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  地质通报  2019, Vol. 38 Issue (1): 121-131  
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赵秀芳. 山东蒙阴县西峪矿区深部与外围金刚石指示矿物——利用金刚石指示矿物预测金伯利岩的含矿性[J]. 地质通报, 2019, 38(1): 121-131.
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ZHAO X F. A study of diamond indicative minerals in the depth and periphery of Xiyu, Mengyin County, Shandong Province: Metallogenic properties of kimberlite predicted by diamond indicating minerals[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(1): 121-131.
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基金项目

山东省国土资源厅项目《山东省蒙阴县西峪地区金刚石原生矿深部及外围普查》(编号:鲁国土资发〔2015〕310号)和中国地质调查局项目《华北与杨子地区金刚石矿产调查》(编号:DD20160059)

作者简介

赵秀芳(1972-), 女, 硕士, 高级工程师, 从事地质矿产勘查工作。E-mail:zhxfwg@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-06-15
修订日期: 2018-08-28
山东蒙阴县西峪矿区深部与外围金刚石指示矿物——利用金刚石指示矿物预测金伯利岩的含矿性
赵秀芳     
山东省第七地质矿产勘查院, 山东 临沂 276006
摘要: 金伯利岩中的石榴子石、铬铁矿和铬透辉石是寻找金刚石矿的重要指示矿物,根据这些指示矿物的含量可大致推断金刚石原生矿的存在及含矿性。石榴子石中G10组指示金伯利岩中金刚石的存在,其含量越高,岩体中金刚石品位相对较富。由西峪G10组含量小于常马G10组含量,可推断西峪金刚石品位小于常马金刚石品位,事实证明推断正确;S1、S2、S6组铬铁矿是与金刚石共生的铬铁矿,西峪矿区62粒S6组和1粒S7组铬铁矿与深源捕虏体橄榄岩有关,几乎全部来自金伯利岩,具有重要指示意义;Cr2O3≥1.2%的铬透辉石含量越多,金刚石品位越高。通过统计分析,地表铬透辉石中Cr2O3≥1.2%含量略大于岩管深部,西峪矿区深部矿体平均品位略低于地表矿体平均品位,说明可通过铬透辉石定性地推断金伯利岩的含矿性。结合CSAMT和钻探等地质工作,在西峪岩管群深部-205m以下找到金刚石原生矿,在外围通过槽探工程发现红旗15-1岩脉,并在选矿样中选获18颗金刚石,充分证明了根据金刚石指示矿物找矿方法定性预测金伯利岩含矿性的有效性和可行性。
关键词: 金刚石    指示矿物特征    山东西峪矿区    
A study of diamond indicative minerals in the depth and periphery of Xiyu, Mengyin County, Shandong Province: Metallogenic properties of kimberlite predicted by diamond indicating minerals
ZHAO Xiufang     
The 7th Institute of Geology & Mineral Exploration of Shandong Province, Linyi 276000, Shandong, China
Abstract: The garnet, chromite and chromic diopside in kimberlite are important indicative minerals in search for diamond deposits. According to the content of the indicative minerals, the existence and ore-bearing potential of the primary diamond deposits in kimberlite can be roughly deduced. Group G10 in garnet shows the existence of diamond in kimberlite. The higher the content is, the higher the diamond grade in the rock mass is. From G10Xiyu% < G10Changma%, we can infer CXiyu<CChangma, and the fact proves that it is true; chromite of Group S1, S2 and S6 are associated with diamond, and chromite of Group S6 with 62 and Group S7 with 1 in Xiyu mining area is related to deep source xenoliths peridotite, which is almost from kimberlite, and has important indication significance; The more the content of chromic diopside with Cr2O3 ≥ 1.2% is, the higher the diamond grade is. By statistical analysis, the content of Cr2O3 ≥ 1.2% in surface chrome-diophanite is slightly greater than that of deep rock pipe, and the average grade of the deep orebody in Xiyu mining area is slightly lower than that in the surface orebody, which shows that the ore-bearing potential of kimberlite can be qualitatively deduced by chromic diopside. In combination with the geological work of CSAMT and drilling, the primary diamond deposits were found below-205m in the deep of the Xiyu rock pipe group, the Red Flag 15-1 rock veins were found in the periphery through the channel exploration projects, and 18 diamonds were obtained in the selection of ore samples. This proves the effectiveness and feasibility of qualitatively predicting the metallogenic properties of kimberlite with the method of indicative minerals of diamond.
Key words: diamond    indicative mineral characteristics    Xiyu mining area, Shandong Province    

石榴子石、铬铁矿、铬透辉石是金伯利岩及其深源包体中极其重要的矿物, 不仅可以提供较多的成因信息, 而且是寻找金伯利岩的主要标志型矿物[1-3]。在金刚石原生矿找矿中, 根据指示矿物的种类与含量判断含矿原生源的存在及含矿性, 目前仍是最价廉、快速、有效的方法。2013-2017年, 山东省第七地质矿产勘查院在山东省蒙阴县西峪矿区岩管群深部进行了勘查工作, 并在探槽和钻孔岩心中对不同含矿程度金伯利岩中的石榴子石、铬铁矿、铬透辉石进行了系统采样。2014年、2016年中华微束分析技术平台(北京)共享协助分析测试中心、中国冶金地质总局山东局测试中心采用日本岛津公司生产的EPMA-1600型电子探针仪器, 利用高能电子束轰击样品, 进行电子探针测试, 其质量满足《电子探针定量分析方法通则》(GB/T 15074-94)的要求。

1 指示矿物特征 1.1 石榴子石

石榴子石是金伯利岩中最重要的指示矿物之一, 其氧化物含量及颜色、折光率等物理光学性质可作为石榴子石的标型特征[4]。Dawson等[5]根据石榴子石的主要化学成分TiO2、Cr2O3、FeO、MgO、CaO的含量将石榴子石分成12组。Gurney等[6]对G10石榴子石的指认简化了一些变量, 对CaO、Cr2O3含量界线作了调整, 提高了具"指示"矿物意义的石榴子石比例, 总结出了CaO-Cr2O3图解(图 1)。目前国内多采用该分类标准。

图 1 石榴子石Gurney图 Fig.1 Gurney diagram of the garnet

石榴子石主要分为橄榄岩型和榴辉岩型石2类, 所有榴辉岩型分布于Cr2O3<2%的区域, 橄榄岩型石榴子石分布于Cr2O3>2%的区域。在橄榄岩型石榴子石区域, Cr2O3>4%的部分又由85%的斜线(贫钙线)分为两部分, 其左侧部分为金刚石包体石榴子石(G10, 含金刚石方辉橄榄岩石榴子石), G10石榴子石覆盖了85%的橄榄岩型金刚石包体石榴子石的总体分布, 从而确定了它的指示矿物地位; 右侧部分为二辉橄榄岩石榴子石(G9), 占橄榄岩型石榴子石总数的15%。据格尼统计结果表明多数含金刚石金伯利岩含有G10石榴子石, 且G10石榴子石总量越高, 岩体金刚石品位越富。由Gurney图可以大致认为, 含钙较低、含铬较高的石榴子石与金刚石含量较高有关。

西峪岩管群深部石榴子石取得样品34粒(表 1), 经电子探针测试, 其中Cr2O3<2%的石榴子石15粒; 2%<Cr2O3<4%的石榴子石2粒, Cr2O3>4%的17粒, G10组石榴子石6粒, G9组石榴子石11粒, G10组占35.29%, 其成分图解见图 2。G10组石榴子石主要产于含金刚石金伯利岩粗晶石榴子石中, 可指示金伯利岩中金刚石的存在。据Gurney统计, G10石榴子石在岩体中的含量与该岩体中金刚石的含量有半定量关系, 即G10组石榴子石含量高, 岩体中金刚石品位C较富。2011-2015年, 常马矿区胜利1号岩管深部石榴子石样品测试17粒, 其中G10组10粒, G9组7粒, G10组占58.82%, C 平均 378.505mg/m3。对比常马胜利1号岩管, G10 西峪%<G10 常马%, 从而推断C 西峪<C 常马。事实证明, 在西峪岩管深部-205~-355m标高范围内选矿样品中选获的金刚石样品C 平均为110.03mg/m3, 低于C 常马 378.505mg/m3, 证实G10石榴子石在岩体中的含量与该岩体金刚石含量存在半定量关系。

表 1 石榴子石电子探针测试分析及分组 Table 1 Garnet's electron microprobe analyses and grouping table
图 2 西峪矿区金伯利岩石榴子石Gurney图 Fig.2 Gurney diagram of the garnet of kimberlite in the Xiyu mining area

红旗15-1号岩脉中选出的4粒石榴子石, 其中2粒为铁铝榴石, 1粒为含钠镁-铁铝榴石, 1粒为锰铝榴石。3粒铁铝榴石Cr2O3含量皆小于2%, 为榴辉岩型石榴子石。经电子探针分析, 含1粒钠镁-铁铝榴石, 其主要化学成分为Na2O 0.07%、Cr2O3 0.02%、TiO2 0.78%、MgO 4.98%, 据《山东金伯利岩的矿物学特征》[7]和《金刚石找矿指示矿物研究及数据库》[8]可知, 为含金刚石金伯利岩。

1.2 铬铁矿

高铬铬铁矿类矿物是金伯利岩及其深源包体中极其重要的一类矿物, 不仅可以提供较多的成因信息, 而且是评价金伯利岩含金刚石性的一级指示矿物, 也是金刚石中较常见的包裹体矿物。张安棣等[8]根据铬铁矿的主要化学成分(Cr2O3、MgO、TiO2、Al2O3含量), 将铬铁矿划分为12组(表 2)。

表 2 铬铁矿分组 Table 2 Chromite's grouping table

本次在西峪岩管群深部选矿样中随机挑选85粒铬铁矿进行电子探针分析, 其化学成分及分组见表 2。其中S1组4粒、S2组11粒、S4组7粒、S5组1粒、S6组61粒、S7组1粒。

对照表 2, 根据本次测试成果表 3, S1组代表了金刚石最早期铬铁矿包体的化学成分特征, 反映了其形成时的高亏损条件及与金刚石形成时基本相同的上地幔温度、压力等物理化学条件。S2组代表了金刚石中较晚期的铬铁矿包体及与金刚石连生的铬铁矿的成分特征。S1组和S2组的铬铁矿都是与金刚石共生的铬铁矿, 它们对金刚石的存在具有较好的指示意义。S4组、S5组4粒铬铁矿为非金伯利岩成因铬铁矿。S6组铬铁矿几乎全部来自金伯利岩和钾镁煌斑岩, 因此具有岩石属性的重要指示意义。金伯利岩基质铬铁矿、深源捕虏体橄榄岩中的铬铁矿也大多属于这一组, 样品中S6组占71.76%。

表 3 西峪岩管群与红旗15-1号岩脉铬铁矿电子探针分析及分组 Table 3 Electron microprobe analyses and grouping table of Xiyu rock groups and Red Flag15-1 vein

红旗15-1号RZ-2中选出3粒铬铁矿(表 3), 经电子探针判别S5组2粒、S6组1粒, S6组铬铁矿指示其来自金伯利岩。

在铬铁矿主量元素研究中, Cr2O3、Al2O3和TiO2具有重要的意义, MgO、Fe2O3及MnO具有一定的指示意义。

(1) Cr2O3和Al2O3

铬铁矿中Cr2O3和Al2O3的含量变化范围很大。Cr2O3含量可以从百分之几至67%, Al2O3含量从小于1%到50%以上。中国含金刚石的金伯利岩(胜利1号、辽宁42号)中多数铬铁矿Cr2O3含量大于55%, Al2O3含量小于10%, 而不含矿金伯利岩(河南洪峪、河北涉县6号)的铬铁矿中Cr2O3含量偏低, Al2O3含量偏高[8]。由图 3可知, 西峪岩管群深部铬铁矿符合含金刚石金伯利岩中铬铁矿化学元素特征, 红旗15-1号中铬铁矿数量较少, 不能很好地反映金伯利岩的含矿性。金刚石中的铬铁矿包体是最富Cr2O3的端元, Cr2O3含量一般高于62%, Al2O3含量较低, 平均约为5%。利用铬铁矿中的Cr2O3、Al2O3含量及其比值可定性地判别岩性和含矿性。铬铁矿中的Cr/Al值代表地幔亏损和富集程度, 比值越高, 亏损越大, 金刚石中的铬铁矿包体具有极高的亏损。

图 3 各地区铬铁矿(a)与西峪地区铬铁矿(b)Cr2O3-Al2O3对比图 Fig.3 Cr2O3-Al2O3 comparison diagrams of chromite in each region (a) and Xiyu area(b)

(2) Cr2O3和TiO2

铬铁矿中TiO2的绝对含量不高, 但变化范围具有典型的特征, 含矿金伯利岩中铬铁矿TiO2含量区间宽, 一般为0~6%, 非金伯利岩铬铁矿TiO2含量区间窄, 一般为0~2%。本次铬铁矿中TiO2含量在0.04%~8.86%之间(图 4), 符合含矿金伯利岩铬铁矿特征。散点域呈"一"字形, 成分谱线宽, 成分密集点分布在高Cr2O3、富TiO2处, 即Cr2O3含量50%~ 60%、TiO2含量2%~4%处, 是因为金伯利岩中S6组TiO2平均含量为2.30%的铬铁矿占据多数。

图 4 铬铁矿TiO2-Cr2O3与MgO-Cr2O3散点图 Fig.4 TiO2-Cr2O3 and MgO-Cr2O3 scatter diagrams of chromite

(3) MgO和FeO

Mg+和Fe+占铬尖晶石二价阳离子的98%以上, 彼此呈严格的消长关系。中国金伯利岩中的铬尖晶石大部分为富镁铬铁矿, Mg/(Mg+ Fe2+)值通常为0.45~0.70, 即MgO含量一般为10%~15%, 变化范围小, FeO则在15%~20%范围内变化。本次测试的西峪岩管群深部铬尖晶石中MgO含量一般为1.96%~15.65%, 略偏低; FeO含量一般为20%~ 30%, 略增高。铬铁矿中有5粒(图 4)落在金刚石包裹体(化学成分特征是高Cr2O3、中-高MgO、TiO2<6%)区, 为含金刚石方辉橄榄岩所特有。红旗15-1号岩脉由于采样体积所限, 目前获得的铬铁矿数量较少, 分布特征不明显, 但3颗铬铁矿均落在含矿金伯利岩的铬铁矿范围。

1.3 铬透辉石

铬透辉石属橄榄岩型组合, 在地表环境中, 铬透辉石很不稳定, 搬运过程中容易磨损乃至消失, 难以形成较大范围的次生分散晕。作为寻找金刚石原生矿的指示矿物, 在区域找矿上不及镁铝榴石、铬铁矿等重要, 但铬透辉石一经发现, 就表明离其供源地不远, 同时铬透辉石中的Cr2O3含量也可指示金伯利岩的含矿性:金伯利岩中Cr2O3 ≥ 1.2%的铬透辉石含量越多, 金刚石品位越高。据任喜荣等统计, 西峪岩管群红旗6号、8号、22号浅部19粒透辉石的化学成分, Cr2O3 ≥ 1.2%的铬透辉石为8粒, 占42.1%。根据选矿结果, 地表至垂深90m(+245~ +155m标高), 红旗8号矿体平均品位为20.43mg/m3、红旗6号为27.71mg/m3、红旗22号为28.92mg/m3; -85m标高7号、22号、18号、6号、32号、8号6个岩管相连, 各岩管收拢归并为二向延长的"丁"字形矿带。随着深度增加, 岩管逐渐变细, 至-805m标高, 岩管形成NNE向为主的单向延伸, 中心位于红旗22号的正下方(图 5)。本次工作电子探针测试了48粒透辉石(表 4)。从表 4可以看出, Cr2O3 ≥ 1.2%的铬透辉石为17粒, 占37.0%。至-355~-655m标高, 矿体平均品位23.82mg/m3, 由于地表Cr2O3 ≥ 1.2%含量略大于岩管深部, 因此深部矿体平均品位略低于地表矿体平均品位。事实证明, 利用Cr2O3 ≥ 1.2%的铬透辉石含量可定性地指示金伯利岩的含矿性。如图 6所示, 西峪岩管群深部金伯利岩中选获的透辉石散点图特征突出。Cr2O3与Na2O成分点呈正相关方向展布, Cr2O3与MgO成分点呈负相关方向展布, 成分点密集区在Cr2O30.5%~2%之间。

图 5 西峪岩管群不同垂深岩管形态平面示意图 Fig.5 Sketch plan view of rock tube shapes about Xiyu rock group in different vertical depths
表 4 西峪矿区透辉石电子探针分析结果 Table 4 Electron microprobe analyses of diophanite in Xiyu mining area
图 6 西峪岩管群透辉石成分散点图 Fig.6 The scatter diagram of diophane composition about Xiyu rock tube group
2 选获金刚石的特征

本次在选矿样中共选获18粒金刚石, 其中XK2选矿样中选获11粒金刚石, XK3选矿样中选获3粒金刚石, XK5选矿样中选获1粒金刚石, XK6选矿样中选获2粒金刚石, XK7选矿样中选获1粒金刚石。金刚石具体特征如表 5所示。

表 5 金刚石特征 Table 5 Diamond characteristics table
图 7 西峪岩管群深部选获的典型金刚石 Fig.7 Typical diamond selected from the deep part of Xiyu rock pipe group

本次选矿样选获的18颗金刚石中, 含包裹体的金刚石10颗, 占55.56%。颜色:无色透明的金刚石10颗, 占55.56%, 黄色、浅黄色的占44.44%。晶体形态:八面体与菱形十二面体聚型2颗, 立方体与八面体聚型8颗, 曲面菱形十二面体聚型1颗、阶梯状八面体1颗, 八面体3颗、扁平八面体3颗。

3 结论

(1) 石榴子石Gurney图中贫钙线左侧Cr2O3> 4%的G10组石榴子石为含金刚石方辉橄榄岩石榴子石, 可作为石榴子石的标型特征; 西峪矿区岩管群深部G10组占42.86%, 指示金伯利岩中金刚石的存在。红旗15-1号岩脉中1粒含钠镁-铁铝榴石为含金刚石金伯利岩。

(2) 西峪岩管群深部样品中S1组、S2组、S6组铬铁矿是与金刚石共生的铬铁矿, 它们对金刚石的存在具有较好的指示意义, S4组、S5组为非金伯利岩成因铬铁矿。红旗15-1号S6组铬铁矿指示其来自金伯利岩。

(3) 根据西峪岩管群铬透辉石Cr2O3 ≥ 1.2%的数量关系, 深部矿体平均品位略低于地表矿体平均品位, 充分证明通过铬透辉石可以定性地推断金伯利岩的含矿性。

(4)根据石榴子石、铬铁矿、铬透辉石等指示矿物含量, 可大致推断金刚石原生矿的存在及含矿性。结合CSAMT、钻探等地质工作, 在西峪岩管群深部-205m以下找到金刚石原生矿, 在外围通过槽探工程发现红旗15-1岩脉, 并在选矿样中选获18颗金刚石, 充分证明了根据金刚石指示矿物找矿方法, 定性预测金伯利岩含矿性的有效性和可行性。

致谢: 成文过程中,得到山东省第七地质矿产勘查院艾计泉、褚志远等工程师的指导与帮助,在此表示诚挚的谢意。

参考文献
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