江蘇東海地區(qū)脈石英礦地球化學(xué)特征研究

楊永飛，夏 強(qiáng)，韓家棟，姜文強(qiáng)，丁迎軍

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)，江蘇 南京 211135)

江蘇東海地區(qū)石英資源豐富，多年來(lái)一直受到地質(zhì)學(xué)家的重視。建國(guó)后我國(guó)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的勘探工作，1955 年、1959 年分別開(kāi)展了普查工作?？偨Y(jié)了這些經(jīng)驗(yàn)后，前人認(rèn)為脈石英分布范圍廣，規(guī)律難以搞清，不適合進(jìn)行正規(guī)勘探工作。到目前為止，對(duì)該地區(qū)的脈石英礦成因研究主要有以下三種觀點(diǎn)：①該區(qū)脈石英礦可能是變質(zhì)分異作用的產(chǎn)物，是含云母?jìng)ゾr脈混合巖化作用的產(chǎn)物；②礦床是中溫?zé)嵋撼涮钚退УV床，是燕山期脈石英侵位的結(jié)果[1]；③李曉峰等[2]認(rèn)為礦床形成是在大陸板塊碰撞俯沖、折返后，是榴輝巖和片麻巖進(jìn)一步演化的結(jié)果，是在原先形成的高壓脈的基礎(chǔ)上，疊加不同時(shí)期不同成分流體作用的結(jié)果。因此，本次研究在找礦的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)該區(qū)脈石英礦床成因再次進(jìn)行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

江蘇東海地區(qū)位于我國(guó)中央造山帶東延部分，蘇魯造山帶南緣，郯廬斷裂帶以東。區(qū)內(nèi)出露的地層有：東海巖群毛北巖組、下白堊統(tǒng)大解莊組、上白堊統(tǒng)王氏組、第四系上更新統(tǒng)戚嘴組、第四系全新統(tǒng)連云組(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要以北東向及北北東向?yàn)橹?，由于揚(yáng)子板塊向華北板塊多期次的碰撞俯沖，使這一帶遭受擠壓并不斷抬升，形成了多期次規(guī)模不等的韌性剪切帶。這些韌性剪切帶對(duì)該區(qū)脈石英的形成具有一定的控制作用。

2 脈石英產(chǎn)出特征

2.1 脈石英特征

研究區(qū)脈石英礦體賦存于片麻巖、榴輝巖中，或片麻巖與榴輝巖接觸帶的構(gòu)造裂隙內(nèi)。礦體的形狀決定于形成時(shí)構(gòu)造裂隙的形狀，多呈脈狀、透鏡狀，少數(shù)呈不規(guī)則脈狀。礦體一般走向?yàn)楸睎|，傾向南東，傾角50 ～70°，與片麻理多為斜切或橫截，沿節(jié)理裂隙縫貫入，走向與超高壓變質(zhì)帶走向一致，礦體規(guī)模大小不一，小者長(zhǎng)數(shù)十厘米至數(shù)米、寬數(shù)厘米至數(shù)十厘米；大者長(zhǎng)數(shù)十米至一百多米、寬幾米至十幾米。

圖1 東海地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.2 圍巖特征

脈石英圍巖主要為片麻巖，少量榴輝巖等，蝕變較復(fù)雜。圍巖為片麻巖且脈體較大時(shí)，蝕變有分帶現(xiàn)象，從內(nèi)向外為蛭石化、綠簾石化、絹云母化、白云母化、高嶺土化、硅化等；圍巖為榴輝巖時(shí)，蝕變?yōu)榫G簾石化、綠泥石化。蝕變規(guī)模大者蝕變帶較寬，規(guī)模小者蝕變帶即窄，寬幾厘米至數(shù)米，有的脈石英邊部形成1 ～2cm 寬的暗色邊或者云母片變大。一般脈石英厚度＜0.5m 時(shí)基本無(wú)蝕變邊，與圍巖界線清楚。

3 樣品特征及測(cè)試方法

3.1 樣品特征

本次研究的脈石英樣品，分別采集于22 條不同脈石英的中心部位，脈體大小不一。品質(zhì)大多較好，呈乳白色，透明度一般，斷面呈油脂光澤，具體特征見(jiàn)表1。

表1 脈石英樣品特征

3.2 測(cè)試方法

3.2.1 同位素測(cè)試方法

將樣品研磨至200 目，稱取6mg 純凈的脈石英樣品，放置在105℃的烘箱中烘烤12h。對(duì)硅酸鹽樣品的氧同位素分析則采用傳統(tǒng)的BrF5 分析方法，用BrF5 與含氧礦物在真空和高溫條件下(580℃)反應(yīng)提取礦物氧，用5A 分子篩樣品管收集O2氣體，標(biāo)準(zhǔn)樣品的外分析精度優(yōu)于±0.2‰，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為V-SMOW。測(cè)試儀器為253plus 氣體同位素比質(zhì)譜儀。

3.2.2 主微量元素測(cè)試方法

脈石英主微量元素分析在南京宏創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀器為日本JEOL 的JXA-8230 型。測(cè)試條件為：加速電壓15kV，束流20nA，束斑直徑為5μm，檢出限為0.02%。微量元素含量利用LA-ICP-MS 完成。激光剝蝕系統(tǒng)為CetacAnalyte HE，ICP-MS 為Agilent 7900。

4 結(jié)果與討論

4.1 δD 和δ18O 同位素組成

本次研究的脈石英流體包裹體δD 和δ18O 同位素分析結(jié)果顯示(表2)，這些樣品中流體包裹體的δD 和δ18O 值接近大氣降水的δD 和δ18O 值，在δD 和δ18O 圖上多數(shù)落在大氣降水線附近(圖2)，指示其流體以大氣降水為主[3-4]。進(jìn)一步證明，東海地區(qū)的高壓—超高壓變質(zhì)巖原巖在近地表?xiàng)l件下曾與具有極低δ18O 組成的大氣降水發(fā)生過(guò)不同程度的水—巖交換作用。其中δ18O 值變化范圍較大(-13.1‰～-3.7‰)，可能反映了板塊俯沖的速率較快，榴輝巖、片麻巖的原巖在近地表?xiàng)l件下與大氣降水發(fā)生過(guò)不同程度的水—巖交換作用，隨后被俯沖到地幔深度，經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用之后，又快速折返并發(fā)生減壓退變質(zhì)重結(jié)晶作用，且期間并未出現(xiàn)大面積使巖石同位素均一化的彌散式流體流動(dòng)，在超高壓變質(zhì)作用期間變質(zhì)流體只存在局部的裂隙流動(dòng)，它們的同位素組成被保留了下來(lái)[5-6]。

表2 氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)

圖2 δD 和δ18O 關(guān)系圖

4.2 主量元素組成

由于在脈石英初步提純過(guò)程中需剔除的雜質(zhì)元素大多來(lái)源礦石裂隙中充填的物質(zhì)，通常這部分雜質(zhì)相對(duì)較易去除，而想要進(jìn)一步提純得到更高品質(zhì)的高純石英來(lái)應(yīng)用到高尖端領(lǐng)域，僅去除這部分雜質(zhì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的[7]。目前我國(guó)的高純石英提純工藝水平能否達(dá)到美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重要條件就是如何去除石英晶格中雜質(zhì)元素，因此搞清脈石英晶格中的雜質(zhì)元素含量及種類則成為解決這一問(wèn)題的起步點(diǎn)。對(duì)脈石英礦物進(jìn)行微區(qū)原位測(cè)試，試圖找出東海地區(qū)脈石英晶格中雜質(zhì)元素的含量及種類，為高純石英提純工作提供基礎(chǔ)支撐。

本次測(cè)試樣品主量元素中樣品SiO2的測(cè)試結(jié)果均在99%以上，其余雜質(zhì)元素氧化物含量均非常低，其中Al2O3、CaO、P2O5、NiO、Cr2O3等氧化物最高含量分別為0.026%、0.024%、0.031%、0.038%和0.034%，其它大多數(shù)氧化物的含量均接近或低于檢測(cè)限(表3)。上述結(jié)果表明研究區(qū)脈石英純度非常高，因此在提純過(guò)程中的工作難度相對(duì)較低。

4.3 微量元素組成

相對(duì)其它造巖礦物，石英因其成分和結(jié)構(gòu)具有特殊的穩(wěn)定性，其中的微量元素地球化學(xué)特征在地質(zhì)演化過(guò)程中“攜帶”有更多的成巖成礦信息。由于不同地質(zhì)環(huán)境下石英晶格中微量元素的地球化學(xué)行為具有明顯差異，造成巖漿—熱液演化不同階段以及不同地質(zhì)背景下形成的石英結(jié)構(gòu)及其晶格中微量元素種類、含量顯著不同[2]。因此，利用微區(qū)原位測(cè)試技術(shù)對(duì)石英的結(jié)構(gòu)以及晶格中微量元素分布特征的研究，總結(jié)影響微量元素通過(guò)類質(zhì)同象形式進(jìn)入石英晶格的因素，找出特定環(huán)境下靈敏度高的元素或元素組合，可以對(duì)不同來(lái)源的石英進(jìn)行源區(qū)示蹤，并可獲取成巖成礦中有用的地質(zhì)地球化學(xué)信息。此外，石英晶格中的Al、Ti 含量與石英形成溫度之間的線性關(guān)系可作為地質(zhì)溫度計(jì)而廣泛應(yīng)用。

表3 主量元素?cái)?shù)據(jù) (單位：%)

通常，能進(jìn)入石英晶格中的微量元素包括Al、B、Ca、Cr、Cu、Fe、Ge、H、K、Li、Mg、Mn、Na、P、Rb、Pb、Ti、U[8-11]。此外，前人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)人工合成的石英晶格中存在OH-。然而，并不是所有的研究都證實(shí)這一觀點(diǎn)，F(xiàn)lem 等[12]認(rèn)為 只 有Al、B、Ge、Fe、H、K、Li、Na、P、Ti才是真正能進(jìn)入石英晶格中的元素，而Ca、Cr、Cu、Mg、Mn、Pb、Rb、U 只是存在于石英中極其微小的固體包裹體或流體包裹體中。微量元素主要以如下兩種方式進(jìn)入石英晶格中[4]：①Al3+、Ti4+、Ge4+、Ga4+、Fe3+、P5+等以類質(zhì)同象的形式與石英中Si-O 鍵的Si4+發(fā)生元素替換；②少量的元素如Li+、Na+、K+、H+等以電價(jià)補(bǔ)償?shù)男问竭M(jìn)入石英晶格而存在其晶格間隙中。

對(duì)本地區(qū)每件脈石英樣品制作一個(gè)測(cè)試靶樣。來(lái)進(jìn)行原位微區(qū)微量元素測(cè)定，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)樣品中的微量元素均較低(微量元素包括Li、B、Sc、Cr、Ge、Sr 等)，其相當(dāng)部分樣品中的微量元素含量低于檢測(cè)限(表4)，說(shuō)明研究區(qū)脈石英品質(zhì)較好，純度較高。

表4 微量元素?cái)?shù)據(jù) (單位：μg/g)

5 結(jié)論

(1)江蘇東海地區(qū)高壓—超高壓變質(zhì)巖原巖在近地表?xiàng)l件下曾與具有極低δ18O 組成的大氣降水發(fā)生過(guò)不同程度的水—巖交換作用。

(2)本地區(qū)脈石英成礦環(huán)境受俯沖變質(zhì)流體脫水并與大氣降水混合等因素綜合影響。

(3)本地區(qū)脈石英樣品的品質(zhì)較好，SiO2含量較高，夾雜在石英晶格中難以去除的雜志元素含量較低，主要包括Al、Ca、P、Ni、Cr、Li、B、Na、Sc、Ti、Cr、Ge、Sr 等。

(4)脈石英的主微量元素含量與圍巖巖性的關(guān)系并不密切。