安徽欄桿地區(qū)橄欖輝長巖地球化學(xué)特征及其與金剛石成礦的關(guān)系＊

蔡逸濤，陳國光，張 潔，董鐘斗，周世文

（1 南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所 南京 210016）（2 安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院 蕪湖 241000）

1 地質(zhì)概況

欄桿地區(qū)位于安徽宿州市埇橋區(qū)，距宿州市區(qū)約40km［1］，區(qū)域上位于我國最重要的金剛石成礦區(qū)－華北地臺(tái)的東南緣，處于穩(wěn)定的古老克拉通內(nèi)［2］。近年相繼在欄桿地區(qū)的基性－超基性中發(fā)現(xiàn)了多達(dá)200多顆金剛石，顯示該地區(qū)基性－超基性巖的金剛石找礦潛力。

圖1 郯廬斷裂帶構(gòu)造（A）及欄桿地區(qū)（B）地質(zhì)簡圖Fig．1 Geological sketch map of Tan－Lu fault zone（A）and Langan area（B）

欄桿地區(qū)位于郯廬斷裂帶西側(cè)（圖1A）。郯廬斷裂帶是我國東部一條著名的深大斷裂帶，它與金剛石成礦關(guān)系十分密切。在研究區(qū)通過部分?jǐn)嗔褞捈s20km，由三條主斷裂組成（五河－合肥深斷裂、石門山斷裂、嘉廬深斷裂），呈北北東走向，斷層面一般傾向東，局部傾向西，傾角60～80°。欄桿地區(qū)則屬于華北地塊的靈璧臺(tái)穹IV 級(jí)構(gòu)造單元，位于NNE向時(shí)窯背斜的西翼，南部解集一帶存在黑峰嶺推覆構(gòu)造（向斜）。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以EW 向?yàn)橹鳎行⊥稊鄬?、金山寨斷層等?/p>

欄桿地區(qū)的地層屬華北地層區(qū)淮河地層小區(qū)，區(qū)內(nèi)出露地層為震旦系、寒武系，巖性主為白云巖、灰?guī)r、頁巖、砂巖、燧石礫巖等［3］。

欄桿地區(qū)巖漿巖較為發(fā)育，主要有晚震旦世輝綠巖和晚侏羅世－白堊紀(jì)石英正長斑巖、閃斜煌斑巖等。其中晚震旦世輝綠巖－老寨山巖體位于寶光寺、貓頭山至老寨山、大堂山一帶，侵入震旦系望山組、史家組地層中（圖1B），呈NNE 向條帶狀弧形展布于研究區(qū)中部，區(qū)內(nèi)長度大于19km（向北延入江蘇境內(nèi)），最寬1．6km（貓頭山－老寨山一帶）。輝綠巖巖體兩側(cè)有脈狀體平行分布，受橫斷層破環(huán)巖體分支較多。巖體剝蝕深度較淺，保留了較多捕虜體及頂蓋［3］。

2 樣品采集

安徽老寨山巖體按巖石結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)相帶：邊緣相為細(xì)粒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部相為細(xì)粒－中粒結(jié)構(gòu)。巖性以輝綠巖為主，在中心部位見輝長巖和輝長－輝綠巖。在西側(cè)巖體與圍巖接觸處，局部見杏仁狀玻質(zhì)玄武巖。本文研究的樣品采集于安徽省第二水文工程地質(zhì)勘察院在其內(nèi)部相帶中所打的豎井中。野外觀察邊緣相中的輝綠巖巖石呈暗綠色，風(fēng)化后常為淺綠－淺黃色，具球狀風(fēng)化，輝綠或嵌晶含長結(jié)構(gòu)，塊狀或杏仁狀構(gòu)造，氣孔內(nèi)主要為碳酸鹽和葡萄石充填。主要礦物成分為基性斜長石（50%±），單斜輝石（35～40%），其次為少量鉀長石、磁鐵礦、角閃石、石英等。輝長巖為深灰色，塊狀構(gòu)造，中細(xì)粒等粒結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為基性斜長石（50%±），輝石（50%±）等。副礦物可見有少量橄欖石、云母等，鏡下鑒定為橄欖輝長巖。

3 地球化學(xué)特征

橄欖輝長巖樣品的主量、微量和稀土元素分析結(jié)果列于表1、表2和表3。在全堿－SiO2的TAS圖（圖2）上，本區(qū)橄欖輝長巖的投影點(diǎn)都落于堿性系列輝長巖范圍?？紤]到蝕變過程中K 和Na等元素較活潑，用TAS 圖解判別巖石類型可能會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，我們選擇一些在蝕變過程中不活潑的元素（Ti、Zr、Y 和Nb）來做進(jìn)一步的判別。在Zr／TiO2－Nb／Y 判別圖上（圖3）。所有樣品也都落入堿性玄武巖范圍內(nèi)，與TAS判別圖結(jié)果基本一致。

表1 欄桿老寨山橄欖輝長巖主量元素豐度（單位：×10－2）Table 1 Major elements（×10－2）of olivine－gabbros in Laozhaishan，Langan area

表2 欄桿老寨山橄欖輝長巖微量元素豐度（×10－6）Table 2 Trace elements（×10－6）of olivine－gabbros in Laozhaishan，Langan area

表3 欄桿老寨山橄欖輝長巖稀土元素豐度（×10－6）Table 3 REE（×10－6）of olivine－gabbros in Laozhaishan，Langan area

圖2 橄欖輝長巖（Na2O＋K2O）vs．SiO2 圖解（底圖據(jù)［9］）Fig．2 （Na2O＋K2O）vs．SiO2diagram for olivine－gabbros

巖石的SiO2含量介于44．58～47．44%之間，為基性巖類；Na2O＋K2O 為4．87～5．87%，Na2OK2O＜2，結(jié)合堿性強(qiáng)弱判別圖（圖4）可看出巖石均屬堿性系列，這與中國東部基性巖平均偏堿性一致［5－7］。

圖3 橄欖輝長巖Zr／TiO2－Nb／Y 圖解（底圖據(jù)［10］）Fig．3 Zr／TiO2－Nb／Y diagram for olivine－gabbros

圖4 橄欖輝長巖（1．5Na2O ＋K2O）－（SiO2－CaO－1．5MgO）圖解（底圖據(jù)［4］）Fig．4 （1．5Na2O＋K2O）－（SiO2－CaO－1．5MgO）diagram for olivine－gabbros

此外，Mg＃值介于34～46 之間，固結(jié)指數(shù)SI（SI%＝100×w（MgO）／（w（MgO）＋w（FeO）＋w（Fe2O3）＋w（Na2O）＋w（K2O））在16～24之間，明顯低于原生玄武巖漿值（40±）。邱家驤（1990）認(rèn)為，基性－超基性巖形成有直接侵入和經(jīng)歷了巖漿分異兩種［8］，前者M(jìn)gO＞30，且Mg＃／FeO ＞6～7；后者反之。研究區(qū)堿性基性巖的MgO 為4．5%～6．5%，MgO／FeO＜1，說明在成巖過程中經(jīng)歷了較為強(qiáng)烈的巖漿分異作用。

主量元素的Haker圖解（圖5）顯示，Mg＃與主量元素和SI 之間有明顯的相關(guān)性，其中SiO2、Al2O3和Na2O＋K2O 隨Mg＃增加而減少，CaO、MgO 和SI隨Mg＃增加而增加，這與皖北及蘇北地區(qū)的基性－超基性巖特征一致。此外，本區(qū)Al、Mg含量相對較高，也可能反映了源區(qū)具有石榴石的特點(diǎn)。

圖5 橄欖輝長巖主量元素Haker圖解Fig．5 Harker diagrams for olivine－gabbros

本區(qū)橄欖輝長巖的微量元素豐度如表2。巖石的大離子親石元素和高場強(qiáng)元素含量及比值均大于幔源巖漿的相應(yīng)比值［9］（Jagoutz等報(bào)道幔源巖漿K／Rb、K／Ba 和Rb／Sr 值分別為321、37．7 和0．029），反映巖石為原始巖漿經(jīng)過了分異作用的產(chǎn)物。巖石的微量元素MORB 標(biāo)準(zhǔn)化分配曲線（圖6）與板內(nèi)堿性玄武巖［10］相似。

據(jù)Green（1971）統(tǒng)計(jì)，原始?jí)A性玄武巖平均Ni豐度為290×10－6，Cr豐度為380×10－6［11］；Frey（1987）報(bào)道夏威夷原始霞石巖的Ni、Cr豐度分別為（300～350）×10－6和420×10－6［12］。而本區(qū)橄欖輝長巖的Ni和Cr分別為（28～35）×10－6和（22～31）×10－6，低于上述原始巖漿的相應(yīng)值，可見這些巖石都是經(jīng)過原始巖漿分餾作用的產(chǎn)物，由于Ni主要存在橄欖石中，Cr主要賦存在單斜輝石中，因此很可能是以橄欖石和單斜輝石的結(jié)晶分離為主。

橄欖輝長巖的稀土元素豐度見表3，本區(qū)堿性基性巖∑REE 在（230～233）×10－6之間，∑LREE范圍為（167～201）×10－6，∑HREE 范圍為（31～35）×10－6。LREE／HREE 為4．7～6．3，LaN／YbN為5．06～6．86，δEu＝0．69～0．93，δCe＝0．93～0．98。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配曲線具有強(qiáng)烈的右傾特征（圖6），總體呈現(xiàn)出稀土總量較高、輕稀土富集和重稀土虧損；Eu的負(fù)異常較明顯，可能有兩方面原因：一是來自于地殼物質(zhì)的混染；二是由于斜長石分離結(jié)晶作用導(dǎo)致。La、Yb特征說明源區(qū)可能具有石榴石的殘留相。

Treuil和Joron（1975）研究了一次部分熔融和分離結(jié)晶作用過程的REE的地球化學(xué)行為，根據(jù)部分熔融和分離結(jié)晶REE元素定量模型的各自特點(diǎn)，選擇不相容元素La（H 元素）和中等分配系數(shù)元素Sm（M 元素）作La／Sm－La圖解，并利用其判別巖漿成因、部分熔融作用以及疊加的分離結(jié)晶作用的影響［13］。這一圖解對于堿性玄武巖－輝長巖的巖漿起源，可以提供重要的成因信息，得到廣泛的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，一次部分熔融過程中，La／Sm 比值將隨著La的含量增加而增大；而同源巖漿分離結(jié)晶作用過程中La／Sm 的比值則不隨La的豐度增加而改變，保持在相對穩(wěn)定的比值范圍內(nèi)。

圖6 橄欖輝長巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線（左）和微量元素MORB標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（右）Fig．6 Chondrite－normalized REE distribution patterns（left）and MORB－normalized trace elements spidergram（right）of olivine－gabbros

圖7 橄欖輝長巖La vs．La／Sm、Nb／Y vs．Th／Y 及Rb／Zr vs．Rb／Nb圖解Fig．7 La vs．La／Sm，Nb／Y vs．Th／Y and Rb／Zr vs．Rb／Nb diagrams for olivine－gabbros

本區(qū)橄欖輝長巖稀土元素部分熔融－分離結(jié)晶作用的La－La／Sm 關(guān)系圖（圖7）顯示較為明顯的正相關(guān)性，說明堿性基性巖漿形成過程主要受部分熔融作用的影響。在Rb／Zr－Rb／Nb 相關(guān)圖中，研究區(qū)內(nèi)的堿性基性巖表現(xiàn)為直線型的平衡部分熔融演化趨勢［14］，說明在本區(qū)的基性巖漿經(jīng)歷了低度的部分熔融。

Zr、Y、Nb、Ta 和Hf等為不活動(dòng)元素，在巖漿演化過程中能保持一定的連續(xù)性，不易受后期地質(zhì)作用的干擾，因此可用來有效地判斷巖石產(chǎn)出的大地構(gòu)造背景。在Zr／Y－Zr相關(guān)圖［15］（圖8）、Hf／3－Th－Ta［16］和Nb×2－Zr／4－Y 三角圖［17］中（圖8），本區(qū)橄欖輝長巖樣品都落入大陸板內(nèi)玄武巖或板內(nèi)堿性玄武巖范圍內(nèi)。

強(qiáng)不相容元素與高場強(qiáng)元素在地殼和地幔中的性質(zhì)不同，地殼物質(zhì)中Th 高Nb 低［18］，地幔巖中Th低Nb 高，若發(fā)生地殼混染必然導(dǎo)致Nb、Th之間呈負(fù)相關(guān)。在Nb／Y－T h／Y 相關(guān)圖中（圖7），本區(qū)樣品呈負(fù)相關(guān)，說明在巖漿侵入過程中存在地殼物質(zhì)混染的可能性。圖9顯示本區(qū)的巖石不相容元素比值落在富集地幔EMI端員附近，說明本區(qū)玄武巖漿可能起源于單一的富集地幔。

圖8 橄欖輝長巖構(gòu)造判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［15－17］修改）Fig．8 Tectonic discrimination diagrams for olivine－gabbros

圖9 橄欖輝長巖Rb／Nb－Ba／Th和Ba／Nb－Ba／La圖解［19，20］Fig．9 Rb／NB－Ba／Th and Ba／Nb－Ba／La diagrams for olivine－gabbros

4 基性巖金剛石含礦性分析

金剛石的成礦母巖以往被認(rèn)為主要是金伯利巖和鉀鎂煌斑巖［21－24］。隨著成礦理論和找礦研究的深入，陸續(xù)在一些其它類型的巖石中也發(fā)現(xiàn)了金剛石。近年來在澳大利亞大陸東部堿性玄武巖中以及俄羅斯地臺(tái)亞速海濱海區(qū)似玄武巖中也找到了金剛石［5］。在敘利亞已發(fā)現(xiàn)堿性輝長巖或碧玄巖中含有金剛石，并有開采價(jià)值；捷克的Ceske、Stredhori的含鎂鋁榴石火山通道，被看作是該地區(qū)沖積金剛石的來源［25］。進(jìn)一步研究確認(rèn)這些含金剛石的母巖與區(qū)域堿性玄武巖有密切關(guān)系。上述發(fā)現(xiàn)證實(shí)金伯利巖和鉀鎂煌斑巖并不是金剛石的唯一成礦母巖。安徽欄桿地區(qū)基性巖中金剛石的發(fā)現(xiàn)，為今后在我國其它類型的巖體中，尤其是東部堿性基性巖中尋找金剛石礦產(chǎn)提供了依據(jù)。

基性巖在產(chǎn)出條件和成因上與金剛石具有一定關(guān)系，因而在基性巖中尋找金剛石是可能的［5］。金伯利巖與堿性玄武巖巖漿作用同時(shí)發(fā)育的地區(qū)都屬于臺(tái)區(qū)剝蝕很深的部分，兩者形成過程的動(dòng)力學(xué)具有聯(lián)系，貫通其巖漿的深斷裂是一致的，只是玄武巖漿源較淺，比重較小，易于噴發(fā)。根據(jù)Kushima（1973）尖晶石二輝橄欖巖的高溫高壓熔融實(shí)驗(yàn)，堿性玄武巖漿形成于20kPa（約70km）的深度。從玄武巖中的石榴石和輝石巨晶的溫壓條件估算，可推測其巖漿形成深度在60～100km。對非洲南部含金剛石的巖石年齡分析，橄欖黃長巖、黃長玄武巖和金伯利巖有基本吻合的形成時(shí)間，表明它們的形成具有相關(guān)性。世界著名的歐拉帕巖筒侵入于玄武巖蓋中。在西伯利亞的Yelovy 島上含金剛石的巖筒附近出現(xiàn)有古生代的堿性玄武巖、黃長煌斑巖、苦橄玢巖和沸煌巖巖墻［26］。山東蒙陰西峪金剛石礦床中的金伯利巖切穿了燕山期基性巖，說明含金剛石礦體繼承了早期巖漿的上升通道，產(chǎn)出位置具有一致性。一些文獻(xiàn)也表明具有商業(yè)價(jià)值的金伯利巖往往與暗色巖共生或伴生［27］。

從地球化學(xué)特征上看，本區(qū)堿性基性巖在含金剛石母巖的含礦性判別三角圖上（圖10），主量元素落在基性巖區(qū)域中，且與山東、遼寧金伯利巖特征類似，說明本區(qū)基性巖漿與含金剛石的金伯利巖巖漿在含礦性上具有一定的相似之處。前人研究表明，大規(guī)模的玄武巖活動(dòng)與金伯利巖活動(dòng)具有密切的關(guān)系：在玄武巖主活動(dòng)期之后，金伯利巖噴發(fā)的規(guī)模和金剛石的蘊(yùn)藏量都比較大［2，5，22－25，28－44］。

圖10 堿性基性巖（Fe2O3＋FeO）－Al2O3－TiO2－（Na2O＋K2O）圖解Fig．10 （Fe2O3＋FeO）－Al2O3－TiO2－（Na2O＋K2O）diagram for dikes of alkaline－basic rocks

研究顯示山東金伯利巖區(qū)內(nèi)玄武巖類的巖石化學(xué)成分中稀土元素的分配形式相似［28］，為輕稀土富集型。玄武巖的La／Sm 比值和La含量與山東、遼寧金伯利巖具有相似的變化趨勢，可能是含礦母巖部分熔融的結(jié)果。本區(qū)堿性基性巖也具有此特征，說明本區(qū)堿性基性巖與金剛石的含礦母巖具可能具有相似的地球化學(xué)特征。

5 結(jié)論

（1）本區(qū)橄欖輝長巖主量特征落在堿性玄武巖范圍內(nèi)，Mg＃與主量元素和SI之間具有明顯的相關(guān)性，其中SiO2、Al2O3和Na2O＋K2O 隨Mg＃增加而減少，而CaO、MgO 和SI隨Mg＃的增加而增加。

（2）微量元素特征顯示橄欖輝長巖富集大離子親石元素（K、Rb、Sr、Th和Ba），但不具高場強(qiáng)元素（Nb、Ta、Zr和Hf）的明顯虧損，表明巖石形成于大陸板內(nèi)環(huán)境，為地幔低度部分熔融的產(chǎn)物；稀土元素特征為強(qiáng)烈富集LREE而相對虧損HREE，暗示了源區(qū)富集特征，Eu負(fù)異常顯示經(jīng)歷了明顯的斜長石結(jié)晶分異。

（3）本區(qū)堿性的基性巖漿巖具備了金剛石成礦的基本條件，形成于深大斷裂地帶（郯廬斷裂帶）附近，均是堿性基性巖，形成于穩(wěn)定的克拉通內(nèi)部，且有穩(wěn)定蓋層。這為來自地幔深處的欄桿基性巖中尋找金剛石礦產(chǎn)提供了可能。

致謝：樣品測試得到南京地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室的幫助；文章撰寫中得到郭坤一研究員、邢光福研究員和朱云鶴研究員的寶貴建議，在此表示衷心感謝！感謝審稿人對本文提出的寶貴意見！

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