中條山銅凹組泥質(zhì)巖礦物共生組合及地質(zhì)意義

姚 宇 凱

(山西省地質(zhì)調(diào)查院,山西 太原 030000)

1 概述

中條山區(qū)處于華北克拉通中部帶南緣，鄂爾多斯地塊與河淮地塊接合帶的南端，華北地塊南緣沁水向斜南部仰起端，華北板塊山西地塊南緣與豫皖地塊接壤地帶，行政區(qū)劃分屬山西臨汾市、晉城市、運(yùn)城市管轄。中條山作為我國重要銅礦產(chǎn)地之一，目前已發(fā)現(xiàn)銅礦床20處，探明銅儲(chǔ)量達(dá)390多萬噸(龐雪嬌，2010)。同時(shí)還伴生鈷、金、鉬、銀等金屬元素。不僅如此，由于地處特殊的大地構(gòu)造位置，該地區(qū)被認(rèn)為是研究華北克拉通早前寒武紀(jì)地質(zhì)演化的關(guān)鍵區(qū)域。

泥質(zhì)巖對(duì)變質(zhì)作用的反應(yīng)比較“靈敏”，選取泥質(zhì)巖進(jìn)行變質(zhì)作用的研究通常能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。中條山區(qū)的變質(zhì)泥質(zhì)巖石主要分布在絳縣群銅凹組，中條群篦子溝組、陳家山組(見表1)。而且這三個(gè)組是中條山最為重要的含礦地層，賦存了超過90%的銅礦床(點(diǎn))。雖然前人對(duì)相關(guān)內(nèi)容作了大量研究，但已有的資料停留在20世紀(jì)90年代，已不能適應(yīng)地質(zhì)理論及實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。所以，本文以中條山區(qū)銅凹組變泥質(zhì)巖作為研究對(duì)象，通過礦物組合的研究，從而對(duì)絳縣群乃至中條山區(qū)的變質(zhì)作用探討提供一些基礎(chǔ)資料。

表1 中條山區(qū)絳縣群、中條群地層簡表

2 區(qū)域地質(zhì)背景

中條山地區(qū)是華北克拉通內(nèi)出露早前寒武紀(jì)巖石的典型區(qū)域之一，區(qū)內(nèi)巖石呈北東—南西向展布(見圖1)，區(qū)域內(nèi)出露最古老的巖石為涑水雜巖，主要由新太古代(2.7 Ga～2.5 Ga)的TTG片麻巖(孫大中等，1991；趙鳳清，2006；郭麗爽等，2008；張晗，2012；Zhu et al.，2013)、古元古代變質(zhì)表殼巖(趙鳳清，2006)和新太古代至古元古代的花崗質(zhì)侵入體組成(Tian et al.，2006；趙鳳清，2006)?；讕r石被古元古代沉積—火山巖建造不整合覆蓋，從下至上依次為絳縣群、中條群、擔(dān)山石群變質(zhì)地層以及中元古代—新生代沉積蓋層。

絳縣群主要分布于中條山區(qū)絳縣幅、垣曲幅中，主體呈NE-SW向展布于涑水雜巖東側(cè)，其中北端地層出露最全，向南變薄至尖滅，除在南東側(cè)與中條群呈不整合接觸外，與周邊地質(zhì)體多以構(gòu)造接觸。為一套經(jīng)歷了中～低級(jí)變質(zhì)作用的碎屑巖—泥質(zhì)巖—火山沉積建造。根據(jù)沉積建造、火山活動(dòng)、接觸關(guān)系、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、變質(zhì)作用等特征，維持近年來成果，將絳縣群劃分為兩個(gè)亞群，下部為橫嶺關(guān)亞群，上部為銅礦峪亞群，二者為不整合接觸關(guān)系。銅凹組位于橫嶺關(guān)亞群。

銅凹組出露于范家溝—橫嶺關(guān)—上陰一帶。呈北東向展布，北部出露較寬，南部較窄，其間線狀褶皺發(fā)育?？偤穸却笥? 115 m。原巖為一套泥質(zhì)、半泥質(zhì)沉積建造。據(jù)其巖石特征，可劃分為四個(gè)巖性段，自下而上為：一段(Pt1t1)：巖性為深灰色含十字石榴絹云片巖，含碳絹云片巖，局部地段出現(xiàn)藍(lán)晶石片巖。二段(Pt1t2)：主要由灰色絹英片巖和灰黃色、灰色二云片巖組成，夾少量絹英巖。三段(Pt1t3)：為十字石榴絹云片巖、絹云片巖。四段(Pt1t4)：為黃色絹(白)云母石英片巖，下部夾黃白色細(xì)粒絹(白)云石英巖一層。

3 礦物共生組合

由于地層出露的限制，本次工作只采到銅凹組一段～三段巖石，以下主要介紹絳縣群銅凹組一段～三段變質(zhì)礦物組合。

3.1 銅凹組一段

銅凹組一段具有代表性的巖石為十字石榴二云片巖、石榴二云片巖，其特征變質(zhì)礦物為十字石、石榴石、絹云母，過剩礦物為黑云母、石英、白云母。

1)石榴二云片巖，巖石呈斑狀粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，石榴石為變斑晶，其核部不含礦物包裹體，幔部邊部含有石英礦物包裹體，且礦物包裹體形跡與基質(zhì)片理一致；基質(zhì)為黑云母、白云母、石英組成的片理，發(fā)生輕微褶皺(見圖2)。若石榴石斑晶整體形成于變形(形成片理)前，則其或整體呈交代殘余狀，或整體含包裹體且形跡與基質(zhì)片理一致；若石榴石整體形成于變形后，則其整體應(yīng)均不含包裹體，較為干凈；若石榴石整體形成于變形期，則其整體應(yīng)均含包裹體。由此可見，石榴石核部與幔部邊部只能為兩期形成。核部為變形之前形成，是第一期變質(zhì)礦物；幔部及邊部包含同基質(zhì)相同的礦物包裹體，且包裹體形跡與片理一致，是第二期變質(zhì)礦物；基質(zhì)云母、石英為第三期變質(zhì)礦物。

2)十字石榴二云片巖，巖石呈斑狀粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，變斑晶十字石、石榴石互相穿插生長(見圖3)，推斷它們幾乎同時(shí)形成，可能的變質(zhì)反應(yīng)為：Cld+Q=St+Grt+H2O。根據(jù)石榴石—黑云母礦物溫度計(jì)計(jì)算結(jié)果(后文介紹)，將十字石歸入與第二世代石榴石同期生成的變質(zhì)礦物。

3.2 銅凹組二段

銅凹組二段具有代表性的巖石為灰色絹英片巖和灰黃色、灰色二云片巖，夾少量絹英巖。除了黑云母、白云母、石英外，在鏡下看到許多順片理生長的鈦鐵礦和鉀長石，由此得出兩期變質(zhì)礦物：第一期黑云母+白云母，第二期為鉀長石、鈦鐵礦，石英和絹云母為過剩礦物。

3.3 銅凹組三段

銅凹組三段具有代表性的巖石為十字石榴二云片巖、石榴二云片巖，特征變質(zhì)礦物為十字石、石榴石、黑云母、綠泥石。樣品中的石榴石均穿插黑云母生長，二者具有成因關(guān)系，局部達(dá)到平衡共生。樣品中的綠泥石存在兩種產(chǎn)狀(見圖4)：一種位于黑云母邊部，呈板狀或放射狀，是黑云母退變質(zhì)而來；另一種獨(dú)立存在，為變斑晶，由于產(chǎn)出數(shù)量少且為局部產(chǎn)出，推斷為進(jìn)變質(zhì)產(chǎn)生的變質(zhì)礦物。巖石組合中存在兩期變質(zhì)礦物：第一期綠泥石，第二期十字石+石榴石+黑云母，絹云母和石英為過剩礦物，此外還有一期退變質(zhì)產(chǎn)生的綠泥石。

3.4 變質(zhì)溫度估算

經(jīng)過巖石學(xué)相平衡實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，適用于泥質(zhì)變質(zhì)巖的石榴石—黑云母(GB)地質(zhì)溫度計(jì)準(zhǔn)確度較高(吳春明，2007)，利用GB溫度計(jì)估算出的變質(zhì)作用峰期溫度如下：

1)銅凹組一段：第一期進(jìn)變質(zhì)，反應(yīng)溫度為434 ℃～456 ℃(Model A)，443 ℃～460 ℃(Model B)，第二期進(jìn)變質(zhì)，反應(yīng)變質(zhì)溫度為466 ℃～516 ℃(Model A)，468 ℃～505 ℃(Model B)。

2)銅凹組三段：第二期進(jìn)變質(zhì)，反應(yīng)溫度約為547 ℃。

4 討論

1)按照特征變質(zhì)礦物的首次出現(xiàn)來劃分變質(zhì)帶，緊鄰涑水雜巖出現(xiàn)的是十字石帶，向東邊為黑云母帶、十字石帶，呈現(xiàn)一種比較復(fù)雜的變質(zhì)帶分帶格局。銅凹組一段與三段均為十字石帶，二段屬于黑云母帶，它們的變質(zhì)帶發(fā)生了突變。

本次通過礦物化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，銅凹組二段巖石的黑云母含量少于12%，且黑云母中的TiO2含量(w%)遠(yuǎn)高于其他組(2.22～2.27；Pt1b為0.07～0.032，Pt1cj為1.15～1.63；Pt1t3為1.32～1.86)，XMg較低(0.73～0.77；Pt1b為0.8～1.1；Pt1cj為0.99～1.08；Pt1t3為1.1～1.18)。合理的推測(cè)，由于巖石受黑云母的含量及其礦物化學(xué)成分所限，在變質(zhì)作用過程中黑云母沒有生成石榴石，而生成鈦鐵礦，且黑云母中剩余的K元素組成了鉀長石。也就是說，變質(zhì)巖石的礦物成分受原巖成分的控制。可能的變質(zhì)反應(yīng)為：

Bt+Q(+Ms)=Kfs+Ilm+H2O

利用其中的斜長石包裹體，二長石溫度計(jì)計(jì)算出變質(zhì)溫度達(dá)到586 ℃，與銅凹組一、三段的變質(zhì)溫度相差無幾，達(dá)到了低角閃巖相的變質(zhì)溫度條件，從側(cè)面證明了猜測(cè)的正確性。

2)絳縣群與中條群是上下關(guān)系還是側(cè)向關(guān)系。

以往二者的關(guān)系被認(rèn)為是角度不整合或不整合基礎(chǔ)上疊加有韌性斷層接觸關(guān)系。近年來有的學(xué)者從沉積盆地的角度認(rèn)為二者可能為側(cè)向相變關(guān)系，提出平頭嶺石英巖與界牌梁石英巖可能為同一層石英巖，二者現(xiàn)今的空間關(guān)系為晚期構(gòu)造疊置的結(jié)果。界牌梁石英巖底部礫巖中保留有大量涑水雜巖礫石，支持絳縣群與中條群是側(cè)向關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

本次根據(jù)礦物生長關(guān)系，銅凹組變質(zhì)泥質(zhì)巖的變質(zhì)作用可以劃分為兩個(gè)進(jìn)變質(zhì)期和一個(gè)退變質(zhì)期。第一進(jìn)變質(zhì)期發(fā)生在D1變形期間，早期標(biāo)志性礦物為小片綠泥石+石英+絹云母，而后出現(xiàn)黑云母，變質(zhì)溫度增高出現(xiàn)石榴石，最后出現(xiàn)十字石。礦物組合：銅凹組一段為GrtⅠ+Ms+Bt+Q，銅凹組二段為Ms+Bt+Q，銅凹組三段為St+Bt+Ms+Q。第二期變質(zhì)期大致與D2變形時(shí)期相當(dāng)，早期出現(xiàn)沿S2片理生長的絹云母、黑云母，在進(jìn)變質(zhì)過程中依次出現(xiàn)石榴石、十字石。礦物組合：銅凹組一段為GrtⅡ+St+Ms+Bt+Q，銅凹組二段為Kfs+Ilm+Ms+Q，銅凹組三段為Chl+Ms+Q。退變質(zhì)作用發(fā)育比較普遍，表現(xiàn)在石榴石、十字石退變?yōu)榻佋颇?石英組合，黑云母退變?yōu)榫G泥石。據(jù)前人資料，中條群篦子溝組變質(zhì)泥質(zhì)巖的變質(zhì)作用同樣可以劃分為兩個(gè)進(jìn)變質(zhì)期和一個(gè)退變質(zhì)期，且變質(zhì)礦物組合與絳縣群銅凹組相當(dāng)，由此可以推斷二者經(jīng)歷了相同的變質(zhì)作用。兩期進(jìn)變質(zhì)為中條晚期的變質(zhì)作用所致，退變質(zhì)為擔(dān)山石期變質(zhì)作用疊加的結(jié)果(中條早期為古元古代涑水雜巖及冷口巖組的變質(zhì)時(shí)期，另文敘述)。從而，從變質(zhì)作用的角度證明了絳縣群與中條群為側(cè)向關(guān)系，而非上下關(guān)系。

5 結(jié)語

1)銅凹組一段有兩期變質(zhì)礦物，變質(zhì)級(jí)別最高達(dá)到角閃巖相十字石帶，變質(zhì)礦物組合：第一期，GrtⅠ；第二期，GrtⅡ+St，第三期：Ser+Q，Bt+Ms+Q為過剩礦物。第一期變質(zhì)溫度為434 ℃～456 ℃，443 ℃～460 ℃，第二期變質(zhì)溫度為466 ℃～516 ℃，468 ℃～505 ℃。

2)銅凹組二段有兩期變質(zhì)礦物組合：第一期，Ms+Bt；第二期，Kfs+Ilm，Q+Ms為過剩礦物。可能由于原巖化學(xué)成分的控制，導(dǎo)致沒有生成石榴石等特征變質(zhì)礦物。利用two-feldspar thermometer計(jì)算出第二期變質(zhì)溫度為586 ℃，達(dá)到石榴石帶變質(zhì)級(jí)，推測(cè)的變質(zhì)反應(yīng)為：Bt+Q(+Ms)=Kfs+Pl+Ilm+H2O。

3)銅凹組三段有兩期進(jìn)變質(zhì)礦物組合：第一期，Chl；第二期，Grt+Bt，Ms+Q為過剩礦物。一期退變質(zhì)礦物組合：Chl。第二期的變質(zhì)溫度約為547 ℃。

4)通過礦物共生組合分析發(fā)現(xiàn)，絳縣群銅凹組泥質(zhì)巖與中條群泥質(zhì)巖都具有兩期進(jìn)變質(zhì)礦物組合和一期退變質(zhì)礦物組合，說明它們經(jīng)歷了相同的變質(zhì)作用，從變質(zhì)作用角度證明絳縣群和中條群為側(cè)向相變關(guān)系，而非上下關(guān)系。