張北義哈德石墨礦床變質(zhì)巖原巖恢復(fù)及古沉積環(huán)境淺析

王立考，田 賀，李艷杰，李博文，王 政

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊，河北 保定 071051)

義哈德石墨礦位于華北陸塊北緣中段成礦帶之冀北隆起Pb-Zn-Ag-Mo-螢石-石墨成礦亞帶，張北隆化石墨礦化集中區(qū)內(nèi)，義哈德石墨礦是近幾年在該成礦帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超大型晶質(zhì)石墨礦床。石墨礦體賦存在古元古界紅旗營子巖群太平莊組變質(zhì)巖內(nèi)，前人對該石墨礦研究主要集中在礦床的地球物理特征、年代學(xué)特征、石墨建造特征等[1-3]，對該礦床變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。

恢復(fù)其變質(zhì)巖原巖類型，并探討其古沉積環(huán)境對尋找有關(guān)石墨礦床具有重要的指導(dǎo)意義[4]。本文在義哈德石墨礦變質(zhì)巖進(jìn)行巖相學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用巖石地球化學(xué)方法對其進(jìn)行原巖恢復(fù)研究，探討其形成時的古沉積環(huán)境，以期為義哈德石墨礦的成礦規(guī)律研究提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

礦區(qū)位于華北北緣隆起帶，張北臺拱內(nèi)。康?！獓鷪錾畲髷嗔岩阅希辛x—隆化深大斷裂以北。地質(zhì)條件復(fù)雜，石墨成礦條件十分優(yōu)越[1，2，3，5]。

礦區(qū)出露地層主要有古元古界紅旗營子巖群太平莊組、侏羅系張家口組及第四系等(圖1)。地層總體呈單斜產(chǎn)出。礦體主要賦存在太平莊組變粒巖、片麻巖中，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，走向近東西向。礦區(qū)斷層不發(fā)育，僅在鉆孔中發(fā)現(xiàn)太平莊組與南部張家口組火山巖為斷層接觸。該斷層使含礦層下部出露不全，造成礦體減少。巖漿巖不發(fā)育，多以脈巖形式產(chǎn)出[1，6]。

圖1 義哈德石墨礦地質(zhì)簡圖

2 巖相學(xué)特征

義哈德石墨礦嚴(yán)格受地層控制，賦存于紅旗營子巖群太平莊組變粒巖、片麻巖及少量在淺粒巖中。本次在二先生營附近地表及探槽共采集樣品6件。樣品主要巖性石墨大理巖1個(樣號2)，長英質(zhì)巖類5個(樣號3、12、17、18、19)。

2.1 巖石學(xué)特征

依據(jù)礦物成分，含礦建造歸納為長英質(zhì)巖類、碳酸鹽巖類。其中長英質(zhì)巖類根據(jù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物成分的不同，可進(jìn)一步劃分為片麻巖、變粒巖、淺粒巖[5]。

(1)長英質(zhì)巖類。

該巖類是太平莊組的主體巖石類型，以片麻巖、變粒巖、淺粒巖為主，其中片麻巖、變粒巖為石墨礦主要富礦層位，淺粒巖偶見少量石墨。

片麻巖類為灰色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。礦物為斜長石、石英、黑云母、普通角閃石及少量石榴石、透輝石、石墨等。副礦物為褐簾石、磷灰石。

變粒巖、淺粒巖巖石多呈灰—灰白色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，弱片麻狀構(gòu)造，粒度一般0.1～1mm。礦物長軸平行定向，片狀礦物的存在強(qiáng)化了面理。礦物成分主要為斜長石、石英、黑云母、石榴石及少量鉀長石、石墨，偶見矽線石。副礦物主要為磁鐵礦、鋯石及磷灰石等。

巖石后期改造作用比較明顯，表現(xiàn)為長石的絹云母化，綠泥石、黑云母交代石榴石，棕色黑云母被綠色黑云母交代等。

(2)碳酸鹽巖類。

該巖類零星產(chǎn)出，常呈夾層狀或透鏡狀。巖石呈灰白色，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀或變余層狀構(gòu)造。主要礦物為方解石、蛇紋石、鎂橄欖石，次要礦物為金云母、石墨。

2.2 副礦物特征

從成分可以看出，區(qū)內(nèi)變粒巖及淺粒巖中副礦物組合以鋯石、磷灰石、磁鐵礦、石榴石等為主，只是由于巖性不同，含量有所差異。其中金屬礦物大部分為碎塊狀，僅極個別晶形較完整；鋯石和磷灰石多呈次圓狀、次渾圓柱狀。標(biāo)型礦物鋯石多呈紫色、紫褐色，表面粗糙，高低不平，改造痕跡明顯，常見凹坑、劃痕及溝槽，晶體光澤暗淡，明度較差，基本上反映了沉積巖的特征[7-8]。

3 地球化學(xué)特征

樣品全巖常量、微量元素化學(xué)成分測試在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成。常量元素使用Axiosmax射線熒光光譜儀分析測定。分析精度優(yōu)于0.1%～1.0%，其中FeO含量用濕化學(xué)法測定，分析精度優(yōu)于0.5%～1.0%。微量和稀土元素分析使用Xserise2等離子體質(zhì)譜儀完成，測試誤差普遍小于10%。

3.1 常量元素特征

(1)長英質(zhì)巖類。

常量元素測試結(jié)果見表1，義哈德石墨礦床含礦建造中長英質(zhì)巖類的SiO2含量53.13%～74.66%，平均65.16%，低于石英砂巖91.5%和長石砂巖(77.1%)，與古生代雜砂巖(66.1%)接近[9]，Al2O3含量13.46%～18.87%，平均值為14.95%，高于雜砂巖平均值13.50%，顯示高鋁特征。Al2O3/SiO2平均值0.229，與雜砂巖(0.20～0.23)相當(dāng)，成熟度低。巖石全鐵含量0.38%～4.91%，具明顯差異。Fe2O3含量0.38%～3.15%，平均值為1.52%；FeO含量1.03%～4.91%，平均值為3.96%；Fe2O3明顯小于FeO，這與沉積巖的特點相一致；Na2O含量2.12%～3.96%，平均值為3.03%，與雜砂巖2.90%相當(dāng)；K2O含量1.74%～4.6%，平均值為2.61%，明顯高于雜砂巖2.0%，表明相對富鉀。其中黑云角閃斜長片麻巖(樣品19)中SiO2含量為53.13%與島弧拉板玄武51.10%巖相近，F(xiàn)e2O3明顯小于FeO，Na2O高于K2O，與中國及世界火成巖類成分最為接近，僅SiO2偏低，TiO2含量1.32%大于1%，含量高，顯示出玄武巖的特征。

表1 義哈德石墨礦常量元素分析結(jié)果 (單位：%)

(2)大理巖類。

樣品2中的CaO和CO2含量低于純灰?guī)r(CaO為56%，CO2為44%)，說明巖石中含有一定量的雜質(zhì)成分。與吉林通化震旦系聚環(huán)狀藻灰?guī)r成分有一定的可比性，但Fe2O3和FeO含量偏高，MnO偏低。

3.2 微量元素特征

長英質(zhì)巖類及大理巖類微量元素分析結(jié)果見表2。

表2 義哈德石墨礦變質(zhì)巖微量元素分析 (單位：×10-6)

(1)長英質(zhì)巖類。

長英質(zhì)巖石不同樣品之間微量元素豐度差異較明顯，從一定程度上反映了其原巖類型較為復(fù)雜。除個別元素外，總體上介于頁巖或砂巖兩者之間。Cr/Zr比值為0.14～1.1，表明變質(zhì)巖物源區(qū)成分較復(fù)雜。其中變粒巖中Cr、Ni、V、Sr等元素低于頁巖平均值，但又高于砂巖平均值；Rb/Sr平均比值為1.47，Ba/Sr平均比值7.3。與砂巖平均值相比，淺粒巖中Cr、V、Zr、Ni等微量元素的豐度值明顯偏低，而Ba元素豐度值顯著偏高；Ba/Sr平均比值為3.43，Rb/Sr平均比值為1.07。從淺粒巖到變粒巖，Ba/Sr比值增高，Rb/Sr比值則降低，反映了水體變淺，陸源粗碎屑沉積物增多的趨勢。石墨黑云斜長片麻巖(樣號19)微量元素豐度值近似于砂巖平均值，其中巖石中Ni、V、Sr含量較高，Ti、Zr偏低。

(2)大理巖類。

該巖類微量元素豐度值變化不大，與世界碳酸鹽巖平均值相比，具有Cr、Ni、V含量偏低，而Rb、Sr、Ba明顯偏高的特點。

3.3 稀土元素特征

不同巖石類型樣品稀土元素分析結(jié)果及有關(guān)參數(shù)見表3。

(1)長英質(zhì)巖類。

變粒巖共采集2件樣品(樣號3、12)，測試結(jié)果顯示：∑REE＝121.12～204.09×10-6，變化較大，平均162.605×10-6；(La/Yb)N＝5.59～5.67，平 均5.63，∑Ce/∑Y＝2.56～4.85，平均3.71，稀土分餾程度較高，輕稀土富集；δEu＝0.87～0.98，δEu平均0.93，負(fù)銪異常不明顯。稀土配分模式曲線較為相似，輕稀土部分斜率較大，重稀土部分趨向平緩(圖2)。依據(jù)澳大利亞從太古宙到三疊紀(jì)沉積物(頁巖和雜砂巖)中稀土組成及演化特點，發(fā)現(xiàn)從老到新沉積物稀土含量及配分模式有一定的變化規(guī)律，即太古宙的巖石富銪，隨著時代變新銪虧損越來越嚴(yán)重，稀土總量偏高[9]。本區(qū)變粒巖與澳大利亞太古宙及中元古代沉積巖中的稀土元素含量和配分模式非常相似。

表3 義哈德石墨礦變質(zhì)巖稀土元素含量分析結(jié)果 (單位：×10-6)

淺粒巖1件樣品(樣號17)顯示稀土分餾程度較高，輕稀土向右陡傾，重稀土向左微傾呈一不對稱“V”形(圖2)。正銪異常明顯，這可能是由于原巖中泥質(zhì)物含量變化較大，或者個別樣品含有一定量的陸源火山物質(zhì)所致。

圖2 長英質(zhì)巖類、碳酸鹽類稀土元素曲線配分圖

片麻巖2件樣品中∑REE、∑Ce/∑Y及(La/Yb)N相差較大，其它特征參數(shù)基本相近。稀土分餾程度較高，∑Ce/∑Y＝31.97～39.79，(La/Yb)N＝5.49～12.17；δEu＝1.03，略顯正銪異常。曲線模式總體平緩右傾(圖2)，但輕稀土曲線部分差別較大，反映了片麻巖為不同的原巖類型。其中樣品18的曲線模式近似于變粒巖，而樣品19的曲線模式與太古宙玄武安山巖明顯可比。

(2)大理巖類。

1件樣品∑REE＝156.21×10-6，∑Ce/∑Y=6.43，(La/Yb)N=33.00，反映了輕、重稀土分餾程度高，輕稀土較為富集。δEu=0.32，具有較明顯的負(fù)銪異常。稀土元素曲線與變粒巖相似。

4 原巖恢復(fù)

原巖恢復(fù)主要依據(jù)野外宏觀特征、巖石組合類型、變余結(jié)構(gòu)構(gòu)造等進(jìn)行判定，并結(jié)合巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)以及圖解判別法對巖石的原巖類型進(jìn)行探討[3-4]。

宏觀上觀察，不同巖石類型雖經(jīng)歷了變質(zhì)作用改造和構(gòu)造面理置換，但局部仍保留了部分原巖的結(jié)構(gòu)特征。鏡下觀察，巖石中的變余砂狀結(jié)構(gòu)、變余層理構(gòu)造仍不同程度保留沉積巖的砂狀或粉砂狀結(jié)構(gòu)特征，顯示其原巖應(yīng)有砂巖—泥質(zhì)粉砂巖類；斜長石的變余斑狀結(jié)構(gòu)、環(huán)帶構(gòu)造等特點顯示保留了不同程度的火山巖的某些特征，尤其是大理巖類，巖石呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出[4，7，8，9]。

從上述宏觀、微觀特征可以看出，該巖組為一套典型的變質(zhì)表殼巖組合，其原巖總體為一套泥砂質(zhì)沉積巖—中基性火山巖—碳酸鹽巖建造。為進(jìn)一步證實該結(jié)論，利用樣品化學(xué)分析結(jié)果對該巖群中的主要巖石類型進(jìn)行了圖解判別。

(1)長英質(zhì)巖類。

在(al+fm)-(c+alk)對Si圖解中(圖3)，變粒巖2件樣品(樣號3、12)的投影點落入砂質(zhì)沉積巖—泥質(zhì)沉積巖區(qū)；淺粒巖(樣號17)落入砂質(zhì)沉積巖端區(qū)；片麻巖1件樣品(樣號18)落入靠近泥質(zhì)沉積巖區(qū)部位，另1件樣品(樣號19)投入火山巖區(qū)。

在A-C-FM圖解中(圖4)，變粒巖樣品3落入凝灰質(zhì)粉砂巖區(qū)與基性火山巖及鐵質(zhì)白云質(zhì)泥灰?guī)r區(qū)交界處外，樣品12落入粘土巖及亞雜砂巖區(qū)與中性及堿性火山巖和雜砂巖區(qū)的過渡區(qū)；淺粒巖落在富鋁粘土巖及酸性火山巖區(qū)；片麻巖樣品18投入粘土巖及亞雜砂巖或中性及堿性火山巖和雜砂巖區(qū)；樣品19落在基性火山巖及鐵質(zhì)白云質(zhì)泥灰?guī)r區(qū)。

在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，變粒巖樣品3落入硬砂巖區(qū)，樣品12投入泥質(zhì)砂巖區(qū)；淺粒巖樣品(樣號17)落于長石砂巖區(qū)；片麻巖樣品18落在復(fù)礦砂巖區(qū)且靠近泥質(zhì)砂巖區(qū)邊部。

圖3 (al+fm)-(c+alk)-si 圖解(據(jù)西蒙南，1953)

綜上信息，長英質(zhì)巖石原巖應(yīng)為泥砂質(zhì)巖—中性火山巖組合?？梢钥闯觯兞r粘土質(zhì)成分含量高，表明沉積速率相對較為緩慢；淺粒巖礦物成熟度欠佳；而片麻巖則為構(gòu)造環(huán)境不穩(wěn)定的雜砂巖和中性火山巖。部分巖石中顯示有火山物質(zhì)的信息，因此不排除有陸源火山物質(zhì)混入的可能性。

(2)碳酸鹽巖類。

根據(jù)野外宏觀特征及變余層理構(gòu)造、巖石化學(xué)特征及A-C-FM圖解(圖4)投點等進(jìn)行綜合判別，其原巖應(yīng)為含泥砂質(zhì)灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r。

圖4 A-C-FM 圖解(據(jù)謝緬年科，1966)

5 古沉積環(huán)境淺析

由于碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征主要取決于其物質(zhì)組成，而物質(zhì)組成又與其物源和大地構(gòu)造環(huán)境有著非常密切的關(guān)系，因此碎屑沉積巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)可以用來恢復(fù)構(gòu)造背景[6]。

沉積巖的沉積大地構(gòu)造環(huán)境可以利用常量元素Al2O3的含量與Al2O3+Fe2O3的含量之比值來判別，其比值介于0.86～0.97，均值為0.91與大陸邊緣環(huán)境值為0.6～0.9相似[6，10，11]，該比值變化幅度相對很小，且該值落在大陸邊緣環(huán)境判別區(qū)間的上限附近，充分反映了太平莊組變質(zhì)巖的原巖主要為島弧及大陸邊緣沉積環(huán)境。沉積巖中的TiO2含量則與陸源物質(zhì)的介入有關(guān)，MnO含量與大洋深部熱液作用有關(guān)，MnO/TiO2比值介于0.09～0.24，表明其原巖具有大陸邊緣沉積巖的特征[6]。結(jié)核西蒙南圖解樣品19落在火山巖區(qū)，而19號樣品常量元素與島弧拉板玄武特征巖相近，表明其形成于火山島弧環(huán)境的特點。

結(jié)合前述特征，可對太平莊組形成的構(gòu)造環(huán)境淺析如下：太平莊巖組原巖為一套中、基性火山巖—砂巖、泥質(zhì)巖—碳酸鹽巖組合。中、基性火山巖發(fā)育，沉積巖以雜砂巖及粉砂巖為主，沉積速率相對較快，碳酸鹽巖不發(fā)育。反映了島弧及大陸邊緣弧側(cè)劇烈動蕩的構(gòu)造環(huán)境。

圖5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(據(jù)涅洛夫，1974)

6 結(jié)論

本文采用巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)以及圖解判別法恢復(fù)了義哈德石墨礦變質(zhì)巖的原巖類型，并探討了其古沉積環(huán)境，得出以下結(jié)論。

(1)義哈德石墨礦變質(zhì)巖主要賦存在中元古界紅旗營子巖群太平莊組，為一套高角閃巖相深成變質(zhì)巖，巖性主要為變粒巖、淺粒巖、片麻巖夾大理巖。

(2)巖相學(xué)和巖石地球化學(xué)研究結(jié)果均表明義哈德石墨礦床含礦建造原巖為一套中、基性火山巖—砂巖、泥質(zhì)巖—碳酸鹽巖組合。中、基性火山巖發(fā)育，沉積巖以雜砂巖及粉砂巖為主，碳酸鹽巖不發(fā)育。

(3)變質(zhì)巖原巖的古沉積環(huán)境顯示

為火山活動強(qiáng)烈，構(gòu)造環(huán)境極不穩(wěn)定的島弧及大陸邊緣弧側(cè)劇烈動蕩的構(gòu)造環(huán)境。