本项目的主要进展和成果
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发布时间：2022-04-28 23:35
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时间：2022-06-25 12:09
钻石产地来源的确定不仅是国际宝石学的技术难题，也是地质学界的科学难题。2002年11月，各国*、国际钻石行业组织以及非*组织达成创立金伯利进程证书制度（Kimberley Process Certificate Scheme）的协议，对国际科技界解决这个难题提出了迫切的要求，世界各国的科学家开始参与钻石产地来源的科学研究。钻石产地来源的研究从普通的科学问题上升为涉及国际*、外交关系及*问题的重要社会科学议题。
本项目通过全面收集和分析近50年来我国三个钻石产地的地质背景、钻石产量及各种宝石学特征的资料，根据最近开采情况，尽可能收集、观察和统计分析了三个钻石产地产出的数万克拉的钻石，并分析测试了三个产地1077颗钻石样品（远远超过原来设计样品数量），直接到国外参观考察了国外钻石开采和分选情况，通过多种渠道比对和直接测试国外部分矿区的钻石样品/资料，*地完成了项目设计的科研工作，取得如下的一些重要进展和成果：
（1）通过对中国三个主要钻石产地开展野外地质野外调研和采样，了解我国最新钻石地质探采和研究进展。在前人工作基础上，通过对金伯利岩及钾镁煌斑岩重砂矿物的研究，首次在辽宁瓦房店金伯利岩脉中淘选出斜锆石样品，对金伯利岩、钾镁煌斑岩及重砂矿物样品进行了大量岩石地球化学及微量元素（LA–ICP–MS）、Rb-Sr、U–Pb、Lu–Hf 同位素方面的测试分析工作；并首次获得了辽宁金伯利岩斜锆石的精确Pb/Pb 年龄479.6±4.9Ma及176Hf/177Hf初始比值数据（0.282283～0.282389，Hf（t） –2.98～–6.75），证实了至少部分辽宁瓦房店金伯利岩和山东蒙阴金伯利岩是近于同时侵位的；发现辽宁和山东金伯利岩记录了华北新太古宙古*拼合（2.4～2.6Ga）和1.3Ga地幔交代事件的锆石年龄，初步证实两岩区钻石结晶时岩石圈地幔状态存在差异，两地在钻石形成时可能并不是统一的克拉通陆块。这对于进一步认识华北克拉通的组成及演化过程具有重要的意义。
（2）在前人统计分析的基础上，利用常规放大设备及高倍显微镜系统，对中国三个产地钻石大小、质量（重量）进行了比较。特别是对项目执行期间仍在开采的山东蒙阴701钻石矿金刚石/钻石的品质进行了动态统计分析，获得了山东新开采矿段钻石的质量品质数据。通过对大量样品的实际观察比较，得出以下结论：辽宁钻石晶形完整度比例最高，宝石级钻石含量最高；山东钻石粒度最大，质量（重量）变化也最大；湖南地区砂矿金刚石以带有磨圆特征的完整晶体居多，钻石相对较小，质量（重量）变化小，完整性好。
（3）利用常规的放大设备、微分干涉显微镜、扫描电镜和阴极发光光谱仪（CL）等仪器，对我国三个产地钻石毛坯的实际晶形、结晶度、微形貌及内部生长特征进行了细致全面的观察比较，发现前人所描述的部分表面特征并不是独立的特征，如毛面特征其实是楔形特征的显微表现；利用新的测试手段——钻石观测仪DiamondView（DV）分析统计了超强短波紫外光波在钻石表面激发的荧光影像及生长结构，探讨了该仪器在钻石产地来源方面的应用。在山东个别浅褐色八面体金刚石{111}面上观察到特殊的平行于[100]晶带方向的长条状蚀象，提出了这种蚀像是出露到表面的氮片晶遭受优先选择性腐蚀所致；CL和DV图像显示的生长结构表明，我国三个产地的钻石都出现了均匀的无环带和规则层状环带模式。但湖南样品和山东、辽宁样品相比，无环带比例明显偏高，从中心到边缘两期和多期生长结构样品比例则明显偏低，且湖南钻石CL图像出现独特的“皮壳”状发光样式；证实了山东钻石中也存在辽宁钻石中见到的多期多阶段的复杂生长环带形成的“似玛瑙状”生长结构。
特别是通过对钻石进行拉曼光谱的系统分析，发现了辽宁金刚石的拉曼特征峰半高宽变化最小，为5.4737～6.1024cm-1（集中分布在5.4～5.8cm-1），平均值为5.6396cm-1；山东金刚石的拉曼特征峰半高宽变化范围最大，为5.6069cm-1～6.8527cm-1（主要变化范围为6.2～6.8cm-1），平均值为6.4112cm-1；湖南金刚石拉曼特征峰半高宽变化范围介于山东和辽宁之间，集中分布在5.4～5.8cm-1，平均值为5.7027cm–1。研究结果为中国三产地钻石的品质特征提供了重要的理论解释，显示钻石的结晶度可能对钻石的产地来源有指示作用，是潜在的产地指纹性特征。
（4）首次在津巴布韦马朗金刚石/钻石大规模开发以来，对联合国金伯利进程非常关注的津巴布韦马朗金刚石/钻石的品质、晶体形态和表面微细特征和生长特征进行了较为详细的研究，指出津巴布韦马朗金刚石/钻石表面常见的红色斑点的形成与我国湖南等产地砂矿钻石表面常见的褐色斑点和绿色斑点有本质差异，与地质辐照作用无关，是次生氧化铁类矿物沉积氧化致色；根据该地金刚石/钻石阴极发光、DV图像特征以及“十字架”是大量溶蚀坑沿[100]方向折重叠排列的事实，推断这类特定的缺陷可能与晶体生长过程中产生的线状和面状缺陷，如位错线、位错束、氮杂质集合体等有关。上述成果对分析马朗金刚石砂矿成矿及其赋存环境提供了有力依据，并首次提出“十字架”形熔蚀图像和红色斑点、斑块为世界金刚石砂矿罕见特征，可作为该产地的“指纹”特征。
（5）对中国三个产地314颗钻石进行了傅里叶变换红外光谱分类比较研究，确认我国所产钻石红外光谱类型主要为IaAB型，其次为IaB型和IaA型。山东钻石的类型相对丰富，IaA、IaB和IIa型钻石的比例均高于辽宁和湖南两地。而湖南IaA型钻石比例偏低，证实了三个产地的钻石中普遍存在H杂质。而被测样品中，除IIa型钻石外，所有样品均显示出与{111}滑移面有关的吸收峰，表明三个产地金刚石/钻石中普遍存在塑性变形。同时，首次对钻石进行了系统的面扫描分析，根据显微红外光谱谱图定量计算出钻石中的氮含量并进行填图示踪，证实钻石生长过程中钻石类型的转变是普遍存在的现象，钻石生长过程中氮的含量和聚集度是不断变化的，且成核阶段氮含量可高于或低于其他生长阶段，不同生长阶段氮杂质含量变化不具有单向变化规律，显示钻石生长过程中地幔流体碳和氮存在复杂的交换，不同产地钻石中氮含量频率分布及NB（% ）/ N（T）特征存在一定区域性差异；钻石中碳和氮含量并不存在严格的相关性。
（6）在前人研究工作基础上，通过对中国三个产地192颗钻石原石的包裹体进行常规显微镜、扫描电镜、拉曼光谱、电子探针成分及激光烧蚀等离子发射光谱与质谱的系统研究，确认了山东和辽宁金刚石/钻石以P型包裹体为主，而湖南沅水流域金刚石/钻石P型和E型包裹体比例接近；首次同时在三个产地均发现了共生于同一金刚石/钻石中的橄榄岩型和榴辉岩型包裹体组合（P+E型）；在湖南砂矿钻石中发现确认了原生蓝晶石矿物包裹体及金红石、柯石英包裹体组合，显示湖南钻石形成过程中岩石圈地幔可能存在古老的地壳物质。这一认识对于进一步研究扬子克拉通的组成及演化具有重要启示。
根据橄榄石拉曼压力计、石榴子石-橄榄石共生矿物对的Ni温度计以及前人的研究成果，获得的湖南金刚石/钻石形成时地幔温度范围为1109～1327℃，压力为4～6GPa，形成深度133～192km，确认华北克拉通和扬子克拉通在金刚石/钻石形成时存在难熔的岩石圈地幔，金刚石/钻石形成时地幔具有明显的不均一性；湖南金刚石/钻石中包裹体与山东、辽宁金刚石/钻石包裹体的类型组合及其地球化学特征不同，显示出扬子克拉通和华北克拉通岩石圈组成及演化过程存在的差异；湖南砂矿金刚石/钻石与西澳和非洲榴辉岩型金刚石/钻石中包裹体类型组合类似，除了显示湖南砂矿金刚石/钻石的原生矿来源可能和钾镁煌斑岩相关（榴辉岩型金刚石/钻石具有更大的重要性），还可能暗示了湖南金刚石/钻石形成时岩石圈地幔可能存在古老地壳物质或者陆壳物质参与了地幔对流和再循环过程。上述成果对认识湖南金刚石/钻石来源的多样性、确定今后找矿方向具有明显的意义，为我国钻石找矿提供了新的重要认识。
（7）利用加拿大同位素研究所（CCIM）的SIMS（Cameca IMS-1280离子探针）对我国三个产地钻石进行了精细的碳同位素分层原位测试（123个点）。结果显示，辽宁瓦房店钻石的41个点δ13C的变化范围为-6.0‰～-2.6‰；平均值为-3.9‰；山东蒙阴钻石56个点δ13C值的变化范围在-5.6‰～-2.0‰之间，平均值为-3.6‰，湖南样品碳同位素δ13C的变化范围为-8.6‰～-3.0‰，平均-6.1‰。辽宁金刚石的碳同位素组成范围最窄，湖南最宽。碳同位素原位测试结果显示，辽宁和山东的钻石生长具有更多的期次，变化复杂，在钻石结晶晚期碳同位素大部分呈现变轻趋势；而湖南沅水钻石则变化较为简单、平缓，大部分晚期出现变重的趋势。上述结果显示出钻石结晶时华北克拉通和扬子地台岩石圈地幔流体或熔体碳同位素组成或来源上具有一定的差异性，但有关的变化规律仍然需要更多测试结果的证实。
（8）首次系统地对世界25个地区金刚石/钻石及我国三个产地金刚石/钻石的宝石矿物学特征进行了综合比较。通过对9个产地金刚石/钻石中E型石榴子石包裹体的元素含量分组统计分析，发现不同产地来源的金刚石/钻石E型石榴子石包裹体的FeO、MgO、CaO三种组分的含量分组聚类后有一定的差异性，建立了判别方程，证实E型石榴子石的成分是一种潜在的指纹性特征，可以为产地来源的判断提供量化参数。通过比较，确认钻石（矿）形成时间、矿物学特征（特别是晶形及其组合）、氮杂质、包裹体特征和碳同位素特征等要素组合，对于金刚石/钻石产地来源的确定具有明显的重要性。理论上，如果可以确认某个矿区金刚石/钻石的上述特征，在存在国际金刚石/钻石产地完整数据库前提下，可以通过这些要素组合进行单一矿区典型钻石包装样品（指具有代表性的混合样品）的产地来源进行判别。
综上所述，本项目通过对中国三个主要钻石产地形成地质背景，结晶矿物学特征及包裹体地球化学，原位碳同位素分析，创新性地将宝石学和地质地球化学的研究结合起来，在综述世界重要克拉通不同产地钻石特征的基础上，首次系统提出了我国三个产地来源组合特征及其与国际其他产地来源钻石的区别，研究成果对支撑我国参与联合国金伯利进程的工作具有重要参考价值。
