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  地质通报  2019, Vol. 38 Issue (1): 1-13  
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蔡逸涛, 徐敏成, 施建斌, 杨献忠, 张洁, 康丛轩, 曹正琦, 董钟斗, 马玉广. 安徽栏杆含金刚石基性岩中辉石及钛铁矿矿物化学特征[J]. 地质通报, 2019, 38(1): 1-13.
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Cai Y T, Xu M C, Shi J B, Yang X Z, Zhang J, Kang C X, Cao Z Q, Dong Z D, Ma Y G. Mineral chemistry characteristics of clinopyroxene and ilmenite in basite of Lan'gan area, Anhui Province[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(1): 1-13.
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基金项目

国家自然科学基金项目《安徽栏杆含金刚石母岩及金刚石矿床指示矿物特征研究》(批准号:41402075)和中国地质调查局项目《安徽栏杆金刚石成矿规律与苏皖地区金刚石找矿靶区优选》(编号:12120114054301)、《华北和扬子地区金刚石矿产调查》(编号:DD20160059)

作者简介

蔡逸涛(1982-), 男, 博士, 高级工程师, 从事金刚石矿产地质调查及研究。E-mail:ivan821129@163.com

通讯作者

徐敏成(1969-), 男, 学士, 教授级高工, 从事地质矿产勘查及研究。E-mail:2392983797@qq.com 施建斌(1964-), 男, 学士, 教授级高工, 从事金刚石找矿及研究工作。E-mail:jbs919@126.com

文章历史

收稿日期: 2018-05-20
修订日期: 2018-06-22
安徽栏杆含金刚石基性岩中辉石及钛铁矿矿物化学特征
蔡逸涛1 , 徐敏成1 , 施建斌2 , 杨献忠1 , 张洁1 , 康丛轩1 , 曹正琦3 , 董钟斗4 , 马玉广4     
1. 中国地质调查局南京地质调查中心, 江苏 南京 210016;
2. 江苏省地质矿产局第五地质大队, 江苏 徐州 221004;
3. 湖北省地质调查院, 湖北 武汉 430034;
4. 安徽省地勘局第二水文地质工程勘察院, 安徽 芜湖 241000
摘要: 在中国东部皖北地区分布着新元古代镁铁质岩,岩石类型为辉绿岩、辉绿辉长岩、辉绿玢岩等。其中主要组成矿物为辉石、斜长石、角闪石、铁钛氧化物等。利用电子探针对单斜辉石和钛铁矿进行了详细研究。单斜辉石分析表明,其端元分子组成硅灰石分子(Wo)为33.27~43.04,顽火辉石分子(En)为38.79~46.63,斜方铁辉石(Fs)为10.45~24.83,属于普通透辉石。计算结果及化学成分比值说明,单斜辉石应该是在寄主碱性玄武质岩浆晚期低压下结晶的,可能是碱性玄武质岩浆浅位岩浆房晶出的产物。单斜辉石的结晶温度为1109~1206℃,压力最高为0.6GPa,相当于深部19.8km。栏杆地区钛铁矿含MgO和Cr2O3较低,具有富FeO,并含少量MnO的特点,属于含镁锰钛铁矿。两类矿物特征均与典型金伯利岩中的指示矿物不同。
关键词: 单斜辉石    钛铁矿    基性岩    含金刚石母岩    栏杆    皖北    
Mineral chemistry characteristics of clinopyroxene and ilmenite in basite of Lan'gan area, Anhui Province
CAI Yitao1, XU Mincheng1, SHI Jianbin2, YANG Xianzhong1, ZHANG Jie1, KANG Congxuan1, CAO Zhengqi3, DONG Zhongdou4, MA Yuguang4     
1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, Jiangsu, China;
2. No.5 Geological Party, Jiangsu Bureau of Geology and Mineral Resources, Xuzhou 221004, Jiangsu, China;
3. Hubei Institute of Geological Survey, Wuhan 430034, Hubei, China;
4. The Second Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecting of Anhui Geological Prospecting Bureau, Wuhu 241000, Hubei, China
Abstract: Mafic rocks are exposed in northern Anhui Province. It consists of diabase, gabbro-diabase and diabase-porphyrite, and the minerals mainly include clinopyroxene, plagioclase, hornblende and Ti-Fe oxides. In this paper, clinopyroxene and ilmenite were studied in detail using microprobe. An analysis of clinopyroxenes shows that the end members are composed of wollastonite, enstatite and ferrosilite, belonging to augite. Calculation results and chemical analysis of ratios probably indicate that the fractional crystallizing products were formed by the relatively primary magma in shallower magma chambers. The crystallizing temperature of the clinopyroxenes are 1109~1206℃ and the highest pressure is 0.6 GPa, suggesting the depth of 19.8km. The ilmenite in Lan'gan area has low MgO and MnO, high FeO, and very low Cr2O3. The mineral characteristics of clinopyroxen and ilmenite are different from features of the index minerals in typical kimberlite.
Key words: clinopyroxene    ilmenite    basite    diamond-bearing rock    Lan'gan area    northern Anhui Province    

中国东部苏北—皖北地区广泛分布新元古代辉绿岩墙,从安徽栏杆地区一直延伸到徐州铜山、邳州燕子埠等地。其展布受北东向和近东西向构造控制,呈层状和似层状侵入新元古界沉积岩中,接触地层为碳酸盐岩,普遍遭受不同程度的大理岩化。辉绿岩墙侵入的最新层位为上震旦统金山寨组底部,在栏杆地区呈岩床侵入到上震旦统史家组和望山组中。在该层辉绿岩中发现了大量原生金刚石,使该区碱性基性岩成为金刚石寄主母岩而被地质学者广泛关注[1-2]。传统金刚石寄主母岩(金伯利岩、钾镁煌斑岩等)中含有典型的金刚石指示矿物,如高铬镁铝榴石、铬透辉石、含镁钛铁矿等[3]

除超基性岩外,目前最新认识显示,碱性基性岩也可以作为金刚石的含矿母岩,如俄罗斯乌拉尔地区的金刚石砂矿,被认为可能来自乌拉尔碱性玄武岩类[4];在雅库特地区产金刚石的Udachnaya等岩筒中均发现了多种含金刚石的地幔捕虏体,其中就包括有基性岩过渡特征的辉石岩[5-7];在叙利亚西北大马士革北约150km处的2个具经济价值的含金刚石岩管与碱性辉长岩类似[8];捷克的Ceske、Stredhori含镁铝榴石基性火山岩,被看作是该地区次生金刚石的来源[9]。2017年安徽省第二水文工程地质勘查院经过5年勘查工作,在栏杆地区提交金刚石资源量3万克拉。这些都引发地质工作者对基性岩型金刚石找矿方法及指示矿物的思考。本次研究主要选取栏杆地区碱性基性岩人工重砂样品中分选出的重砂矿物,通过对其中单斜辉石和钛铁矿矿物组成及其与寄主母岩间关系的研究,揭示辉石的成因,以及包含的深部地质信息和与其共存的其他矿物之间的关系。

1 地质背景

研究区位于安徽宿州市栏杆镇,距宿州市区约40km,区域上位于华北地台东南缘,稳定的古老克拉通内[10],其东侧为郯庐断裂带(图 1-a)。郯庐断裂带是中国东部一条著名的深大断裂带,与金刚石成矿关系相当密切[11-12](辽宁、山东金刚石成矿区带位于郯庐断裂两侧)。研究区通过的断裂带宽约20km,主要由3条断裂组成:五河-合肥深断裂、石门山断裂、嘉庐深断裂,呈北北东走向,断层面倾向东,局部倾向西,倾角为60°~80°。区内断裂构造以东西向为主,有小望疃断层、金山寨断层等[2]

图 1 郯庐断裂带构造(a)及栏杆地区地质简图(b)[2] Fig.1 Geological sketch map of Tancheng-Lujiang fault zone(a)and Lan'gan area(b)

安徽栏杆地区出露地层以元古宇和下古生界为主,岩性为白云岩、灰岩、页岩、砂岩、燧石砾岩等。地层遭受褶皱变形,以复式的逆冲板片状产出,构成了徐州-宿州弧形构造带。

安徽栏杆地区岩浆岩分布较广泛,主要为辉绿岩、石英正长斑岩、斜闪煌斑岩等。栏杆地区最主要的岩体为老寨山岩体,主体部分为晚震旦世辉绿岩,位于宝光寺、猫头山至老寨山、大堂山一带,侵入震旦系望山组、史家组中(图 1-b),呈北北东向条带状弧形展布于研究区中部,区内长度大于19km,最宽1.6km。老寨山辉绿岩岩体受横向断层破坏,岩体分支较多。岩体剥蚀深度较浅,并保留了较多捕虏体及顶盖[13]

2 样品特征及分析方法 2.1 钛铁矿

钛铁矿是火成侵入岩体的主要氧化物之一,尽管常以副矿物形式出现,但具有重要的成因指示意义。在不少金刚石矿床中,钛铁矿是重要的指示矿物。因为其良好的抗物理风化及化学风化的性质而容易保存,在金伯利岩勘查过程中起重要的作用,尤其是含Cr2O3大于1%,MgO大于8.5%的钛铁矿,更是金伯利岩型金刚石的密切伴生矿物。钾镁煌斑岩中也有少量镁钛铁矿,但数量较金伯利岩少得多。目前,研究较多的是金伯利岩和钾镁煌斑岩中的钛铁矿,对含金刚石碱性基性岩中的钛铁矿涉及较少。

本区钛铁矿分布广泛,数量较多,多呈板状自形晶,少部分呈不规则棱角状、碎屑状,黑色不透明,金属光泽,具有不平坦状端口,粒度在0.2~1mm之间。在镜下常见辉绿岩中有钛铁矿骸晶存在。

2.2 单斜辉石

对于传统的金伯利岩型金刚石指示矿物而言,辉石同样是金刚石找矿过程中重要的指示矿物。其意义在于:①特征的辉石能指示金伯利岩和钾镁煌斑岩的含矿性,尤其是含铬量较高的辉石;②辉石在金伯利岩和钾镁煌斑岩中含量较少,且不耐风化,因此是近源指示矿物;③作为良好的地质温度计,辉石可用于反演地幔的热状态及源区深度。本区重砂矿物中可见大量辉石,主要为单斜辉石(图 2),呈半自形-他形,短柱状或棱角状,颜色从无色到浅绿色。薄片下观察大多无多色性,斜消光,干涉色高于一级,为二级蓝或绿。具有{100}方向解理,可见某些切片方向具有比解理更细小密集的裂缝,可能是(100)裂理,属异剥辉石。

图 2 单斜辉石和钛铁矿薄片下透射光、反射光图像 Fig.2 Transflective photographs of clinopyroxene and ilmenite a—单斜辉石正交偏光照片;b—单斜辉石反射光照片;c—钛铁矿骸晶;d—钛铁矿反射光照片

由于样品中斜方辉石较稀少,在重砂矿物中,仅见少量的紫苏辉石。本文只对单斜辉石加以讨论。

2.3 分析方法

将重砂样品中挑选出来的辉石及钛铁矿样品经过丙酮、酒精清洗,去除表面杂质及污染,在双目镜下制成透明树脂靶,并抛磨至露出矿物表面,再进行透射光、反射光或阴极发光(CL)拍照,用于电子探针下定位。CL图像显示,辉石无明显环带。

矿物化学成分分析和背散射图像采集在国家海洋局第二海洋研究所完成,使用仪器为JEOL JXA-8100电子微探针波谱仪。测试条件为:加速电压15kV,束流20nA,光束直径为5μm。校正标准矿物为:硬玉(Si,Na)、橄榄石(Mg)、铁铝榴石(Fe,Al)、透辉石(Ca)、透长石(K)、铬铁矿(Cr)、金红石(Ti)、蔷薇辉石(Mn)和硅铍铝钠石(Cl)。Ni,Co,Mn,Cr和Cl的计数时间峰值为30s,背景计数时间为10s,其他元素分析为峰值10s,背景5s。分析精度和准确度优于5%。

3 结果及讨论 3.1 钛铁矿

在镁铁质-超镁铁质岩中,钛铁矿主要是钛铁矿(FeTiO3)、镁钛矿(MgTiO3)和赤铁矿的固溶体,普遍含有一定数量的Cr2O3(0.1%~11%)和MnO2。在赤铁矿的含量较稳定和较低的情况下,主要的成分变化在钛铁矿-镁钛矿系列中[14]。其中镁钛矿的组分变化与形成时的压力(深度)条件变化密切相关,即MgTiO3组分越高,形成深度越大[15]

从电子探针分析结果(表 1)看,栏杆地区钛铁矿主要为钛铁矿(FeTiO3)、镁钛矿(MgTiO3)和赤铁矿(Fe2O3)的固溶体,含有少量MnO。其中主要为钛铁矿,含量在85.6%~95.2%之间,镁钛矿和赤铁矿含量为0.13% ~8.96%和1.8% ~4.6%,MnO含量在0.38%~2.83%之间。Cr2O3含量极少,只有极少数达到0.1%,其余可忽略不计。

表 1 栏杆地区钛铁矿主量元素成分数据 Table 1 Composition of major elements of ilmenite in Lan'gan area

总体上,与富含金刚石的金伯利岩中的钛铁矿相比[15],栏杆地区钛铁矿含MgO和Cr2O3较低,具有富FeO、含有少量MnO的特点,属于含镁锰钛铁矿。

在前人提出的世界各地不同成因钛铁矿的成因图中[16],栏杆地区钛铁矿落入钛铁矿(Fe2O3)组分一段的A区(图 3)。A部分为花岗岩和玄武岩钛铁矿的成分范围,栏杆地区的钛铁矿基本落入这一范围,显示与典型金伯利岩中粗晶钛铁矿(一般位于C区)不同,而更类似于镁铁质-超镁铁质岩的基质钛铁矿(图 4-a)。

图 3 不同成因的钛铁矿成分范围图 Fig.3 Diagram of ilmenite composition of different sources A—花岗岩、玄武岩钛铁矿;B—碳酸盐钛铁矿;C—金伯利岩钛铁矿
图 4 钛铁矿中端元组分图解(a)和FeTiO3-MgTiO3图解(b) Fig.4 Diagram of end member of ilmenite (a) and diagram of FeTiO3-MgTiO3 (b) A—金伯利岩中钛铁矿巨晶、粗晶区;B—中国金伯利岩中基质钛铁矿;C—国外金伯利岩中基质钛铁矿

根据中国山东、辽宁等地已知含金刚石的金伯利岩中钛铁矿的资料,镁钛铁矿与尖钛矿分别呈负相关。如图 4-b,可见栏杆地区钛铁矿与山东、辽宁含矿岩体中钛铁矿特征明显不同。

3.2 单斜辉石

研究区自然重砂矿物中常见辉石矿物,选取代表性辉石进行电子探针分析,结果列于表 2。栏杆地区的辉石多呈半自形-他形,短柱状或棱角状,颜色从无色到浅绿色,其成分变化较均一,反映了来源的一致性。由于样品中斜方辉石较少,本文只对单斜辉石加以讨论。

表 2 栏杆地区单斜辉石电子探针主量元素数据 Table 2 Composition of major elements of clinopyroxene in Lan'gan area
表 3 栏杆地区单斜辉石特征值 Table 3 Indicated data of clinopyroxene in Lan'gan area

表 2可知,单斜辉石的Mg#值介于61.51~ 81.83之间,其端元分子组成为硅辉石分子Wo= 33.27~43.04,顽火辉石分子En=38.79~46.63,斜方铁辉石Fs=10.45~24.83。

依据国际矿物学协会对辉石种属的划分方法,首先在单斜辉石的系列划分图解(图 5-a)上,所有数据都落在Ca-Mg-Fe单斜辉石系列区域内。然后对其进一步划分,在单斜辉石成分分类图解(图 5-b)上,所有辉石都落于普通辉石区域,说明本区单斜辉石均为普通辉石。

图 5 单斜辉石系列划分(a)及Wo-En-Fs(b)图解[15] Fig.5 Discrimination diagram of the series for pyroxene (a) and discrimination diagram of clinopyroxene (b) Q=Ca+Mg+Fe2+;J=2 * Na;Di—透辉石;He—钙铁辉石;Au—普通辉石;Pi—易变辉石;ClEn—斜顽辉石;ClFs—斜铁辉石

研究区单斜辉石在Si-Al(Ⅳ)关系图解(图 6-c)上显示了良好的负相关性,这是由于岩浆结晶分异是六次配位Al增加的过程,表明本区单斜辉石可能为幔源玄武岩岩浆由深部向浅部运移过程中逐步结晶的产物。从表 2可以看出,本区辉石中Al(Ⅳ) > Al(Ⅵ),与金伯利岩中粗晶或者巨晶单斜辉石及榴辉岩中的单斜辉石不同,它们中的Al(Ⅳ)均小于Al(Ⅵ)[18]。前人研究表明[19],不同产状及共生组合的单斜辉石形成温度、压力与Al(Ⅵ)/Al(Ⅳ)值有关,总趋势为压力温度越高,Al(Ⅵ)/Al(Ⅳ)值越高。在TiO2-Al2O3图解(图 6-a)上,单斜辉石主要落入碱性系列与亚碱性系列叠合范围;在(Ca+ Na)-Ti图解(图 6-b)上,单斜辉石同样全部落入亚碱性系列范围,而在Si-Al图解上基本落入亚碱性玄武岩范围(图 6-d)。

图 6 单斜辉石TiO2-Al2O3图解(a)[18]、(Na+Ca)-Ti图解(b)、Si-Al(Ⅳ)线性关系图(c)和Si-Al关系图(d)[19] Fig.6 Diagrams of TiO2-Al2O3 (a), (Na+Ca)-Ti (b), Si-Al (Ⅳ)(c)and Si-Al (d) A—碱性基性岩;T—拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩;M—巨晶单斜辉石;Ⅱ—堆积岩中的单斜辉石

Ca/(Ca+Mg)值与其形成的温度和压力呈负相关关系,该比值是反映其形成温压条件的特征值。从Ca/(Ca+Mg)和Fe/(Ca+Mg+Fe)值看,与金伯利岩中巨晶单斜辉石不同。金伯利岩中巨晶单斜辉石的Ca/(Ca+Mg)值较低,一般为30.7~44.07[18],而本区单斜辉石的Ca/(Ca+Mg)值较高,在44.2~50.8之间,与榴辉岩型组合的单斜辉石比值相似(40.6~ 55.38)[18]。金伯利岩中巨晶单斜辉石的Fe/(Ca+ Mg+Fe)值均小于10,而本区单斜辉石中Fe/(Ca+ Mg+Fe)值较高,平均大于10,与玄武岩中巨晶单斜辉石的比值相似。

CaSiO3-MgSiO3-FeSiO3图解主要揭示幔源辉石信息(图 7-a)。如图 7-a所示,分布在D区的单斜辉石,与橄榄岩型金刚石相差较大,与榴辉岩型单斜辉石相似。将其改投到Na2O-MgO图解上,均落入A区,表明其来源可能为玄武岩中包裹体及超镁铁岩中的层状榴辉岩体[23]

图 7 单斜辉石CaSiO3-MgSiO3-FeSiO3图解(a)[20]和榴辉岩型单斜辉石图解(b)[12] Fig.7 Diagram of CaSiO3-MgSiO3-FeSiO3(a)and diagram of clinopyroxene in eclogite(b) A—粒状橄榄岩中Cpx成分区;B—剪切状橄榄岩中Cpx成分区;C—巨晶Cpx成分区;D—榴辉岩中Cpx成分区(Ⅰ—透辉石;Ⅱ—次透辉石;Ⅲ—顽透辉石;Ⅳ—普通辉石);E—金伯利岩、玄武岩中包裹体及超镁铁岩中层状榴辉岩体;F—混合地体中的带状、透镜状榴辉岩;G—阿尔卑斯型变质岩或蓝闪片岩中的带状、透镜状榴辉岩

前人根据化学成分和结构特征及实验数据,将单斜辉石分为4类[24]:①代表偶然捕获的地幔矿物捕虏晶的铬透辉石;②玄武质岩浆在地幔或壳幔过渡带中结晶出的普通辉石或次透辉石,并由后期寄主玄武质岩浆携带到地表,这些普通辉石多具有出熔、重结晶及变质结构特征;③原始碱性玄武质岩浆在高压下结晶出的普通辉石和次透辉石,往往围绕浑圆状或棱角状普通辉石碎块普遍发育灰白色反应边;④由玄武质岩浆在低压下结晶的单斜辉石斑晶,这类单斜辉石与其他3类辉石容易区分,它们颗粒小、呈自形晶,矿物颗粒边缘缺乏反应现象及生长边,且Al含量较低。栏杆地区碱性基性岩中的单斜辉石具有较低的Al含量,属第四类单斜辉石,即它们是由玄武质岩浆在低压下结晶的单斜辉石。

判断单斜辉石与寄主岩石是否同源,可以通过单斜辉石在平衡状态时的岩浆Mg#值与寄主岩浆进行对比[25]。Mg-Fe在熔体与单斜辉石之间的分配系数公式为:

$ K{d_{{\rm{cpx}}}} = {\left( {{\rm{ \mathsf{ ω} FeO}}/{\rm{ \mathsf{ ω} MgO}}} \right)_{{\rm{cpx}}}}/{\left( {{\rm{ \mathsf{ ω} FeO}}/{\rm{ \mathsf{ ω} MgO}}} \right)_{{\rm{liq}}}} = 0.36 \pm 0.04 $

其中,Kd为分配系数,cpx代表单斜辉石,liq代表熔体[25]

首先估算与单斜辉石斑晶处于平衡状态的岩浆的Mg#值,然后根据估算出的原始岩浆Mg#值与寄主岩石的Mg#值比较,如果与单斜辉石相平衡的原始岩浆的Mg#值较高或与寄主玄武岩的Mg#值类似,则说明这些单斜辉石斑晶与寄主岩浆的MgO,FeO含量基本处于平衡状态,也就是说单斜辉石与其寄主岩很可能同源。反之,如果原始岩浆的Mg#值比寄主岩的Mg#值低,则说明单斜辉石是由其他岩浆生成的,以捕虏晶形式被寄主岩浆带到地表[26]

计算结果显示,单斜辉石相平衡时岩浆的Mg#值为36~61(平均为50.28),而寄主岩浆的Mg#值为34~46[27],指示单斜辉石相平衡时的岩浆Mg#值类似或大于寄主玄武质岩浆,说明单斜辉石应该是在寄主玄武质岩浆晚期低压下结晶的,可能是碱性玄武质岩浆浅位岩浆房晶出的产物。这与笔者在化学成分中得到的结论一致。

单斜辉石温度压力计算也进一步证实这一观点。根据经验公式[27]

$ \begin{array}{l} p\left( {0.1{\rm{GPa}}} \right) =-7.5383 + 83.1692\left( {{\rm{Al}}} \right)\\ T\left( ℃ \right) = 1056.898{\rm{ }}6 + 902.7978\left( {{\rm{Al}}} \right) \end{array} $

估算单斜辉石的结晶温度为1109~1206℃,压力最高为0.6GPa,相当于深部19.8km(假定1GPa为33km)[29]。该温度明显低于软流圈的温度(1280~ 1350℃)[30],可能代表了岩浆房的温度,是相对原始的岩浆上升到浅部发生结晶分异作用形成的,而完全不同于金伯利岩中单斜辉石巨晶作为捕虏晶带出地表的方式。

4 结论

(1)栏杆地区钛铁矿含MgO和Cr2O3较低,具有富FeO,并含有少量MnO的特点,属于含镁锰钛铁矿。与典型金伯利岩区金刚石指示矿物明显不同。

(2)单斜辉石的Mg#值介于61.51~81.83之间,其端元分子组成为硅辉石分子Wo=33.27~43.04,顽火辉石分子En=38.79~46.63,斜方铁辉石Fs= 10.45~24.83,属于普通透辉石。计算结果及化学成分比值说明,单斜辉石应该是在寄主碱性玄武质岩浆晚期低压下结晶的,可能是碱性玄武质岩浆浅位岩浆房晶出的产物。单斜辉石的结晶温度为1109~ 1206℃,压力最高为0.6GPa,相当于深部19.8km。

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