太行山北段浮圖峪礦田石榴子石環(huán)帶特征研究

聶 飛，董國臣，王 霞，朱華平

(1.成都地質礦產研究所，四川 成都 610081；

2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083;

3.山西省地震局預報中心，山西 太原 030021)

矽卡巖型礦床中分布最廣的標型造巖礦物為連續(xù)固溶體系列的鈣鋁-鈣鐵石榴子石[1]，鈣鋁榴石和鈣鐵榴石占矽卡巖型礦床中石榴子石成分的90%以上[2]。因此，對矽卡巖型礦床中鈣鋁-鈣鐵石榴子石的研究對于了解此類礦床顯得十分重要[3]。張金民等[4]指出鈣鋁榴石組分較多指示其形成環(huán)境為弱酸、低氧逸度；Kwak[5]、Misra[6]、Lu等[7]通過研究得到鈣鐵榴石產于相對氧化的環(huán)境；Jamtveit等[8-9]進一步提出成礦流體溫度和鹽度的降低、pH值和氧逸度升高有利于鈣鐵榴石的形成。石榴子石環(huán)帶在矽卡巖型礦床中普遍存在，礦物學與礦物結構方面的研究認為石榴子石環(huán)帶形成的原因是與礦物本身生長速度及流體成分、溫度、pH值、氧逸度(fO2)、鹽度等有關[8-9]。

浮圖峪礦田位于華北克拉通中部太行山北段，是由七個中小型矽卡巖型銅鐵礦床和木吉村大型斑巖銅(鉬)礦組成。石榴子石是浮圖峪礦田矽卡巖型主要礦物，與礦化關系十分密切。艾永富等[2]通過X射線、折光率和密度對浮圖峪礦田的石榴子石進行研究，得出該礦田的鈣鐵榴石在堿性介質中形成，鈣鋁榴石在酸性介質中產量最高。但是該礦田的石榴子石環(huán)帶發(fā)育，對于其研究處于空白。鑒于此，本文在前人成果的基礎上，對其中四個典型矽卡巖型礦床中與礦化密切相關的石榴子石進行野外地質調研、巖相學特征研究，運用電子探針分析石榴子石環(huán)帶的化學成分，查明元素在不同環(huán)帶間的分布規(guī)律，探討控制環(huán)帶形成的地質因素，進而反演成礦流體的演化過程及成礦熱液的物理化學條件變化，以期為進一步研究浮圖峪礦田中矽卡巖型礦床的成礦機制和成礦規(guī)律提供依據。

1 礦田地質特征

浮圖峪礦田大地構造位置屬華北克拉通中部的太行山北段、山西斷隆與燕山臺褶帶過渡地帶，處于紫荊關深斷裂與上黃旗—烏龍溝深斷裂之間[10]。該礦田位于河北省淶源縣浮圖峪—楊家莊一帶，面積約30 km2，是太行山構造-巖漿-金屬成礦帶的一個重要成礦區(qū)。其處于太行山北段淶源花崗雜巖體的中腰西緣。

浮圖峪礦田由大型的木吉村斑巖型銅鉬礦床，中小型的浮圖峪、小立溝、鴿子嶺、鐵嶺、茅兒峪、東溝等七個矽卡巖型銅鐵礦床組成，是河北最重要的銅礦集中區(qū)[5]。茅兒峪銅鐵礦、浮圖峪—東溝銅鐵礦、鴿子嶺—小立溝—鐵嶺銅鐵礦呈雁行狀或串珠狀分布于木吉村含礦閃長玢巖-綿胡坨火山機構的北側[11](圖1)。

浮圖峪礦田地層主要有太古宇阜平群片麻巖、中上元古界及下古生界碳酸鹽巖和碎屑巖，礦區(qū)內地層受斷裂切割和巖漿巖侵蝕多呈斷塊狀分布。主要賦礦圍巖是下古生界及中元古界碳酸鹽巖。礦田的斷裂構造及古火山構造發(fā)育，斷裂構造有NNE、NE、NEE、近SN、NW向等多組，以NNE-NE向烏龍溝斷裂系為主；主要控礦(巖)斷裂為F4，成礦后斷裂為F3等。礦田內的礦床主要與木吉村閃長玢巖有關，鐵嶺及東溝等矽卡巖型鐵銅礦、浮圖峪及小立溝等熱液疊加矽卡巖型銅(鐵)礦等集中產出，其礦體分布于閃長玢巖體及其內外蝕變帶中，總體沿F4斷裂繞古火山構造呈帶狀分布。

礦田中與矽卡巖型礦化相伴生的有透輝石-石榴子石矽卡巖、透閃石-透輝石矽卡巖、蛇紋石-滑石-綠簾石矽卡巖。熱液疊加矽卡巖型礦床發(fā)育兩期蝕變：早期以蛇紋石-透閃石、陽起石-透輝石、石榴子石矽卡巖為主；晚期在同一通道形成以綠泥石化、綠簾石化、硅化和碳酸鹽化為特征的蝕變，稱作“綠化”蝕變作用[12]。礦田的礦體主要位于閃長玢巖外帶鈣(鎂)矽卡巖帶中，沿F4斷裂展布于鴿子嶺—小立溝—鐵嶺、浮圖峪—茅兒峪一帶。矽卡巖鐵銅礦體產于透輝透閃石矽卡巖中，熱液疊加矽卡巖型銅(鐵)礦體產于“綠化”矽卡巖帶，伏于矽卡巖型鐵銅礦體之下。前者礦石有磁鐵礦石、磁鐵-黃銅礦石及銅礦石三種類型，主要金屬礦物為磁鐵礦，少量黃銅礦、黃鐵礦、自然銅等，脈石礦物為透閃石、透輝石、石榴子石、蛇紋石等。后者礦石有鏡鐵-黃銅礦石、黃銅礦石、鏡鐵礦石三種類型，主要金屬礦物為黃銅礦、鏡鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦等，脈石礦物為綠泥石、透輝石、綠簾石、石榴子石、透閃石、石英、方解石等。

2 石榴子石礦物學特征

本文針對浮圖峪礦田中矽卡巖型礦床中(浮圖峪、鐵嶺、茅兒峪、鴿子嶺)與礦體密切共生的石榴子石展開研究，采樣位置見圖1。石榴子石結晶較好，多數可清晰分辨其單晶形態(tài)，主要為菱形十二面體單形晶體，部分為菱形十二面體與四角三八面體聚形晶體，偶見四角三八面體單形晶體。石榴子石的顆粒大小不一，介于0.5～5 mm。與石榴子石共生的矽卡巖礦物有金云母(如樣品GZ1075)，有少量后生礦物石英、方解石。金屬礦物有黃鐵礦、黃銅礦、磁鐵礦等，其中浸染狀黃鐵礦為立方體單形晶體(如樣品ME1032，黃鐵礦含量約10%)，塊狀黃銅礦(如樣品GZ1075，黃銅礦含量約20%)，粒狀磁鐵礦(如樣品GZ1026，磁鐵礦含量約5%)。伴隨有金屬硫化物、氧化物等的石榴子石樣品中，石榴子石的顏色多呈深褐色、棕紅色、淺棕黃色等；反之，樣品的石榴子石顏色多為淺黃色。

圖1 浮圖峪礦田地質簡圖和采樣位置

其中兩件樣品(GZ1075和GZ1026)分別采自鴿子嶺熱液疊加矽卡巖型銅(鐵)礦床的兩期礦體，含磁鐵礦的石榴子石樣品呈棕紅色、褐紅色，呈致密粒狀，顆粒大小均小于1 mm；含黃銅礦的石榴子石樣品呈深褐色，顆粒大小約5 mm。

在偏光顯微鏡下，石榴子石顏色為無色、黃色，其切面多為六邊形，具不規(guī)則裂紋，同心環(huán)帶十分發(fā)育、明暗相間(圖2)。環(huán)帶一般數條，多者可達數十條；多數石榴子石晶體的環(huán)帶圍繞均質核生長，且其外緣又被較寬的環(huán)帶包圍。石榴子石大多數具非均質性，呈現一級灰至白的干涉色，并多見雙晶(表現為六連晶)，這些連晶的自形晶體多位于石榴子石晶體的中心部位。石榴子石孔隙和裂隙常有少量輝石、方解石、石英等。

圖2 浮圖峪礦田矽卡巖型礦床中石榴子石環(huán)帶的顯微鏡照片(a～e)和背散色圖像(A～E)

3 石榴子石環(huán)帶的化學成分

由第2節(jié)可知浮圖峪礦田石榴子石環(huán)帶非常發(fā)育，這些環(huán)帶能夠反映石榴子石的形成環(huán)境物理化學條件的差異，同時有效地記錄成礦熱液的演化歷史，因此本次研究選取浮圖峪礦田矽卡巖型礦床中石榴子石環(huán)帶發(fā)育的樣品進行電子探針分析，為研究石榴子石環(huán)帶成因及成礦熱液演化提供了良好素材。

為了研究石榴子石晶體基本組分從核心到邊緣的變化情況，選擇樣品中石榴子石無雜質礦物、無裂隙、環(huán)帶發(fā)育完好的晶體從環(huán)帶核部向邊緣進行電子探針分析。測試工作在核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心完成，儀器型號為JXA-8100型電子探針，測試條件：加速電壓20 kV，束斑電流10 nA，束斑直徑2～5 μm，峰值計算時間20～60 s。最后采用ZAF法修正數據。5件石榴子石樣品的電子探針分析結果見表1～表5。

從表1可以看出，樣品FT1016的Fe2O3從核部到邊緣的含量(質量分數)變化范圍為16.16%～29.21%，平均值24.98%；Al2O3含量變化范圍為0.41%～10.23%，平均值3.50%。茅兒峪礦床石榴子石(樣品ME1032，表2)環(huán)帶從核部到邊緣的Fe2O3含量為20.47%～28.59%；Al2O3含量為0.82%～7.36%，平均值3.00%。鴿子嶺礦床的樣品GZ1026(表3)從核部到邊緣Fe2O3含量介于18.92%～28.62%，平均值23.55%；Al2O3含量范圍在0.52%～7.87%，平均值4.34%。另外一件樣品GZ1075(表4)從核部到邊緣Fe2O3含量變化于20.96%～29.87%，平均值25.58%；Al2O3含量變化于0.24%～7.13%，平均值3.45%。鐵嶺礦床的樣品GZ1075環(huán)帶從核部到邊緣Fe2O3含量介于18.24%～29.13%，平均值25.78%；Al2O3含量介于0.16%～9.10%，平均值2.72%。研究區(qū)樣品石榴子石環(huán)帶從核部到邊緣的Fe2O3、Al2O3含量平均值變化范圍不大，但Fe2O3、Al2O3含量平均值呈此消彼長，且Fe2O3含量平均值大于Al2O3平均值。此外，礦化強烈的樣品如ME1032、GZ1026、GZ1075的MnO含量平均值較高，分別為0.49%、0.98%、0.80%；而其余樣品如FT1016、TL1135的MnO含量平均值分別為0.27%、0.26%。

另外，本次研究對樣品ME1032進行了兩種主要元素(Fe、Al)的面掃描(圖3)，從圖中可以很清晰地觀察到Fe和Al元素的環(huán)帶(圖3A、3B)呈韻律式變化，兩種元素此消彼長，總體上Fe含量比Al高。

4 石榴子石環(huán)帶的端員組分及環(huán)帶成因

4.1 石榴子石環(huán)帶的端員組分

以電子探針分析數據為基礎，本文利用石榴子石的晶體結構通式A3B2[SiO4]3，A位陽離子包括Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等，B位陽離子包括Al3+、Fe3+、Cr3+、Ti3+等，以O=12為基準，計算得到石榴子石的晶體化學式及端員組分；對于含水的石榴子石以總陽離子數-Si=5為基準，OH=4×(3-Si)來計算其晶體化學式及端員組分。

研究區(qū)樣品石榴子石的環(huán)帶非常清晰，其主要陽離子為Si2+、Al3+、Fe3+、Ca2+，二價陽離子Mg2+、Mn2+、Fe2+的含量均很低。占據A位和B位陽離子的主要成分分別為Ca和Mn、Fe和Al，本礦田的石榴子石環(huán)帶從核部到邊緣Ca和Mn、Fe和Al之間的替代關系十分明顯。以樣品FT1016為例作圖4，樣品FT1016環(huán)帶發(fā)育的石榴子石的鈣鐵榴石和鈣鋁榴石端員組分的質量分數平均值為82.5%和16.6%，鈣鋁榴石端員組分約為鈣鐵榴石端員組分的1/5，其他石榴子石端員組分的質量分數不超過1.1%。樣品ME1032石榴子石的鈣鐵榴石和鈣鋁榴石端員組分的質量分數平均值分別為85.0%和13.6%，鈣鋁榴石端員分子不足鈣鐵榴石端員分子的1/5，其他石榴子石端員分子的質量分數不超過1.79%。樣品TL1135石榴子石的鈣鐵榴石和鈣鋁榴石端員組分的質量分數平均值分別為86.2%和12.9%，鈣鋁榴石端員分子不足鈣鐵榴石端員分子的1/5，其他石榴子石端員分子的質量分數不超過1.03%。

表1 浮圖峪礦田環(huán)帶石榴子石電子探針分析結果

表2 茅兒峪礦床環(huán)帶石榴子石電子探針分析結果

(續(xù)表 2)

表3 鴿子嶺礦床樣品GZ1026環(huán)帶石榴子石電子探針分析結果

表4 鴿子嶺礦床樣品GZ1075環(huán)帶石榴子石電子探針分析結果

表5 鐵嶺礦床環(huán)帶石榴子石電子探針分析

(續(xù)表 5)

圖3 樣品ME1032面掃描圖

鴿子嶺樣品GZ1026石榴子石的鈣鐵榴石和鈣鋁榴石端員組分的質量分數平均值分別為78.1%和19.3%，鈣鋁榴石端員分子約為鈣鐵榴石端員分子的1/4，其他石榴子石端員分子的質量分數不超過3.26%。樣品GZ1075鈣鐵榴石和鈣鋁榴石端員組分的質量分數平均值分別為82.8%和14.9%，鈣鋁榴石的端員分子不足鈣鐵榴石端員分子的1/5，其他石榴子石端員分子的質量分數不超過3.47%。樣品GZ1026石榴子石鈣鐵榴石的質量分數平均值低于樣品GZ1075石榴子石鈣鐵榴石。同時圖5可以看出，GZ1075環(huán)帶的端員成分較GZ1026更密集地趨近鈣鐵分子。

圖4 樣品FT1016石榴子石環(huán)帶成分變化

研究區(qū)樣品環(huán)帶結構石榴子石的鈣鐵端員組分平均值均較高，介于78.1%～86.2%，根據石榴子石族劃分標準[13]，顯示其屬鈣鐵榴石系列。每一件樣品石榴子石環(huán)帶的端員成分表明，鈣鐵榴石的質量分數均大于50%，鈣鐵分子和鈣鋁分子從核心到邊緣呈韻律變化，鈣鐵榴石與鈣鋁榴石此消彼長，且鈣鐵分子的質量分數遠大于鈣鋁分子(圖4)。

圖5 Gro-And-Pyr+Spe+Ura三角圖解

4.2 石榴子石環(huán)帶成因

本次研究的浮圖峪礦田的5件石榴子石環(huán)帶成分基本為鈣鐵-鈣鋁榴石固溶體系列，且鈣鐵分子和鈣鋁分子從核心到邊緣呈韻律變化，核心均為高鈣鐵榴石分子。石榴子石晶體在生長過程中，它的鈣鐵分子與鈣鋁分子以各種不同的百分比韻律式地組成許多同心的類質同像重疊層(薄片中呈環(huán)帶狀)，說明石榴子石形成時環(huán)境及熱液組分變化動蕩[14]，顯示不是在完全封閉的平衡條件下形成的[14]。根據4.1節(jié)所述，石榴子石環(huán)帶所對應是鈣鐵分子和鈣鋁分子從核心到邊緣呈韻律變化，鈣鐵榴石與鈣鋁榴石此消彼長，因此本研究推測，在石榴子石每一層環(huán)帶形成過程中，主要組分(Si、Ca、Fe或Al等)大量消耗，濃度降低，根據鈣鐵分子質量分數大于鈣鋁分子質量分數的客觀事實，說明鈣鐵組分濃度高、活動性相對較大，中心部分優(yōu)先形成以鈣鐵分子為主的類質同象，與此同時，鈣鐵分子與鈣鋁分子組分比產生相應的變化，增生的晶體表層環(huán)帶的類質同象分子組成也就產生了明顯的差異，從以鈣鐵分子為主的類質同象轉變?yōu)榱艘遭}鋁分子為主的類質同象，從而導致晶體結構變形，引起光性異常[13]，形成石榴子石環(huán)帶(非均質體)。另外，K、Na鹵化物溶液在鈣鐵-鈣鋁榴石系列石榴子石的形成過程中起著降低結晶溫度和加快結晶速率的作用，因此，也常使鈣鐵榴石-鈣鋁榴石固溶體礦物的光性出現異常，成為非均質體[13]。馬國璽等[10]對研究區(qū)矽卡巖礦床的流體包裹體成分分析表明，其熱液成分中K、Na、Cl、F、H2O含量較高，佐證了鹵化物在石榴子石環(huán)帶的形成過程中發(fā)揮了作用。

綜上所述，該礦區(qū)的石榴子石環(huán)帶的形成是由于鈣鐵榴石和鈣鋁榴石兩個端員成分含量呈交替變化而引起光性異常；同時，K、Na等鹵化物也發(fā)揮了降低結晶溫度和加快結晶速率的作用。

4.3 石榴子石環(huán)帶的意義

石榴子石環(huán)帶的化學成分及其變化能夠反映其形成條件或成因特征，具有標型特征指示意義[4-9,13,15]。因此可以根據石榴子石的環(huán)帶結構及其成分特征指示其形成和演化過程，并且反演成礦流體演化軌跡及熱液的物理化學條件。

梁祥濟[1]研究得到近于等量鈣鐵-鈣鋁榴石只在中性介質中形成，鈣鋁-鈣鐵榴石形成溫度變化范圍在350～500℃；在溫度450～600℃范圍內，以鈣鐵榴石為主；在溫度550～700℃范圍內，鈣鋁榴石占優(yōu)勢。本文的數據顯示五件樣品石榴子石環(huán)帶成分為鈣鐵-鈣鋁榴石固溶體系列，但鈣鐵榴石的成分較鈣鋁榴石高，因此可以推斷，本次研究的石榴子石的形成環(huán)境應該為弱酸、較低溫度和相對氧化環(huán)境。馬國璽等[10]對該礦田矽卡巖期石榴子石流體包裹體研究認為：流體成分以富鈣(鈉)、氯、水為特征，成礦介質溫度為450℃、中等鹽度(12%)、弱酸性(pH=6.55)的鹽水體系。因此，本文根據石榴子石成分的推斷與前人研究成果較為一致。

本次研究的石榴子石環(huán)帶清晰，不同環(huán)帶的化學組成具有一定的差異，最顯著差異表現為鈣鐵榴石和鈣鋁榴石兩個端員成分含量交替變化，此消彼長，顯示其不是在一個完全封閉的平衡條件形成的，指示成巖成礦流體溫度、pH、氧逸度和鹽度均在不斷地變化，暗示流體的多期多階段性。動蕩的環(huán)境不利于成礦元素進入晶格，為富集成礦提供了必要條件，這與該礦區(qū)黃鐵礦、黃銅礦、輝鉬礦等硫化物呈細粒它形充填于石榴子石顆粒間，或者石榴子石的裂隙中形成細脈的地質現象相符。另外，鈣鐵榴石和鈣鋁榴石的形成，總體上降低了氧逸度，說明成礦環(huán)境從相對氧化環(huán)境轉換為相對還原環(huán)境，在相對還原的環(huán)境中硫化物大量沉淀，從而進入矽卡巖型礦床主成礦階段。也就是說，在矽卡巖型礦床系統(tǒng)演化中，成礦環(huán)境是隨著不同階段不同礦物結晶而變化的，而石榴子石可以看作在矽卡巖型礦床形成過程中是為成礦作用做準備的階段，也是矽卡巖型礦床更富集金屬的原因之一。

5 結語

石榴子石作為浮圖峪礦田矽卡巖型礦床的主要礦物，其晶體大多具有明顯的非均質性，環(huán)帶極其發(fā)育；成分屬于鈣鐵-鈣鋁榴石系列，從晶體核部到邊緣，鈣鐵榴石與鈣鋁榴石呈韻律式變化，總體上鈣鐵榴石質量分數大于鈣鋁榴石質量分數；通過對石榴子石的環(huán)帶成分的研究，石榴子石是在弱酸、較低溫度和相對氧化的環(huán)境中生成的，指示成巖成礦流體溫度、pH、氧逸度和鹽度均在不斷地變化。說明石榴子石不是在一個完全封閉的平衡條件形成的，而是暗示了一種多期多階段性特征，為富集成礦提供了必要條件。

本次研究通過對浮圖峪礦田矽卡巖型礦床中的石榴子環(huán)帶成分進行研究，定性地說明了石榴子石是在弱酸、較低溫度和相對氧化的環(huán)境中生成的，但沒有定量描述，在今后類似的工作中應該綜合考慮石榴子石流體包裹體，最終給出一個定量化的結論。

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