周琦忠，張 琪，馮學(xué)知，王 博，邱 磊，王國(guó)強(qiáng)

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，徐州 221004)

0 引言

2013年以來(lái)，江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)在蘇北地區(qū)啟動(dòng)了第二輪金剛石原生礦找礦工作，在郯廬斷裂帶西側(cè)張集、塔山、吳橋、西村等地區(qū)開(kāi)展了礦產(chǎn)普查工作[1-2]，從基性-超基性巖中選獲了6顆原生金剛石。其中白露山巖體選獲了3顆原生金剛石，包括2顆大顆粒金剛石(粒徑>1 mm)，這是郯廬斷裂帶西側(cè)首次發(fā)現(xiàn)的大顆粒金剛石，蘇北地區(qū)金剛石找礦工作取得了重要突破。

白露山巖體是近幾年在蘇北地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的金剛石含礦巖體，因相關(guān)研究工作剛剛起步，因此存在很多亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。該巖體中除了發(fā)現(xiàn)原生金剛石外，還選獲了大量鉻鐵礦。鉻鐵礦作為典型的金剛石指示礦物，可以較好地指示金剛石的含礦性[3-5]。本文通過(guò)研究白露山巖體中鉻鐵礦的化學(xué)成分，探討其成因及金剛石的含礦性，并與山東、遼寧含礦金伯利巖中鉻鐵礦的化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析白露山巖體的金剛石成礦潛力，為今后該區(qū)金剛石勘查工作提供參考資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

白露山巖體位于江蘇省徐州市東南部約55 km處，屬于徐州市睢寧縣姚集鎮(zhèn)管轄。其大地構(gòu)造位置處于華北陸塊區(qū)(Ⅰ1)膠東古陸塊(Ⅱ1)魯南被動(dòng)陸緣與陸表海盆地(Ⅲ1)徐淮陸表海盆地(Ⅳ2)徐州—宿縣弧形斷褶帶北東段，東距郯廬斷裂帶約45 km(圖1)。華北陸塊為典型的A型克拉通，區(qū)域上古老基底為新太古界泰山巖群，上覆蓋層為新元古界碳酸鹽巖和碎屑巖，厚度達(dá)數(shù)千米，為金剛石的形成提供了有利條件[1-2,6]。

Ⅰ1.華北陸塊區(qū)；Ⅰ2.秦祁昆造山系；Ⅰ3.揚(yáng)子陸塊區(qū)；Ⅱ1.膠東古陸塊；Ⅱ2.大別蘇魯?shù)貕K；Ⅱ3.下?lián)P子古陸塊；Ⅲ1.魯南被動(dòng)陸緣與陸表海盆地；Ⅲ2.蘇魯高壓-超高壓變質(zhì)巖系折返帶；Ⅲ3.蘇皖前陸盆地；Ⅳ1.魯南碳酸鹽巖臺(tái)地；Ⅳ2.徐淮陸表海盆地；Ⅳ3.蘇魯高壓-超高壓變質(zhì)亞帶；Ⅳ4.蘇北周緣前陸盆地；Ⅴ1.歡口新生代粉砂巖-泥巖建造；Ⅴ2.豐沛古生代碳酸鹽巖-陸緣碎屑巖建造；Ⅴ3.敬安新生代粉砂巖-泥巖建造；Ⅴ4.徐州—賈汪古生代碳酸鹽巖-陸緣碎屑巖建造；Ⅴ5.邳縣—睢寧新元古代陸緣碎屑巖-碳酸鹽巖建造；Ⅴ6.新沂—宿遷中生代磨拉石建造；Ⅴ7.東?！M榆地區(qū)云母片巖-石英巖-花崗片麻巖-榴輝巖建造；Ⅴ8.泗陽(yáng)—連云港地區(qū)綠色云母片巖-含磷大理巖-變粒巖-淺粒巖建造；Ⅴ9.濱海古生代陸緣碎屑巖-碳酸鹽巖建造；Ⅴ10.阜寧新生代粉砂巖-泥巖建造；Ⅴ11.建湖古生代陸緣碎屑巖-碳酸鹽巖建造

該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育，且多次疊加，形成了區(qū)域上錯(cuò)綜復(fù)雜的構(gòu)造格架。褶皺主要發(fā)生在印支期—燕山期，表現(xiàn)為徐州—宿縣弧形斷褶帶內(nèi)發(fā)育一系列軸向由NNE向漸轉(zhuǎn)為NEE向的復(fù)式褶皺，并略向NW向凸出呈弧形。區(qū)域斷裂主要為NE向、NNE向、NW向和近EW向4組，多期活動(dòng)性明顯，控制著區(qū)域巖漿巖的侵位與分布。

該區(qū)巖漿活動(dòng)不強(qiáng)烈，主要有3期巖漿巖，分別為新元古代輝綠巖、中生代中酸性侵入巖及噴出巖、新生代脈巖，白露山巖體屬于新生代巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

2 巖石學(xué)特征

白露山巖體出露于四山子村北—白露山一帶，受多組斷裂控制而呈枝杈狀分布，具有多次噴發(fā)的特點(diǎn)，其出露形態(tài)反映了裂隙式-中心式噴發(fā)的隱爆火山巖巖管特征。巖體由東、西2條巖脈和四山子村巖管組成，其中東、西2條巖脈在北段合并為1條，四山子村巖管可能在深部與東巖脈相連(圖2)。

圖2 白露山巖體平面示意圖

巖體的巖相分帶較明顯，根據(jù)巖石類(lèi)型及其分布特征，可分為中間相和外部相。自巖體內(nèi)部向外角礫含量逐漸增多，由中間相的橄欖玄武巖逐漸過(guò)渡為外部相的橄欖玄武質(zhì)隱爆火山角礫巖(圖3(a))。圍巖為震旦系九頂山組下段深灰色中厚層灰?guī)r，接觸界線清晰，圍巖蝕變以大理巖化為主，但蝕變范圍有限。

橄欖玄武巖呈灰黑色、黑綠色，具斑狀結(jié)構(gòu)、基質(zhì)間粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶主要由橄欖石(10%)、單斜輝石(10%)以及少量斜長(zhǎng)石和角閃石組成，粒徑一般為0.1～1.2 mm；基質(zhì)主要由斜長(zhǎng)石(50%)、單斜輝石(20%)、橄欖石(5%)以及少量不透明礦物、黑云母和角閃石組成，粒徑一般<0.1 mm(圖3(b))。橄欖石呈半自形-它形柱粒狀，基本被皂石或碳酸鹽礦物交代成假象。

(a)野外照片(b)顯微鏡下照片

橄欖玄武質(zhì)隱爆火山角礫巖呈深灰色、灰綠色，角礫狀構(gòu)造。角礫大小不一，直徑2～10 cm，多數(shù)呈渾圓狀，具熔蝕殼，成分極其復(fù)雜，主要為橄欖玄武巖和灰?guī)r，此外還可見(jiàn)凝灰質(zhì)、閃斜煌巖、輝石巖和片麻巖角礫等。膠結(jié)物主要為碎粉、火山塵及方解石等次生礦物等，粒徑<0.5 mm。

3 樣品特征與測(cè)試方法

3.1 樣品特征

本次研究的鉻鐵礦主要來(lái)自白露山巖體東巖脈選礦樣品中的重砂礦物。其顯微鏡下特征為：黑色，八面體，粒狀，金屬、半金屬光澤，不透明，高硬度，渾圓-半渾圓狀，無(wú)解理，斷口呈油脂光澤、瀝青光澤，條痕呈褐色，表面特征具有鏡面狀、指紋狀、致密狀及斜切邊狀(圖4)。

圖4 白露山巖體中的鉻鐵礦顯微鏡下照片

3.2 測(cè)試方法

對(duì)鉻鐵礦進(jìn)行單礦物制靶和電子探針測(cè)試。單礦物制靶在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司完成，電子探針測(cè)試在國(guó)家海洋局第二海洋研究所檢測(cè)中心完成。電子探針儀器型號(hào)為JXA-8100電子微探針波譜儀，測(cè)試條件為室溫23 ℃，濕度40%，加速電壓15 kV，束流20 nA，光束直徑5 μm，分析項(xiàng)目包括TiO2、Cr2O3、Al2O3、MgO、FeO和MnO含量測(cè)定。校正標(biāo)準(zhǔn)礦物主要為橄欖石(Mg)、鐵鋁榴石(Fe、Al)、鉻鐵礦(Cr)、金紅石(Ti)和薔薇輝石(Mn)；Mn、Cr計(jì)數(shù)時(shí)間峰值為30 s，背景計(jì)數(shù)時(shí)間為10 s，其他元素計(jì)數(shù)時(shí)間峰值均為10 s。

4 地球化學(xué)特征

4.1 主量元素

白露山巖體中鉻鐵礦的電子探針?lè)治鰯?shù)據(jù)見(jiàn)表1。鉻鐵礦的Cr2O3含量為46.10%～66.10%，平均值為58.12%；Al2O3含量為4.67%～14.78%，平均值為8.25%；MgO含量為9.68%～13.46%，平均值為11.63%；FeO含量為13.74%～25.43%；TiO2含量多數(shù)為0～1.65%，極個(gè)別含量為3.76%，平均值為0.81%。鉻鐵礦總體具有高Cr、低Al、高M(jìn)g的特征。

在鉻尖晶石晶格中，Cr3+和Al3+是占據(jù)B位的主要陽(yáng)離子，Cr2O3與Al2O3呈互為消長(zhǎng)關(guān)系[3]。在鉻鐵礦Cr2O3-Al2O3圖解(圖5)上，二者基本呈負(fù)相關(guān)，但存在一定的離散，這主要是由于Fe2O3含量較高，部分Fe3+替代了Cr3+和Al3+所致。

與金伯利巖中的鉻鐵礦相比，白露山巖體中的鉻鐵礦Cr2O3含量與山東富礦金伯利巖中的鉻鐵礦Cr2O3含量(53%～60%)大致相當(dāng)，比遼寧富礦金伯利巖中的鉻鐵礦Cr2O3含量(43%～58%)略高，明顯高于河南無(wú)礦金伯利巖中的鉻鐵礦Cr2O3含量(30%～46%)[4]。

4.2 種類(lèi)劃分

為了詳細(xì)劃分白露山巖體中鉻鐵礦的種類(lèi)，本文采用陰離子法[5](氧原子數(shù)為4)計(jì)算得到了各配位陽(yáng)離子數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出化學(xué)分子式，確定其種類(lèi)，其中Fe2+和Fe3+通過(guò)剩余電價(jià)法估算得出。

尖晶石族的化學(xué)通式為AB2O4。計(jì)算結(jié)果(表1)顯示：A組陽(yáng)離子主要為Mg2+和Fe2+，占位數(shù)分別為0.49～0.66和0.34～0.52，Mn2+占位極少，不超過(guò)0.02；B組陽(yáng)離子主要為Cr3+、Al3+和Fe3+，占位數(shù)分別為1.19～1.72、0.18～0.56和0.04～0.27，Ti4+占位極少，不超過(guò)0.04。本文以占位陽(yáng)離子數(shù)>0.05的元素參與分類(lèi)命名，將白露山巖體中的鉻鐵礦劃分為3個(gè)亞種[7]，其中以鎂鐵-鉻鋁鐵亞種(17個(gè)樣品)為主，少數(shù)為鎂鐵-鉻鋁亞種(3個(gè)樣品)或鐵鎂-鉻鋁鐵亞種(2個(gè)樣品)。

根據(jù)B組3價(jià)陽(yáng)離子的相對(duì)含量，依據(jù)索科洛夫鉻尖晶石分類(lèi)方案[8]，將鉻尖晶石分為12類(lèi)。在鉻尖晶石類(lèi)礦物分類(lèi)圖解(圖6)上，白露山巖體中的鉻鐵礦大多數(shù)屬于鉻鐵礦類(lèi)，少數(shù)由于Al2O3或Fe2O3含量略高而落入鋁鉻鐵礦、富鐵鋁富鉻尖晶石和富鐵鉻尖晶石類(lèi)(圖6)。

圖6 鉻尖晶石類(lèi)礦物分類(lèi)圖解[6]

一些學(xué)者根據(jù)Mg、Fe2+、Cr、Al的化學(xué)成分，將尖晶石分為鋁尖晶石、鐵尖晶石、鉻鐵礦和鎂鉻鐵礦[9]。白露山巖體中的鉻鐵礦Cr/(Cr+Al)值為0.7～0.9，均>0.5，Mg/(Mg+Fe2+)值為0.49～0.66，基本>0.5。在尖晶石類(lèi)礦物化學(xué)成分分類(lèi)圖解(圖7)上，白露山巖體中的鉻鐵礦大多數(shù)落入鎂鉻鐵礦區(qū)，僅3個(gè)樣品落入鉻鐵礦區(qū)。山東蒙陰含金剛石金伯利巖中的鉻鐵礦與遼寧瓦房店50號(hào)巖管金伯利巖中的鉻鐵礦也多為鎂鉻鐵礦[10]。

圖7 尖晶石類(lèi)礦物化學(xué)成分分類(lèi)圖解

5 討論

5.1 成因

對(duì)于鉻尖晶石的成因，一般認(rèn)為高Cr鉻尖晶石(Cr/(Cr+Al)>0.6)形成于深部地幔，而高Al鉻尖晶石(Cr/(Cr+Al)<0.6)形成于接近莫霍面的淺部地幔[11]。在鉻鐵礦Cr/Fe3+-Cr/(Cr+Al)圖解(圖8)上，樣品投影點(diǎn)從淺部地幔到深部地幔均有分布，但主要集中在深部地幔，說(shuō)明白露山巖體中的鉻鐵礦主要來(lái)自深部地幔。

圖8 鉻鐵礦Cr/Fe3+-Cr/(Cr+Al)圖解[11]

一些學(xué)者[10,12]認(rèn)為，隨著鉻鐵礦中Cr2O3成分的變化，Al2O3與TiO2的成分變化表現(xiàn)出2種趨勢(shì)：一是Cr2O3與Al2O3呈負(fù)相關(guān)，而與TiO2無(wú)相關(guān)性，代表其原地幔巖為橄欖巖；二是Cr2O3與TiO2呈負(fù)相關(guān)，而與Al2O3無(wú)相關(guān)性，代表其原地幔巖為苦橄巖。在鉻鐵礦Cr2O3-Al2O3圖解(圖5)與Cr2O3-TiO2圖解(圖9)上，白露山巖體中鉻鐵礦的Cr2O3與Al2O3、TiO2成分變化表現(xiàn)為第一種趨勢(shì)，表明其原地幔巖為橄欖巖。

圖9 鉻鐵礦Cr2O3-TiO2圖解

對(duì)于含金剛石巖體中的鉻鐵礦來(lái)說(shuō)，其成因更為復(fù)雜，一般包括地幔捕虜體成因、原生結(jié)晶成因、金剛石中的鉻鐵礦包體以及成巖期后交代成因等[3]。白露山巖體主體巖性為橄欖玄武巖，是一種略偏堿性的基性巖，來(lái)源深度通常不超過(guò)70 km[13]，很難結(jié)晶出高Cr鉻鐵礦，后期交代成因顯然與前述來(lái)自深部地幔的觀點(diǎn)不符，因此白露山巖體中的鉻鐵礦更可能來(lái)自地幔捕虜體。白露山巖體除主體巖性之外，還含有大量隱爆角礫，其成分十分復(fù)雜，但由于地幔捕虜體在地表極易發(fā)生蝕變，目前僅發(fā)現(xiàn)輝石巖等深源捕虜體，尚未發(fā)現(xiàn)其他類(lèi)型的深源捕虜體，后期有待進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究工作。

5.2 金剛石含礦性

在金剛石找礦過(guò)程中，鉻鐵礦常作為重要的指示礦物。關(guān)于鉻鐵礦與金剛石含礦性的關(guān)系，學(xué)者們普遍認(rèn)為富Cr貧Al(Cr2O3含量>54%，Al2O3含量<10%)的鉻鐵礦越多，金剛石的含礦性越好[3,10,13-15]。白露山巖體中的鉻鐵礦大多數(shù)屬于高Cr、低Al鉻鐵礦(圖4)，與含礦巖體關(guān)系密切。

除了Cr、Al含量外，Cr、Mg含量在一定程度上也可指示金剛石的含礦性[3,10]。在鉻鐵礦Cr2O3-MgO圖解(圖10)上，白露山巖體中鉻鐵礦樣品投影點(diǎn)分布較分散，在蒙陰常馬莊含礦金伯利巖和遼寧50號(hào)巖管鉻鐵礦區(qū)均有分布，僅少數(shù)樣品投影點(diǎn)落在這2個(gè)區(qū)域之外，且有一部分樣品投影點(diǎn)落入金剛石包體區(qū)，表明這些鉻鐵礦與金剛石具有密切關(guān)系，指示金剛石的含礦性較好。

圖10 鉻鐵礦Cr2O3-MgO圖解[10]

張安棣[3]在研究金剛石指示礦物特征時(shí)，通過(guò)對(duì)TiO2、Al2O3、Cr2O3和MgO含量4個(gè)變量進(jìn)行Q型聚類(lèi)分析，獲得了鉻尖晶石化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)分類(lèi)表(表2)。根據(jù)以上4個(gè)含量變量，發(fā)現(xiàn)白露山巖體中的鉻鐵礦多屬于貧鈦富鋁富鎂鉻鐵礦(S4組)和富鈦貧鋁鎂鉻鐵礦(S6組)，其次為無(wú)鈦貧鋁富鎂鉻鐵礦(S1組)和含鈦貧鋁富鎂鉻鐵礦(S2組)，表明白露山巖體中的鉻鐵礦來(lái)自金伯利巖或鉀鎂煌斑巖，其中S1組和S2組鉻鐵礦是含礦巖體的標(biāo)型礦物，進(jìn)一步表明白露山巖體金剛石的含礦性較好，巖體可能含有含礦的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖捕虜體，這在一定程度解釋了大顆粒原生金剛石的來(lái)源問(wèn)題。

表2 12組鉻尖晶石的平均含量及產(chǎn)狀特征

綜上所述，白露山巖體中的鉻鐵礦與金剛石具有密切關(guān)系，該區(qū)具有良好的金剛石找礦前景。

6 結(jié)論與建議

(1)白露山巖體中的鉻鐵礦Cr2O3含量較高，平均值為58.12%；Al2O3平均值為8.25%；MgO平均值為11.63%。鉻鐵礦總體具有高Cr、低Al、高M(jìn)g的特征。按照化學(xué)分子式，鉻鐵礦多屬于鎂鐵-鉻鋁鐵亞種；根據(jù)索科洛夫鉻尖晶石分類(lèi)方案，白露山巖體中的鉻鐵礦多屬于鉻鐵礦；根據(jù)Mg、Fe2+、Cr、Al成分含量，鉻鐵礦多屬于鎂鉻鐵礦。

(2)白露山巖體中的鉻鐵礦是深部地幔橄欖巖結(jié)晶而成的，不是巖體本身的結(jié)晶產(chǎn)物，可能來(lái)源于巖體中的深源捕虜體。

(3)白露山巖體中的鉻鐵礦結(jié)晶溫度為1 253～1 354 ℃，與金剛石的形成溫度(1 150～1 400 ℃)相近；鉻鐵礦的化學(xué)成分與山東、遼寧含礦金伯利巖中鉻鐵礦的化學(xué)成分較相似，多數(shù)屬于S4組和S6組鉻鐵礦，少數(shù)屬于S1組和S2組鉻鐵礦，其中S1組和S2組鉻鐵礦是含礦巖體的標(biāo)型礦物。白露山巖體中的鉻鐵礦與金剛石具有密切關(guān)系，該區(qū)具有良好的金剛石成礦潛力和找礦前景。

(4)雖然本文已明確鉻鐵礦不是巖體的結(jié)晶產(chǎn)物，而是來(lái)自深源捕虜體，金伯利巖中的高Cr鉻鐵礦也多來(lái)自深源捕虜體。但目前尚未發(fā)現(xiàn)新鮮的深源包體或金伯利巖，而橄欖玄武巖的深度不足以直接攜帶大量的深源包體至地表，探尋地下深處是否存在更早期的金伯利質(zhì)巖漿活動(dòng)對(duì)解釋金剛石成因及下一步勘查方向具有重要意義，后期將開(kāi)展進(jìn)一步研究工作。

致謝：本文得到了江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)施建斌正高級(jí)工程師的理論指導(dǎo)，在野外考察及采樣中得到了江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院厲建華正高級(jí)工程師的大力幫助。此外，還得到了江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局王大志高級(jí)工程師、張建正高級(jí)工程師，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院張作宏高級(jí)工程師以及中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心蔡逸濤博士等專(zhuān)家的指導(dǎo)、支持和幫助。在此一并致以誠(chéng)摯的謝意！