Geochemical characteristics and formation environment of metamorphic rocks in Etouchang Formation of Middle Proterozoic Lower Kunyang Group in northeastern Yunnan
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摘要:
昆阳群浅变质岩系作为扬子陆块西缘变质褶皱基底的重要组成部分，其形成及演化机制一直备受关注。以昆阳群代表性地层鹅头厂组变质岩为例，从岩石共生组合、岩相学标志、岩石地球化学等方面对该套变质岩原岩类型、物源、沉积及构造环境背景进行约束。变质岩微古生物及同位素年龄显示，该套变质岩成岩时代属中元古代晚期，沉积相及岩相学表现为正常海相沉积原岩特征。岩石地球化学分析显示，变质岩原岩为杂砂岩及亚杂砂岩类，兼有部分泥岩成分，形成于浅海-滨海相的氧化沉积环境。岩石整体经历过中等程度的风化淋滤作用，成熟度较低。沉积物质主要来源于上地壳构造活动区，具有活动构造带单次循环沉积产物的特征，并经历过一定程度的壳内地化分异作用。沉积物源以大陆岛弧型低铝TTG系列火山岩为主，兼有部分上地壳陆源物质的介入。岩石地球化学特征还指示，该套变质岩原岩主要沉积于被动大陆边缘的构造环境，很可能形成于昆阳海洋裂谷盆地闭合阶段后期的残留海盆。
Abstract:As an important part of the metamorphic fold basement on the western margin of the Yangtze block, the light metamorphic rock series of Kunyang Group has attracted much attention from experts for its formation and evolution mechanism.Taking the metamorphic rocks of Etouchang Formation, the representative stratum of Kunyang Group, as an example, this paper constrains the protolith type, provenance, sedimentation and tectonic environment background of the metamorphic rocks in the aspects of rock symbiotic association, petrographic markers and petrogeochemical.The micropaleontology and isotopic age of the metamorphic rocks indicate that the diagenetic age of the metamorphic rocks belongs to Late Mesoproterozoic, and the sedimentary facies and petrographic shows the characteristics of normal marine sedimentary.Comprehensive petrogeochemical analysis shows that the original rocks of metamorphic rocks were composed of graywacke and subgraywacke with some mudstone components, which were formed in the oxidative sedimentary environment of the shallow-littoral facies.The rocks experienced moderate weathering and leaching with lower rock maturity and leaching with lower rock maturity.The sediments mainly came from the tectonic active area of the upper crust, with the characteristics of single cycle sedimentary products in the active structural belt and experienced a certain degree of intracrustal geochemical differentiation.The main source of the sediments was the continental island arc type low aluminum TTG series volcanic rocks, with the intervention of part of the upper crust terrigenous materials.Furthermore, petrogeochemical characteristics also show that the metamorphic protolith mainly deposited in the passive continental margin tectonic environment.The authors hold that the metamorphic protoliths were probably formed in the residual basin in the late closure stage of Kunyang marine rift basin.
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山东省平邑县大井头村-小泉庄村一带历来是金刚石原生矿重点找矿地区, 以往勘查工作中, 发现大量具有找矿意义的金刚石及其指示矿物[1-2], 被列为金刚石原生矿一级找矿靶区①。然而, 受以往找矿思路影响, 围绕蒙阴三大金伯利岩原生矿带, 专注于寻找金伯利岩型金刚石原生矿, 却忽视了对另一种含矿岩石——钾镁煌斑岩的勘查与研究。
平邑县大井头岩体自1972年发现以来, 曾开展过多轮勘查工作, 但由于近地表岩石遭受强烈风化蚀变, 给岩石定名带来较大困难, 曾长期被定性为火山角砾岩[3]。然而, 据最新勘查资料②, 结合岩矿鉴定、岩石地球化学和重砂矿物组合特征, 最终将该岩体的岩性鉴定为钾镁煌斑岩, 并从中新发现原生金刚石3颗, 认为大井头岩体为含金刚石钾镁煌斑岩管, 具有重要的科研价值和找矿意义。
1. 地质背景
平邑县大井头地区处于华北板块(Ⅰ)东南缘[4], 鲁西隆起区(Ⅱ)、鲁中隆起(Ⅲ)、尼山-平邑断隆(Ⅳ)之临沂凸起(Ⅴ)西北部, 东距沂沭断裂带最西侧的鄌郚-葛沟断裂约55km, 位于蒙阴坡里、西峪和常马三大金刚石原生矿带左行雁列式向南延伸约35km处(图 1), 成矿地质条件较优越[5]。
区域上沉积盖层较发育, 以古生代寒武系-奥陶系九龙群炒米店组灰岩和三山子组白云岩为主。地层倾向整体在15°~35°之间, 倾角10°左右。盖层厚度自西南向东北逐渐加厚, 其中大井头钾镁煌斑岩管(以下简称"大井头岩管")附近的盖层厚度约620m, 基底为太古宙片麻状二长花岗岩[6]。
区内断裂构造发育, 根据展布方向大致可分为北北西向、北西向和北北东向3组, 其中北北西向燕甘断裂是区域性主干断裂, 与其有成因联系的北北东向伴生断裂在大井头岩管周边较发育, 它们与区域性北西向基底深大断裂的次级断裂共同控制该地区的地层展布和岩浆活动。
受区域性掀斜作用影响[7], 岩浆岩主要呈老基底形式出露于区域西南部, 岩性主要为新太古代傲徕山序列条花峪单元弱片麻状二长花岗岩。此外, 区域上出露多个与金刚石成矿关系密切的基性-超基性杂岩体, 如大井头钾镁煌斑岩管, 小泉庄、东小山、大山河等地煌斑岩脉及埠西桥、归后庄等地的火山角砾岩体。
2. 大井头岩管地质特征
2.1 大井头岩管特征
大井头岩管位于大井头村南0.9km、燕甘断裂东1.5km处, 产出于2条北北东向断裂和2条北西向断裂复合交会的构造薄弱区, 即"井"字形构造格架的中心部位(图 2)。
大井头岩管以西南角为中心, 地表形态呈北东向展开的扇形。受北北东向大井头断裂和北西向小泉庄断裂共同控制, 南北向较长, 约105m, 东西向稍短, 约65m, 出露面积达5761m2。经钻探工程验证, 大井头岩体为南南西向倾斜的钾镁煌斑岩管, 倾向202°, 倾角81°。目前岩管控制深度达580m, 自地表向下, 岩管直径逐渐变小, 岩石遭受风化蚀变程度减弱(图 3)。
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图 3 大井头岩体KT02勘探线剖面Figure 3. Geological section along KT02 exploration line of Dajingtou lamporphite tube2.2 岩石学特征
大井头岩管的近地表岩性主要为强风化蚀变的钾镁煌斑岩、凝灰质角砾岩、层状火山碎屑岩及火山集块岩, 岩石具有煌斑结构、碎屑结构, 角砾状、层状构造, 碳酸盐化、绢云母化、蒙脱石化、绿泥石化、褐铁矿化等蚀变较发育。
勘查工程表明, 岩管深部逐渐过渡为较新鲜的钾镁煌斑岩, 岩石具有钾镁煌斑岩特有的灰色-绿灰色斑点状外貌(图 4-a), 与澳大利亚阿盖尔、贵州镇远、山西大同、湖南宁乡、西昆仑等地钾镁煌斑岩外貌特征一致[8-14]。
岩矿鉴定表明, 新鲜的岩石具变余斑状结构和隐晶状结构, 原生矿物均已遭受蚀变, 镜下仅可见碱性长石、透辉石等矿物晶体假象(图 4-b), 偶见细小短柱状磷灰石、尘点状或浸染状的铁质矿物。岩石全部由蚀变矿物组成, 其中碳酸盐约占70%, 残余长英质矿物约占12%, 绢云母约占8%, 粘土矿物约占3%, 另外含约7%的不透明矿物。碳酸盐呈微晶状、细晶状或稠密浸染状分布, 而绢云母呈微鳞片状填充于碳酸盐晶隙中。斑晶多被碳酸盐交代, 个别被绢云母交代, 仅保留其矿物假象。基质也已发生极强的绢云母化、绿泥石化和碳酸盐化。
研究资料表明[15], 金刚石原生矿中的绢云母是金云母水化后的产物, 绿泥石大多是由金云母蚀变而成。金刚石原生矿中的碳酸盐矿物经常组成基质, 其后发生的碳酸盐化, 可以部分或全部交代橄榄石等斑晶矿物, 有时呈细脉状穿插于岩石或矿物中, 这与大井头岩体镜下鉴定中关于碳酸盐化的描述一致, 大井头岩体符合金刚石原生矿的岩石特征。
2.3 岩石地球化学特征
本次共选取6件样品, 其中3件样品采自探槽, 岩石风化蚀变较强, 另外3件采自钻孔岩心, 岩石较新鲜, 但同样遭受蚀变。样品分析测试在山东省第七地质矿产勘查院实验室进行, 测试前将岩石粉碎至200目, 测试仪器为PS-950等离子体光谱仪。主量元素测试数据表明(表 1), 大井头岩体中3件新鲜岩心样品的SiO2含量分别为43.90%、44.13%和47.98%, 属于基性-超基性岩范畴, 且K2O含量均较高, 分别高达7.11%、7.60%和8.40%, K2O/Na2O值分别达到81.91、47.50和45.05, 与典型钾镁煌斑岩的高K2O含量和高钾钠含量比值一致[11]。同时, 3件样品的烧失量(LOI)分别高达11.49%、12.01%和10.00%, 在CO2含量较低的情况下(平均含量为0.21%), 认为岩体中含有大量的F、Cl、H2O+等气体挥发成分, 符合钾镁煌斑岩富含挥发分的特征[16-19]。
表 1 大井头钾镁煌斑岩主量元素测试数据及相关参数Table 1. Test data of the main elements and related parameters of the Dajingtou lamporphite样品编号 岩性 检测项目及结果/% 岩石学相关参数 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO2 MgO CaO K2O Na2O P2O5 烧失量 合计 K2O/Na2O CO2 K2O/Al2O3 混染指数 16ZK01-QH03 大井头 43 90 0.79 17.54 9.64 4.5 0.21 1 67 7.04 7.11 0.09 0.57 11 49 100.05 81.91 0.41 3.87 16ZK02-Qh01 钾镁煌斑岩 44.13 0.71 16.48 7.78 3.21 0.20 1 66 8.94 7.60 0.16 0.46 12.01 100.13 47.50 0.46 3.60 16ZK03-Qh0l (新鲜) 47.98 0.72 16.43 7.25 3.79 0.18 1.70 6.74 8.40 0.19 0.43 10.00 100.02 45.05 0.51 3.49 16TC01-Qh02 大井头 50.67 0.76 17.87 15.72 4.34 0.31 0.43 0.74 6.39 0.07 0.57 6.06 99.59 93.01 0.21 0.36 5.19 16TC01-Qh03 钾镁煌斑岩 53.25 0.72 17.39 13 64 3.76 0.31 042 0.76 6.24 0.08 0.49 6.17 99.47 75.72 0.25 0.36 5.48 16TC01-Qh04 (风化) 52.69 0.80 19.40 12.21 3.37 0.25 0.50 0.83 6.73 0.07 0.56 6.45 100.49 101.33 0.18 0.35 5.17 注：混染指数= (SiO2+Al2O3+Na2O)/(MgO+2K2O) 统计资料表明(表 2), 玄武岩SiO2的平均含量为50.16%, 安山岩SiO2含量可达58.17%, 粗安岩、流纹岩更高, 均远大于大井头岩体的SiO2含量。除钾镁煌斑岩、金伯利岩外, 中酸性、中基性及一般超基性岩的K2O含量均小于Na2O含量。大井头岩体6件样品的K2O含量均大于6%, 且K2O含量远大于Na2O含量, K2O/Na2O值均超过34, 与西澳钾镁煌斑岩的K、Na含量特征吻合[21]。而安山岩的K2O+ Na2O含量仅在4%左右, 且安山岩和玄武岩的Na2O含量总是大于K2O[20]。此外, 大井头岩体具有较高的烧失量, 平均高达11.12%, 与西澳、贵州等地钾镁煌斑岩接近[10, 17, 22], 而安山岩、玄武岩的烧失量极低, 均不超过1%。因此, 仅从主量元素特征看, 大井头岩体与玄武岩、安山岩及粗安岩有较大的差别。
表 2 各类火山岩类主量元素成分Table 2. The main elements of a variety of volcanic rocks% SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO NiO MnO MgO CaO K2O Na2O CO2 P2O5 H2O+ 烧失量 合计 流纹岩 73.66 0 22 13.45 1.25 0.75 003 0.32 1 13 5.35 2 99 0.07 0 78 100 英安岩 63 064 16.67 2.24 3.00 0.11 2.12 5.53 1.40 3 98 0.17 0.56 100 安山岩 58 17 0 80 17.26 3.07 4 18 0 15 3.24 6 93 1 61 3 21 0 21 0 86 99 69 玄武岩 50.16 1 20 17.61 3 41 643 0 17 6.22 9 99 0.85 2 90 0.21 091 100 06 响岩 56.90 0.59 20.17 2.26 1.85 0.19 0.58 1 88 5.42 8 72 0.17 0.96 99.69 一般 43.67 0.90 4.53 4.22 7.77 0.27 0.25 25.34 8 79 0.41 090 0.11 100 *金伯利岩[11] 33.16 1 77 2 45 681 2 03 0 15 0 15 28.00 8 35 0.67 0 10 4 85 0.7 2 84 白榴透辉钾镁煌斑岩[10] 4926 5 41 7.27 5.47 1.02 0 10 8 29 2 56 7.74 0 45 0 30 0 64 5 29 注：流纹岩、英安岩、安山岩、玄武岩、响岩数据据参考文献[20] 通过CIPW标准矿物含量计算得出(表 3), 大井头岩体主要由正长石(平均含量45.46%)和钙长石(平均含量25.33%)组成, 其次为透辉石、白榴石、紫苏辉石、橄榄石等矿物, 副矿物主要有磁铁矿、钛铁矿、磷灰石等, 符合钾镁煌斑岩矿物成分特征。其中样品16ZK02-Qh01计算出的透辉石含量高达18.44%、白榴石高达13.59%, 且岩矿鉴定可见透辉石斑晶假象, 与西澳[10, 17]、贵州[22-24]、湖南[25]、山西[16, 26-27]等地典型钾镁煌斑岩的主量元素对比发现, 大井头岩体的岩性更接近西澳白榴透辉钾镁煌斑岩(表 2)。
表 3 大井头钾镁煌斑岩CIPW标准矿物含量及相关参数Table 3. Content of CIPW normal mineral and related parameters of the Dajingtou lamporphite样品编号 钙长石
(An)钠长石
(Ab)正长石
(Or)霞石
(Ne)白榴石
(Lc)透辉石
(Di)紫苏辉石
(Hy)橄榄石
(Ol)钛铁矿
(Il)磁铁矿
(Mt)磷灰石
(Ap)合计 分异指数
(DI)16ZK01-Qh03 29.91 0.86 47.51 0 0 4.5 2.49 5.1 1.7 6.44 1.49 100 48.37 16ZK02-Qh01 24.78 0 33.71 0.83 13.59 18.44 0 0.54 1.53 5.37 1.21 100 48.13 16ZK03-Qh01 21.3 1.79 55.15 0 0 10.47 2.74 0.56 1.52 5.37 1.11 100 56.94 注：CIPW标准矿物计算按火山岩调整氧化铁；标准矿物为重量百分含量；分异指数(DI)=Qz+Or+Ab+Ne+Lc+Kp 大井头岩体MgO、TiO2含量偏低, Al2O3含量偏高, 很可能与岩浆混染程度有关。混染指数可以较好地反映深源岩浆中壳源物质的混染程度, 未受混染的岩石混染指数接近于1, 数值越大表明受壳源混染的程度越高[28]。大井头新鲜岩石样品的混染指数平均可达3.66, 地表强烈风化蚀变的样品更是高达5.28(表 1), 而西澳白榴透辉钾镁煌斑岩混染指数只有2.23[11], 推测大井头岩体在上升侵爆过程中捕获的壳源硅铝质成分更多, 岩浆受混染强度更高[29-30]。
3. 大井头岩管金刚石含矿性
3.1 大井头岩管中金刚石特征
自大井头岩管发现以来, 通过探槽、钻孔人工重砂取样、地表基岩选矿大样等勘查手段, 累计从岩管中选获金刚石7颗。
其中4颗选自近地表的基岩选矿大样中, 粒径在0.25~0.35mm之间, 浅黄绿色、透明、金刚光泽, 晶形均为立方体与八面体的聚形。其他3颗均选自钻孔中的钾镁煌斑岩岩心。其中钻孔16ZK01中选获金刚石1颗(图 5-a), 呈浅黄绿色, 立方体与八面体的聚形, 粒径0.1mm, 取样位置位于进尺17.70~ 24.40m, 该金刚石晶面具有天然金刚石所特有的毛玻璃化蚀象, 这是由于金刚石表面受后期岩浆热液浸蚀变得粗糙, 而呈现乳白色的缘故[15]。另外2颗金刚石选自钻孔16ZK02中(图 5-b、c), 均为无色透明, 具有金刚光泽, 晶形为菱形十二面体, 取样位置位于进尺577.67~580.07m。
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图 5 大井头岩体中选获的金刚石Figure 5. Three diamonds selected from the Dajingtou lamporphite tube3.2 大井头岩管中指示矿物特征
金刚石指示矿物指与金刚石在同一环境中形成的共生矿物, 最常见的金刚石指示矿物有低铝富镁高铬铬铁矿(S1、S2)、低钙富铬镁铝榴石(G10)、含钠(Na2O>0.07%)镁铝榴石(G4)等[29, 31]。
3.2.1 铬铁矿
铬铁矿类矿物是金伯利岩、钾镁煌斑岩及其深源包体中极其重要的一类矿物。它不仅可以提供较多的成因信息, 而且是评价岩体含金刚石与否的一级指示矿物, 也是金刚石中常见的包体相矿物。
铬铁矿的化学成分是判定金刚石含矿性的重要指标, 一般金刚石含量与铬铁矿含量及铬铁矿中Cr2O3含量呈正比, 与Al2O3含量呈反比。张安棣[31]根据Cr2O3、MgO、TiO2、Al2O3的含量, 将金刚石指示矿物铬铁矿分为12组(表 4), 作为判定原岩属性和找矿意义的标志。
表 4 铬铁矿分组及其指示意义Table 4. Grouping and indicative meaning of the chromites分组 化学成分特征 Cr2O3/% MgO/% TiO2/% Al2O3/% 指示意义 S1 无-贫钛贫铝富镁 64 12.72 0.12 5.29 金刚石包体（及连生体）、含矿金伯利岩、 S2 含钛贫铝富镁 64.63 11.07 0.42 4.29 含矿钾镁煌斑岩 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 S5 贫钛富镁高铝 47.21 13.04 0.43 21.67 钾镁煌斑岩，TiO2＜0.5%为非金伯利岩和非钾镁煌斑岩 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 14.4 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 52.5 玄武岩 S12 高钛富铁 41.77 0.72 9.15 6.49 陨石 大井头岩管中累计选获高铬铬铁矿24粒, 其中S1组10颗、S2组6颗、S4组1颗、S5组4颗、S6组1颗、S7组1颗、S9组1颗(表 5)。根据张安棣[31]关于铬铁矿的分组及其指示意义表可知, S1组和S2组铬铁矿产于含金刚石的金伯利岩、钾镁煌斑岩中, 或为金刚石包体相矿物, 可指示母岩为含金刚石岩体; S4、S5和S6、S7组可作为钾镁煌斑岩、金伯利岩指示矿物。大井头岩体共选获S1组、S2组16颗, S4、S5和S6、S7组7颗, 铬铁矿种类较齐全, 是其他不含金刚石岩体所不具备的。此外, 有13颗铬铁矿落入金刚石格尼圈内(图 6), 属金刚石包体相, 进一步证明大井头岩管为含金刚石岩体。
表 5 大井头岩管中铬铁矿电子探针测试分析及判别Table 5. Electron microprobe analyses and discriminant table of chromite in the Dajingtou tube序号 样品编号 特征化学成分及含量/% 分组及
属性判别Cr2O3 MgO TiO2 Al2O3 MnO FeO CaO 1 11JL4-7 65.32 1.83 0.18 8.44 0.34 11.99 0.06 S1
（位于格尼圈内）2 11JL2-6 65.18 12.53 0.21 8.27 0.26 11.81 0.09 3 11JL2-15 63.21 13.76 0.24 9.23 0.28 12.13 0.00 4 11JL3-6 65.21 13.03 0.10 9.13 0.17 11.58 0.00 5 11JL3-19 65.28 11.83 0.21 8.74 0.26 12.43 0.03 6 11JL1-17 61.70 13.98 0.23 9.38 0.18 11.89 0.00 7 11JL3-10 61.83 15.21 0.14 10.24 0.44 11.38 0.00 8 11JL2-1 66.29 9.40 0.17 7.04 0.27 13.70 0.08 S1 9 11JL2-9 65.71 10.81 0.14 6.56 0.66 13.64 0.00 10 11JL4-10 65.64 11.22 0.18 7.87 0.31 13.55 0.00 11 07QJ2BS01 66.24 11.32 0.28 4.57 0.53 17.00 0.15 S2
（位于格尼圈内）12 11JL3-2 65.50 12.86 0.31 7.86 0.06 12.27 0.00 13 11JL3-20 64.99 12.43 0.20 8.76 0.30 12.70 0.05 14 11JL4-14 64.17 12.98 0.28 9.23 0.37 12.32 0.00 15 11JL1-9CR 65.48 11.41 0.29 8.35 0.22 11.97 0.00 S2 16 11JL3-5 66.11 11.72 0.28 7.89 0.19 12.04 0.00 17 07QJ2JX1 55.18 11.23 0.15 12.39 0.31 19.88 0.07 S4 18 07QJ2JX1 45.44 14.33 0.86 20.33 0.24 18.27 0.05 S5 19 07QJ2JX1 47.74 14.04 0.72 19.39 0.75 17.55 0.00 20 07QJ2JX1 47.13 14.29 0.94 18.79 1.14 17.08 0.06 21 07QJ2JX1 44.84 14.33 0.36 18.82 1.60 17.34 0.00 22 07QJ2R60 59.56 9.58 3.11 2.11 0.11 23.79 0.19 S6 23 90ZK3R1 58.88 6.25 3.42 1.59 0.53 27.39 0.20 S7 24 07QJ2JX1 48.22 6.89 0.72 12.09 0.33 32.04 0.19 S9 注：电子探针测试由中国地质科学院矿产研究所微束分析开放实验室完成 ![]()
图 6 大井头地区铬铁矿成分散点图Figure 6. The scatter diagram of the chromites in the Dajingtou area3.2.2 镁铝榴石
镁铝榴石是金刚石最主要的指示矿物, 也是金刚石原生矿找矿效率最高的指示矿物。Dawson[32]根据5种特征氧化物含量, 采用聚类分析方法将金刚石原生矿中的镁铝榴石分为12组, 以判定其属性和成矿意义(表 6)。
表 6 镁铝榴石分组及其指示意义Table 6. Grouping and indicative meaning of the pyropes分组 特征化学成分特征 Cr2O3/% MgO/% TiO2/% CaO/% FeO/% 指示意义 G1 钛-镁铝榴石 1.34 20.00 0.58 4.82 9.32 金伯利岩、石榴石二辉橄榄岩、石榴石橄榄石二辉岩、金刚石包体 G2 高钛-镁铝榴石 0.91 20.30 1.09 4.52 9.84 金伯利岩 G3 钙-镁铝榴石、镁铝榴石 0.30 13.35 0.31 6.51 16.49 金伯利岩、石榴石二辉橄榄岩、石榴石橄榄石二辉岩、榴辉岩、金刚石包体 G4 钛，钙，镁-铁铝榴石 0.08 9.87 0.90 9.41 17.88 金伯利岩、金刚石包体、A组榴辉岩 G5 镁-铁铝榴石 0.03 7.83 0.05 2.44 28.33 （Na2O>0.07%） G6 镁铝榴石-钙铝榴石-铁铝榴石 0.27 10.38 0.24 14.87 10.77 石榴石辉岩、榴辉岩、辉榴蓝晶岩 G7 铁-镁-钙铬榴石-钙铝榴石 11.52 8.61 0.29 21.60 5.25 金伯利岩、石榴石蛇纹岩 G8 铁-镁-钙铝榴石 0.04 4.69 0.25 24.77 6.91 辉榴蓝晶岩 G9 铬-镁铝榴石 3.47 20.01 0.17 5.17 8.01 金伯利岩、石榴石二辉橄榄岩、石榴石橄榄石二辉岩、石榴石方辉橄榄岩、榴辉岩、金刚石包体 G10 低钙-高铬镁铝榴石 7.73 23.16 0.04 2.13 6.11 方辉橄榄岩、石榴石蛇纹岩、金刚石包体 G11 钙铬榴石-镁铝榴石 9.55 15.89 0.51 10.27 7.54 二辉橄榄石、石榴二辉橄榄石、石榴石异剥橄榄岩、金刚石包体 G12 镁铬榴石-钙铬榴石-镁铝榴石 15.94 15.40 0.18 9.51 7.47 金伯利岩、石榴石蛇纹岩 G10组镁铝榴石与金刚石关系密切, 可指示岩体含金刚石的可能性。统计表明, 几乎所有不含金刚石的金伯利岩、钾镁煌斑岩及相关岩石皆不含G10组镁铝榴石。在大井头岩管钻孔DJZK06中选获G10镁铝榴石1颗(表 7), 另外在岩管下游重砂矿物异常区内选获G10组镁铝榴石1颗。
表 7 大井头岩管中石榴子石电子探针测试分析及判别结果Table 7. Electron microprobe analyses and discriminant table of pyrope in the Dajingtou tube序号 样品编号 特征化学成分及含量/% 分组及属性特征 SiO2 Al2O3 Cr2O3 MgO TiO2 CaO FeO Na2O K2O 1 90ZK2R3 41.57 19.79 3.69 20.46 0.76 4.44 8.13 0.00 - G9铬-镁铝榴石 1 07QJ2BS01 44.8 22.56 1.99 19.11 0.05 4.98 8.65 0.00 0.09 2 DJZK04 44.04 22.04 2.45 19.00 0.10 4.59 8.24 0.00 0.09 3 DJZK06 41.93 15.92 10.50 19.46 0.46 4.96 6.52 0.00 0.14 G10次钙高铬镁铝榴石 4 11Jl2-14 41.86 9.38 0.17 10.20 1.14 13.03 19.26 0.92 1.15 G4含钠镁-铁铝榴石 5 11JL4-13 46.09 5.42 0.00 12.35 1.43 12.26 17.31 1.57 0.76 6 11JL4-15 40.12 9.27 0.32 7.59 1.88 12.51 22.59 0.94 1.11 7 16Z01 38.49 21.17 0.02 5.42 0.63 7.76 24.72 0.07 0.01 8 16JX01 39.4 22.08 0.09 8.33 0.08 1.12 28.82 0.07 0.02 9 16ZK01-YF501 38.52 21.73 0.03 6.05 0.07 1.41 31.28 0.09 0.03 10 16ZK01-YF502 40.03 22.16 0.07 7.43 0.12 9.92 20.16 0.08 0.03 注：电子探针测试由中国地质科学院矿产资源所微束分析开放实验室完成 G4组镁铝榴石的显著特点是含少量的Na2O(Na2O含量大于等于0.07%), 反映其形成于高压环境下的特点[33]。在蒙阴胜利1号的榴辉岩捕虏体中亦有发现, 是岩体含金刚石的标志, 其特点与金刚石中包裹的同种石榴子石一致。大井头岩管中累计选获G4组镁铝榴石7颗(表 7), 数量较多, 岩管下游第四系中亦有发现。而不含金刚石的金伯利岩或钾镁煌斑岩中缺少该组镁铝榴石, 如河北涉县、河南鹤壁等不含金刚石的金伯利岩中均缺少该组镁铝榴石。
另外, 大井头岩管中选获G9组镁铝榴石3颗(表 7), 在道森-斯蒂芬斯镁铝榴石分类中, G9组镁铝榴石指示母岩为金伯利岩、榴辉岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩, 或为金刚石包体相矿物, 同样具有重要的指示意义。
3.3 大井头岩管含矿性探讨
勘查资料表明, 大井头岩管为倾向南南西、具有喷发特征的钾镁煌斑岩管(目前控制深度超过580m)。大井头岩管火山口相完整, 出露面积达5761m2。岩管中累计选获7颗金刚石和大量金刚石指示矿物, 包括低钙高铬镁铝榴石(G10)1颗、铬镁铝榴石(G9)3颗、含Na2O镁铝-铁铝榴石(G4)7颗及富镁低钛贫铝高铬铬铁矿(S1、S2)16颗, 这些矿物或为金刚石共生矿物、金刚石包体相矿物, 或为钾镁煌斑岩、金伯利岩的指示矿物, 特别是岩管中选获的7颗金刚石, 对于证明大井头岩管的金刚石含矿性具有重要意义②。
此外, 大井头岩管东侧第四系中金刚石重砂矿物异常显著, 异常区的上游界线大致在大井头岩管附近, 下游以岩体南北两侧的水系分水岭为界, 呈近东西向条带状展布, 显示了大井头岩管对异常区内金刚石及其指示矿物的供源态势(图 7)。
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图 7 大井头地区重砂矿物异常分布Figure 7. The anomaly map of the heavy sand minerals in the area of Dajingtou area该重砂矿物异常区累计选获金刚石15颗、G9组铬镁铝榴石3颗、G4组含Na2O镁铝-铁铝榴石2颗、铬透辉石4颗、镁钛铁矿1颗、利马矿59颗、铬铁矿2367颗。其中的281颗铬铁矿经电子探针测试, 共发现S1组和S2组高铬富镁贫钛铬铁矿(金刚石包体相或含金刚石岩体指示矿物)26颗, 约占测试总量的10%;发现S6组和S7组(富钛贫铝镁铬铁矿钾镁煌斑岩或金伯利岩指示矿物)66颗, 约占测试总量的24%。这些铬铁矿原始表面无磨蚀或轻微磨蚀, 既指示了源岩的属性, 又指示了搬运的近源性[34]。且这些重砂矿物种类齐全, 与大井头岩管中选获的指示矿物种类相似, 推测应由该岩管供源。
从区域上看, 大井头岩管周边存在多处尚未查明的岩管、岩脉和可疑地质体, 包括大井头岩管东北部的黄色可疑地质体(曾选获数颗铬铁矿和9颗利马矿)、小泉庄西、东小山、大山河等地的煌斑岩脉及埠西桥、归后庄等地的火山角砾岩体等[3], 在这些岩体人工重砂样品中, 累计选获大量金刚石指示矿物, 其中在埠西桥岩体的自然重砂样品中选获1颗金刚石。
因此, 大井头钾镁煌斑岩管并非孤立存在, 更倾向于成群成带产出, 符合钾镁煌斑岩的集群特征[35]。大井头地区钾镁煌斑岩型金刚石原生矿找矿前景广阔, 找矿潜力巨大, 极有可能成为山东第四成矿带[36], 并实现全国金刚石原生矿找矿新突破。
4. 结论
(1) 大井头钾镁煌斑岩管严格受断裂构造控制, 产于北北东向和北西向断裂交会的构造薄弱区。它以西南角为中心, 地表形态呈北东向展开的扇形, 岩管深部朝南南西方向倾斜, 倾向202°, 倾角81°。
(2) 大井头钾镁煌斑岩具有典型的灰色-绿灰色斑点状外貌, 岩体强烈碳酸盐化, 原生矿物已全部蚀变, 仅可见碱性长石、透辉石等矿物晶体假象。地球化学数据显示, 大井头岩体为超钾质、富挥发分的基性-超基性岩体, 岩体混染指数较高, 推测岩浆在上侵过程中捕获较多的壳源成分, 岩浆受混染强度大。
(3) 大井头岩管中累计选获7颗金刚石和大量铬铁矿、镁铝榴石等金刚石指示矿物, 而地表第四系重砂矿物异常区的上游界线刚好位于大井头岩管附近, 下游以岩体两侧水系分水岭为界, 呈东西向条带状展布, 重砂矿物原始表面无磨蚀或轻微磨蚀, 且重砂矿物种类与大井头岩体中选获的重砂矿物种类一致, 显示大井头岩管对异常区内金刚石及其指示矿物的供源态势。
致谢: 野外工作期间得到中国地质调查区昆明自然资源综合调查中心同事的大力支持和帮助，室内研究得到中国地质大学(北京)王建平教授的帮助，评审专家对论文初稿提出了宝贵的修改意见，谨致谢忱。 -
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图 1 研究区地质及构造简图
1—第四系；2—三叠系；3—二叠系；4—石炭系；5—泥盆系；6—寒武系；7—震旦系；8—南华系；9—中元古界鹅头厂组；10—剖面及编号；11—地层界线；12—角度不整合接触；13—平行不整合接触；14—实测断层
Figure 1. Geological and structural sketch map of the study area
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图 2 研究区鹅头厂组PM025变质岩剖面
1—板岩；2—粉砂质板岩；3—浅变质粉砂岩；4—岩屑砂岩；5—岩屑杂砂岩；6—粉砂岩；7—泥质粉砂岩；8—粉砂质泥岩；9—南华系；10—震旦系；11—鹅头厂组；12—分层号；13—产状；14—采样位置
Figure 2. PM025 metamorphic rocks section of the Etouchang Formation in the study area
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图 3 研究区鹅头厂组变质岩野外露头(a)及显微照片(b、c)
a—岩屑杂砂岩平行层理；b—浅变质泥质粉砂岩；c—绢云粘土板岩；ARF—泥质岩屑；CM—粘土矿物；Q—石英；Mc—云母类；Ch—绿泥石
Figure 3. Field outcrop(a) and microphotographs(b, c) for metamorphic rocks of Etouchang Formation in the study area
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图 4 研究区变质岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(a)及PAAS标准化微量元素蛛网图(b)[28]
Figure 4. Chondrite-normalized REE patterns(a)and PAAS-normalized trace elements spidergrams(b) of metamorphic rocks in the study area
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图 7 研究区变质岩氧化还原环境微量元素判别图[38]
Figure 7. Trace elements discrimination plots of the redox environment for metamorphic rocks in the study area
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图 8 研究区变质岩沉积物源Hf-La/Th图解[43]
Figure 8. Hf-La/Th diagram of the sediment provenance for metamorphic rocks in the study area
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图 9 研究区变质岩沉积物源Th-Hf-Co图解[2]
Figure 9. Th-Hf-Co diagram of the sediment provenance for metamorphic rocks in the study area
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表 1 鹅头厂组变质岩主量、微量和稀土元素分析结果
Table 1 Result of major, trace and rare earth elements analysis for metamorphic rocks in the Etouchang Formation
岩性 浅变质岩
屑杂砂岩绢云母粘
土板岩浅变质粉
砂质泥岩浅变质泥
质粉砂岩岩性 浅变质岩
屑杂砂岩绢云母粘
土板岩浅变质粉
砂质泥岩浅变质泥
质粉砂岩样品 PM-Qy1 PM-Qy2 PM-Qy3 PM-Qy4 样品 PM-Qy1 PM-Qy2 PM-Qy3 PM-Qy4 SiO2 73.38 62.46 67.07 75.4 al 46.8 45.52 43.42 36.38 TiO2 0.62 0.7 0.81 0.66 fm 38.08 39.31 38.7 49.91 Al2O3 11.85 16.37 14.35 8.79 c 1.15 1.77 4.29 2.56 Fe2O3 4.8 6.82 4.17 4.76 alk 13.97 13.4 13.59 11.15 FeO 1.08 1.25 2.64 2.96 c/fm 0.03 0.05 0.11 0.05 MnO 0.057 0.13 0.053 0.13 si 491.8 294.76 344.36 529.53 MgO 0.75 1.37 1.44 0.63 ti 3.13 2.49 3.13 3.49 CaO 0.16 0.35 0.78 0.34 h 0 0 0 0 Na2O 0.058 0.25 0.52 0.046 p 0.37 0.28 0.3 0.36 K2O 3.18 4.07 3.36 2.42 k 0.97 0.91 0.81 0.97 P2O5 0.13 0.14 0.14 0.12 mg 0.2 0.25 0.28 0.13 F- 0.068 0.092 0.071 0.052 o 0.64 0.62 0.42 0.5 SO3 0.027 0.03 0.012 0.032 t 31.68 30.36 25.53 22.67 烧失量 3.64 5.52 4.02 3.1 qz 320.07 126 177.22 373.58 总计 99.8 99.55 99.44 99.44 V 108 123 114 95 La 43.4 42.8 48.6 42.1 Cr 65.4 69 63.6 57.1 Ce 82.8 83.7 86.3 72.9 Co 9.68 13.4 15.6 8.39 Pr 9.36 9.37 11.3 8.58 Ni 39 49.6 41.2 37.1 Nd 33.7 33.8 43 30.2 Cu 18.2 69.7 16.5 30.4 Sm 5.85 6.55 9.64 5.67 Zn 101 163 125 78.1 Eu 1.09 1.25 2.01 1.11 Rb 126 138 119 94.4 Gd 4.44 5.21 8.57 4.66 Zr 249 191 232 353 Tb 0.76 0.89 1.38 0.76 Nb 14.5 15 17 11.7 Dy 5.11 6 8.66 4.86 Hf 6.4 5.3 6.1 7.1 Ho 1 1.16 1.62 0.94 Pb 7 8.54 9.31 16 Er 2.86 3.37 4.44 2.65 U 2.68 2.73 2.7 2.56 Tm 0.51 0.59 0.75 0.47 W 5.03 3.61 5.64 3.22 Yb 3.26 3.77 4.55 2.92 Ge 1.94 2.34 1.91 1.74 Lu 0.54 0.62 0.75 0.48 Pd < 0.10 < 0.10 < 0.10 < 0.10 Y 127.6 132 148.3 126 Pt < 0.10 < 0.10 < 0.10 < 0.10 ΣREE 194.21 198.48 230.78 177.83 Cs 5.76 10.4 6.71 3.94 LREE 175.18 176.23 198.8 159.46 Be 3.42 3.55 3.19 2.75 HREE 18.48 21.62 30.72 17.74 Th 12.3 12.5 12.4 11.3 LREE/ HREE 9.48 8.15 6.47 8.99 Li 19.8 24.4 43 11.7 Sr 30.7 24.6 39 19 LaN/ YbN 9.55 8.15 7.66 10.35 Tl 0.63 0.87 0.65 0.48 Ta 1.13 1.34 1.63 1.1 δEu 0.63 0.63 0.66 0.64 Au 1.44 2.23 2.25 1.27 δCe 0.96 0.98 0.87 0.89 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量单位为10-6 
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