安徽宿州欄桿地區(qū)含金剛石輝綠巖中捕虜體的地質(zhì)特征及其意義

萬才宇，馬玉廣

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第二水文工程地質(zhì)勘查院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

安徽宿州欄桿地區(qū)金剛石調(diào)查始于20世紀(jì)70年代[1]，自2009年11月省地勘基金啟動了“安徽省宿州市欄桿—褚欄地區(qū)金剛石普查”項目，先后3次續(xù)作，于2017年11月在老寨山圈定輝綠巖型原生金剛石礦體2處，提交約25萬克拉工業(yè)級資源量（333+334類）[2]，含礦巖石類型主要為偏堿性的基性輝綠巖[3]。欄桿地區(qū)選獲的金剛石99%來源于輝綠巖捕虜體中，以往認(rèn)為這些捕虜體為超基性巖角礫，本次工作通過深入研究捕虜體巖相學(xué)、地球化學(xué)等地質(zhì)特征，分析捕虜體中選獲金剛石特征，對輝綠巖巖漿源區(qū)、構(gòu)造背景以及金剛石的成因模型進(jìn)行進(jìn)一步研究探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 安徽宿州欄桿地區(qū)地質(zhì)簡圖Figure 1. Geological sketch of the Langan area, Suzhou,Anhui

安徽宿州欄桿地區(qū)位于華北陸塊東南緣，屬穩(wěn)定的克拉通，距郯廬斷裂帶西側(cè)約80km，是我國重要的金剛石成礦帶。研究區(qū)基底為古元古界—新太古界五河巖群和中元古界鳳陽群，為一套低角閃巖相的變質(zhì)巖，同位素年齡為1878～2963Ma，總厚度大于6000m[4]。蓋層發(fā)育新元古界青白口系、南華系、震旦系、古生界寒武系、下奧陶系等，總厚達(dá)7000m，期間侵入了欄桿老寨山輝綠巖巖體[5][斜鋯石Pb-Pb 法測齡為(913±10)Ma]。老寨山輝綠巖巖體位于埇橋區(qū)寶光寺、貓頭山—老寨山、大堂山一帶，呈北北東向條帶狀展布，區(qū)內(nèi)長度大于19km（向北延入江蘇境內(nèi)），最寬處約1.6km。地表出露面積約3.83km2，約占老寨山片區(qū)60%。巖床呈北東向順層侵入在望山組和史家組中。平面上輝綠巖分為兩個巖相：邊緣相細(xì)粒輝綠巖、中間相中粒輝綠巖；立面上老寨山輝綠巖巖床分布較穩(wěn)定（圖1）[4]。

圖2 中粒輝綠巖中捕虜體（粗粒輝綠巖）Figure 2. Xenolith (coarse-grained diabase) in mediumgrained diabase

2 捕虜體地質(zhì)特征

欄桿地區(qū)輝綠巖中的金剛石主要來源于捕虜體，以往認(rèn)為這些捕虜體為超基性巖角礫，本次研究發(fā)現(xiàn)老寨山輝綠巖漿具多期，捕虜體（粗粒輝綠巖）為第一期巖漿作用的產(chǎn)物，第二期為該地區(qū)主體巖石中粒輝綠巖，最后一期為細(xì)粒輝綠巖脈。99%的金剛石產(chǎn)自第一期粗粒輝綠巖，是該地區(qū)原生金剛石的最重要載體。第二期中粒輝綠巖中含有大量的捕虜體。捕虜體呈灰黑色，大小不一，多呈團(tuán)塊狀被包裹在中粒輝綠巖中，與中粒輝綠巖有著明顯的邊界（圖2）。

2.1 捕虜體巖相學(xué)特征

巖相學(xué)觀察結(jié)果表明（圖3）該捕虜體呈輝綠結(jié)構(gòu)，巖石主要由輝石（40%）、斜長石（50%）、絹云母（5%）、綠泥石（5%）組成。輝石多為單斜輝石，正中—正高突起，斜消光，呈他形粒狀充填于自形—半自形斜長石孔隙間，其粒徑主要在2～5mm 之間，含量35%（圖3A）；另可見少量紫蘇輝石，單偏光下呈淡紅色但多色性不明顯，平行消光，正高突起，含量約為5%（圖3B）。斜長石晶形多呈長柱狀，自形—半自形，可見聚片雙晶，粒徑范圍主要在2～5mm 之間（圖3C）。絹云母分布在長石晶面上，呈集合體產(chǎn)出，干涉色鮮艷。綠泥石呈纖維狀、放射狀，分布于輝石邊緣或內(nèi)部，為輝石蝕變而成的礦物（圖3D）。多數(shù)斜長石邊部受蝕變作用形成暗色反應(yīng)邊，部分斜長石發(fā)生強烈絹云母化而呈斜長石假象；輝石多已蝕變成放射狀的綠泥石等黏土礦物,保留輝石假象。根據(jù)巖相學(xué)觀察結(jié)果，該捕虜體為粗粒輝綠巖。

圖3 捕虜體巖相學(xué)特征Figure 3. Petrographic characteristics of the xenolith

2.2 捕虜體地球化學(xué)特征

捕虜體在TAS分類圖解（圖4）中多數(shù)落在玄武巖至粗面玄武巖內(nèi)，并處于堿性與鈣堿性巖的過渡區(qū)域?？傮w化學(xué)成分呈基性，SiO2含量主要集中在43.23%～49.49%，平均46.74%；Na2O+K2O含量主要集中在2.44%～6.16%；TFe2O3含量主要集中在12.50%～20.90%；MgO 含量主要集中在5.10%～8.71%，平均6.57%；CaO 含量主要集中在5.42%～11.45%，平均9.51%；Al2O3含量主要集中在10.60%～13.93%，平均12.55%。

圖4 捕虜體巖TAS圖解（Le Bas et al., 1986）Figure 4. TAS diagram of the xenolith rock（after Le Bas et al., 1986)

從微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（圖5）看出，研究區(qū)輝綠巖中捕虜體普遍富集Rb、Sr、K 等大離子親石元素（LILE），但部分樣品虧損Sr、Ba 等大離子親石元素（LILE）。普 遍 貧Ta、Nb、Ti、Hf 等 高 場 強 元 素（HFSE），Rb-Sr含量既顯示正異常，又顯示負(fù)異常，但變化不大，成巖過程中發(fā)生混染不強。在稀土配分模式圖（圖6）中表現(xiàn)為相對向右平緩的曲線，輕稀土元素（LREE）部分略陡，重稀土元素（HREE）平緩，稀土元素分異不明顯；Eu異常不明顯。地球化學(xué)結(jié)果表明捕虜體與老寨山主體巖石中粒輝綠巖成分類似。

圖5 捕虜體巖微量元素蛛網(wǎng)圖Figure 5. Spider diagram of trace elements in the xenolith rock

圖6 捕虜體巖稀土元素配分模式Figure 6. Partitioning pattern of rare earth elements in the xenolith rock

3 原生金剛石特征

欄桿地區(qū)輝綠巖中金剛石粒徑0.2～0.6mm（圖7），主要集中在0.2～0.35mm，晶形較好，主要為八面體和菱形十二面體，還有立方體與八面體聚形；金剛石呈淡黃綠色-黃褐色，晶形良好，呈金剛光澤，晶體透明、潔凈，莫式硬度10 級[2]。金剛石拉曼光譜測試對應(yīng)譜峰為1332cm-1，顯示為金剛石標(biāo)準(zhǔn)譜線。欄桿地區(qū)金剛石紅外譜峰主要顯示為1130cm-1，歸為Ib型金剛石。目前金剛石類型是根據(jù)金剛石中氮的含量將金剛石分為I 型金剛石和Ⅱ型金剛石，前者氮含量較高，后者氮含量較少或不含氮。I 型金剛石中根據(jù)氮的賦存狀態(tài)可進(jìn)一步分為IaA、IaB，IaAB和Ib型金剛石，IaA 型金剛石中氮為偶氮，對應(yīng)紅外譜峰為1282cm-1；IaB型金剛石中氮為孤氮，對應(yīng)紅外譜峰為1175cm-1；IaAB型金剛石中氮既含偶氮又含四氮或多氮，對應(yīng)紅外譜峰1282cm-1和1175cm-1；Ib型金剛石中氮為四氮或多氮，對應(yīng)紅外譜峰1130cm-1。II 型金剛石可以進(jìn)一步分為IIa型金剛石和IIb型金剛石，其中IIb型金剛石含硼，對應(yīng)紅外譜峰2800cm-1；IIa型金剛石不含硼，無明顯吸收峰。

圖7 欄桿地區(qū)輝綠巖中選獲的金剛石（放大25倍）Figure 7. Diamonds obtained by processing from the diabase in the Langan area (25 times magnification)

4 巖漿源區(qū)及構(gòu)造背景分析

據(jù)南京大學(xué)和安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院共同承擔(dān)的“安徽宿州地區(qū)原生金剛石載體及成礦條件”研究成果表明，輝綠巖捕虜體是本區(qū)金剛石的主要載體巖石，占選獲金剛石的99%，輝綠巖稀土元素含量低，相對輕稀土元素含量較高[2]，重稀土元素含量低，稀土配分曲線呈右傾斜，無明顯的Eu 異常。微量元素富集Rb、Ba 大離子親石元素，Nb、Nd、Ti、Gd 高場強元素，虧損Ti、Hf 等高場強元素。據(jù)輝綠巖K2O-P2O5-TiO2圖解和Zr-Y×3-Ti/100 圖解（圖8），表明輝綠巖形成于板內(nèi)環(huán)境；據(jù)輝綠巖Nd-Sr 圖解（圖9），表明輝綠巖源區(qū)為富集地幔。因此，欄桿地區(qū)輝綠巖是來源于板內(nèi)環(huán)境、近軟流圈富集地幔的偏堿性基性巖漿區(qū)[3]。

圖9 輝綠巖Nd-Sr圖解Figure 9. Nd-Sr diagram of the diabase

5 金剛石成因探討

根據(jù)本次研究成果，欄桿地區(qū)金剛石成因模型可能為兩種，一種是捕獲成因模型，另一種是結(jié)晶成因模型。

（1）捕獲成因模型：根據(jù)目前金剛石礦床理論認(rèn)為，在產(chǎn)金剛石的克拉通存在一個古老的含金剛石地幔楔。在含金剛石的地幔楔中，Ib型金剛石分布在淺部（深度約100～150km），Ia型金剛石分布在中部（深度約150～200km），而II 型金剛石分布在底部（深度約200～250km）。我國遼寧瓦房店和山東蒙陰地區(qū)發(fā)現(xiàn)的金剛石主要賦存在古生代金伯利巖中，表明華北克拉通存在一個古老的含金剛石的地幔楔，金伯利巖來源較深（150～250km），主要捕獲地幔中的Ia 型金剛石，同時捕獲少量的Ib型金剛石。欄桿地區(qū)輝綠巖中的金剛石為Ib 型，輝綠巖起源于軟流圈地幔，源區(qū)深度可達(dá)60～95km，因此輝綠巖可直接將在淺部地幔中的Ib型金剛石攜帶至地表（圖10）。

圖10 金剛石成因模型Figure 10. Genetic model of the diamond xenocryst

（2）結(jié)晶成因模型：它是一種全新的金剛石成因機制。金剛石直接由基性巖巖漿結(jié)晶形成，地幔中的金剛石剛形成時，氮以孤原子形式分布在金剛石晶格中，多為Ib型金剛石，在地幔的高壓高溫環(huán)境下，Ib型金剛石中的孤氮會向偶氮和四氮轉(zhuǎn)變，這時金剛石會快速地轉(zhuǎn)換成IaA 型或IaB 型金剛石，如果還有足夠的時間進(jìn)行氮的轉(zhuǎn)換，還會形成Ia 型和II 型金剛石。欄桿地區(qū)輝綠巖中金剛石均為Ib型金剛石，表明這些金剛石在形成后被快速地帶離地幔環(huán)境，金剛石中的氮尚未來得及轉(zhuǎn)換。在這種情況下，可認(rèn)為金剛石的形成與基性巖漿的形成和運移是同時進(jìn)行的，并且輝綠巖中無金伯利巖型指示礦物，也沒地幔巖角礫，說明本區(qū)金剛石極有可能由輝綠巖漿直接結(jié)晶而成。欄桿地區(qū)有三期輝綠巖巖漿房作用，最早期為粗粒輝綠巖(捕虜體)，第二期為中粒輝綠巖，最后一期為細(xì)粒輝綠巖。選礦結(jié)果表明，粗粒輝綠巖為金剛石主要的載體巖石，含有全區(qū)99%以上金剛石。這也表明可能是粗粒輝綠巖階段結(jié)晶出了金剛石，而中粒輝綠巖階段和細(xì)粒輝綠巖階段溫度壓力或者碳源達(dá)不到形成金剛石條件，未形成金剛石。筆者認(rèn)為結(jié)晶成因模型更符合宿州欄桿地區(qū)金剛石實際形成方式。

6 結(jié)論

（1）通過對欄桿地區(qū)輝綠巖中捕虜體巖相學(xué)、地球化學(xué)與選獲金剛石對比研究，明確了有三期輝綠巖巖漿房作用，第一期為粗粒輝綠巖(捕虜體)，第二期為中粒輝綠巖，第三期細(xì)粒輝綠巖。粗粒輝綠巖（捕虜體)）是金剛石的主要載體巖石。

（2）通過分析捕虜體選獲的金剛石特征、輝綠巖巖漿源區(qū)及構(gòu)造背景，確定了欄桿地區(qū)輝綠巖是來源于板內(nèi)環(huán)境、近軟流圈富集地幔的偏堿性基性巖漿區(qū)。

（3）初步探討了兩種金剛石的成因模型，一是捕獲型成因模型，二是結(jié)晶成因模型。筆者認(rèn)為結(jié)晶成因模型更符合宿州欄桿地區(qū)金剛石實際形成方式，即金剛石的形成與基性巖漿的形成和運移是同時進(jìn)行的，可能由粗粒輝綠巖漿（捕虜體）結(jié)晶而來。因此，粗粒輝綠巖可以作為該地區(qū)金剛石找礦的重點目標(biāo)。