皖南歙縣硯石板巖礦床地質特征及安全性研究

任明軍，周俊蘭,秦 偉,施建斌，楊曉勇

(1. 安徽省地質礦產勘查局332地質隊，黃山 245000 ；2. 中國科學技術大學，合肥 230026；3. 江蘇省地質礦產局第五地質大隊, 徐州 221004)

近些年來，隨著社會經濟的進一步發(fā)展，人們的物質文化需求越來越高。作為文房四寶之一，歙硯深受人們的喜愛。然而，硯石老坑已經告罄，硯石資源的保障及開發(fā)利用等問題亟需解決。2016年，安徽省地質勘查基金管理中心設立了“安徽省歙縣雙河口硯石板巖礦普查”項目，以期進一步解決硯石資源保障問題。筆者以該項目成果為基礎，通過詳實的野外地質調查，對皖南歙縣硯石板巖礦床的成礦地質條件及其安全性進行研究，為硯石資源的進一步勘查工作提供參考。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)大地構造位于揚子板塊東南緣，江南造山帶北東傾伏端(圖1)，屬歷口基底構造區(qū)，基底構造線呈NE向[1-3]。江南造山帶長期以來備受地學界關注，皖南大地構造格局及其構造演化存在多種觀點[4-18]，如張彥杰等[18]認為皖贛相鄰區(qū)地質發(fā)展史大致可分為晉寧期、加里東期、印支期和喜山期4個階段，其中晉寧期是主造山期，經歷了“揚子板塊東南緣裂開—初始洋盆發(fā)展—洋盆收縮閉合—碰撞造山”全過程，奠定了江南造山帶東段構造格架的基礎。

研究區(qū)地層屬揚子地層區(qū)江南地層分區(qū)[19-23]，主要出露青白口系和南華系。構造線以NE向為主，主要斷裂有NE向旌德斷裂和汪滿田韌、脆性斷裂。旌德斷裂長>30 km，寬2～3 km，切割了前震旦系、震旦系、許村巖體和七都巖體，由多條平移正斷層及復合巖墻群組成，具多期活動性。汪滿田韌、脆性斷裂呈北東45°走向，長約10 km，寬20～100 m，傾向東南，傾角中等—陡立。

受加里東期及印支期構造運動影響，研究區(qū)南東側形成NE向績溪復向斜。燕山期出現了績溪陸相伸展盆地，堆積了白堊紀陸相紅盆碎屑巖建造。西南部外圍基底發(fā)育青白口紀許村黑云母花崗閃長巖，北部和東部外圍發(fā)育晚侏羅世旌德花崗閃長巖體和石屋花崗斑巖。

1.白堊系；2.奧陶系；3.寒武系；4.震旦系；5.南華系；6.青白口系；7.元古界；8.黑云母花崗閃長巖；9.花崗閃長巖；10.斜長花崗斑巖；11.石英脈；12.花崗斑巖；13.輝綠巖-花崗斑巖復合巖墻群；14.斷層；15.礦床及編號;①.黃山市黃山區(qū)南山鉬礦；②.績溪縣大會山石英脈水晶礦；③.績溪縣上金山鎢鉬銀多金屬礦；④.黃山市黃山區(qū)箬嶺金礦；⑤.績溪縣洪坑硯石板巖礦；⑥.歙縣龍?zhí)冻幨V；⑦.歙縣汪滿田鉛鋅多金屬礦；16.礦區(qū)范圍圖1 皖南歙縣硯石礦區(qū)域地質礦產圖Fig. 1 Regional geological and mineral resources map of the inkstone mine in Shexian County, southen Anhui

2 礦床地質特征

歙縣雙河口硯石板巖礦床位于距離歙縣縣城(徽城鎮(zhèn))約35 km的大谷運村雙河口村，處于旌德斷裂與汪滿田韌、脆性斷裂之間。礦區(qū)以大谷運組淺變質碎屑巖系為主，巖漿巖不發(fā)育 (圖2)。

1.休寧組；2.鎮(zhèn)頭組；3.大谷運組上段D層；4.大谷運組上段C層；5.大谷運組上段B層；6.大谷運組上段A層；7.復合巖墻群；8.硯石礦體及編號；9.龍?zhí)兜V區(qū)；10.采樣位置及樣品編號圖2 歙縣雙河口硯石板巖礦區(qū)地質簡圖及采樣位置Fig. 2 Regional geological map and sampling locations of the inkstone mine in Shuanghekou, Shexian County

圖3 歙縣雙河口地區(qū)大谷運組上段基本層序示意圖Fig. 3 Sketch sequences of the upper segment of the Daguyun Formation in Shuanghekou district, Shexian County

2.1 地層

該礦區(qū)地層由南向北主要出露新元古代大谷運組(Pt3d)、青白口紀鎮(zhèn)頭組(Qbzh)和南華紀休寧組(Nhx)。

2.1.1 大谷運組

大谷運組為安徽省地質礦產勘查局332地質隊于1995年開展1∶5萬七都幅區(qū)域地質調查時建立的巖石地層單位，命名層型剖面位于歙縣大谷運村，穿越雙河口礦區(qū)。大谷運組位于牛屋組之上、鎮(zhèn)頭組之下，由火山碎屑巖和一套陸緣海淺(濱)相韻律性砂板巖組成，大部分砂板巖不發(fā)育粒序層理，不能用鮑馬序列描述[23]。張彥杰等[18]認為該套地層主體形成于820～840 Ma。

大谷運組賦存硯石板巖地層，分上、下兩段。下段暗紫色沉凝灰?guī)r與灰黑色凝灰質板巖呈韻律層，部分為中厚層凝灰質(硅化)硅質巖、條紋狀硅質板巖；上段為巖屑砂巖、粉砂巖夾含粉質絹云板巖和淺灰色砂巖、板巖。雙河口礦區(qū)僅出露上段，厚度>1 404 m，面積約7.7 km2，自下而上(由南向北)可分為4個巖性層。

(1)大谷運組上段A層。灰綠色砂巖夾灰黑色板巖，厚>128 m，為灰綠色、青灰綠色中厚層巖屑砂巖、灰黑色粉砂巖夾灰黑色板巖。 砂巖發(fā)育遞變層理，底部為砂巖(少量含細礫砂巖)，向上遞變?yōu)榧毶皫r，再向上為板巖(圖3(a))。巖性以砂巖為主，含少量板巖，分布具有規(guī)律性，垂向上每隔50～100 m有1層灰黑色板巖，單層厚10～30 cm，但做為硯石，質量不佳。

巖屑砂巖呈灰綠色-灰黑色，細粒砂狀結構，顆粒支撐結構，孔隙式膠結，塊狀構造。主要由碎屑物和膠結物組成，碎屑物主要為石英、巖屑和長石，碎屑含量約25%；膠結物多為泥質。碎屑多呈定向排列，長軸方向與巖層面一致，單層厚10～50 cm。粉砂巖呈灰黑色，粉砂結構，塊狀構造，主要由粉砂碎屑和石英組成，單層厚2～10 cm。板巖呈灰黑色，變余粉砂泥質結構，板狀構造，板理厚5～20 cm；主要由粉砂級碎屑、石英、絹云母和泥質組成。該層部分板巖可作為硯石板巖，顆粒較粗，質量不佳。

(2)大谷運組上段B層。青灰色中層砂巖與黑色板巖互層，厚533.6 m。砂巖單層厚10～30 cm，部分單層厚<10 cm或>50 cm，有明顯砂、細砂遞變層，粒序不明顯，底部有時見沖刷構造。板巖厚10～20 cm。青灰色中層砂巖夾深灰色薄層砂巖、灰黑色-黑色板巖韻律等厚互層，層面平直(圖3(b))，具薄層韻律砂巖與板巖互層，截面呈灰黑相間條帶。該層部分區(qū)段以灰黑色板巖為主，夾少量含粉砂絹云板巖的區(qū)段可作為硯石板巖礦層，厚0.58～4.00 m。

(3)大谷運組上段C層。淺灰色中厚層砂巖夾薄層深灰色粉砂質板巖，厚311.72 m。砂巖單層厚30～40 cm，板巖厚0.5～10 cm。見單層砂巖夾板巖或數層砂巖夾1層板巖，總體砂巖含量占優(yōu)勢(圖3(c))。該段含少量硯石板巖層。砂巖呈灰黑色，砂狀結構，塊狀構造，主要由石英和長石組成，見少量黃鐵礦化，呈星點狀分布。粉砂質板巖呈灰黑色-黑色，變余粉砂結構，板狀構造，主要由粉砂級長石和石英組成，多呈1～2 cm層厚夾在砂巖中。

(4)大谷運組上段D層。以粉砂質板巖為主，夾少量粉砂巖，厚430.92 m。該層為黑色薄-中層板巖、條紋狀板巖夾灰色薄-厚層砂巖。深灰色薄-中層板巖、含粉砂質板巖的板理面平整，延伸長。該段主要由絹云母和綠泥石組成，細微粒砂質。單層厚10～15 cm，以12～13 cm層厚為主。粉砂巖呈灰黑色，粉砂狀結構，塊狀構造，主要由粉砂級碎屑和石英組成，見少量石英細脈穿插其中。該段硯石板巖發(fā)育，1號主礦體即位于該層，部分地段(龍?zhí)冻幨V)曾被開采利用。

2.1.2 鎮(zhèn)頭組

鎮(zhèn)頭組分布在礦區(qū)北西部，面積約1.3 km2。巖性為紫灰、深灰色中-厚層沉凝灰?guī)r夾砂礫巖，底部為礫巖、含礫凝灰質砂巖、凝灰質砂巖。底部礫巖可分為粗礫和細礫，粗礫以次棱角狀長條形黑色板巖為主，凝灰質粗砂膠結；細礫以凝灰色粗砂巖、板(泥)巖礫為主，明顯壓扁拉長。上部為灰黑色、深灰色砂巖與板巖互層，砂巖夾板巖或板巖夾砂巖，發(fā)育波狀層理、透鏡狀層理和脈狀層理。

2.1.3 休寧組

休寧組分布在礦區(qū)北西角，面積約0.26 km2。底部為一套紫紅色、青灰色的雜礫巖、石英礫巖、砂礫巖和含礫砂巖，其上為紫紅色砂巖、青灰綠色凝灰質砂巖、凝灰質粉砂質泥巖、鮞狀凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r，發(fā)育平行層理、交錯層理；下部為青灰綠色沉凝灰?guī)r、紫紅色凝灰質砂巖，單層以中厚-厚層為主，含大量火山物質；中部為紫紅色凝灰質砂巖、粉砂巖夾少量淺灰色沉凝灰?guī)r，見小型交錯層理、波狀層理；上部為青灰綠色中-厚層狀凝灰質砂巖、含錳砂巖及粉砂質泥巖韻律層，發(fā)育平行紋理和板狀交錯層理。

2.2 構造

2.2.1 皺褶

礦區(qū)位于汪滿田大型倒轉扇形背斜倒轉翼，大谷運組倒轉，倒轉背斜軸面傾向南東，傾角陡。巖層以折曲滑動變形為主，主構造線呈NE向，區(qū)域變質為亞-低綠片巖相。

2.2.2 斷裂

礦區(qū)斷裂較少，僅局部地區(qū)見斷裂破碎，規(guī)模較小。

2.2.3 節(jié)理

礦區(qū)裂隙、節(jié)理發(fā)育程度一般，主要有NE向和NW向節(jié)理。沿NE向板理面發(fā)育順層節(jié)理，常見板理錯動擦痕。受汪滿田大型倒轉背斜影響，NE向節(jié)理為呈北東60°～70°走向的順層節(jié)理，節(jié)理面平直，裂隙寬大多<1 mm。NE向節(jié)理十分發(fā)育，成組或平行產出，平均節(jié)理率為4條/m，形成的板理層厚分別為5～10 cm、20～30 cm和40 cm以上，以20～30 cm層厚居多，延伸長。NE向節(jié)理對硯石礦成材率影響較小，更利于硯石礦開采。NW向節(jié)理較發(fā)育，規(guī)模一般較小，延長1～3 m，節(jié)理面較平直，裂隙寬<5 mm。NW向節(jié)理斜切板巖，影響硯石礦成材率。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)巖漿巖分布于礦區(qū)西北部，主要為由輝綠玢巖和花崗斑巖組成的許村復合巖墻群，許村復合巖墻群穿過許村巖體后侵入于大谷運組。巖墻群在礦區(qū)呈NE向展布，延長1～2 km，大致平行排列，寬一般2～7 m，少數寬10 m以上，傾向135°～150°，傾角50°～70°。巖脈為輝綠玢巖單脈和花崗斑巖單脈及由輝綠玢巖和花崗斑巖組成的復合巖脈[24]。野外調查發(fā)現，花崗斑巖侵入于輝綠玢巖中，說明輝綠玢巖形成時間早于花崗斑巖。其他脈巖多為單點或單工程所見，規(guī)模不大，多呈NE向展布。

2.4 礦體特征

硯石板巖礦體為呈深灰色薄-中層板狀含粉砂質絹云板巖，板理面平整，礦體延伸長，板狀構造。主要礦物為絹云母、石英、長石、綠泥石和細微粒砂質。板理單層厚10～15 cm，以12～13 cm層厚為主，傾角陡立。硯石礦體呈層狀，產狀與巖層產狀一致。1號主礦體產狀為151°∠87°，礦體主體傾向南東。此外，硯石板巖層數多、規(guī)模大。

雙河口礦區(qū)共發(fā)現8個礦體，其中主要礦體1個(1號礦體)，次要礦體7個(2號—8號礦體)。礦體產于大谷運組上段，其中1號、4號、5號、6號和7號礦體賦存于大谷運組上段D層，2號、3號和8號礦體賦存于大谷運組上段B層。2號—8號礦體均為單工程控制，礦體巖石類型和結構構造與1號主礦體相同，礦體長>200 m，厚2～7 m；礦體總體傾向南東，傾角78°～90°。

1號礦體出露于礦區(qū)北東段光龍培—中部灣塘—南西端東寺地區(qū)，由深灰色、灰黑色薄-中層含粉砂質絹云板巖組成。板理單層厚10～18 cm，以12～13 cm層厚為主，由薄-中層板巖構成板巖層系。不同地段礦體厚度不同，地表沿走向礦體厚度為2.08～20.05 m，平均厚度為8.35 m，厚度變化系數為56.27%。礦體走向北東60°，傾角近直立，主體傾向南東，北東段略傾向北西(產狀322°∠82°)，南西段略傾向南東(產狀151°∠87°)，出露標高+760～+420 m。

2.5 礦石類型及特征

該礦區(qū)硯石的礦石類型為板巖類黑色含粉砂質絹云板巖。

2.5.1 礦物組成

硯石礦石的典型礦物組合是絹云母+石英+長石，綠泥石含量一般≤10%，其他不透明礦物(金屬礦物等)含量<5%。絹云母粒徑 <0.05 mm，雛晶-顯微鱗片變晶定向分布，集合體呈細小團粒狀，含量為40%～75%。石英含量為20%～40%，分為2種類型：一類為碎屑物石英，多呈次棱角狀，粒度一般0.04 mm；另一類為微粒石英，是重結晶的產物，粒度一般0.01～0.03 mm,，呈他形粒狀，分布較均勻。長石(斜長石)粒徑<0.05 mm，含量20%～40%，顆粒呈壓扁透鏡狀，具定向排列，部分重結晶或邊部被絹云母交代，多散布于絹云母之間，極少量呈鑲嵌狀。黏土礦物含量約10%，以絹云母和綠泥石為主，粒徑 <0.05 mm，分布于其它礦物之間，呈粒狀或片狀(圖4)。金屬礦物呈雜亂狀分布在巖石中，含量約5%，且顆粒相對較大，粒徑<0.1 mm，多數粒徑<0.05 mm，含黃鐵礦、黃銅礦和鈦鐵礦，以鈦鐵礦為主(圖5) 。

圖4 硯石掃描電鏡下白云母顯微照片Fig. 4 Micrograph of muscovite from the inkstone mine under scanning electron microscopy

圖5 掃描電鏡下硯石主要礦物組成Fig. 5 Major mineral composition of inkstone mine under scanning electron microscopy

2.5.2 礦石結構構造

礦石為變余泥質顯微鱗片變晶結構、變余含粉砂質泥質結構(圖6)，板狀構造、顯微千枚狀構造。敲擊后，巖石斷口常呈刀鋒狀或貝殼狀。

1.絹云母+綠泥石；2.石英粉砂圖6 黑色含粉砂質絹云板巖手標本及顯微照片Fig. 6 Hand specimen and microphotograph of grayish-black metamorphic silty stone (inkstone)

3 硯石化學成分

硯石化學成分分析樣品主要采自1號礦體不同地段勘查工程所采標準樣或試雕樣，敲取小塊作為分析樣品。所采樣品巖石均為含粉砂質絹云板巖，具體采樣位置見圖2。

3.1 測試方法

樣品測試在澳實分析檢測(廣州)有限公司實驗室完成。測試方法為：試料用無水四硼酸鋰熔融，以硝酸銨為氧化劑，加氟化鋰和少量溴化鋰作助熔劑和脫模劑。在熔樣機上于1 150～1 250 ℃熔融，制成玻璃樣片。在X射線熒光光譜儀上進行測量，除鎳、銅、鍶和鋯用康普頓散射線作內標校正基體效應外，其余各分析元素均用理論系數校正元素間的吸收-增強效應，根據熒光強度計算主要成分和次要成分含量。所用儀器為荷蘭產PANalytical PW2424，參考《DZ/T 0130.3-2006地質礦產實驗室測試質量管理規(guī)范》[25]第3部分“巖石礦物樣品化學成分分析”規(guī)定的要求，具體分析方法見文獻[26]。

3.2 硯石化學特征

雙河口礦區(qū)硯石全巖化學成分分析結果如表1所示。巖石SiO2含量平均值為63.13%，Al2O3含量為16.98%，Fe2O3含量為6.77%，FeO含量為4.81%，K2O含量為 3.69%，Na2O含量為1.94%，CaO含量為 0.33%，MgO含量為2.22%，P2O5含量為0.13%，TiO2含量為0.86%，MnO含量為 0.11%，SO3含量為0.19%，表明硯石富硅和鋁，與績溪縣洪坑硯石礦的全巖化學成分大致相當[27]。

將該礦區(qū)硯石、績溪洪坑石、婺源大畈石和婺源龍尾石傳統(tǒng)歙硯石與江西玉山石和九江石[27]硯石進行對比后發(fā)現，相對于江西玉山和九江硯石，該礦區(qū)硯石、績溪洪坑石、婺源大畈石和婺源龍尾石傳統(tǒng)歙硯石SiO2和Al2O3含量較高， CaO和MgO含量較低。

表1 皖南歙縣硯石化學成分組成

Table 1 Chemical compositions of inkstone mine in Shexian, southern Anhui

礦體編號樣品編號巖 性化學成分/%SiO2Al2O3TFe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOP2O5TiO2MnOSO3燒失量總量QJ1-B1-1(g1)粉砂質絹云板巖61.3716.647.145.543.232.241.552.530.140.850.180.444.09100.51QJ1-B5-1(g2)粉砂質絹云板巖61.4517.607.105.593.582.190.662.460.120.880.110.323.69100.27TC1-B1-1(g3)粉砂質絹云板巖65.7216.356.254.583.451.920.192.190.110.800.100.013.08100.27TC2-1(g4)粉砂質絹云板巖65.4615.716.835.273.092.080.202.250.120.810.130.253.1299.84TC7-3(g6)粉砂質絹云板巖63.3216.836.904.493.801.780.192.180.110.810.100.013.4999.631號TC7-4(g7)粉砂質絹云板巖62.7017.076.885.413.701.920.282.410.120.840.100.163.3799.65TC7-17(g8)粉砂質絹云板巖63.2516.467.113.533.431.980.441.950.340.770.110.013.7899.74TC5-B3-1(g5)粉砂質絹云板巖63.4916.776.895.183.382.110.192.480.130.810.110.013.3799.84TC7-6(g9)粉砂質絹云板巖64.6416.826.573.873.751.970.171.940.090.790.100.013.41100.37TC7-16(g10)粉砂質絹云板巖65.6415.825.874.473.012.660.251.960.120.740.130.192.7299.20平均值63.7016.616.754.793.442.090.412.240.140.810.120.233.4199.96TC10-B1-1(g11)粉砂質絹云板巖61.8317.766.674.344.191.660.152.150.130.990.080.244.08100.04TC10-B1-2(g12)粉砂質絹云板巖61.3917.667.765.203.921.540.172.400.130.950.170.013.92100.13TC10-B4-1(g13)粉砂質絹云板巖62.4017.726.504.204.141.660.132.120.120.980.070.304.04100.286號TC10-B5-1(g14)粉砂質絹云板巖61.4517.766.984.814.071.640.152.260.110.930.110.013.6399.20TC10-B6-2(g15)粉砂質絹云板巖61.9918.036.935.324.131.800.172.340.110.950.090.223.56100.43TC10-B7-1(g16)粉砂質絹云板巖62.1617.686.334.464.171.640.132.160.120.970.070.404.11100.06平均值61.8717.776.864.724.101.660.152.240.120.960.100.203.89100.02龍?zhí)兜V段(1號)ZK7-1(g17)粉砂質絹云板巖62.5717.546.354.834.151.920.612.170.140.810.120.193.52100.22ZK7-2(g18)粉砂質絹云板巖64.9915.716.875.323.242.090.172.120.100.770.110.493.0499.79平均值63.7816.636.615.083.702.010.392.150.120.790.120.343.28100.01礦床平均值63.1316.986.774.813.691.940.332.220.130.860.110.193.5499.99

4 硯石放射性環(huán)境安全評價

通過地表剖面、工程和鉆孔巖芯γ能譜測量進一步了解硯石的放射性。儀器為XTG-2000M四道γ能譜儀，板巖放射性測量結果見表2。通過系統(tǒng)分析，發(fā)現該區(qū)總體放射性輻射水平不超標，符合放射性安全范圍。

表2 歙縣雙河口硯石板巖礦區(qū)板巖γ能譜測量估算及伽馬吸收劑量率

Table 2 Gamma absorption dose rate of the Shuanghekou inkstone mine in Shexian

類型U/10-6Th/10-6K/%AU/(Bq·g-1)ATh/(Bq·g-1)AK/(Bq·g-1)空氣吸收劑量率/(nGy·h-1)板巖3.1915.263.410.040.061.0759.18

板巖的鈾含量平均值為3.19×10-6，釷含量平均值為15.26×10-6，鉀含量平均值為3.41%，空氣吸收劑量率為59.18 nGy/h。放射性核素(226Ra、232Th、40K)比活度平均內照射指數和外照射指數分別為0.20和0.46，均小于《GB 50325—2010民用建筑工程室內污染控制規(guī)范》[28]和《GB 6566—2010建筑材料放射性核素限量》[29]要求的限值(分別為1.0和1.3)。由放射性核素濃度推算公眾照射所致居民年吸收劑量平均值為0.17 mSv，低于《GB 18871—2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準》[30]中規(guī)定的公眾持續(xù)受照年劑量限值(1.0 mSv)。通過以上分析可知，該區(qū)硯石放射性輻射環(huán)境安全。

5 結論

(1)皖南歙縣雙河口礦區(qū)硯石礦賦存于大谷運組上段黑色板巖中，受地層層位控制，巖石類型為黑色含粉砂質絹云板巖，礦床成因類型為層控型淺變質沉積型礦床。

(2)皖南歙縣雙河口礦區(qū)硯石放射性輻射屬于安全等級。