The major accomplishments and geological events during the past two decades in the world and their implications for geological work in China in the next thirty years
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摘要:
在21世纪前20年里，以页岩气、页岩油、天然气水合物和干热岩为代表的非常规能源勘查开发取得重大突破，美国因页岩气勘查开发取得突破实现了能源独立。随着全球经济发展、气候变化加剧和能源转型，对关键金属矿产的需求不断增加，世界各国强势推出关键矿产清单，力求保障本国资源安全。深海探测、地球深部探测取得新进展。地球系统科学成为当代地质科学主题，形成了一批新概念，例如地质多样性、关键带、人类世、临界要素等，引领地质工作的转型。展望未来30年，世界百年未有之大变局加速演进，人类将面临资源、环境、生态的重大挑战，地质工作正处于重大转折时期。中国地质工作要突出清洁能源和深海资源勘探开发，要建立基于生态系统的地质调查、监测、模拟与预测技术体系，开展自然资源综合调查，支撑服务国土空间规划、生态保护和修复及城市建设，促进地质工作转型和发展。
Abstract:In the first 20 years of this century, major breakthroughs have been made in the exploration and development of unconventional energy represented by shale gas, tight oil, natural gas hydrate and hot dry rock.The United States has achieved energy independence by virtue of the breakthroughs it has made in shale gas development.With growing global economy and intensifying global changes and energy transformation, the demand for critical minerals is increasing in the world, and the list of critical minerals has been strongly introduced to ensure the security of domestic mineral resources.Great progress has been made in the deep-sea and deep-earth probing.With earth system science becoming the theme of modern geological science, a number of new concepts have been developed, such as the geodiversity, the critical zones, the Anthropocene and the tippling elements, leading tothe geological work transformation.In the next 30 years, the world is witnessing a period of major change that's rarely seen in a century, and facing major challenges to resources, environment and ecology.At this major turning point for geological work, special focus needs to be added on clean energy as well as deep-sea resource exploration and development.The introduction of ecosystem-based technology system for monitoring, simulation and prediction is also essential for carrying out comprehensive survey of natural resources and supporting national spatial planning, ecological conservation and urban construction.
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豫南一带分布金伯利岩体群，出露于华北陆块南缘，岩石中含有纯橄榄岩、斜方辉橄岩等地幔深源包体，普遍含有尖晶石、铬透辉石、含铬镁铝榴石等金刚石的指示矿物，岩体主要呈北西西走向分布，产状为岩管、岩墙和岩脉状[1-5]。目前对区内金伯利岩研究程度较低，尤其对其中的金刚石指示矿物未进行过系统的研究。本次根据野外工作成果，在史庄一带用人工重砂选获了一批尖晶石等金刚石的指示矿物，通过电子探针分析对尖晶石的种属进行了划分，根据尖晶石矿物化学成分特征，探讨其对金刚石原生矿的指示意义。
1. 地质背景
1.1 区域地质背景
研究区位于华北陆块南缘，华北板块具有稳定的结晶基底和平缓的沉积盖层，是发育较厚岩石圈的地域，具备形成金刚石所需要的深度和保存条件；其南侧为栾川-明港深大断裂带，该断裂深达地幔，可构成深源岩浆上升的通道②(图 1)。
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图 1 豫南史庄一带区域地质构造简图(据参考文献①修改)Figure 1. The sketch map of regional geological structure in Shizhuang area, southern He'nan Province区内岩浆岩较发育，各个地质时期均有不同程度的岩浆活动，从超基性-基性到中性-酸性岩均有出露；其新元古代周庄变基性岩、早古生代黄岗杂岩、晚白垩世天目山岩体，以及围绕天目山岩体出露的金伯利岩群等分布较广泛。
史庄地区出露地层主要为长城系熊耳群、蓟县系汝阳群和新元古界栾川群。熊耳群为一套高绿片岩相的海相中基性-中酸性火山熔岩，岩石组合为斜长角闪片岩、黑云斜长片岩、白云石英片岩等。汝阳群为一套低绿片岩相变质的滨海-浅海陆源砂泥质碎屑岩沉积系，岩石组合为石英岩、白云石英片岩、钾长浅粒岩和大理岩。栾川群为一套滨-浅海相碱性火山岩-碳酸盐岩组合，岩石组合为白云钾长片(麻)岩、钾长浅粒岩、白云石英片岩及大理岩。
区内构造复杂多样，断裂和皱褶构造均有发育。断裂构造主要为栾川-明港深大断裂带及与主构造线一致的北西西—南东东向或近东西向的韧性-脆韧性断裂、平移走滑断裂等次级断裂，北东向—北东东向脆性断裂与逆冲推覆断裂叠加，常将地层切割成菱形块状，组成复杂的网络系统。此外，华北陆地南缘石滚河褶断带及其次级皱褶较发育，褶皱主体表现为轴面近直立或略向北东倾斜，枢纽倾向为北西西或南东东向，卷入褶皱的地层核部为熊耳群，翼部由栾川群组成，其北翼地层出露完整，与石滚河复向斜的南翼相连；南翼被周庄变基性岩和天目山正长花岗岩体侵入。
1.2 金伯利岩石地质特征
史庄一带金伯利岩体分布广泛，成群出现，多以岩管和岩脉形式产出。岩石类型主要有斑状金伯利岩、含角砾金伯利岩和角砾状金伯利岩；岩石普遍遭受了十分强烈的蛇纹石化、绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐化、滑石化等蚀变。
金伯利岩常呈暗绿色，浅灰色，灰绿色，具斑状结构、卵斑结构，基质具隐晶微晶结构，块状构造、岩球状构造，斑晶成分主要为假象橄榄石、橄榄石，次为假象石榴子石、金云母及磁铁矿、钛铁矿、铬铁矿、磷灰石、透辉石等矿物。金伯利岩中角砾含量变化较大，一般为10%~50%，岩体外围角砾含量达80%；角砾成分分为两类：一类来源于深部地壳和地幔的捕虏体、捕虏晶，主要成分为纯橄榄岩、石榴辉橄岩、榴辉岩、辉长岩、煌斑岩等，代表了岩浆源区和深源的岩石矿物特征；另一类角砾为围岩角砾，与围岩成分有关，主要为片(麻)状二长花岗岩、斜长角闪片岩、白云斜长(二长)片麻岩、大理岩等(图 2)。
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图 2 史庄一带金伯利岩特征a—斑状金伯利岩；b—金伯利岩中的榴辉岩角砾；c、d—金伯利岩薄片中的卵斑结构Figure 2. Kimberlite characteristics in Shizhuang area2. 样品特征及测试条件
2.1 样品特征
本区尖晶石主要分布在金伯利岩和地幔包裹体(榴辉岩、橄榄岩等)中，在金伯利岩中尖晶石呈粗晶和基质产出，粗晶尖晶石均有不同程度的磨损，80%以上的尖晶石磨损较强烈，呈浑圆粒状，常发育以磁铁矿为主要成分的次反应边，是源于地幔，金伯利岩浆上升过程中的捕虏晶，为本次研究的主要对象。尖晶石原始晶形呈八面体，后经熔蚀磨损呈浑圆、粒状，黑色，具褐色薄膜，无解理，半金属光泽，断口不平坦，断口处为沥青光泽，粒径一般为0.1~5 mm(图 3)。
2.2 测试方法
本次对豫南史庄一带金伯利岩中的75个尖晶石族矿物单晶样品进行了电子探针波谱微区化学成分分析。样品经过处理后制作成标准的电子探针靶，并磨抛至矿物露出表面，然后进行微区分析。
本次矿物电子探针分析在中国地质调查局天津地质调查中心试验测试室完成，使用仪器为日本津岛公司生产的EPMA-1600型电子探针仪。测试条件为：温度24℃，湿度25%，加速电压15 kV，工作电子束流为20 nA，束斑直径为5 μm，分析元素范围为4Be~92U。分析及计算结果见表 1。
表 1 史庄一带金伯利岩中尖晶石电子探针分析结果及主要阳离子系数Table 1. Electron microprobe analyses of spinel from kimberlite in Shizhuang area and calculation results of main cation coefficients% 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Na2O 0.04 0.05 0.04 0.00 0.01 0.02 0.00 0.05 0.03 0.05 0.00 0.03 0.00 0.02 0.34 0.03 0.00 0.01 0.09 MgO 15.33 11.60 10.48 10.61 10.59 14.11 11.49 10.90 10.92 12.57 15.25 10.11 13.16 13.89 7.14 11.89 11.33 10.84 13.97 Al2O3 32.83 24.27 21.37 21.67 22.22 30.27 23.42 21.46 20.61 26.27 32.96 19.86 19.30 18.81 10.60 23.30 22.07 21.21 29.72 SiO2 0.06 0.07 2.72 0.08 0.01 0.21 0.10 0.14 0.06 0.15 0.08 0.13 0.10 0.11 0.15 0.05 0.05 0.01 0.21 K2O 0.04 0.01 0.01 0.00 0.00 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.01 0.01 0.00 0.00 0.22 0.01 0.00 0.00 0.00 CaO 0.02 0.00 0.04 0.01 0.02 0.01 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.03 0.02 0.01 0.04 0.01 0.00 0.01 0.00 TiO2 0.01 0.05 0.07 0.08 0.02 0.01 0.05 0.00 0.03 0.02 0.04 0.01 0.03 0.00 0.03 0.01 0.08 0.09 0.20 Cr2O3 32.60 43.96 43.27 44.41 46.72 39.06 46.42 48.05 49.42 43.81 34.30 45.94 33.99 35.05 58.72 43.79 44.90 45.31 38.45 MnO 0.22 0.29 0.21 0.33 0.37 0.22 0.31 0.25 0.30 0.27 0.21 0.33 0.18 0.22 0.50 0.31 0.25 0.37 0.24 FeO 12.12 16.85 18.67 18.20 11.42 14.05 17.90 15.78 15.96 16.43 12.74 18.16 8.39 7.84 20.47 16.29 17.40 17.96 14.71 Fe2O3 2.86 0.02 0.00 1.77 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.06 1.45 4.34 6.04 1.77 1.59 1.62 2.34 0.88 以4个氧原子为基础的阳离子数 Mg2+ 0.69 0.54 0.50 0.51 0.53 0.63 0.53 0.52 0.52 0.57 0.68 0.49 0.74 0.76 0.36 0.56 0.54 0.52 0.63 Al2+ 1.16 0.90 0.81 0.82 0.88 1.07 0.86 0.81 0.78 0.94 1.16 0.77 0.86 0.81 0.42 0.87 0.83 0.80 1.05 Cr3+ 0.77 1.09 1.09 1.13 1.25 0.93 1.14 1.22 1.25 1.05 0.81 1.19 1.01 1.01 1.56 1.09 1.13 1.14 0.91 Fe2+ 0.30 0.44 0.50 0.49 0.32 0.35 0.46 0.42 0.43 0.42 0.32 0.50 0.26 0.24 0.57 0.43 0.46 0.48 0.37 Fe3+ 0.07 0.00 0.00 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 0.04 0.12 0.17 0.04 0.04 0.04 0.06 0.02 Mg/(Mg+Fe2+) 55.84 40.77 35.96 36.84 48.11 50.11 39.08 40.85 40.62 43.34 54.50 35.76 61.07 63.91 25.86 42.19 39.43 37.65 48.71 Fe2+/(Fe2++Mg) 44.16 59.23 64.04 63.16 51.89 49.89 60.92 59.15 59.38 56.66 45.50 64.24 38.93 36.09 74.14 57.81 60.57 62.35 51.29 Cr/(Cr+Al) 49.83 64.43 66.94 67.21 67.77 56.34 66.46 69.13 70.57 62.52 51.00 69.81 63.79 65.07 84.70 65.28 67.04 68.11 56.41 编号 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Na2O 0.00 0.13 0.03 0.03 0.11 0.00 0.01 0.01 0.01 0.93 0.36 0.26 0.12 0.07 0.21 0.08 0.21 0.27 0.17 MgO 9.89 12.08 10.11 13.24 13.23 11.63 14.01 8.24 14.71 9.23 12.61 15.16 12.34 8.50 12.09 5.57 14.13 10.26 11.40 Al2O3 20.60 24.90 19.14 29.25 0.01 22.32 30.19 14.86 36.71 19.38 29.35 38.55 28.28 19.76 28.13 27.43 35.64 20.10 15.70 SiO2 0.02 1.07 0.06 0.11 0.12 0.03 0.05 0.04 0.05 0.16 0.28 0.16 0.27 0.85 0.07 0.39 0.15 0.06 0.20 K2O 0.00 0.03 0.01 0.00 0.14 0.01 0.00 0.00 0.00 0.08 0.23 0.02 0.02 0.01 0.05 0.02 0.05 0.05 0.06 CaO 0.02 0.25 0.01 0.01 0.35 0.02 0.01 0.02 0.02 0.06 0.12 0.01 0.05 0.04 0.02 0.12 0.10 0.03 0.04 TiO2 0.00 0.12 0.30 0.07 1.60 0.12 0.00 0.05 0.03 0.06 0.01 0.00 0.01 0.12 0.00 0.05 0.01 0.31 0.02 Cr2O3 46.59 40.28 46.76 36.82 61.74 45.97 37.45 51.34 30.32 45.29 37.05 30.12 38.83 46.77 38.32 34.11 32.92 44.30 53.07 MnO 0.27 0.25 0.38 0.23 0.31 0.32 0.26 0.48 0.22 0.36 0.24 0.21 0.24 1.21 0.22 0.99 0.24 0.28 0.28 FeO 16.60 17.15 18.97 15.41 9.96 17.22 14.23 20.41 14.32 15.64 13.85 13.33 15.20 21.57 15.34 25.80 14.14 17.58 13.67 Fe2O3 0.00 1.48 2.56 2.04 6.45 1.21 0.87 1.44 1.00 5.41 1.63 0.78 0.00 0.36 0.88 1.72 0.18 4.19 0.00 以4个氧原子为基础的阳离子系数 Mg2+ 0.49 0.56 0.49 0.60 0.71 0.54 0.63 0.41 0.64 0.45 0.58 0.65 0.58 0.41 0.57 0.27 0.62 0.49 0.57 Al2+ 0.81 0.91 0.73 1.05 0.00 0.82 1.08 0.59 1.27 0.75 1.07 1.31 1.04 0.75 1.04 1.06 1.24 0.77 0.62 Cr3+ 1.23 0.99 1.19 0.89 1.75 1.14 0.90 1.37 0.70 1.17 0.91 0.68 0.96 1.19 0.95 0.88 0.77 1.13 1.40 Fe2+ 0.46 0.45 0.51 0.39 0.30 0.45 0.36 0.58 0.35 0.43 0.36 0.32 0.40 0.58 0.40 0.70 0.35 0.48 0.38 Fe3+ 0.00 0.03 0.06 0.05 0.18 0.03 0.02 0.04 0.02 0.14 0.04 0.02 0.00 0.01 0.02 0.04 0.00 0.10 0.00 Mg/(Mg+Fe2+) 37.33 41.33 34.76 46.21 57.05 40.31 49.61 28.75 50.68 37.12 47.66 53.22 44.82 28.26 44.08 17.74 49.97 36.85 45.47 Fe2+/(Fe2++Mg) 62.67 58.67 65.24 53.79 42.95 59.69 50.39 71.25 49.32 62.88 52.34 46.78 55.18 71.74 55.92 82.26 50.03 63.15 54.53 Cr/(Cr+Al) 69.34 61.80 70.96 55.73 100.00 67.32 55.36 77.55 45.24 70.04 55.80 43.86 57.87 70.30 57.67 55.43 48.02 68.79 77.17 编号 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 Na2O 0.21 0.49 0.54 0.58 0.58 0.46 0.47 0.18 0.44 0.38 0.14 0.19 0.11 0.40 0.67 0.87 0.06 0.04 0.05 MgO 10.98 9.95 11.34 13.96 8.81 13.04 11.51 10.97 6.49 10.50 12.86 10.09 14.20 10.58 10.55 12.27 9.97 12.75 12.19 Al2O3 25.74 21.95 31.40 31.68 16.69 27.74 20.55 17.54 9.61 22.37 13.04 21.27 39.07 24.30 25.49 24.92 14.46 30.39 28.26 SiO2 0.17 0.26 0.38 1.29 0.39 0.14 0.99 0.12 0.06 0.33 0.10 0.14 0.07 0.43 0.44 0.24 0.05 0.04 0.05 K2O 0.07 0.10 0.17 0.16 0.10 0.07 0.15 0.05 0.06 0.14 0.07 0.07 0.09 0.10 0.20 0.12 0.04 0.03 0.02 CaO 0.95 0.10 0.13 0.19 0.13 0.07 0.28 0.04 0.09 0.11 0.03 0.06 0.03 0.15 0.14 0.15 0.02 0.13 0.02 TiO2 0.07 0.09 0.10 0.11 0.11 0.05 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 0.08 0.07 0.18 0.07 0.03 0.00 0.05 0.01 Cr2O3 35.07 42.39 31.97 32.56 47.08 39.26 42.82 50.19 56.09 42.24 42.62 44.82 27.51 39.15 36.33 40.06 54.09 35.96 37.83 MnO 0.27 0.29 0.25 0.22 0.44 0.27 0.27 0.33 0.52 0.30 0.25 0.35 0.23 0.27 0.32 0.25 0.32 0.20 0.27 FeO 14.16 16.33 14.83 12.22 16.93 13.15 13.04 16.00 20.19 15.79 9.30 17.81 15.41 16.27 13.97 11.23 17.71 15.44 16.46 Fe2O3 2.96 2.88 1.84 1.13 3.63 2.38 0.64 1.44 3.26 2.25 8.11 1.85 2.24 2.63 3.28 4.05 0.86 0.55 1.87 以4个氧原子为基础的阳离子系数 Mg2+ 0.54 0.49 0.53 0.64 0.44 0.60 0.58 0.53 0.34 0.51 0.70 0.49 0.61 0.51 0.52 0.58 0.49 0.59 0.56 Al2+ 1.01 0.85 1.17 1.14 0.66 1.01 0.81 0.67 0.39 0.86 0.56 0.81 1.33 0.93 0.99 0.94 0.56 1.11 1.03 Cr3+ 0.92 1.10 0.80 0.79 1.26 0.96 1.14 1.29 1.55 1.09 1.22 1.15 0.63 1.00 0.95 1.01 1.42 0.88 0.93 Fe2+ 0.39 0.45 0.39 0.31 0.48 0.34 0.37 0.44 0.59 0.43 0.28 0.48 0.37 0.44 0.39 0.30 0.49 0.40 0.43 Fe3+ 0.07 0.07 0.04 0.03 0.09 0.06 0.02 0.04 0.09 0.06 0.23 0.05 0.05 0.06 0.08 0.10 0.02 0.01 0.04 Mg/(Mg+Fe2+) 43.67 37.85 43.33 53.33 34.22 49.80 46.90 40.67 24.34 39.93 58.02 36.17 47.96 39.41 43.01 52.21 36.01 45.23 42.55 Fe2+/(Fe2++Mg) 56.33 62.15 56.67 46.67 65.78 50.20 53.10 59.33 75.66 60.07 41.98 63.83 52.04 60.59 56.99 47.79 63.99 54.77 57.45 Cr/(Cr+Al) 57.67 65.88 50.44 50.69 73.82 58.60 67.57 74.11 85.38 65.38 76.57 67.82 41.32 61.71 58.77 61.65 78.90 54.20 57.23 编号 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Na2O 0.03 0.07 0.07 0.14 0.17 0.10 0.05 0.36 0.03 0.03 0.00 0.01 0.02 0.00 0.07 0.09 0.00 0.02 MgO 10.68 12.01 11.68 12.16 9.50 15.87 12.97 12.04 12.09 11.24 11.56 15.00 11.01 13.40 13.32 11.87 10.19 12.04 Al2O3 16.22 22.28 24.49 23.50 20.15 35.83 30.38 30.20 25.53 32.28 21.87 28.18 22.24 29.99 27.10 20.59 16.19 23.42 SiO2 0.03 0.18 0.03 0.10 0.06 0.08 0.07 0.11 0.04 1.55 0.08 0.04 0.04 0.06 0.09 0.25 0.08 0.06 K2O 0.04 0.09 0.06 0.07 0.08 0.08 0.03 0.21 0.02 0.10 0.01 0.01 0.03 0.03 0.09 0.07 0.02 0.02 CaO 0.03 0.07 0.03 0.06 0.03 0.05 0.08 0.10 0.08 0.05 0.04 0.01 0.02 0.07 0.04 0.06 0.02 0.02 TiO2 0.00 0.01 0.02 0.00 0.03 0.01 0.00 0.02 0.14 0.04 0.05 0.03 0.10 0.04 0.04 0.11 0.07 0.05 Cr2O3 51.22 44.54 42.65 43.53 44.93 31.39 35.64 35.03 40.47 28.47 45.01 31.80 44.22 38.50 41.45 45.50 51.35 43.84 MnO 0.33 0.27 0.28 0.30 0.37 0.20 0.21 0.25 0.22 0.47 0.29 0.24 0.27 0.26 0.27 0.30 0.41 0.33 FeO 16.38 15.11 16.11 14.84 17.97 11.36 14.57 14.76 16.72 18.92 16.65 10.22 16.95 15.05 14.55 14.79 17.81 16.03 Fe2O3 0.76 0.87 0.77 1.20 1.89 1.08 0.00 2.71 2.80 0.21 1.38 4.65 0.47 0.00 0.73 0.67 0.92 1.14 以4个氧原子为基础的阳离子系数 Mg2+ 0.53 0.58 0.55 0.58 0.47 0.70 0.60 0.56 0.56 0.53 0.55 0.72 0.53 0.61 0.61 0.58 0.50 0.57 Al2+ 0.64 0.84 0.92 0.88 0.79 1.25 1.12 1.10 0.93 1.19 0.82 1.07 0.85 1.07 0.98 0.79 0.63 0.87 Cr3+ 1.35 1.13 1.07 1.10 1.18 0.73 0.88 0.86 0.99 0.71 1.14 0.81 1.13 0.92 1.00 1.18 1.34 1.10 Fe2+ 0.46 0.41 0.43 0.40 0.50 0.28 0.38 0.38 0.43 0.50 0.44 0.28 0.46 0.38 0.37 0.40 0.49 0.42 Fe3+ 0.02 0.02 0.02 0.03 0.05 0.02 0.00 0.06 0.07 0.00 0.03 0.11 0.01 0.00 0.02 0.02 0.02 0.03 Mg/(Mg+Fe2+) 39.48 44.28 42.03 45.03 34.58 58.27 47.10 44.92 41.97 37.28 40.99 59.46 39.37 47.09 47.79 44.53 36.39 42.88 Fe2+/(Fe2++Mg) 60.52 55.72 57.97 54.97 65.42 41.73 52.90 55.08 58.03 62.72 59.01 40.54 60.63 52.91 52.21 55.47 63.61 57.12 Cr/(Cr+Al) 75.94 66.65 63.53 64.94 69.04 46.70 53.98 53.70 61.32 46.87 67.29 53.01 66.53 56.21 60.47 68.85 76.03 65.18 注：表中FeO、Fe2O3含量为铁离子电价调整后的含量[6] 3. 分析结果
3.1 尖晶石族矿物端元划分
尖晶石(AB2O4)族矿物固溶体中的A组二价阳离子和B组三价阳离子在四面体和八面体中的占位决定尖晶石矿物的类型和性质，A组阳离子主要有Mg2+、Fe2+及少量的Mn2+、Zn2+、Ni2+等，B组阳离子主要为Al3+、Cr3+和Fe3+，矿物中根据三价阳离子可将尖晶石分3个系列：尖晶石系、铬铁矿系列列和磁铁矿系列[7-10]。电子探针分析结果显示，区内尖晶石中二价的A组阳离子主要由Mg2+、Fe2+和少量Mn2+占位，三价的B组阳离子主要由Cr3+、Al3+和少量Fe3+占位，通过以三价阳离子数含量为单元组分做三角图解(图 4)，显示成分投影点沿Al-Cr轴线方向展布，主要集中在Al3+和Cr3+之间，靠近Cr3+端，Cr3+主要分布在31.3%~90.8%，Al3+主要分布在7.8%~66.2%，Fe3+主要分布在0~24.1%，显示了尖晶石中B组的三价配位离子成分具高铬、中等含铝和低铁的特征。表明区内尖晶石Cr3+和Al3+类质同象交换较普遍，而Cr3+和Fe3+及Al3+和Fe3+之间的类质同象代替较有限。
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图 4 史庄一带金伯利岩中尖晶石分子Cr3+-Al3+-Fe3+三角图解(底图据参考文献[11])Figure 4. Triangular diagram of Cr3+-Al3+-Fe3+ in spinel molecules from kimberlite in Shizhuang area通过晶体化学计算[12]，本区尖晶石族端元组分中铬组分占53.3%，铝组分占44.2%，铁组分占2.4%，同时离子系数中Mg2+＞Fe2+，表明区内尖晶石具富镁特征，根据以上特征确定区内尖晶石族矿物端元主要为镁铬铁矿(MgCr2O4)-铬铁矿(FeCr2O4)-镁尖晶石(MgAl2O4)-尖晶石(FeAl2O4)系列，且以镁铬铁矿(Fe，Mg)Cr2O4占优势。
3.2 尖晶石矿物化学特征
在山东蒙阴和辽宁瓦房店含金刚石的金伯利岩中，铬铁矿的化学成分含量为：Cr2O3为47.96%~64.17%，Al2O3为1.86%~11.84%，MgO为7.65%~13.59%，FeO为18.71%~26.67%，MnO为0.05%~0.22%，TiO2为0.21%~2.58%，显示铬铁矿富镁的特征③[11-22]。本区尖晶石的主要氧化物化学成分为：Cr2O3含量为27.5%~61.7%，平均41.7%；Al2O3含量为2.74%~39.1%，平均23.7%；MgO含量为5.57%~15.8%，平均11.7%；FeO含量为7.84%~31.64%，平均15.7%；MnO含量为0.17%~2.15%，平均0.3%；Fe2O3为含量0~12.7%，平均2.2%；TiO2含量为0.01%~1.6%，平均0.1%。与山东、辽宁金伯利岩中的铬铁矿相比，本区Cr2O3和Al2O3含量分布范围较广，但Cr2O3一般集中分布在40%~60%，具高铬-富铬特征，TiO2含量较低、MgO含量较高，具低钛富镁特征, MnO、FeO等含量与山东、辽宁等地金伯利岩中铬铁矿基本相同，而Al2O3含量偏高。
张安棣等将铬铁矿划分为12种类型(表 2)，根据本区铬铁矿的主要氧化物含量(Cr2O3、MgO、TiO2、Al2O3)特征，区内铬铁矿为贫钛富镁高铝型的S5类型，部分铬铁矿TiO2含量大于0.5%，与来源于金伯利岩型的铬铁矿特征相同[23-24]。
表 2 十二组铬尖晶石四元素氧化物平均百分含量[23]Table 2. Spinel which can be divided into twelve groups according to the average content of four oxides分组 化学成分特征 Cr2O3/% MgO/% TiO2/% Al2O3/% 产状 S1 无—贫钛贫铝富镁 64.00 12.72 0.12 5.29 金刚石包体(及连生体)、含矿金伯利岩、含矿钾镁煌斑岩 S2 含钛贫铝富镁 64.63 11.07 0.42 4.29 S3 高镁高铬 67.37 15.43 0.36 6.54 金刚石包体、含矿金伯利岩及少数陨石 S4 贫钛富镁富铝 52.81 11.69 0.48 12.17 TiO2＞0.5%为金伯利岩，TiO2＞1.1%为钾镁煌斑岩，TiO2 < 0.5%为非金伯利岩和非钾镁煌斑岩 S5 贫钛富镁高铝 47.21 13.04 0.43 21.67 S6 富钛贫铝镁 57.52 10.89 3.14 3.87 金伯利岩、钾镁煌斑岩 S7 高钛富铝镁 48.43 10.32 4.08 10.25 钾镁煌斑岩、二型金伯利岩 S8 贫铝富铁 54.51 5.91 0.28 3.35 二辉橄榄岩、金伯利岩 S9 低钛贫镁 60.71 3.56 0.68 6.17 陨石、铬铁矿床 S10 低钛富镁高铝 35.38 14.40 0.13 34.14 煌斑岩、不含金刚石的钾镁煌斑岩及金伯利岩 S11 含铬镁铝 14.35 18.56 0.06 52.50 玄武岩 S12 高钛富铁 41.77 0.72 9.15 6.49 陨石 鄄城陨石中铬铁矿 含镁铝富钛 55.47 3.56 2.25 6.72 据“山东国土资源”[24] 一般来说，金伯利岩的含矿性和尖晶石的Cr2O3含量具有正相关关系，与Al2O3含量呈负相关关系[25-27]。在Cr2O3-Al2O3和MgO-FeO关系图中(图 5)相关氧化物含量表现出明显的负相关关系，表明随着金伯利岩浆的演化，尖晶石中Al3+不断交换代替Cr3+，Fe2+不断交换Mg2+，岩浆在演化过程中向着Cr2O3、MgO含量不断降低，Al2O3、FeO含量不断增高的趋势进行，该特征与山东、辽宁等地含金刚石金伯利岩中的铬铁矿氧化物变化规律一致[26-27]。
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图 5 铬铁矿中Cr2O3-Al2O3(a)和MgO-FeO(b)关系图解Figure 5. Diagrams of Cr2O3-Al2O3(a) and MgO-FeO(b) relations in kimberlite chromite铬铁矿中铬指数Cr#=Cr/(Cr+Al)是判别金伯利岩含矿性的重要指标，金刚石包裹体中铬铁矿的Cr#一般在0.9左右，富含金刚石金伯利岩中铬铁矿的Cr#为0.89，贫矿金伯利岩中铬铁矿的Cr#为0.69，不含矿金伯利岩中铬铁矿的Cr#一般小于0.6[28-30]。本区铬铁矿中铬指数Cr#值为0.41~0.93, Cr#值变化范围较大，是Cr3+、Al3+普遍进行类质同象替换所致，表明铬铁矿来源较广，部分来源于地幔包体，部分来源于金伯利岩浆结晶作用，其中大部分Cr#值集中分布在0.6~0.7之间(图 6)，同时Cr#和Fe2+/(Fe2++Mg)呈正相关关系(图 7)，这与中国金伯利岩中铬铁矿特征一致[31-32]。
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图 6 史庄一带金伯利岩中铬铁矿Cr#分布频率图Figure 6. Frequency distribution of chromite Cr# in kimberlite from Sizhuang area![]()
图 7 史庄一带金伯利岩中铬铁矿Fe2+/(Fe2++Mg)-Cr/(Cr+Al)关系图解Figure 7. Relationship between Fe2+/(Fe2++Mg)-Cr/(Cr+Al)of spinel from kimberlite in Shizhuang area4. 讨论
尖晶石矿物是金伯利岩中重要的特征性副矿物，对金刚石找矿有非常重要的指示意义。在上地幔条件下, 尖晶石中铬组分的含量与其形成压力呈明显的正相关关系，因而，与金刚石密切伴生的铬铁矿表现为高铬低铝的特征[32]。本区铬铁矿中Cr3+与Al3+、Fe2+与Mg2+呈明显的负相关关系，是其形成后随金伯利岩浆上升过程中遭受了强烈的蚀变混染所致，而24号样品中Cr2O3含量最高为61.74%，对应Al2O3含量为0.01%，表明其初始形成压力非常高，Cr2O3与Al2O3变化趋势与地幔橄榄岩趋势一致(图 8-a)；本区大部分铬铁矿TiO2含量较低(小于1.0%)，个别含量大于1%，Ti与Al无明显的相关关系。结合铬铁矿晶体形态特征(粒径大、椭圆形、遭受融蚀)和成分特征(高Cr、高Mg、低Ti)，表明本区铬铁矿为地幔捕虏晶，其地幔岩为橄榄岩，来源可能为上地幔，具备形成金刚石的深度条件[33-35]。
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图 8 山东和史庄铬铁矿中Cr2O3-Al2O3(a)和MgO-Cr2O3(b)图解(底图据参考文献[35])Figure 8. Relationship between Cr2O3-Al2O3(a)and MgO-Cr2O3(b)of spinel from kimberlite in Shandong and Shizhuang area根据铬铁矿中Cr2O3-Al2O3及MgO-Cr2O3关系图解(图 8)，史庄一带金伯利岩中铬铁矿成分变化受Al3+-Cr3+类质同象作用控制，变化趋势代表尖晶石原地幔岩为橄榄岩。山东含矿较好的50号岩管的金伯利岩中铬铁矿几乎全部落在金刚石包裹矿物的稳定区域，含矿性相对稍差的30号岩管和常马庄金伯利岩铬铁矿成分点均落在含矿金伯利岩区域，而史庄一带铬铁矿成分点近一半落在含金刚石金伯利岩区域，表明这部分铬铁矿与金刚石具有密切的伴生关系[36]，而且有1个样品点落在金刚石稳定区域，因此，史庄一带金伯利岩具有一定携带金刚石的能力。
5. 结论
(1) 根据矿物化学特征，豫南史庄一带金伯利岩中的尖晶石族矿物端元主要为镁铬铁矿(MgCr2O4)-铬铁矿(FeCr2O4)-镁尖晶石(MgAl2O4)-尖晶石(FeAl2O4)系列，且以镁铬铁矿(Fe，Mg)Cr2O4占优势；铬铁矿中MgO、Al2O3含量较高，TiO2含量较低，以低钛富镁高铝型的S5型铬铁矿为主。
(2) 铬铁矿中成分变化受Al3+-Cr3+类质同象作用控制，Cr2O3、Al2O3和MgO、FeO呈负相关关系，表明Al3+和Cr3+及Fe2+和Mg2+类质同象普遍且广泛，金伯利岩浆向着Cr2O3、MgO含量不断降低，Al2O3、FeO含量不断增高的趋势演化。
(3) 铬铁矿为地幔捕虏晶，其地幔岩为橄榄岩，来源可能为上地幔，具备形成金刚石的深度条件。
(4) 史庄一带金伯利岩具有一定的携带金刚石的能力，与山东50号、30号及蒙阴常马庄金伯利岩相比，史庄一带金伯利岩含金刚石的可能性较大，但其金刚石含矿性可能相对较弱。
致谢: 在本文成文过程中，方克定、张彦英、吴传璧、郝梓国、张新安、吕庆田等专家提出宝贵的修改意见，与唐金荣、周平进行了深入讨论，杨宗喜、张涛、郑人瑞提供有关资料，在此一并表示感谢。 -
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图 1 地质多样性、生物多样性与自然资本的关系[12]
Figure 1. The relationship of geological multiplicity and biological multiplicity to natural capital
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图 3 加拿大地质调查局数据、知识和工具随时间的变化[2]
Figure 3. The variation of Canadian Geological Survey's data, knowledge and tools with time
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图 4 水-能源-粮食纽带关系及其外部影响因素[40]
Figure 4. The tie relationship of water-energy-food and its external influencing factors
表 1 美国、欧盟和英国关键矿产清单
Table 1 Detailed list of critical mineral in the USA, the EU and the UK
国家 关键矿产 美国 氦、铯、铷、钾盐、碲、铀、锡、砷、锰、铼、铬、锆、重晶石、萤石、钪、铪、锗、铟、稀土元素、钨、天然石墨、锑、钽、铍、铌、镁、镓、钴、钒、铂族元素、铋、钛、锶、铝、锂 欧盟 天然橡胶、硼、磷块盐(Phosphaterock)、磷(Phosphorus)、结晶硅、焦煤、重晶石、萤石、钪、铪、锗、铟、重稀土、轻稀土、钨、天然石墨、锑、钽、铍、铌、镁、镓、钴、钒、铂族元素、铋、钛、锶、铝、锂 英国 银、锌、硒、钍、铜、铁、铅、镍、钼、金刚石、金、汞、镉、氟、钡、铀、锡、砷、锰、铼、铬、锆、锗、铟、稀土元素、钨、天然石墨、锑、钽、铍、铌、镁、镓、钴、钒、铂族元素、铋、钛、锶、铝、锂 注：美国为2019年确定的35种关键矿产，欧盟为2020年确定的30种关键矿产，英国为2015年确定的41种关键矿产。黑体字为美国、欧盟和英国共有的关键矿产，带下划线为除此之外美国和英国共有的关键矿产，斜体为除此之外美国和欧盟共有的关键矿产 
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Kimball S, Goldhaber M, Baron J, et al.The Modern Geological Survey; A Model for Research, Innovation, Synthesis A USGS Perspective[C]//Hill P R, Lebel D D, Hitzman M, et al.The Changing Role of Geological Surveys.Geological Society, London, Special Publications, 2019: 499.First published online. https://doi.org/10.1144/SP499-2019-250.
Lebel D.Geological Survey of Canada 8.0: mapping the journey towards predictive geoscience[C]//Hill P R, Lebel D D, Hitzman M, et al.The Changing Role of GeologicalSurveys.Geological Society, London, Special Publications, 2019: 499.First published online. https://doi.org/10.1144/SP499-2019-79.
Ludden J.Where is Geoscience Going?[C]//Hill P R, Lebel D D, Hitzman M, et al.The Changing Role of GeologicalSurveys.Geological Society, London, Special Publications, 2019: 499.First published online.https://doi.org/10.1144/SP499-2019-212.
French Geological Survey.Science strategy for BRGM: Key Researche prioities for next 10 years[EB/OL](2020-06-08)[2020-09-06]https://en.calameo.com/read/005719121a52c95e6e34d.2020.
周庆凡.近十年美国致密油和页岩气产量变化[J].石油与天然气地质, 2016, 90(9):2109-2122. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYYT202003001.htm 叶建良, 秦绪文, 谢文卫, 等.中国南海天然气水合物第二次试采主要进展[J].中国地质, 2020, 47(3):557-568. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZI202003002.htm 张成功, 屈红军, 张凤廉, 等.全球深水油气重大新发现及启示[J].石油学报, 2019, 40(1):1-55. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYXB201901001.htm 唐金荣, 杨宗喜, 周平, 等.国外关键矿产战略研究进展及其启示[J].地质通报, 2014, 3(9):1445-1453. doi: 10.3969/j.issn.1671-2552.2014.09.021 毛景文, 杨宗喜, 谢桂青.关键矿产——国际动向与思考[J].矿床地质, 2019, 38(4):689-698. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KCDZ201904001.htm 陈泮勤, 等译.地球系统科学[M].北京:地震出版社, 1992. Gray M.Geodiversity:Valuing and Conserving Abiotic Nature 2004[M].John Wiley & Sons:London, UK, 2004.
Gray M.The confused position of the geosciences within the "natural capital" and "ecosystem services" approaches[J].Ecosystem Services, 2018, 34A:106-112. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212041618305424
Trofimov V T.Current State, Tasks and Problems of the Further Development of Ecological Geology[J].Moscow University Geology Bulletin, 2013, 68(3):155-164. doi: 10.3103/S0145875213030083
Trofimov V T.The Geological Space as a Category of Ecology:the Lithotope of an Ecosystem[J].Moscow University Geology Bulletin, 2015, 70(5):367-376. doi: 10.3103/S0145875215050117
Trofimov V T.Ecological-Geological Conditions and Factors of Their Formation[J].Moscow University Geology Bulletin, 2010, 65(1):54-57. doi: 10.3103/S0145875210010060
Crutzen P J, Stoermer E F.The "Anthropocene"[J].IGBP News-Letter, 2000, 41:17-18.
刘学, 张志强, 郑军卫, 等.关于人类世问题研究的讨论[J].地球科学进展, 2014, 29(5):640-649. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXJZ201405015.htm 尼古拉·戴维森.姚人杰, 编译.人类世: 我们是否进入了地球历史的新纪元?[J].世界科学, 2019, (9): 4-9. National Research Council.Basic research opportunities in earth science[M].Washington, D.C., National Academy Press, 2001: X.
NSF.NSF awards grants for four new critical zone observatories to study Earth surface processes[EB/OL](2014-01-15)[2014-06-30]http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=130115&WT.mc_id=USNSF_51&WT.mc_ev=click.2014.
Steffen W, Richardson K, Rockstrom J, et al.The emergence and evolution of Earth System Science[J].Nature Reviews Earth & Environment, 2020, (1):54-63. http://www.nature.com/articles/s43017-020-0100-8
Rrockstrom J, Steffen W, Noone K, et al.A safe operating space for humanity[J].Nature, 2009, 461(7263):472-475. http://www.bmj.com/lookup/external-ref?access_num=19779433&link_type=MED&atom=%2Fbmj%2F344%2Fbmj.e1018.atom
薛博, 刘勇, 王沉, 等.碳捕获、封存与利用技术及煤层封存CO2研究进展[J].化学世界, 2020, 61(4):294-297. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HXSS202004011.htm 文冬光, 郭建强, 张森琦, 等.中国二氧化碳地质储存研究进展[J].中国地质, 2014, 41(5):1716-1723. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZI201405025.htm Gerya T V, Stern R J, Baes M, et al.Whattam Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation[J].Nature, 2015, 527:221-225. http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=aph&AN=111020997&site=ehost-live
许志琴, 杨文采, 杨经绥, 等.中国大陆科学钻探的过去、现在和未来——纪念中国大陆科学钻探实施15周年、国际大陆科学钻探委员会成立20周年[J].地质学报, 2016, 90(9):2109-2122. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZXE201609006.htm 刘硕, 高有峰, 尹永康, 等.松辽盆地大陆科学钻探"松科2井"登娄库组二段沉积序列精细刻画及时代归属[J].世界地质, 2019, 38(4):1022-1043. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJDZ201904018.htm Feder T.Scoping out the North American continent, 10 years on[J].Physics Today, 2014, 67(1):1-19.
汪品先.大洋钻探与中国的海洋地质[J].海洋地质与第四纪地质, 2019, 39(1):7-14. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HYDZ201901002.htm 国家信息中心.信息化领域前沿热点技术通俗读本[M].北京:人民出版社, 2020. Cheng Q M, Oberhnsli R, Zhao M L.A new international initiative for facilitating data-drivenEarth science transformation[C]//Hill P R, Lebel D D, Hitzman M, et al.The Changing Role of GeologicalSurveys.Geological Society, London, Special Publications, 2019: 499.First published online.https://doi.org/10.1144/SP499-2019-158.
施俊法, 唐金荣, 周平, 等.世界地质调查工作发展趋势及其对中国的启示[J].地质通报, 2014, 33(10):1465-1472. http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20141001&flag=1 杨宗喜, 唐金荣, 周平, 等.大数据时代下美国地质调查局的科学新观[J].地质通报, 2013, 32(9):1337-1343. http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130901&flag=1 U.S.Geological Survey.Grand challenges for integratedUSGSscience-A workshop report[EB/OL](2017-06-30)[2019-09-10]https://pubs.usgs.gov/of/2017/1076/ofr20171076.pdf.2017.
British Geological Survey.BGS Science Strategy: Gateway to the Earth 2019-2023[EB/OL](2019-04)[2019-09-10]http://www.bgs.ac.uk/about/strategy.html.2019.
王安建, 高芯蕊.中国能源和重要矿产资源需求展望, 战略与决策[J].2020, 35(3)338-344. 沈镭, 刘立涛, 王礼茂.2050年中国能源消费的情景预测[J].自然资源学报, 2015, 30(3):361-373. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZX201503001.htm Smeloro M.Geology for society in 2058: some down-to-earth perspectives[C]//Hill P R, Lebel D D, Hitzman M, et al.The Changing Role of Geological Surveys.Geological Society, London, Special Publications, 2019: 499.First published online.https://doi.org/10.1144/SP499-2019-40
中国科学院地学部地球科学发展战略研究组.21世纪中国地球科学发展战略报告[M].北京:科学出版社, 2009. 郑人瑞, 唐金荣, 金玺.水-能源-粮食纽带关系:地球科学的认知与解决方案[J].中国矿业, 2018, 27(10):36-41. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201810007.htm -
期刊类型引用(7)
1. 董洁，火顺利，赵双印，叶远荣，蔡恩格力，赵禹. 地源硒水平对加工番茄品质的影响. 中国农学通报. 2024(13): 36-41 . 
百度学术
2. 董洁，火顺利，赵双印，张蓓，蔡恩格力，赵禹. 天然富硒土壤上加工番茄硒富集能力及品质分析. 农学学报. 2024(07): 67-72 . 百度学术
3. 李永春，刘玖芬，李雪珍，张栋，陈国栋，杜雨春子，周文辉. 河套平原腹地土壤硒的赋存形态特征及生物有效性. 环境科学. 2024(11): 6734-6744 . 百度学术
4. 王刚，马宏超，王庆军. 天山北坡经济带土壤-植物系统中Se迁移特征及影响因素分析. 新疆地质. 2024(04): 620-625 . 百度学术
5. 王志强，杨建锋，魏丽馨，石天池，曹园园. 石嘴山地区碱性土壤硒地球化学特征及生物有效性. 物探与化探. 2022(01): 229-237 . 百度学术
6. 赵禹，赵寒森，刘拓，白金，王磊，梁楠，王鹏，杨生飞，魏锦萍，李文明，曾宪红，张转，韩海辉，赵君，陈振宇. 西北地区土地质量地球化学调查进展与主要成果. 西北地质. 2022(03): 140-154 . 百度学术
7. 刘冰权，沙珉，谢长瑜，周强强，魏星星，周梵. 江西赣县清溪地区土壤硒地球化学特征和水稻根系土硒生物有效性影响因素. 岩矿测试. 2021(05): 740-750 . 百度学术
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