当然又促进了熔体进一步饱和CO2，金伯利岩岩浆迅速吸收CO2饱和后将上升。其中富CO2流体的分离，使金伯利岩岩浆在与周围橄榄岩达到完全平衡前就喷发。因此金伯利岩岩浆的喷发可能是CO2的饱和及在60kbar压力下的去气所触发的。在40kbar压力下，大多数熔化的CO2将从熔体中释放出来，在合适的构造条件下，去气的熔体将向地表上升，在地表压力下，大量的去气将产生金伯利岩筒。金伯利岩熔体一个明显的特征是体积很小、上升迅速并能通过厚而冷的大陆岩石圈、同位素成分与洋岛玄武岩相似等。[17]
IB型金伯利岩熔体在3GPa压力下，在降温中，先后形成橄榄石、“橄榄石+尖晶石”、“橄榄石+尖晶石+单斜辉石”，没有出现斜方辉石和金云母，缺乏斜方辉石是因为IB型金伯利岩的总成分的钙较高，SiO2不饱和程度也高。在5~10GPa压力下，仍然缺乏斜方辉石。如在7.5GPa压力下，降温中结晶的矿物先后是橄榄石、“橄榄石+石榴子石”，液相线上也没有出现单斜辉石。IB型金伯利岩岩浆SiO2低，使辉石在高压下不稳定，因而只有橄榄石、石榴子石饱和并析出。[17]
Ⅱ类金伯利岩岩浆的形成可以用两种不同的地质过程进行解释。一种模型是在俯冲板块之上，或者在克拉通之下的岩石圈的冷的区域，交代作用使橄榄岩中出现金云母或K-钠透闪石，后来有富CO2流体或熔体侵入其中，这种富CO2流体或熔体的侵入导致K-硅酸盐-水化物的分解，形成了与石榴子石-方辉橄榄岩残留体平衡的Ⅱ类金伯利岩岩浆；第二种模型是俯冲的大洋岩石圈中多硅白云母的分解产生了钾质含水流体，这种钾质含水流体渗馏进已碳酸盐化的（含白云石或菱镁矿）橄榄岩，富K含水流体或熔体的存在导致橄榄岩固相线温度明显下降，使碳酸盐相不稳定，也导致Ⅱ类金伯利岩岩浆的形成。[17]
分布区域
全球金伯利岩主要分布在俄罗斯、博茨瓦纳、加拿大、安哥拉、南非、刚果民主和纳米比亚（如下图所示）；金伯利岩一般以岩筒、岩管、岩脉、岩床等形态产出。[2]
中国金伯利岩主要分布在华北地台, 在山东、辽宁、吉林、山西、河南和新疆等地。华北地台共发现有 12个金伯利岩岩体群，分别是吉林集安、辽宁桓仁、铁岭、瓦房店(旧复县)、葫芦岛、内蒙古四子王旗龙头山、河北涉县、山西应县、大同采凉山、柳林尖家沟、山东蒙阴、河南鹤壁金伯利岩岩体群。其中山东蒙阴和辽宁瓦房店地区是中国仅有的两个金伯利岩型金刚石原生矿, 也是工业价值最好的金刚石原生矿。[2]
按结构划分
金伯利岩按结构划分为斑状金伯利岩、金伯利角烁岩及凝灰状金伯利岩三类。详细定名时以含量较高的矿物名称冠于基本名称之前，如斑状金云母金伯利岩（金云母含量>50%）。[4]
斑状金云母金伯利岩：以含较多的金云母为特征，岩石为暗绿色，斑状结构，斑晶以橄榄石为主，金云母较少；基质中含大量的金云母，此外有锐钛矿、镁铬尖晶石等。[4]
金伯利角烁岩：岩石中含较多大小不等的角砾，其成分有金伯利岩屑、上地幔深源包体岩屑及围岩岩屑，胶结角砾的可以是斑状金伯利岩，也可是细粒金伯利岩。[4]
凝灰状金伯利岩：如果岩石所含的角砾碎屑小于2mm时，称凝灰状金伯利岩。[4]
按主要矿物不同划分
根据主要矿物（金云母含量）的不同，金伯利岩可分为：橄榄石型（金云母<25%）和金云母型（金云母>50%）金伯利岩。[4]橄榄石型金伯利岩也被称为玄武岩类（I类）金云母型金伯利岩也被称为云母类（Ⅱ类），根据同位素成分又将I类分成IA型（如南非Lesotho金伯利岩）与IB型（如南非Kimberley的Wesselton矿区的金伯利岩）。
根据岩管模式划分
金伯利岩可划分为三类，即火山口相金伯利岩、火山道相金伯利岩、浅成相（或根部相)金伯利岩。[7]
火山口相金伯利岩：该相见于自形成以来很少或没有受到剥蚀的喷发金伯利岩火山口。有人称该相金伯利岩为“金伯利岩沉积物”。金伯利岩碎屑沉积在火山口湖(金伯利岩爆发产生的原始火山口湖)中，碎屑粒径自泥质到粗粒(64-256mm)，构成巨厚沉积层。这些沉积物系火山口周围的环状金伯利岩质凝灰岩被剥蚀后进入火山口上方的火山口湖中沉积而成。[18]
火山口相金伯利岩大致可划分为外力碎屑岩和火山碎屑岩两组，与划分一般火山碎屑岩标准基本一致。根据火山口相金伯利岩的形成条件、碎屑物质组分、成岩方式及碎屑物的粒级等因素进行分类。[7]
火山道相金伯利岩：火山通道相金伯利岩均具碎屑结构，由金伯利岩碎屑、围岩碎屑、少量深源包体碎屑和晶屑以及金伯利岩质胶结物所构成。主要包括金伯利岩质凝灰岩，金伯利岩质角砾岩，金伯利岩质集块岩以及金伯利岩岩球。[18]
浅成相(根部相)金伯利岩：浅成相金伯利岩是由富含挥发组分的岩浆冷却结晶而成，根据碎屑含量，它可以划分为金伯利岩和金伯利角砾岩两大类。[7]
学术研究
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150～300 km的地幔，含有橄榄石、金云母、金刚石等特征性矿物，其中金刚石形成于更深的高温、高压的上地幔条件下，所以金伯利岩携带了宝贵的深部地质信息，是研究地球内部的重要窗口。[2]
产出金刚石
金伯利岩是产出金刚石的岩浆岩之一。但并不是所有的金伯利岩都含金刚石，金刚石含量较丰富的金伯利岩岩体不多。[6][19]具工业价值的含金刚石的金伯利岩体以管（筒）状为主，约占90%；少量岩体呈岩脉（墙），只有不多的国家开采此类岩体如中国。各种岩体都受断裂控制，与围岩界线清楚。岩管常呈带状展布，成群出现，如南非以金伯利城为中心，周围有15个金伯利岩管和一系列岩脉分布。[19]
金伯利岩中的金刚石含量一般为10-2~10克拉/m3，个别可达10~20克拉/m3，最富的矿石平均含量也不超过0.00004%。金刚石的分布极不均匀，同一岩体中品位可相差几十倍。不同的金伯利岩区，不仅金刚石含量有差别，质量也大不相同。世界上已发现上万个金伯利岩岩体，其中含金刚石具有工业价值的岩体占5%~10%，主要分布于非洲和西伯利亚地区。中国山东、辽宁、贵州等地也发现有含金刚石的金伯利岩。[19]
金刚石按用途可将其分为宝石级金刚石和工业级金刚石。宝石级金刚石用于珠宝业，是贵重的装饰品，透明度高，无色或颜色艳丽均匀，无残缺，具一定重量的晶体及其碎屑均属宝石级，其经加工则被称为钻石；工业级金刚石因其独特的物理和化学性质而广泛应用于地质油气钻探矿产开采、石材加工、冶金、机械、电气、电子、玻璃陶瓷精密仪表、国防和空间技术等部门。其主要工业用途包括制造金刚石钻头、磨具、磨料、刀具、修整工具、玻璃刀、拉丝模、仪表测头、光学仪器、半导体材料、计数器、精密轴承等。[6][19]
勘察技术
指示矿物的发现：金伯利岩以一套特殊的矿物组合为特征，其中最有意义的是镁钛铁矿、铬透辉石；铬铁矿、顽火辉石、橄榄石、锆石等可能也很有意义。金伯利岩在风化过程中，这些矿物聚集在残余土壤中并可能扩散到水系中。由金伯利岩指示矿物形成的扩散模式主要与气候和地形有关；在热带或半干旱地区，易风化的矿物如铬透辉石等的分布范围几乎不超出其源区1.6km的范围，然而，柘榴子石和镁钛铁矿可能扩大到几公里的范围内。在机械风化作用占主导地位的气候区，透辉石的搬运距离可达48km；柘榴石可达144～200km；钛铁矿的搬运距离还要更远。[20]
地球物理勘查：识别出有利的矿物组合后即可应用地球物理技术，航空和地面磁法测量是主要手段。一般金伯利岩都含有5%至10%的铁氧化物，主要是钛铁矿、较少的磁铁矿。如果金伯利岩定位于诸如石灰岩或具有低磁铁矿含量的花岗岩类岩石中，则可以探测到清晰的磁异常。金刚石风化后在地表附近形成特征的黄色蒙脱石粘土这个带可能具有良好的传导性，故适合于电磁或电阻测量技术的应用。[20]
航片解释：金伯利岩筒的规模及其地表显示与剥蚀水平有一定的关系，在大多数情况下，金伯利岩以浅注地为特征，但有时也可能形成低矮的山头；水系一般呈曲线形式，这与前寒武基底分布区通常表现出的直线型水系形成比较清晰的对照；与化学风化有关的黄色地面主要由蒙脱石土组成，但含特殊的微量元素，由于这些特殊的土壤条件，有时在金伯利岩上发育了特殊的植被。[20]
开采方式
露天开采：露天开采的技术方法较为简单，首先从岩筒顶部剥离上覆物，然后向下在基岩中开挖梯段来挖掘矿石（如下图所示）。梯段做成台阶状以减少因矿坑加深而出现滑坡和不稳定的危险。每个台阶呈螺旋状向下以便地面运输工具能抵达每期开挖的最低台阶。矿坑的深度可达300m。[21]
地下开采：在稳定的围岩中布置竖井，打水平巷道至含钻石的岩筒处，采矿可达到地面以下900m的深度。地下开采的方法主要有矿房法、矿块崩落法和分段崩落法等。[21]
1）矿房法
矿房法是一种较老的开采方法。在围岩竖井中挖掘若干个彼此间隔14m左右且穿过岩筒的水平巷道（平巷）。巷道以规则间距从岩筒上部向深部挖掘，并使每组新平巷位于上部平巷巷壁的下方。一旦平巷做好，就爆破平巷的顶部，使上部平巷的矿柱崩落，直到上部平巷的矿石开采完全。这一开采方法的优点是开采安全，开采量可控制，但劳动强度大，通风困难。[21]
2）矿块崩落法
矿块崩落法的原理：当岩筒中蓝地的底部被采出后，矿块就失去支撑，开始自行破碎，破碎的蓝地沿着通道经过漏斗进入平巷，平巷是一排穿过岩筒的、用混凝土衬砌并装备有机械粑的粑矿平巷。金伯利岩就通过这些把矿平巷提取出来，落入矿车。矿车把矿石运到建在围岩中的竖井处，竖井的底部有破碎机，破碎的矿石被提升到地表并运到处理厂。[21]
矿块崩落法低价高效，但在开始阶段需要经过仔细的计算和设计，并需经常调整工程布置和设计，以控制不同时期开采矿石的品质。[21]
3）分段崩离法
分段崩离法是矿房法和矿块崩落法的结合，先建立一系列的平巷按垂直间距穿过岩筒，再在围岩和金伯利岩之间开挖3m的垂直截槽。从垂直截槽往回开采，将相继的矿石采面钻出扇形布置的炮眼，充填炸药并爆破，使矿石下落到平巷中，落下的矿石装入矿车中，运到放矿溜槽，然后输送到地表。分段崩离法的投资要比前两种方法的高，但它能使含矿岩筒在最后阶段高产。[21]
历史
1869年在南非的超基性岩中发现了一颗重达83.5克拉，被称为“南非之星”的金刚石，[3]接着，在南非的亚赫斯丰坦岩筒中发现了含金刚石的超基性角砾岩，1871年在金伯利城附近也发现了超基性角砾岩，1887年刘易斯根据其产地，把这种岩石命名为“金伯利岩”。[7][8]
1907年，地质学家贾诺特（Janot）在民主刚果寻找金矿时，在奇米尼纳河的冲积物中偶然发现一颗重量0.1克拉的金刚石，之后找到了金刚石砂矿，砂矿的金刚石品位是当时世界上最高的，1946年在姆布吉玛伊市附近发现了金伯利岩管群。此后不久，又在姆布吉玛伊市西南30 km处的基布阿地区发现了金伯利岩管群。1908年在纳米比亚（西南非洲）发现了金伯利岩管，又找到了蕴藏着世界上最大的滨海金刚石砂矿，金刚石的质量也非常好，宝石级金刚石约高达95%。[22]1965年，中国首次发现金伯利岩，位于中国的贵州省，同年8月，山东省地质局809地质队又发现了中国第一个金伯利岩型金刚石矿藏。[1]地质科学家在博茨瓦纳用重砂法进行金刚石普查找矿，经过10多年的努力，1967年发现了世界第二大金伯利岩管——“欧拉帕（Orapa）”岩管。1973年又发现了富含宝石级金刚石的“杰旺年”（Jwaneng）金伯利岩管。[22]
名称来源
参考资料 22
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22