地质通报  2020, Vol. 39 Issue (10): 1639-1649  
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李积山, 唐相伟, 郭跃闪, 张洋, 刘伟. 豫南史庄一带金伯利岩中尖晶石矿物化学特征及其对金刚石找矿的启示[J]. 地质通报, 2020, 39(10): 1639-1649.
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Li J S, Tang X W, Guo Y S, Zhang Y, Liu W. Mineral chemistry characteristic and enlightenment to diamond prospecting of spinelite in kimberlite from Shizhuang area Henan Province[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(10): 1639-1649.
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基金项目

河南省地质勘查基金项目《河南省信阳市史庄一带金刚石矿预查》(编号:豫国土资发[2017]22号)

作者简介

李积山(1988-), 男, 工程师, 从事矿产地质调查工作。E-mail:474897902@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-07-20
修订日期: 2020-03-28
豫南史庄一带金伯利岩中尖晶石矿物化学特征及其对金刚石找矿的启示
李积山, 唐相伟, 郭跃闪, 张洋, 刘伟    
河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院, 河南 信阳 464000
摘要: 豫南史庄一带金伯利岩位于华北地台南缘,栾川-明港深大断裂带北侧,岩石中普遍含有尖晶石等金刚石的指示矿物。在史庄一带金伯利岩中通过人工重砂鉴定,选获了一批尖晶石等金刚石的指示矿物,通过电子探针微区化学成分分析,对区内尖晶石矿物化学特征进行了研究。结果表明,史庄一带金伯利岩中的尖晶石矿物族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,其中以镁-铬铁矿(Fe,Mg)Cr2O4占优势;铬铁矿中Cr2O3、Al2O3含量变化范围较大,MgO含量较高(5.57%~15.8%),TiO2含量较低,为低钛富镁高铝型的铬铁矿(S5型),阳离子数中Mg2+>Fe2+,Cr3+和Al3+,以及Mg2+和Fe2+类质同象替代较广泛。初步分析表明,史庄一带金伯利岩中的铬铁矿为地幔捕虏晶,地幔岩为橄榄岩,其矿物化学特征显示,史庄一带金伯利岩具有一定携带金刚石的能力,对寻找金伯利岩型金刚石矿床具有重要的指示意义。
关键词: 尖晶石    金伯利岩    电子探针    铬铁矿    史庄    豫南    
Mineral chemistry characteristic and enlightenment to diamond prospecting of spinelite in kimberlite from Shizhuang area Henan Province
LI Jishan, TANG Xiangwei, GUO Yueshan, ZHANG Yang, LIU Wei    
No.3 Institute of Geological and Mineral Resources Survey of Henan Bureau of Geology and Mineral Exploration, Xinyang 464000, Henan, China
Abstract: Kimberlite in Shizhuang area of southern Henan Province lies in the south of North China plate and in the north of Luanchuan-Minggang deep-large fault zone.Indicative minerals of diamond, such as spinel, are found in Kimberley rocks.The indicative minerals of spinel and other diamonds have been obtained from kimberlite in Shizhuang area by artificial heavy sand identification.The chemical composition of spinel was studied by means of electron microprobe analysis in this paper.The results show that the spinel group minerals in kimberlite in Shizhuang area are mainly composed of magnesia chromite(MgCr2O4)-chromite(FeCr2O4)-magnesia spinel(MgAl2O4)-spinel(FeAl2O4), in which magnesia chromite(Fe, Mg)Cr2O4 is dominant.The content of Cr2O3 and Al2O3 in chromite varies widely, MgO content is high(5.57%~15.8%), TiO2 content is low, and there exists a chromite with low titanium, rich magnesium and high aluminum content(S5 type).Among the cations of chromite, Mg2+ > Fe2+, while Cr3+ and Al3+, Mg2+ and Fe2+ have experienced extensive substitution.A preliminary analysis shows that chromite in kimberlite in Shizhuang area is mantle xenocryst, while in situ mantle is peridotite.The chemical characteristics of spinel minerals show that the kimberlite in Shizhuang area has the capability of carrying diamond, which is of great significance for the exploration of kimberlite type diamond deposits.
Key words: spinel    kimberlite    electron microprobe analysis    chromite    Shizhuang    Henan Province    

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(图 1)。

图 1 豫南史庄一带区域地质构造简图(据参考文献修改) Fig.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)。

图 2 史庄一带金伯利岩特征 Fig.2 Kimberlite characteristics in Shizhuang area 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
2 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)。

图 3 史庄一带金伯利岩中尖晶石特征 Fig.3 Spinel characteristics of kimberlite in Shizhuang area
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 
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。

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]) Fig.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[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

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]

图 5 铬铁矿中Cr2O3-Al2O3(a)和MgO-FeO(b)关系图解 Fig.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]

图 6 史庄一带金伯利岩中铬铁矿Cr#分布频率图 Fig.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 Fig.7 Relationship between Fe2+/(Fe2++Mg)-Cr/(Cr+Al)of spinel from kimberlite in Shizhuang area
4 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]

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]) Fig.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: 野外调查、采样工作由项目组人员共同完成, 样品测试在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成, 在写作过程中评审老师对本文提出了宝贵的修改意见,谨此一并表示衷心的感谢。

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