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    魯硯的基本特征及形成的主要地質(zhì)環(huán)境

    2013-12-23 06:25:02孫江潔殷天濤
    山東國土資源 2013年5期
    關(guān)鍵詞:硯石泥晶方解石

    孫江潔,殷天濤

    (1.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266590;2.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東濟(jì)南 250013)

    0 引言

    魯硯是山東各地所產(chǎn)硯種的總稱,為中國十大名硯之一。其品種豐富、歷史悠久、文化底蘊(yùn)深厚,深受文人雅士的喜愛。前人著重在魯硯的產(chǎn)地、工藝特征、歷史淵源及收藏價(jià)值等方面做了重點(diǎn)研究。關(guān)于其礦物成分說法不一,張希雨[1]、李勁松[2]等認(rèn)為魯硯多為泥質(zhì)灰?guī)r。對于魯硯石形成地質(zhì)環(huán)境更是少有研究。

    然而隨著魯硯的進(jìn)一步開發(fā)利用,迫切需要對其主要礦物成分及其形成的地質(zhì)環(huán)境有更進(jìn)一步的了解,繼而能更好地認(rèn)識(shí)魯硯。為此筆者在野外考察的基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對魯硯石的主要礦物成分進(jìn)行了分析,并對其形成的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了一定的研究。

    1 魯硯的區(qū)域地質(zhì)背景

    山東省位于中國東部沿海,黃河下游,是中華民族古老文明的發(fā)祥地之一。魯硯根據(jù)其各硯種產(chǎn)地的地理位置,主要分布在魯西地塊。魯西地塊位于郯廬斷裂帶以西,是華北地塊的一部分,位于山東省西南部地區(qū),主要是山東省濰坊—臨沂一線以西的地區(qū)[3]。魯硯產(chǎn)地在行政區(qū)域上主要包括臨沂、棗莊、泰安、濟(jì)南、淄博、濟(jì)寧、濰坊、即墨等市(圖1),多低山丘陵地區(qū)。魯硯產(chǎn)區(qū)具有獨(dú)特的地質(zhì)特征和豐富的礦產(chǎn)資源。

    魯硯的原石形成期在地質(zhì)時(shí)代上跨度較大。從元古宙、古生代、中生代到新生代都有,以寒武系居多。

    魯硯石賦存的主要地質(zhì)層位有:新元古代蓬萊群豹山口組、土門群佟家莊組,寒武紀(jì)饅頭組、徐莊組、張夏組、崮山組、長山組,奧陶紀(jì)馬家溝群,石炭-二疊紀(jì)太原組、白堊紀(jì)萊陽群等。

    山東省地層發(fā)育良好,化石豐富,早期被國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家所關(guān)注,研究歷史較長,地層資料頗豐。張?jiān)銎娴龋?,5]認(rèn)為,根據(jù)地層發(fā)育狀況,山東省大部屬于華北地層大區(qū)的晉冀魯豫地層區(qū)的東南隅。按照綜合地層區(qū)劃的原則,山東又被分為華北平原、魯西和魯東3 個(gè)地層分區(qū)(圖1)。華北平原地層分區(qū)地表皆為第四系。魯西地層分區(qū)是山東省地層發(fā)育最全的一個(gè)分區(qū),也是魯硯產(chǎn)出的主要地區(qū)。魯東地層分區(qū)中前寒武紀(jì)地層及中生代—新生代地層發(fā)育,目前尚未發(fā)現(xiàn)古生代地層,僅在中生代萊陽群中發(fā)現(xiàn)大量古生代灰?guī)r礫石。

    圖1 魯硯的巖性及區(qū)域分布圖

    2 魯硯的類型和基本特征

    魯硯按物質(zhì)成分、工藝美術(shù)特征、成因、產(chǎn)地的不同,可分為近20 種;按巖性可以分為2 大類:一類為變質(zhì)成因的千枚巖。另一類為沉積成因的石灰?guī)r。

    魯硯石成分均一,質(zhì)地致密細(xì)膩,硬度一般3 ~4,既不吸水、亦不滲水,下墨甚利。其礦物成分為以石灰?guī)r為主,另含少量的陸源礦物(云母、長石、石英、綠泥石、粘土礦物)?,F(xiàn)將已知主要魯硯的基本特征分述如下:

    (1)徐公硯

    徐公石產(chǎn)于沂南縣青砣鎮(zhèn)南徐公店附近的硯臺(tái)溝,其斌存于震旦紀(jì)土門群佟家莊組上部,地層產(chǎn)狀平緩。張希雨[1]認(rèn)為,徐公石多為自然形扁平石餅,大者直徑30 余厘米,小者約10 cm,厚約10 ~13 cm。餅周邊有細(xì)碎石乳狀天然紋飾。其顏色多種多樣,有蟹蓋青、鱔魚黃、生褐、橘紅色等?!杜R沂縣志》稱:“石可為硯,其形方圓不等,邊生細(xì)碎石乳,不假人工,天趣盎然,純樸雅觀”??梢姽湃藢π旃脑u(píng)價(jià)頗高。

    (2)尼山硯

    尼山石因產(chǎn)于曲阜城東南約30 km 的孔子誕生地“尼山”而得名,用它制成的硯臺(tái)稱作“尼山硯”。在地質(zhì)構(gòu)造上,尼山石的產(chǎn)地位于魯西尼山穹窿構(gòu)造帶上,其含礦地層為中寒武世徐莊組[1]。尼山石為柑黃色含泥的微晶灰?guī)r,其特點(diǎn)是在柑黃色石面上呈現(xiàn)有褐墨色松花紋,具松花紋的為制硯之上品。

    (3)龜硯

    龜石賦存于中寒武世徐莊組,產(chǎn)于山東省臨朐縣辛寨龍巖寺附近石澗溝壑中,多為橢圓形扁平子石,外表有風(fēng)化層,磕之層層脫落,如龜脫殼,因此而得名,用該石制成的硯臺(tái)稱“龜硯”。清《臨朐縣志》記載“龜石產(chǎn)辛寨龍巖寺石洞中,天然龜形,磕之底蓋自分,質(zhì)細(xì)而潤,蓄墨數(shù)日不枯”。由于硯面質(zhì)細(xì)而潤,不吸水,不滲水,蓄墨不涸,理細(xì)不滑,發(fā)墨益毫,故為優(yōu)良硯材,可制隨形硯等[2]。

    李勁松等[2]認(rèn)為龜石形成于濱-淺海相環(huán)境,屬餅狀灰?guī)r結(jié)核。在地質(zhì)構(gòu)造上,龜石蘊(yùn)藏于魯西近沂沭斷裂的NWW 向冶源斷裂北側(cè)的第四紀(jì)殘積坡積物中,分布有限。它的形成經(jīng)歷了風(fēng)化作用,是寒武紀(jì)徐莊組頁巖層所夾的薄層狀或透鏡體狀和其他形狀的泥質(zhì)石灰?guī)r或石灰?guī)r經(jīng)風(fēng)化再沉積的產(chǎn)物。

    (4)紫金硯

    產(chǎn)于山東省臨朐縣冶源鎮(zhèn)三陽山、二郎廟及石家河一帶山嶺的土中,亦稱作臨朐紫金石。紫金石賦存于寒武紀(jì)炒米店組中部的薄層至中厚層,深灰色泥云質(zhì)條紋、條帶狀灰?guī)r,以及紫紅色竹葉狀灰?guī)r和藻凝塊灰?guī)r韻律層中。其含礦層厚1 ~2 m,內(nèi)存的紫金石多呈透鏡狀或扁豆?fàn)睿瑔误w一般厚5 ~20 cm,硬度為3.5 ~4.5,磨光面顯油脂光澤,紋理大多清晰。

    紫金石形成于距今約5 億a 前的古生代,屬淺海-陸臺(tái)潮坪相沉積巖。該石是在巨厚的沉積碳酸鹽巖形成過程中,于沉積間斷之后和大規(guī)模海侵之前形成的。在海退階段的陸臺(tái)地段,以接受陸源為主的微細(xì)沉積物,因氣候等原因泥狀沉積物產(chǎn)生龜裂,進(jìn)而接受再沉積,再沉積的沉積物填于龜裂縫隙中,此后又接受海侵后的連續(xù)沉積。

    (5)紅絲硯

    紅絲石產(chǎn)于山東省臨朐縣冶源鎮(zhèn)老崖崮村壯山和青州市廟子鎮(zhèn)北峪村方前寨山蝎子毒一帶,用該巖石制成的硯臺(tái)稱“紅絲硯”。

    紅絲石賦存于奧陶紀(jì)馬家溝群第一巖段頂部與第二巖段相接觸部位[1]。該石在地下呈夾層狀或者不規(guī)則團(tuán)塊狀礦體出現(xiàn),礦層厚幾厘米到1 m 不等。用紅絲巖石制硯已有千年歷史,主要品種有紫紅地灰黃絲紋、豬肝色地灰絲紋、紫紅地紅刷絲紋、柑黃地紅刷絲紋等。紅絲硯深受國內(nèi)外書畫家賞識(shí),被稱為“魯硯之首”[1]。

    紅絲石的形成是巖石在沉積過程中,由于沉積環(huán)境變化的反復(fù)影響使沉積物質(zhì)發(fā)生頻繁交替,在特定的沉積環(huán)境下形成,或使尚處于可塑狀態(tài)的具有微紋理的碳酸鹽巖層發(fā)生拖動(dòng)變形的結(jié)果[2]。

    (6)田橫硯

    田橫石產(chǎn)于即墨縣城東50 km 的田橫島。此硯石為黑色粉砂質(zhì)泥巖,用它制成的硯臺(tái)稱“田橫石硯”或“田橫硯”。田橫硯下墨頗利,發(fā)墨有光,為頗有名氣的魯硯之一。

    在地質(zhì)構(gòu)造上,田橫石形成于海灣中,常因海水漲潮而被淹沒。因其淹沒于海水中,只有退潮時(shí)才能開采,故當(dāng)?shù)胤Q之為“水巖”。該石賦存于白堊紀(jì)萊陽群第三段砂頁巖互層中的頁巖層中。

    (7)砣磯硯

    砣磯石產(chǎn)于煙臺(tái)長島縣砣磯島西海岸懸崖山泉水眼處,用它做成的硯臺(tái)稱為“砣磯硯”。

    砣磯石為千枚巖。張希雨[1]認(rèn)為砣磯石賦存地層為震旦紀(jì)蓬萊群豹山口組,礦層走向NW,傾角60°,厚度0.5 ~1 m 不等,夾于白色絹云母石英片巖中,延深到海下。砣磯石成分均一,質(zhì)地致密,硬度3 ~4 級(jí),既不吸水,亦不透水。其閃閃群星是巖石中所含的白色星點(diǎn)狀分布的白鈦礦所致,波浪狀紋彩是千枚狀構(gòu)造所致,雪浪為其間所夾的石英片巖微層。該硯石成礦地質(zhì)條件較好,儲(chǔ)量較大。

    3 魯硯的巖石結(jié)構(gòu)特征

    通過偏光顯微鏡、熱分析法對魯硯石的巖石結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析。

    3.1 偏光顯微鏡

    (1)徐公硯

    徐公石為少許粉砂質(zhì)的泥晶灰?guī)r(圖2)(依據(jù)碳酸鹽巖命名原則,朱筱敏[6]),薄層狀、多具自然溶蝕邊。通過鏡下觀察,得出它的礦物成分為含約92%的泥晶方解石(小于0.005 mm)及少量硅質(zhì)沉積物(5%左右)。另可見方解石脈體,含量2% ~3%。

    (2)尼山硯

    尼山石為含泥的微晶灰?guī)r,其物質(zhì)成分主要為微晶方解石:呈方形,半自形—自形晶,粒度0.005 4 mm,含量80% ~90%;另可見方解石脈體、泥質(zhì)物(10% ~15%)、鐵質(zhì)膠結(jié)物(3%左右)。有的尼山石中可見少量海綠石(圖2),呈鮮綠色,細(xì)粒狀集合體,干涉色為綠色,含量不足3%,尼山石具泥晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。

    (3)龜硯

    龜石硯屬含生物化石碎屑的泥晶灰?guī)r,具泥晶結(jié)構(gòu)。其主要礦物成分為泥晶方解石(含量90%左右);生物化石碎屑(圖2):鈣質(zhì),形狀不規(guī)則,有橢圓狀、彎曲長條狀、鉤狀等,含量5%;另可見方解石脈體(含量大約5%)及少量有機(jī)雜質(zhì)。

    (4)紫金硯

    通過鏡下觀察,紫金石的主要礦物成分為泥晶方解石(含量95%以上)、少量鐵質(zhì)物及少量海綠石??梢娞妓猁}巖脈體,脈體中含少量白云石(呈馬鞍狀)(圖2)。其屬于泥晶灰?guī)r。

    (5)紅絲硯

    紅絲石呈泥晶結(jié)構(gòu),為泥晶灰?guī)r,部分為含鐵的泥晶灰?guī)r。臨朐紅絲石的礦物成分主要由泥晶方解石組成(含量達(dá)90%)(圖2)。另含有少量鐵質(zhì)物,含量約5% ~6%,及極少量的硅質(zhì)沉淀物,分布不均,含量約4%。青州紅絲石的礦物成分主要為:泥晶方解石,含量90%以上;方解石脈體,含量5% ~7%;含少量有機(jī)雜質(zhì)及少量粉砂級(jí)石英。

    圖2 魯硯石的鏡下特征(單偏光×10)

    (6)田橫硯

    田橫石(圖2)的礦物成分:泥晶方解石含量約12% ~15%。粘土礦物(水白云母):含粘土雜基,極細(xì)泥質(zhì)顆粒,呈不規(guī)則狀充填于晶質(zhì)的石英、長石與白云母之間,含量約50% ~60%。石英:分選性較好,粒度平均0.05 mm 左右,磨圓度較差,次棱角狀—次圓狀,含量約15% ~25%。白云母:正中突起,平行消光,正延性,含量約2% ~3%,呈片狀,長0.72 mm,寬0.15 ~0.2 mm。長石:板柱狀,正低突起,一級(jí)灰干涉色,部分顆粒表面較臟,部分可見聚片雙晶,磨圓度較差,棱角狀—次棱角狀,粒度:長約0.13 mm,寬約0.036 mm。含量5% ~7%。另可見細(xì)的硅質(zhì)脈體,含量約為3%。田橫石整體呈基底膠結(jié),雜基支撐,具粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,微層理發(fā)育。

    (7)砣磯硯

    砣硯石的礦物成分為:絹云母含量25% ~35%,細(xì)小磷片狀,礦物分布不太均勻,正中突起,粒度平均0.04 mm;石英:25% ~30%,正低突起,一級(jí)灰干涉色,不規(guī)則粒狀,平均粒度0.09 mm;綠泥石(圖2):呈半自形長條狀,長0. 14 ~0. 16 mm、寬0.01mm,淡黃綠色,弱多色性,干涉色呈現(xiàn)出姜黃色或丁香紫,正中突起,含量35% ~45%,可見部分晶體具蒿束狀特征,受應(yīng)力作用呈定向—半定向排列;鈦鐵質(zhì)礦物:長條狀,自形—半自形,黑褐色,含量3% ~5%,平均粒度0.23 mm;碳質(zhì)礦物:粒狀集合體,黑色,含量3%左右;電氣石:黃綠色,少量,3%左右,平均粒度0.09 mm,正中突起,平行消光,負(fù)延性,多色性明顯(淡黃褐色—灰綠色),環(huán)帶結(jié)構(gòu)。含少量硬綠泥石,礦物顆粒多呈細(xì)粒狀、鱗片狀,具細(xì)粒磷片變晶結(jié)構(gòu),呈膝折和彎曲現(xiàn)象,定向排列。

    3.2 熱分析法

    由偏光顯微鏡鑒定結(jié)果可以看出,魯硯石主要礦物成分為方解石。為了證實(shí)鏡下觀察結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用差熱分析法及熱重分析法予以驗(yàn)證。

    (1)差熱分析法

    差熱分析是根據(jù)礦物在升溫過程中所發(fā)生的脫水、分解、氧化、同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變等所產(chǎn)生的熱效應(yīng)特征,來鑒定和研究礦物的一種有效方法[8]。在差熱分析曲線上,不同的碳酸鹽礦物逸出CO2的溫度不同,因此用差熱分析法來鑒定碳酸鹽類礦物是非常有效的[9]。方解石只有一個(gè)吸熱谷,純方解石的差熱曲線(圖3)中,CaCO3在830 ~1 020℃分解,吸熱峰峰頂溫度為960℃[10]。

    圖3 方解石的差熱曲線

    圖4 中a-f 中方解石的差熱曲線與圖3 相近。故可判斷這些魯硯石中主要礦物為方解石。

    圖4 魯硯石的差熱曲線圖

    (2)熱重分析法

    熱重分析是記錄礦物在受熱情況下所發(fā)生的重量變化,根據(jù)失重和溫度的關(guān)系研究物質(zhì)的組成[9]。由于礦物分解所引起的失重一般是礦物的固有組分的排出,因而其失重反映礦物的含量??梢愿鶕?jù)礦物的失重量與礦物的分子量計(jì)算樣品中礦物的含量[11]。現(xiàn)以徐公石為例,計(jì)算該礦物中方解石的含量。方解石的失重率為44%,見圖5f,取樣品26.13 mg,868℃時(shí)分解放出CO2引起失重,此時(shí)樣品重量為15.22 mg,可計(jì)算出方解石分解釋放的CO2重量為26.13 -15.22 =10.91(mg)。根據(jù)方解石中CO2的含量為44%,計(jì)算出樣品中方解石含量為24.79 mg,由此得出方解石的含量為94.87%,與鏡下觀察結(jié)果基本相符。

    圖5g 中,570℃處有一個(gè)寬而小的吸熱谷,應(yīng)是石英的同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變特征,吸熱谷面積不大,說明其含量不高。700 ~850℃時(shí)的吸熱谷與放熱峰應(yīng)為水白云母,其中吸熱谷也應(yīng)包含方解石。圖5h 中,580℃時(shí)的小吸熱谷也是石英的同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變特征。740 ~820℃之間的吸熱谷與放熱峰為絹云母和綠泥石。絹云母和水白云母都屬于水白云母類礦物,結(jié)合圖5g,5h 可知,水白云母的脫水溫度比絹云母的低,而且吸熱谷面積較大,形狀比較平緩。

    圖5 魯硯石的失重曲線圖

    4 魯硯形成的主要地質(zhì)環(huán)境

    魯硯石主要分布于魯西地區(qū)。其巖性可主要分為石灰?guī)r和千枚巖2 大類。原石形成期在地質(zhì)時(shí)代上跨度較大,從元古宙、古生代、中生代到新生代都有,以寒武紀(jì)居多。

    山東省除缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)、三疊系等地層外,總體地層發(fā)育良好。

    新元古代時(shí)土門群和蓬萊群地層分布較窄,其中土門群僅分布于魯中南地區(qū)南部的沂沭斷裂帶及其西側(cè)的沂水、臨沂、蒼山一帶,由砂巖、頁巖、泥灰?guī)r組成,厚0 ~290 m,濱-淺海相碎屑巖夾碳酸鹽巖建造[12]。蓬萊群主要分布在棲霞、長山列島、蓬萊等地。由千枚巖、板巖、石英巖、結(jié)晶灰?guī)r及大理巖等淺變質(zhì)巖組成,厚2 880 ~5 295 m,為一套巨厚的淺變質(zhì)巖濱-淺海沉積巖系。早古生代山東以淺海相為主體。魯西地塊的早古生代沉積環(huán)境演化少見突變環(huán)境,具有明顯的繼承性。宋明春等[13]認(rèn)為,魯西寒武系及中、下奧陶統(tǒng)總體以臺(tái)地相及潮坪、瀉湖相碳酸鹽巖為主,早期有較多潮坪泥砂質(zhì)沉積及少量濱海砂礫巖沉積。早寒武世早期沉積沿沂沭斷裂帶分布,魯西大部分地區(qū)為古陸,沉積相為濱海相。華北地臺(tái)晚寒武世存在著3 個(gè)陸地,其他地區(qū)則為廣闊的陸表海[14]。山東奧陶系為局限臺(tái)地與開闊臺(tái)地交互出現(xiàn)的沉積環(huán)境[13]。晚奧陶世山東地區(qū)皆為古陸。

    華北晚古生代為一套海陸交互相地層。華北板塊經(jīng)歷了中奧陶世沉降后,其北部及中部地區(qū)于晚石炭世早期開始接受海侵。山東省晚石炭世早期的海侵方向主要是自東北向西南逐漸到達(dá)山東。晚石炭世晚期的海侵是由南往北,進(jìn)而由西向東推進(jìn)到整個(gè)魯西地區(qū)。自晚石炭世晚期海退以后,山東境內(nèi)的沉積區(qū)全部上升為陸,結(jié)束了自寒武紀(jì)以來地臺(tái)式海侵的歷史,沉積了以陸相為主的二疊紀(jì)地層[15]。

    侏羅紀(jì)時(shí)山東的古地形呈現(xiàn)準(zhǔn)平原地貌。魯東地區(qū)基底全部出露,地表整體顯剛性特征,發(fā)育斷裂構(gòu)造。而魯西地殼表面還保留了古生代地層,在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下,產(chǎn)生斷裂構(gòu)造和寬緩的褶曲,在這些斷裂和褶曲的低洼部位形成侏羅紀(jì)的盆地,發(fā)生沉積作用。山東省白堊紀(jì)地層發(fā)育,分布廣泛,是我國白堊紀(jì)陸相地層的重要分布地區(qū)之一[15]。

    山東省新近系總的來說是一套陸源碎屑沉積,局部地區(qū)受到海侵的影響。地層發(fā)育良好,全省3個(gè)地層分區(qū)均有出露[15]。

    5 結(jié)語

    (1)魯硯石主要產(chǎn)于魯西地塊。

    (2)魯硯的原石形成期在地質(zhì)時(shí)代上跨度較大,形成于元古宙、古生代、中生代、新生代,以古生代寒武紀(jì)居多。

    (3)魯硯石巖性主要分為變質(zhì)巖和沉積巖。變質(zhì)巖以絹云母、綠泥石為主要礦物,另含石英,電氣石等。沉積巖礦物成分以泥晶方解石為主,另含云母、長石、石英等粉砂級(jí)碎屑礦物及少量粘土礦物。石英硬度較高(7 級(jí)),作為次要礦物充填于性柔的絹云母或方解石中,使硯石柔中有剛、細(xì)中有鋒,提高了研磨性能[16]。

    (4)魯硯的形成環(huán)境:新元古代為濱-淺海相沉積。早古生代以淺海相為主,晚古生代為一套海陸交互相沉積。白堊紀(jì)主要為陸相沉積。新近紀(jì)總的來說是一套陸源碎屑沉積。

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