安徽省泗縣山頭金剛石砂礦中指示礦物特征研究

董鐘斗，蔡逸濤，曹正琦，張 潔，向 華，康叢軒

（1. 安徽省地勘局第二水文地質(zhì)工程勘察院，安徽蕪湖 241000；2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；3. 湖北文理學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053；4. 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局四一三隊(duì)，湖南常德 415000）

金剛石是找礦難度最大的礦種之一，砂礦一般先于原生礦被人們發(fā)現(xiàn)[1-3]。我國(guó)金剛石找礦進(jìn)程中，也是先發(fā)現(xiàn)砂礦，再溯源尋找原生礦。如山東郯城地區(qū)砂礦中發(fā)現(xiàn)的巨鉆“常林鉆石”，蘇北新沂地區(qū)的金剛石砂礦以及湖南金剛石砂礦[4-5]。這些砂礦的發(fā)現(xiàn)為尋找原生金剛石礦提供了諸多線索，砂礦中最重要的伴生礦物為石榴子石、鉻鐵礦等，尤其是高鉻的石榴子石，往往作為金伯利巖或其他含金剛石母巖的指示礦物而備受地質(zhì)學(xué)家重視[6-8]。安徽省泗縣山頭地區(qū)早在1960年代就發(fā)現(xiàn)金剛石砂礦點(diǎn)。在2012年安徽宿州欄桿地區(qū)發(fā)現(xiàn)原生金剛石后[9]，有學(xué)者提出泗縣山頭地區(qū)金剛石是否來(lái)自于欄桿地區(qū)的原生金剛石礦的問(wèn)題[10]。為此，本文以泗縣山頭地區(qū)金剛石砂礦中的指示礦物石榴子石和鉻鐵礦為研究對(duì)象，并與欄桿地區(qū)原生金剛石礦的相應(yīng)指示礦物進(jìn)行對(duì)比，探討砂礦中金剛石的來(lái)源，以期能夠?qū)^(qū)域金剛石找礦工作有所啟示。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

泗縣山頭地區(qū)位于華北克拉通東南緣，基底為新太古代五河群、霍丘群和古元古代鳳陽(yáng)群，時(shí)代為1878～2963 Ma[12-13]；蓋層包括青白口系、南華系、震旦系及寒武系，巖性為石英巖、灰?guī)r、頁(yè)巖等，總厚達(dá)7000米。古生代時(shí)，本區(qū)長(zhǎng)期處于隆起剝蝕狀態(tài)，造成上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)缺失。侏羅紀(jì)以來(lái)形成陸相沉積，包括河湖相及中性火山巖復(fù)陸屑建造組合。

郯廬斷裂帶穿過(guò)泗縣地區(qū)的東部，由嘉山-廬江斷裂和五河-合肥斷裂構(gòu)成東西主干斷裂[14,15]，另有一系列與其配套的北西向斷裂（圖1）。

圖1 泗縣地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Sketch Geologic map of the Sixian area五角星為金剛石出土點(diǎn).

本區(qū)巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈，加里東期為少量輝綠巖的侵入，燕山期為中酸性巖的侵入和噴發(fā)，喜山期主要是超淺成-玄武質(zhì)巖漿的侵入和噴發(fā)，主要巖性有花崗巖、閃長(zhǎng)玢巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r。此外，還發(fā)育一些煌斑巖類(lèi)脈巖[18]。在區(qū)內(nèi)北部的大莊凹陷及泗縣凹陷內(nèi)分布的毛坦廠組（J3m）、黑石渡組（J1hs）以中基性火山巖、火山碎屑巖為主，巖性有安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r、氣孔狀安山巖、輝石安山巖等。在以往對(duì)泗縣翟莊的航磁異常（87-138）進(jìn)行鉆探驗(yàn)證時(shí)，還發(fā)現(xiàn)有堿性橄欖玄武巖。

2 山頭地區(qū)地質(zhì)特征

山頭地區(qū)砂礦點(diǎn)范圍內(nèi)廣泛發(fā)育第四系，包括中下更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。下更新統(tǒng)為河流相碎屑沉積，是主要含金剛石層位，分布在赤山南北兩端；上更新統(tǒng)下段屬殘坡積成因，含金剛石，上段為沖積成因粉質(zhì)粘土；全新統(tǒng)廣泛分布于赤山周?chē)臎_積平原上。山頭地區(qū)含金剛石的地層為下更新統(tǒng)豆沖組（Qp1d）和上更新統(tǒng)戚嘴組（Qp3q）。豆沖組依據(jù)巖性特征及空間分布（圖2），可進(jìn)一步分為上、中、下三個(gè)巖性段。

圖2 山頭地區(qū)砂礫層分布圖Fig. 2 Distribution map of sand and gravel in the Shantou area

豆沖組下段僅出露兩處，一處在赤山頂周?chē)硪惶幵诔嗌侥隙?，巖性為棕黃、棕紅、雜色粘土質(zhì)砂礫，礫石含量為65% ～ 80%，砂含量10%左右，粘土含量10% ～ 25%，自上而下礫石含量漸增，礫徑增大，粘土含量逐漸減少。礫石成分以安山巖（安山質(zhì)凝灰?guī)r）、硅質(zhì)條帶灰?guī)r、石英砂巖為主，脈石英次之，并含少量輝綠巖、閃長(zhǎng)煌斑巖、片麻巖及紅色砂巖礫石。礫石磨圓度差，多為棱角狀-次棱角狀，少為次圓狀，礫徑一般為1-10 cm，大者30-60 cm（主要為硅質(zhì)條帶灰?guī)r）。砂成分以長(zhǎng)石為主，石英次之，呈棱角狀-次棱角狀。結(jié)構(gòu)松散，分選性差，礫石排列無(wú)定向。下伏地層為古近系。豆沖組中段主要分布于赤山南段，赤山頂附近，巖性為灰黃、淺褐色砂礫，粘土質(zhì)砂礫，礫質(zhì)砂及含礫砂，在縱向上和橫向上巖性變化較大，顯示了河流相的沉積特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)礫石成分的測(cè)量（表1），發(fā)現(xiàn)豆沖組中段礫石成分以石英砂巖為主，石英巖、脈石英、燧石、瑪瑙、安山質(zhì)火山巖和紅色砂巖次之，偶見(jiàn)片麻巖、灰?guī)r、煌斑巖礫石；礫徑多為0.5-5 cm，少數(shù)達(dá)10 cm；礫石磨圓度差，多為次棱角狀，棱角狀次之，極少數(shù)為次圓狀-渾圓狀，其中片麻巖礫石多呈渾圓狀，且礫徑都小于5 cm。礫石排列略顯定向性；砂成分以長(zhǎng)石、石英為主，長(zhǎng)石一般風(fēng)化成粘土，但顆粒形狀仍依稀可辨，砂粒多呈棱角狀、次棱角狀。

表1 豆沖組中段成分統(tǒng)計(jì)表（%）Table 1 Composition statistics of the middle section of the Douchong Formation（%）

豆沖組上段主要分布在赤山南北兩端，北端零星分布；南端呈東西向長(zhǎng)條狀展布；巖性以褐灰色、灰黃色含礫砂及砂層為主，砂礫層次之。該段巖性特征與中段大致相同。通過(guò)對(duì)礫石的統(tǒng)計(jì)（表2），發(fā)現(xiàn)礫石成分以石英砂巖為主，磨圓度差；砂成分以長(zhǎng)石、石英為主；總體上上段細(xì)，以砂為主，并發(fā)育水平層理，礫石塊度明顯變小。

表2 豆沖組上段成分統(tǒng)計(jì)表（%）Table 2 Composition statistics of the up section of the Douchong Formation（%）

戚嘴組下段上覆于豆沖組，僅在赤山頂北東惠祠堂附近有零星出露，屬殘坡積沉積，由豆沖組改造而成，巖性為灰黃色、褐色含鐵錳球粘土質(zhì)砂礫、粘土質(zhì)砂礫、砂礫。礫石成分主要為石英砂巖、石英巖、脈石英、燧石等，另外還有紅色砂巖，礫徑一般為1-4 cm，少數(shù)達(dá)7-8 cm，多為次棱角-次圓狀，分選差，礫石排列不定向，砂成分為石英，棱角狀?？傊?，該層礫石成分及含礦性與豆沖組相似，其區(qū)別主要在于含有較多的鐵錳球，鐵錳球大小為1-2 mm，黑色，球體內(nèi)部為褐黃色，粘土含量增高，結(jié)構(gòu)松散。

3 山頭金剛石特征及對(duì)比

在該區(qū)砂礦點(diǎn)選獲金剛石64顆，顏色以無(wú)色至淺黃色為主，少量具有淺藍(lán)色、粉紅色、灰白色等，金剛光澤，X光下呈藍(lán)色。金剛石粒徑大多在 0.3 mm至2.0 mm之間，最大單粒為2.7 mm×2.1 mm ×2.9 mm，重22.3 mg。鏡下觀察，其中部分富含包裹體，以黑色片狀石墨（或片狀硫化物）為主，其次可見(jiàn)少量淺色包裹體，推測(cè)可能為石榴子石、透輝石、橄欖石等[19]。該區(qū)發(fā)現(xiàn)的金剛石部分具有較好的晶形，以階梯狀八面體、平八面體為主，其它有菱形十二面體、平八面體聚晶及其聚形等；曲面晶體有曲四六面體、曲面菱形十二面體、曲八面體等；八面體晶形晶面光滑，少見(jiàn)三角蝕像，曲面晶體表面常見(jiàn)特征的熔蝕坑、熔蝕溝。

前人在欄桿地區(qū)的輝綠巖等堿性基性巖中曾選獲大量微粒金剛石[20]，從顏色、晶體特征來(lái)看，均與泗縣地區(qū)出土的金剛石明顯不同（表3）。

表3 皖北地區(qū)金剛石特征一覽表Table 3 The list of diamonds features from North of Anhui

4 指示礦物特征

本區(qū)與金剛石成礦、找礦關(guān)系比較密切的重砂礦物有石榴子石，鉻鐵礦等。

本次研究選獲石榴子石300余粒，粒徑3-0.2 mm。以淺紫色、淺玫瑰色為主，其它還有淺紫青色、淺粉紅色等。

選獲的鉻鐵礦一般多呈黑色，半透明-不透明，具瀝青光澤，條痕棕色，硬度中等，粒徑大多為0.1-0.5 mm，少數(shù)晶?？蛇_(dá)1 mm，折射率在1.887-2.040之間，比重為4.18。

5 樣品分析及測(cè)試條件

樣品主要來(lái)自于2016-2018年安徽地勘局第二水文地質(zhì)工程勘查院在泗縣山頭地區(qū)的施工鉆孔（ZK1502和ZK1501）中的人工重砂。共測(cè)試石榴子石69顆，鉻鐵礦33顆。

將挑選出來(lái)的樣品經(jīng)過(guò)丙酮、酒精清洗，去除表面雜質(zhì)及污染，在雙目鏡下制成透明樹(shù)脂靶，并將其拋磨至礦物露出表面，進(jìn)行電子探針測(cè)試。

樣品分析在國(guó)家海洋局第二海洋研究所完成。使用儀器為JEOL JXA-8100電子微探針波譜儀，測(cè)試條件為：加速電壓15 kV，束流20 nA，光束直徑為5μm。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)礦物為：硬玉（Si，Na），橄欖石（Mg），鐵鋁榴石（Fe，Al），透輝石（Ca），透長(zhǎng)石（K），鉻鐵礦（Cr），金紅石（Ti），薔薇輝石 （Mn）和硅鈹鋁鈉石（Cl）。Ni，Co，Mn，Cr和Cl的計(jì)數(shù)時(shí)間峰值為30秒，背景計(jì)數(shù)時(shí)間為10秒，其他元素分析為峰值10秒，背景5秒。

6 測(cè)試結(jié)果

6.1 石榴子石化學(xué)成分特征

山頭地區(qū)伴隨金剛石出土的石榴子石的主要化學(xué)成分見(jiàn)表4，其中：MgO含量為11.81 ～ 4.04 wt%，SiO2含量為36.74～36.99 wt%，F(xiàn)eO含量為17.21 ～32.43 wt%，Na2O含量為0.03～0.40 wt%，Al2O3含量為21.19 ～23.34 wt%，CaO含量為0.84～ 8.16 wt%，MnO含量為0～2.18 wt%，Cr2O3含量很低，部分未達(dá)檢測(cè)限。

石榴子石的一般化學(xué)式為A32+B23+(SiO4)3，其中A大多為Ca、Mg、Fe、Mn，B則常為Al、Fe、Cr、Ti等。端元組分常見(jiàn)有鐵鋁榴石、鈣鋁榴石、鎂鋁榴石、鉻鋁榴石和鈣鉻榴石等端元組分。依據(jù)電子探針化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算的石榴子石的分子式表明（表5），山頭地區(qū)砂礦中石榴子石族礦物化學(xué)式中的A主要由Mg2+、Fe2+和Ca2+占位，B主要由Al3+和少量的Mn3+占位；三價(jià)陽(yáng)離子主要為Al3+，二價(jià)陽(yáng)離子主要為Fe2+；雖然Fe2+的離子半徑較大，難以與其他二價(jià)陽(yáng)離子置換，但在本區(qū)Mg2+和Fe2+之間的置換較普遍。

表5 山頭地區(qū)典型石榴子石分子式Table 5 Molecular formula of typical garnet in the Shantou area

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6.2 鉻鐵礦化學(xué)成分特征

鉻尖晶石類(lèi)礦物廣泛出現(xiàn)于金伯利巖等含金剛石母巖中，其含量甚至可超過(guò)石榴子石族礦物。當(dāng)Cr3+在單位晶胞中的數(shù)量大于8時(shí)為鉻鐵礦，小于8者為鉻尖晶石（單位晶胞中3價(jià)陽(yáng)離子數(shù)為16）[21]。山頭地區(qū)重砂中的鉻尖晶石類(lèi)礦物以鉻鐵礦為主；鉻尖晶石只有4粒，所占比例很小。

從表6可知，鉻尖晶石礦物中Cr2O3的含量最小值為35.17 wt%，絕大多數(shù)大于40wt%；MgO的含量為3.75～17.11 wt%，大多數(shù)在8 wt%左右；TiO2含量為0.11～2.26 wt%。

7 討論

本區(qū)石榴子石中的端員組分主要以鐵鋁榴石（Alm）為主（占比35.78%～75.79%），其次是鎂鋁榴石（Pyp）（占比16.44%～44.04%）（表7），鈣鋁榴石（Grs）占比較低（1.99%～22.67%）；其他端員組分鈣鐵榴石、錳鋁榴石和鈣鉻榴石的含量非常低，基本可以忽略不計(jì)。69件石榴子石化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)指示礦物石榴子石主要為鐵鋁-鎂鋁-鈣鋁石榴子石系列。按照Dawson Stephens對(duì)石榴子石的劃分方法（表8），本區(qū)石榴子石主要類(lèi)型應(yīng)為G3、G4石榴子石（圖3），其主要來(lái)自于榴輝巖[22-24]。

圖3 山頭地區(qū)石榴子石分類(lèi)圖[24]Fig. 3 Classification of garnets from the Shantou area (after [24])

表8 Dawson-Stephens分類(lèi)中不同巖石類(lèi)型石榴子石的平均氧化物含量[22]Table 8 Average oxides contents of garnets from different rock types [22]

宿州欄桿地區(qū)含金剛石母巖中的石榴子石端員組分主要以鈣鋁榴石（Grs）為主（41.64%-80.29%，平均為72.88%），其次是鈣鐵榴石（Adr）（18.45%-48.58%，平均為25.75%[23]），鎂鋁榴石的含量較低（0.29%-1.14%，平均為1.01%），主要為鈣鋁-鈣鐵-鎂鋁石榴子石系列，并且發(fā)現(xiàn)有超硅石榴子石的存在[23]，屬于G0系列石榴子石[24]。泗縣山頭砂礦中的石榴子石指示礦物與安徽欄桿地區(qū)石榴子石類(lèi)型完全不同，說(shuō)明該砂礦的金剛石不是源自欄桿地區(qū)的原生礦。

從另一個(gè)重要指示礦物——鉻鐵礦來(lái)看。根據(jù)Cr2O3含量可以將山頭地區(qū)的鉻鐵礦分為中鉻-鉻鐵礦和低鉻鉻鐵礦（圖4），且中鉻-鉻鐵礦與山東、遼寧金伯利巖中發(fā)現(xiàn)的中鉻-鉻鐵礦成分基本一致，但缺乏后者的高鉻-鉻鐵礦系列[25,26]。說(shuō)明山頭砂礦中鉻鐵礦應(yīng)該是與該區(qū)金剛石共生的指示礦物。

圖4 山頭地區(qū)鉻鐵礦成分分布圖Fig. 4 Composition diagram of chromites from the Shantou area

前人對(duì)安徽欄桿地區(qū)金剛石找礦指示礦物中鉻鐵礦的研究顯示，其大多為含鉻尖晶石[27]，Cr含量低于本區(qū)鉻鐵礦。因此，從化學(xué)成分上來(lái)講，泗縣地區(qū)的鉻鐵礦也并非來(lái)自欄桿地區(qū)。

綜上所述，泗縣地區(qū)砂礦和欄桿地區(qū)原生礦中的石榴子石、鉻鐵礦在化學(xué)成分上相差較遠(yuǎn)，并不屬于同一來(lái)源，同時(shí)也表明兩者金剛石來(lái)源不同。

8 結(jié)論

（1）安徽泗縣山頭地區(qū)砂礦中石榴子石族礦物主要為鐵鋁-鎂鋁-鈣鋁石榴子石系列的G3、G4石榴子石，與欄桿地區(qū)原生金剛石礦中石榴子石類(lèi)型完全不同。本區(qū)鉻尖晶石族礦物中中鉻-鉻鐵礦與山東、遼寧金伯利巖中發(fā)現(xiàn)的中鉻-鉻鐵礦成分基本一致，屬于含金剛石母巖中常出現(xiàn)的鉻鐵礦類(lèi)型，與安徽欄桿地區(qū)原生金剛石礦中鉻尖晶石明顯不同。

（2）該區(qū)砂礦中出土的金剛石與宿州欄桿地區(qū)的原生金剛石在顏色、晶型等方面均有明顯不同，指示礦物也明顯不同，因此欄桿地區(qū)的金剛石原生礦并不是該區(qū)金剛石砂礦的物源，本區(qū)是否具有金剛石原生礦的潛力需要進(jìn)一步研究。