山東昌樂(lè)玄武巖中藍(lán)寶石成因探討

劉 丹,張瑞香

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000)

2017-07-10

劉 丹(1989—)，女，湖北仙桃人，中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院助教，碩士，主要從事礦物巖石學(xué)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.003

山東昌樂(lè)玄武巖中藍(lán)寶石成因探討

劉 丹,張瑞香

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000)

利用藍(lán)寶石資源分布特點(diǎn)、剛玉巨晶成因及成礦條件和藍(lán)寶石顏色成因?qū)ι綎|昌樂(lè)藍(lán)寶石成因機(jī)制進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,山東昌樂(lè)藍(lán)寶石原生礦的分布受葛溝深大斷裂控制,含礦巖石為堿性玄武巖;剛玉巨晶形成于富含“地幔流體”的堿性巖漿中,地幔深處高溫高壓環(huán)境有利于藍(lán)寶石巨晶的形成;昌樂(lè)藍(lán)寶石主要致色離子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑離子為Fe3+,改色成功的關(guān)鍵在于降低三價(jià)鐵的同時(shí)保留或增加鈦的含量。

剛玉巨晶;藍(lán)寶石;成因;山東昌樂(lè)

藍(lán)寶石指除去紅寶石(紅色剛玉寶石)以外的所有剛玉寶石,是世界上公認(rèn)的珍貴彩色寶石品種[1]。山東昌樂(lè)是我國(guó)藍(lán)寶石的主要產(chǎn)地,發(fā)育有中國(guó)最大的與新生代堿性玄武巖有關(guān)的藍(lán)寶石礦床[2],隨著藍(lán)寶石需求量的增加,對(duì)該區(qū)大型藍(lán)寶石原生礦床的成礦條件進(jìn)行研究具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。筆者深入剖析昌樂(lè)藍(lán)寶石資源分布特點(diǎn)、剛玉巨晶成因及成礦條件、藍(lán)寶石顏色成因,對(duì)藍(lán)寶石的成因機(jī)制進(jìn)行研究。

1 昌樂(lè)藍(lán)寶石礦區(qū)域分布特點(diǎn)

根據(jù)形成寶石礦床地質(zhì)作用的類型,可將剛玉寶石礦床分為巖漿巖型、變質(zhì)巖型及外生砂礦型,其中巖漿巖型又包括侵入巖型、偉晶巖型、火山巖型。昌樂(lè)地區(qū)藍(lán)寶石原生礦與砂礦并存(圖1),原生礦屬于火山巖型礦床,含礦巖石為新生代堿性玄武巖,是目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)的最大寶石礦之一。該區(qū)發(fā)育有長(zhǎng)200 km,NNE向葛溝深大斷裂,為郯廬斷裂帶在山東昌樂(lè)境內(nèi)分支,新近紀(jì)主要表現(xiàn)為拉張裂陷作用,此時(shí)玄武巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,以斷裂帶為通道,寧?kù)o噴溢出地表,形成低緩的熔巖臺(tái)地或盾狀火山錐。其中牛山期玄武巖分布廣泛,堯山期玄武巖零星分布,藍(lán)寶石原生礦主要賦存于牛山組堿性玄武巖中。含礦巖石具有斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為橄欖石和單斜輝石,基質(zhì)主要為斜長(zhǎng)石微晶和少量玻璃質(zhì),并具氣孔、杏仁構(gòu)造,屬堿性橄欖玄武巖,巖石中剛玉巨晶與幔源橄欖巖包體緊密伴生,含礦性越好的玄武巖所含幔源包體越大越多。長(zhǎng)期暴露地表的含礦玄武巖被風(fēng)化破壞后,形成殘坡積和沖洪積砂礦床,主要分布在方山周圍的五圖-新旺水系中。

2 剛玉巨晶成因及成礦條件

山東昌樂(lè)剛玉在玄武巖中以孤立單晶的形式存在,與寄主巖界限清晰,表面明顯的熔蝕現(xiàn)象和尖晶石、鈦磁鐵礦反應(yīng)邊說(shuō)明其與寄主巖漿存在化學(xué)不平衡,與寄主巖漿發(fā)生了交代反應(yīng),由此判斷剛玉礦物是堿性玄武巖漿早期結(jié)晶的高壓巨晶[3-4]。而巨晶中大量不混熔相熔體、流體-熔體包裹體的發(fā)現(xiàn)表明巨晶結(jié)晶過(guò)程中流體作用明顯,其形成于不均勻的流體-熔體體系中[5-6]。剛玉巨晶成礦環(huán)境復(fù)雜,受多種因素的影響和制約。

(引自昌樂(lè)縣地質(zhì)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用研究,李洪奎等,2014)圖1 昌樂(lè)藍(lán)寶石礦分布區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.1 物質(zhì)來(lái)源

昌樂(lè)藍(lán)寶石Al2O3含量為98%～99%,巖漿中Al2O3是剛玉結(jié)晶的物質(zhì)基礎(chǔ)。昌樂(lè)地區(qū)玄武巖化學(xué)成分、剛玉礦物中包裹體研究表明,形成剛玉巨晶的母源巖漿相對(duì)貧Si,富Al,富堿(Na和K),富揮發(fā)分。含礦玄武巖SiO2含量約43.5%,Al2O3含量約13.5%,Na2O+K2O含量約5.3%,具有貧Si,富Al,富堿的特點(diǎn)[3];剛玉中鉀長(zhǎng)石、霞石等礦物包裹體及富鋁、富鉀、富鈉玻璃包裹體的發(fā)現(xiàn)均說(shuō)明剛玉形成于堿性巖漿中;剛玉中包裹體流體成分以CO2為主,同時(shí)包含H2O、N2和H2S等,稀有氣體及氧同位素研究顯示流體幔源特征明顯,因此可以認(rèn)為剛玉形成于富含“地幔流體”的堿性巖漿中。地幔流體通過(guò)地幔交代作用影響著巖漿的形成與演化,在地幔流體的淋濾下,下地殼中的Al和堿金屬更容易進(jìn)入低度熔融的上地幔巖漿中,為剛玉礦物的形成提供重要的物質(zhì)來(lái)源[6]。富Al,富堿,富揮發(fā)分的母源巖漿有利于剛玉礦物的形成,堿質(zhì)和揮發(fā)分促進(jìn)了硅氧骨干中氧橋斷裂[3],使Al以六次配位的Al2O3形式結(jié)晶,形成獨(dú)立的剛玉礦物。

2.2 溫壓條件

圖2 過(guò)冷度與結(jié)晶能力關(guān)系

剛玉礦物形成于高溫高壓環(huán)境中,溫度的緩慢降低有利于剛玉巨晶的形成。一定的化學(xué)成分下,大于0.7 GPa剛玉就可從玄武巖漿中結(jié)晶出來(lái),且?guī)r漿所處的壓力越高,剛玉首晶區(qū)越大,晶出寶石級(jí)剛玉的可能性就越大。地質(zhì)溫度計(jì)和壓力計(jì)計(jì)算結(jié)果表明含礦巖石中地幔橄欖巖包體形成的溫度和壓力為1 100 ℃、1.5 GPa[3],代表了形成剛玉礦物的高溫高壓條件。剛玉巨晶中熔融包裹體均一溫度在1 000～1 300 ℃之間,為剛玉內(nèi)包裹體的捕獲溫度,與形成剛玉礦物的高溫條件相吻合。巖漿的溫度同時(shí)影響著剛玉晶體的數(shù)量和大小,過(guò)冷度與結(jié)晶能力關(guān)系(圖2)表明,Al2O3一定的情況下,過(guò)冷度為ΔT1時(shí),成核密度小,生長(zhǎng)速度相對(duì)較大,形成數(shù)量少、晶體大的剛玉;過(guò)冷度為ΔT2時(shí),成核密度和生長(zhǎng)速度均較大,形成數(shù)量中等、晶體大小中等的剛玉;過(guò)冷度為ΔT3時(shí),成核密度大,生長(zhǎng)速度小,形成數(shù)量眾多但晶體小的剛玉。因此,巖漿溫度達(dá)到剛玉結(jié)晶點(diǎn)后,過(guò)冷度在ΔT1附近時(shí),最有利于寶石級(jí)剛玉礦床的形成。

2.3 保存條件

地幔深處形成的剛玉巨晶能否在高溫巖漿中保存,能否順利上升至地表受寄主巖漿的黏度、密度、上升速度等多種因素制約,而堿性玄武巖漿黏度和密度均較小,巖石的含礦性主要取決于巖漿的上升速度。剛玉巨晶與幔巖包體的伴生關(guān)系說(shuō)明含礦巖漿較不含礦巖漿上升速度更快,若巖漿上升速度較慢,一方面已形成的剛玉巨晶由于重力作用更易下沉,另一方面剛玉礦物有更多的時(shí)間與寄主巖漿發(fā)生反應(yīng)而被熔蝕或交代。剛玉巨晶與寄主玄武巖間存在兩類反應(yīng)邊,一類由尖晶石帶和鈦磁鐵礦+熔體帶構(gòu)成,為反應(yīng)沒(méi)有達(dá)到平衡的產(chǎn)物,反應(yīng)時(shí)間較短;另一類由尖晶石帶和長(zhǎng)石+鈦磁鐵礦帶構(gòu)成,為反應(yīng)平衡或接近平衡的產(chǎn)物,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。以剛玉礦物與巖漿反應(yīng)形成斜長(zhǎng)石為例,昌樂(lè)藍(lán)寶石平均直徑為3 cm,為克服其重力使其不下沉,玄武巖漿上升的最小速度為1.1 km/h,若以此速度從100 km的地下深處到達(dá)地表,則大約需要94 h,當(dāng)溫度為1 160 ℃時(shí),斜長(zhǎng)石生長(zhǎng)速度為5×10-9cm/s,94 h內(nèi)藍(lán)寶石將有0.017 mm的熔蝕。因此,巖漿的快速上升能夠保證剛玉巨晶被攜帶至地表保存下來(lái),形成具有經(jīng)濟(jì)意義的藍(lán)寶石礦床。

3 藍(lán)寶石的顏色成因

純凈的剛玉無(wú)色透明,山東昌樂(lè)藍(lán)寶石顏色較深,多呈藍(lán)黑色、黑藍(lán)色。寶石自身的致色因子對(duì)不同波長(zhǎng)或能量的光源選擇性吸收和透射或反射導(dǎo)致了寶石的顏色[1]。剛玉寶石的顏色與化學(xué)成分密切相關(guān),昌樂(lè)藍(lán)寶石主要致色因子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,三種離子的含量決定了藍(lán)寶石的藍(lán)色,含量越高且鐵鈦比越高,顏色越深。它們以類質(zhì)同像的方式替代Al3+,其中全鐵含量為0.723%～1.522%,平均1.02%,三價(jià)鐵占優(yōu)勢(shì),鈦離子平均含量為0.03%。Fe2+和Ti4+對(duì)可見(jiàn)光565 nm的吸收使藍(lán)寶石呈美麗的藍(lán)色,Fe3+對(duì)可見(jiàn)光有442 nm的藍(lán)紫光吸收,使藍(lán)寶石呈黑色,所以Fe3+為主要的致黑離子。根據(jù)這一原理,早期山東昌樂(lè)藍(lán)寶石改色研究中只注重減少Fe3+含量,但降低Fe3+的同時(shí),Fe2+的含量必然會(huì)增多,而Fe2+和Ti4+的比例控制在1:1時(shí),藍(lán)色最純,因此山東昌樂(lè)藍(lán)寶石改色成功的關(guān)鍵在于降低三價(jià)鐵的同時(shí)保留或增加鈦的含量。

藍(lán)寶石生長(zhǎng)過(guò)程中所處的地球化學(xué)環(huán)境和溫壓條件決定了Fe和Ti含量,堿性玄武巖型藍(lán)寶石顏色均較深,與變質(zhì)成因的藍(lán)寶石相比,地殼深處堿性玄武巖漿中Fe和Ti含量更高,藍(lán)寶石生長(zhǎng)過(guò)程中的高溫條件有利于類質(zhì)同象替換,高壓條件能促進(jìn)六次配位的Fe3+進(jìn)入晶格替換Al3+。因此,堿性玄武巖型藍(lán)寶石中Fe和Ti含量普遍較高。

4 結(jié) 論

(1)山東昌樂(lè)地區(qū)藍(lán)寶石原生礦的分布受葛溝深大斷裂控制,含礦巖石為堿性玄武巖,巖石中剛玉巨晶與幔源二輝橄欖巖包體緊密伴生。

(2)剛玉巨晶形成于地幔深處高溫高壓環(huán)境中,從相對(duì)貧Si、富Al、富揮發(fā)分、富堿的母源巖漿中結(jié)晶出來(lái)后,經(jīng)歷緩慢降溫,形成藍(lán)寶石巨晶,寄存在迅速上升的玄武巖漿中,隨著巖漿的噴發(fā)作用被攜帶至地表。

(3)山東昌樂(lè)藍(lán)寶石顏色較深,主要致色離子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑離子為Fe3+,改色成功的關(guān)鍵在于降低三價(jià)鐵的同時(shí)保留或增加鈦的含量。

[1] 張蓓莉.系統(tǒng)寶石學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2006:60,198.

[2] 丘志力,陳炳輝,陳敬德.山東昌樂(lè)與堿性玄武巖有關(guān)剛玉巨晶中鋯石包裹體的發(fā)現(xiàn)及其意義[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,38(6):132-133.

[3] 董振信,楊良鋒,王月文.山東藍(lán)寶石原生礦床成因探討[J].地球?qū)W報(bào),1999,20(2):65-71.

[4] 余曉艷,姚曉梅,汪云峰,等.郯廬斷裂帶中段第三紀(jì)玄武巖特征及與剛玉形成的關(guān)系[J].地質(zhì)與勘探,2000,36(3):28-31.

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