沅江辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石地球化學(xué)特征及其對(duì)湖南原生金剛石找礦的啟示

馬 瑛，丘志力，鄧小芹，陸太進(jìn)，楊 瀚，莊郁晴

(1. 中山大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510275； 2. 自然資源部 珠寶玉石首飾管理中心 深圳珠寶研究所， 廣東 深圳 518001； 3. 桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541006； 4. 自然資源部 珠寶玉石首飾管理中心 北京珠寶研究所， 北京 100013)

自20世紀(jì)70年代起，前人陸續(xù)在湖南洞庭—武陵銜接地帶白堊紀(jì)紅層、會(huì)同—覃板新元古代冰期長(zhǎng)安組地層、寧鄉(xiāng)鉀鎂煌斑巖、沅江河流砂礫層中發(fā)現(xiàn)金剛石及其指示性礦物，但至今未發(fā)現(xiàn)原生金剛石礦床(章人駿， 1985； 李子云等， 1993； 張培元， 1998； 宋瑞祥， 2013； 肖書(shū)閱等， 2018； 康從軒等， 2019)。研究表明，揚(yáng)子克拉通內(nèi)部廣泛分布著未出露的太古宙基底(Zhengetal.， 2006a； 向璐等， 2019； 楊瀚等， 2020)，具備金剛石成礦的基本條件，其中沅水流域辰溪地區(qū)是貴陽(yáng)-懷化深大斷裂北東向延伸段，曾被認(rèn)為是湖南金剛石原生礦的遠(yuǎn)景區(qū)(劉智武， 1987)。

石榴子石是尋找金剛石最重要的指示礦物(Stachel and Harris， 2008； Kueteretal.， 2016； Zhuetal.， 2019)，碎屑石榴子石地球化學(xué)特征可以指示其母巖性質(zhì)(黃鑫等， 2019； 洪東銘等， 2020)，利用石榴子石包裹體(與橄欖石、輝石等共生礦物對(duì))的化學(xué)組成可以估算寄主礦物(如金剛石)的形成條件(陸琦等， 2012； 丘志力等， 2014)。地幔來(lái)源的石榴子石與金剛石的形成關(guān)系密切(張宏福等， 2000； Stachel and Harris， 2008； Hardmanetal.， 2018)，尋找地幔來(lái)源的高Cr石榴子石(G10)一直是金剛石找礦的重點(diǎn)之一，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪“東方一號(hào)”金剛石原生礦巖體就是通過(guò)追索馬坪小溪重砂鎂鋁榴石而發(fā)現(xiàn)的，國(guó)際上也有許多通過(guò)高Cr石榴子石的溯源輔助尋找大型原生礦的案例(肖書(shū)閱等， 2018； 楊光忠等， 2019)。

通過(guò)碎屑石榴子石的元素含量統(tǒng)計(jì)對(duì)金剛石溯源的方法，大致可歸納為“無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)”與“監(jiān)督學(xué)習(xí)”兩類(lèi)。“無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)”方法有主成分分析(PCA)、聚類(lèi)分析(CA)等；“監(jiān)督學(xué)習(xí)”方法有線性分析(LDA)、邏輯回歸(LR)、回歸樹(shù)(CART)等。不同的方法各有特點(diǎn)，但均可為金剛石找礦提供重要線索(Sobolevetal.， 1973； Dawson and Stephens， 1975； Griffinetal.， 2002； Schulze， 2003； Grütteretal.， 2004； Stachel and Harris， 2008； Hastieetal.， 2009； Krippneretal.， 2014； Hardmanetal.， 2018)。本文嘗試選用湖南沅江流域辰溪地區(qū)的河流碎屑石榴子石進(jìn)行礦物學(xué)、地球化學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析，以期建立該區(qū)域碎屑石榴子石與湖南原生金剛石、含礦寄主巖體之間可能存在的聯(lián)系，從而探討河流碎屑石榴子石對(duì)湖南原生金剛石找礦的啟示。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)域位于揚(yáng)子克拉通江南造山帶雪峰山脈北側(cè)，屬于揚(yáng)子克拉通中南邊緣隆起帶(劉智武， 1987； 盛學(xué)庸， 2012)，目前揚(yáng)子克拉通內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的金剛石礦主要分布在江南造山帶及其附近。江南造山帶由揚(yáng)子地塊和華夏地塊經(jīng)歷晉寧期增生、碰撞造山形成，是稍晚于Grenville 期造山事件的新元古代造山帶，很可能是顯生宙成巖-成礦作用的重要物源(王孝磊等， 2017； 黃建中等， 2020)(圖1a)。

研究區(qū)地質(zhì)歷史上可能經(jīng)歷了2.1～1.8 Ga 期間Columbia 超大陸的聚合過(guò)程、Rodinia 超大陸的匯聚(1.0～0.82 Ga)(張國(guó)偉等， 2013)、Rodinia超大陸的裂解以及晉寧、加里東、印支、燕山和喜山等多階段構(gòu)造改造，構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動(dòng)頻繁。

研究區(qū)域內(nèi)出露的地層包括前震旦系、下震旦統(tǒng)、寒武至奧陶系、白堊系和第四系。前震旦系主要由新元古代冷家溪群和板溪群組成，冷家溪群為一套巖屑雜砂巖、石英雜砂巖夾板巖、砂質(zhì)粉砂巖；板溪群主要為粘土碎屑巖復(fù)理石建造(章人駿， 1985)。下震旦統(tǒng)存在兩套冰磧層，上冰磧層南沱組分布較廣，下冰磧層(長(zhǎng)安組)僅分布于貴陽(yáng)至懷化一線以南。寒武至奧陶系在區(qū)內(nèi)亦有較廣泛分布(賀灌之， 1984)，主要是奧陶系黑色頁(yè)巖、板巖及上覆整合接觸的一套含筆石的粉砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖和硅質(zhì)巖組合，貴州發(fā)現(xiàn)的金剛石寄主巖體主要賦存于寒武—奧陶系中(劉智武， 1987)。江南造山帶缺失泥盆系至中下石炭統(tǒng)，說(shuō)明加里東—華力西期存在長(zhǎng)期隆起作用(涂建， 2016) 。白堊系紅色碎屑巖系廣布于沅麻盆地及桃源-常德地區(qū)(賀灌之， 1984)。第四紀(jì)在沅江流域有9級(jí)階地的粘土砂礫層的沉積(劉智武， 1987)。金剛石砂礦(點(diǎn))以及主要出產(chǎn)地的分布見(jiàn)圖1b。

圖1 江南造山帶位置簡(jiǎn)圖[a， 據(jù)王孝磊等(2017)修改]和沅江流域地質(zhì)構(gòu)造略圖[b， 據(jù)劉智武(1987)修改]

2 采樣及測(cè)試方法

本文在湖南沅江辰溪地區(qū)用采砂船從河床中采集砂樣,并通過(guò)重砂分離獲得石榴子石、鈦鐵礦、尖晶石等礦物。礦物種類(lèi)與前人在湖南桃江地區(qū)水系中發(fā)現(xiàn)的重砂礦物種類(lèi)(康叢軒等， 2019)相似。本次砂樣共分選出大于30 mg的碎屑石榴子石，根據(jù)采樣地點(diǎn)不同其編號(hào)分別為DJZ-7-1(湖南懷化市蘆溪赤巖村砂場(chǎng)采點(diǎn))和DJZ-10-1(沅江流域主流砂礦混合樣)。

采用中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的基恩士VHX-5000(日本)的反射、透射與環(huán)形光照明系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行放大觀察與拍照。

樣品重砂篩選在廣州市拓巖測(cè)試有限公司進(jìn)行，經(jīng)過(guò)淘洗、稱重、篩分、縮分、磁選及重液分離等程序，從河砂中利用重選和磁選的方法逐步分選出石榴子石等重礦物。隨機(jī)選擇石榴子石用環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合膠結(jié)，之后拋光，對(duì)含有包裹體的石榴子石，拋光過(guò)程中盡力保存包裹體。

將粒徑為50～200 μm的石榴子石制靶，然后將其特征包裹體磨至表面，包裹體大小為1～60 μm。采用國(guó)家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心深圳實(shí)驗(yàn)室的Renishaw-inVia(英國(guó))、中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的Thermo Scientific DXR 2xi(美國(guó))對(duì)樣品進(jìn)行顯微激光拉曼原位分析，最佳光譜分辨率為1 cm-1，束斑直徑為1 μm，掃描范圍為50～2 000 cm-1，曝光時(shí)間為1～10 s，掃描次數(shù)為1～3次，激光器波長(zhǎng)： 532 nm、633 nm、785 nm。

樣品的原位主量元素分析采用中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心的日本電子JXA-8230電子探針(EMPA)進(jìn)行，電壓為15 kV，電流為20 nA，束斑直徑為10 μm。

樣品微量元素分析采用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)法，在中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心的X Series2四極桿ICP-MS(美國(guó))和Compex Pro 102F深紫外(DUV)193 nm ArF準(zhǔn)分子(excimer)激光剝蝕系統(tǒng)(德國(guó))上完成， 光斑30 μm，激光頻率為10 Hz，每5～10個(gè)樣品點(diǎn)測(cè)試一次標(biāo)樣(李鳳春等， 2016)，采用軟件ICPMSDataCal對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理， 采用29Si做為內(nèi)標(biāo)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品NIST SRM610與NIST SRM612為外標(biāo)進(jìn)行礦物中元素的測(cè)定。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 石榴子石的形貌特征

碎屑石榴子石樣品95%以上為紅色、橙色、粉色，少數(shù)為淺粉、淺黃色，未發(fā)現(xiàn)紫色， 粒徑約為0.07～0.22 mm(圖2)。 約大于20%的樣品具有菱形十二面體-六八面體晶形，表面較光滑，少數(shù)可見(jiàn)晶面條紋。部分石榴子石內(nèi)含大量包裹體，個(gè)別石榴子石表面具毛玻璃狀、坑洞狀、皺紋狀、鮞狀等熔蝕現(xiàn)象。大部分石榴子石具有平整殘余晶面并且表面未見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象，具有地殼來(lái)源的形態(tài)和表面微形貌特征(鄧小芹， 2018)，據(jù)此推測(cè)它們可能來(lái)源于地殼。

圖2 湖南沅江辰溪地區(qū)碎屑石榴子石特征

放大觀察與顯微拉曼測(cè)試表明，這些碎屑石榴子石中含有多種礦物(原生/同生、次生)包裹體。原生/同生包裹體通常具有一定的晶形，次生包裹體通常呈脈狀。本文確認(rèn)的原生/同生包裹體有金剛石、鋯石、云母、磷灰石、金紅石、紅柱石等；次生包裹體有石英、綠簾石等，反射光下可見(jiàn)石英在石榴子石中呈細(xì)脈狀分布，綠簾石分布在石榴子石表面裂隙處呈填隙狀(圖3)。這些石榴子石與金剛石同時(shí)出現(xiàn)在含金剛石河砂中，在其中1粒碎屑石榴子石(DJZ-7-1-D)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了金剛石包裹體(圖3)，該石榴子石為橙色，具有碎裂狀、毛玻璃狀、坑洞狀特征，具有地幔來(lái)源石榴子石特征(鄧小芹， 2018)，證實(shí)了這批碎屑石榴子石與金剛石有一定的成因聯(lián)系。

圖3 沅江流域金剛石砂礦中碎屑石榴子石包裹體拉曼光譜特征

3.2 石榴子石地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素特征

本文對(duì)湖南沅江辰溪地區(qū)160粒河流碎屑石榴子石進(jìn)行了主量元素分析，部分結(jié)果見(jiàn)表1。同時(shí)，借鑒前人“無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)”聚類(lèi)分析(CA)與“監(jiān)督學(xué)習(xí)”線性分析(LDA)(Hardmanetal.， 2018)、邏輯回歸(LR)方法進(jìn)行分析。

表1 湖南金剛石砂礦中部分碎屑石榴子石主量元素含量 wB/%

主量元素測(cè)試結(jié)果表明，湖南沅江辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石主要是Fe-Al與Mn-Al系列，缺少貴州馬坪地區(qū)金剛石寄主巖體中的富鉻鎂鋁榴石(池際尚等， 1996； 宋瑞祥， 2013； 鄧小芹， 2018)。不同類(lèi)型的石榴石對(duì)識(shí)別其寄主巖體類(lèi)型具有重要的指示意義，根據(jù)不同的母巖類(lèi)型，該區(qū)域河流碎屑石榴子石可進(jìn)一步細(xì)分為G0、G4、G3等類(lèi)型，它們分別具有不同的Cr2O3和CaO含量(Sobolevetal.， 1973； Grütteretal.， 2004)。在Cr2O3-CaO圖(圖4a)中，本文樣品總體表現(xiàn)為Cr2O3含量低，CaO含量低到高，全部分布在Cr2O3<2%的榴輝巖型(E型)石榴子石區(qū)域內(nèi)。DJZ-7-1主要為G0、G4、G3型石榴子石，DJZ-10-1主要為G0、G4型石榴子石。湖南砂礦金剛石中包裹體石榴子石(共5粒，部分單粒石榴子石測(cè)試了兩個(gè)點(diǎn))主要是G10、G0、G3型。石榴子石包裹體G0區(qū)域與碎屑石榴子石G0區(qū)域重疊。不同地區(qū)與金剛石相關(guān)的石榴子石樣品投點(diǎn)結(jié)果顯示，金伯利巖中捕虜晶石榴子石多分布在方輝橄欖巖-二輝橄欖巖-榴輝巖型(CaO=3%～13%)的區(qū)域，而鉀鎂煌斑巖中捕虜晶石榴子石一般集中在二輝橄欖巖-榴輝巖型的區(qū)域(圖4a)，CaO含量分布(CaO多處于0%～20%的區(qū)間)較金伯利巖型寬。辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石和我國(guó)其它地區(qū)與金剛石相關(guān)的石榴子石相比，顯示出與榴輝巖的關(guān)系更為密切。

Ca/(Ca+Mg)-Mg/(Mg +FeT)圖解(Schulze， 2003)投點(diǎn)結(jié)果顯示，湖南沅江辰溪地區(qū)砂礦中的碎屑石榴子石大部分來(lái)源于地殼，與其它地區(qū)金伯利巖捕虜晶石榴子石的地幔來(lái)源具有明顯差異(圖4b)。該方法未對(duì)金剛石中石榴子石包裹體進(jìn)行分類(lèi)，同時(shí)也沒(méi)有考慮Cr2O3<1%的榴輝巖型石榴子石地殼/地幔來(lái)源。為進(jìn)一步對(duì)其殼/幔來(lái)源判別，本文對(duì)碎屑石榴子石及湖南金剛石中包裹體石榴子石部分元素(Fe、Mg、Si、Ti)大于檢出限的樣品進(jìn)行了ln(Mg/Fe)-ln(Ti/Si)圖解投影(Hardmanetal.， 2018)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中6粒湖南沅江辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石分布在前人劃分的地殼區(qū)域，9粒分布在未劃分的區(qū)域，1粒DJZ-7-1-78(G3)靠近地殼與地幔劃分的邊界線，金剛石中1粒包裹體G3型石榴子石落在地幔的區(qū)域，1粒G0型包裹體石榴子石落在地殼區(qū)域下方未劃分的區(qū)域(圖5a)。參照前人“監(jiān)督學(xué)習(xí)”(Hardmanetal.， 2018)線性判別、邏輯回歸計(jì)算(dCM-LDA與dCM-LR值)篩選出靠近地殼與地幔邊界線的石榴子石DJZ-7-1-78(G3)屬地幔來(lái)源(dCM-LDA>-0.264， dCM-LR>0.000)，其余碎屑石榴子石均屬地殼來(lái)源，計(jì)算的最大誤差7.88%。金剛石中G0型包裹體石榴子石落在地殼來(lái)源的范圍(dCM-LDA<-0.264， dCM-LR<0.000)，計(jì)算的最大誤差為21%，暗示了金剛石可能包裹了地殼來(lái)源的物質(zhì)，該物質(zhì)或由俯沖攜帶至地幔被金剛石捕獲，后由寄主巖漿帶出地表。

圖4 與金剛石相關(guān)的石榴子石Cr2O3 -CaO(a)與Ca/(Ca+Mg)-Mg/(Mg +FeT)(b)投影圖(參照Sobolev et al.， 1973； Schulze， 2003； Grütter et al.， 2004)

為進(jìn)一步分析湖南沅江辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石的母巖，采用了目前認(rèn)可度較高(洪東銘等， 2020)的石榴子石Mg-(FeT+Mn)-Ca成分三角分布圖(Mange and Morton， 2007)，對(duì)樣品可能的母巖類(lèi)型進(jìn)行了判別(圖5b)。結(jié)果顯示，湖南砂礦金剛石中橄欖巖型(G10)包裹體石榴子石分布在C2超基性巖區(qū)域，靠近貴州、山東、遼寧、西澳金伯利巖中捕虜晶石榴子石的區(qū)域；而榴輝巖型(G3、G0)包裹體石榴子石分布在C1變基性巖以及B1中酸性火成巖區(qū)域，沒(méi)有落在榴輝巖、橄欖巖或者金伯利巖型石榴子石的任何區(qū)域。湖南沅江辰溪河流碎屑石榴子石大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在B1中酸性火成巖區(qū)域，與湖南常德上五通地區(qū)白堊紀(jì)紅層中石榴子石、金剛石中包裹體石榴子石(G0)重疊落在了B1的位置，與C2內(nèi)金伯利巖型石榴子石存在差異。上述結(jié)果充分說(shuō)明湖南砂礦金剛石的多來(lái)源性。

圖5 石榴子石Ln(Mg/Fe)-Ln(Ti/Si)(a， 參照Hardman et al.， 2018)與Mg-(FeT+Mn)-Ca投影圖(b， 參照Mange and Morton， 2007； Kueter et al.， 2016； 洪東銘等， 2020)

3.2.2 稀土元素特征

對(duì)湖南沅江辰溪地區(qū)金剛石砂礦中160粒石榴子石礦物進(jìn)行了稀土元素分析，并與洪東銘等(2020)的榴輝巖、橄欖巖以及輝石巖中石榴子石微量元素中輕重稀土元素總量、δEu、δCe及個(gè)別稀土元素值進(jìn)行了對(duì)比(這幾種石榴子石稀土元素多有重疊，很難將其準(zhǔn)確區(qū)分)，將砂礦中碎屑石榴子石與金剛石的相關(guān)性進(jìn)行了大致的限定。

DJZ-7-1與DJZ-10-1這兩個(gè)樣品的稀土元素特征存在明顯的差異。樣品DJZ-7-1中有9粒、DJZ-10-1有1粒碎屑石榴石的稀土元素落入榴輝巖、橄欖巖以及輝石巖三者的大致范圍內(nèi)，橄欖巖以及輝石巖顯示幔源特征。DJZ-7-1除了6粒礦物顆粒具有相對(duì)較低的Y含量外，均具有較高的Y和稀土含量，稀土元素總量范圍相對(duì)固定，僅有Y元素含量的變化(圖6a)，δCe值大于1，δEu與δCe具有相對(duì)穩(wěn)定的分布區(qū)域(圖6 b)，暗示它們具有相近的補(bǔ)給源區(qū)。而樣品DJZ-10-1中，Y與稀土元素總量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性r=0.98，擬合優(yōu)度R2=0.96，顯示出Y含量隨稀土元素總量升高而升高的變化趨勢(shì)(圖6a)，90%以上δCe值小于1，δEu與δCe具有相對(duì)寬泛的分布趨勢(shì)(圖6b)。上述兩個(gè)不同采樣點(diǎn)樣品結(jié)果存在的明顯差異和規(guī)律性，顯示沅江流域不同區(qū)段河沙的來(lái)源與金剛石有關(guān)石榴石在區(qū)域內(nèi)的分布具有不同的聯(lián)系。

圖6 碎屑石榴子石REE特征參數(shù)投影圖

為尋找砂礦中與金剛石相關(guān)的石榴子石，結(jié)合圖4與圖5的分布情況以及dCM-LDA與dCM-LR值的判別，發(fā)現(xiàn)2粒稀土元素含量落在世界上含金剛石榴輝巖型榴石包裹體范圍內(nèi)的碎屑石榴子石樣本，分別是DJZ-7-1-74和DJZ-7-1-78(圖7)。其中DJZ-7-1-74在Mg-(FeT+Mn)-Ca主量元素判別分布圖中的位置在C1變基性巖區(qū)域，靠近榴輝巖型石榴子石區(qū)域(圖5b)，DJZ-7-1-78則位于G3榴輝巖型與金剛石相關(guān)的石榴子石范圍之內(nèi)，圖5a和數(shù)據(jù)回歸計(jì)算值(dCM-LDA>-0.264， dCM-LR>0.000)顯示其可能來(lái)源于地幔，DJZ-7-1-78(G3)較貴州馬坪地區(qū)鉀鎂煌斑巖中的捕虜晶石榴子石含有更高的稀土元素總量，具有較低的輕稀土元素含量，可能系與湖南金剛石相關(guān)的石榴子石。DJZ-10-1中并未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)幔源石榴石，暗示了DJZ-7-1與金剛石的相關(guān)性更為密切。

圖7 與金剛石相關(guān)的榴輝巖型石榴子石稀土元素配分模式

4 討論

4.1 碎屑石榴子石對(duì)金剛石找礦的啟示

根據(jù)黃鑫等(2019)對(duì)碎屑石榴子石粒徑與水動(dòng)力影響的研究，本文碎屑石榴子石的粒徑大小未考慮水動(dòng)力分選作用的影響。歸類(lèi)為G0、G3、G4型的鐵鋁榴石與錳鋁榴石樣品，與主要為G0、G3、G10型的金剛石包裹體的石榴子石，二者均有G0、G3兩種類(lèi)型的榴輝巖型石榴子石，與澳大利亞西部阿蓋爾地區(qū)的鉀鎂煌斑巖中捕虜晶石榴子石(Ramsay， 1992)存在相似性，暗示湖南金剛石可能與鉀鎂煌斑巖有成因聯(lián)系。但與華北地區(qū)山東、遼寧金剛石中包裹體石榴子石以及寄主金伯利巖中捕虜晶石榴子石(G10、G9為主)(池際尚等， 1996； 鄭建平等， 1999； Wangetal.， 2000； Zhengetal.， 2006b)又具有一定的差異(圖4)，似乎可以排除二者的成因聯(lián)系。

前人認(rèn)為G10、G9、G4、G3型石榴子石與金剛石的形成具有重要的關(guān)系(Sobolevetal.， 1973； Schulze， 2003； Grütteretal.， 2004； Stachel and Harris， 2008)。其中G10、G9分別為方輝橄欖巖與二輝橄欖巖型石榴子石，主要來(lái)源于地幔(Schulze， 2003)。G3為榴輝巖型石榴子石，G4則與輝石巖、榴輝巖、二輝橄欖巖相關(guān)，G0未作劃分； G3、G4均有殼/幔來(lái)源(Grütteretal.， 2004； Hardmanetal.， 2018)。根據(jù)其主量元素的統(tǒng)計(jì)分析可以大致區(qū)分石榴石的地殼或地幔來(lái)源(Schulze， 2003； Hardmanetal.， 2018)。微量元素TiO2(>0.5%)、含有較高的高場(chǎng)強(qiáng)元素(Ti、Zr、Y、Hf)與正常的稀土元素配分模式，通常被認(rèn)為是地幔來(lái)源(Hardmanetal.， 2018； 洪東銘等， 2020)。本文樣品的主量元素含量與統(tǒng)計(jì)分析指示了地幔來(lái)源碎屑石榴子石的存在。樣品DJZ-7-1與DJZ-10-1的稀土元素配分結(jié)果具有明顯的差異，其中，樣品DJZ-7-1中較多的碎屑石榴子石的稀土元素落入榴輝巖、橄欖巖以及輝石巖三者的大致范圍內(nèi)，DJZ-10-1缺少G3型石榴子石，且在DJZ-7-1的石榴子石中發(fā)現(xiàn)了金剛石包裹體，因此推測(cè)在該河段DJZ-7-1的上游可能存在較好的補(bǔ)給區(qū)，可以有針對(duì)性地進(jìn)一步開(kāi)展重砂礦物找礦工作。

4.2 湖南原生金剛石的來(lái)源

湖南砂礦金剛石主要分布在江南造山帶附近，其來(lái)源仍然存在諸多爭(zhēng)議。前人認(rèn)為江南造山帶的金剛石成因仍然與揚(yáng)子穩(wěn)定的克拉通環(huán)境相關(guān)(盛學(xué)庸， 2012)。目前就湖南砂礦金剛石的來(lái)源主要有西來(lái)說(shuō)、外來(lái)說(shuō)和內(nèi)部說(shuō)這3種。西來(lái)說(shuō)認(rèn)為湖南砂礦金剛石的來(lái)源與現(xiàn)今沅江流域的源頭貴州東南部和貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)地區(qū)金剛石原生礦具有聯(lián)系，認(rèn)為砂礦金剛石(或部分)經(jīng)沅江貴州區(qū)域搬運(yùn)至湖南境內(nèi)(談逸梅等， 1983)。但是，由于貴州金剛石和湖南金剛石的類(lèi)型和品質(zhì)等特征存在明顯差異，此假說(shuō)一直無(wú)法得到證實(shí)(董斌， 2009； 黃遠(yuǎn)成等， 2016； 鄧小芹， 2018)。外來(lái)說(shuō)將湖南金剛石的來(lái)源歸為古冰磧物次生源，認(rèn)為湖南地區(qū)水系砂礦金剛石及其指示伴生礦物，均由南華紀(jì)海上浮冰從外地(例如澳大利亞西部等地)帶入并擴(kuò)散于長(zhǎng)安組，使長(zhǎng)安組成為金剛石的次級(jí)生源，然后在地史中多次轉(zhuǎn)嫁而構(gòu)成早中泥盆世砂礫層、白堊紀(jì)—古近紀(jì)紅層等多個(gè)含金剛石地層(章人駿， 1985)或通過(guò)河流從華北克拉通帶入湖南。內(nèi)部說(shuō)則是在對(duì)區(qū)域內(nèi)與金剛石相關(guān)的石榴子石、尖晶石、鋯石進(jìn)行了研究的情況下提出的，認(rèn)為湖南的下巖石圈地幔具有金剛石形成的有利條件，金剛石可能來(lái)自于其區(qū)域內(nèi)部(劉智武， 1987； 饒家榮， 1999； 張令明等， 2007； 董斌， 2009； 饒家榮等， 2012； 宋瑞祥， 2013； 鄧小芹， 2018； 楊瀚等， 2020)。

Mg-(FeT+Mn)-Ca圖(圖5b)顯示了部分湖南砂礦金剛石可能與湖南常德上五通地區(qū)存在某種聯(lián)系。與金剛石相關(guān)的碎屑石榴子石的稀土元素配分與地理位置較近的貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪地區(qū)捕虜晶石榴子石具有較大的差異，加上東西部地貌曾發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)換(汪品先， 2005； Wangetal.， 2020)，推測(cè)貴州馬坪地區(qū)的原生金剛石不會(huì)是湖南砂礦金剛石的重要來(lái)源。沅江辰溪地區(qū)河流碎屑石榴子石中G10的缺失，也進(jìn)一步說(shuō)明含G10型石榴子石母巖(金伯利巖為主)和本區(qū)域碎屑石榴子石的來(lái)源關(guān)聯(lián)不大，指示該區(qū)域金剛石不太可能來(lái)自于金伯利源區(qū)。通過(guò)對(duì)圖4a中不同地區(qū)不同類(lèi)型石榴子石的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)碎屑石榴子石與榴輝巖型金剛石包裹體石榴子石CaO的范圍為0%～20%，與澳大利亞西部阿蓋爾地區(qū)的鉀鎂煌斑巖中捕虜晶榴輝巖型石榴子石范圍類(lèi)似，暗示湖南該類(lèi)金剛石的寄主巖石是鉀鎂煌斑巖的可能性較大。但是將其來(lái)源整體歸為古冰磧物次生源(澳大利亞等地)仍然缺乏有力的證據(jù)。湖南金剛石的分布、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、包裹體特征(丘志力等， 2014； 鄧小芹， 2018)以及沅江辰溪地區(qū)河流碎屑以及包裹體G0、G3型石榴子石的來(lái)源等顯示了金剛石形成具有多期特點(diǎn)，與克拉通邊緣環(huán)境相關(guān)(饒家榮， 1999； 饒家榮等， 2012)。楊瀚等(2020)通過(guò)對(duì)湖南沅江流域周邊(上五通、新莊隴)白堊紀(jì)紅層鋯石的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)湖南巖石圈地幔在新元古代中期存在過(guò)鉀鎂煌斑巖漿的噴發(fā)。另外，在湖南寧鄉(xiāng)鉀鎂煌斑巖中已有微粒金剛石的發(fā)現(xiàn)(李子云等， 1993)。據(jù)此，本文認(rèn)為湖南金剛石原生礦至少有相當(dāng)部分可能與區(qū)內(nèi)的鉀鎂煌斑巖有關(guān)。

通過(guò)對(duì)Si(apfu)>3.0的石榴子石的分析，可對(duì)其相關(guān)的巖體形成深度進(jìn)行大致判斷(牛賀才等， 2007； 陸琦等， 2012； 蔡逸濤等， 2019)。本文僅發(fā)現(xiàn)1粒編號(hào)DJZ-7-1-62的石榴子石的Si(apfu)大于3.05，可以視為超硅石榴子石。在圖8a中，金剛石砂礦中Si(apfu)大于3.02的石榴子石和湖南砂礦中金剛石包體中2粒Si(apfu)>3.05的石榴子石的深度小于220 m。這與前人利用橄欖石-鎂鋁榴石包裹體共生礦物對(duì)、氮的含量和B型氮的轉(zhuǎn)化率與原生石墨拉曼位移估算出的湖南金剛石形成深度范圍(133～219 km)基本一致(袁殊，2013； 丘志力等， 2014； 馬瑛等， 2018)。結(jié)合世界上金剛石內(nèi)部包裹體不同類(lèi)型石榴子石對(duì)金剛石形成溫度-壓力條件、前人對(duì)湖南金剛石形成條件的限定(圖8b)，發(fā)現(xiàn)湖南砂礦金剛石的形成環(huán)境較為復(fù)雜，但總體落在榴輝巖-輝橄欖巖-方輝橄欖巖的混雜區(qū)域，更傾向于榴輝巖-二輝橄欖巖穩(wěn)定區(qū)，這也暗示湖南大部分金剛石與鉀鎂煌斑巖相關(guān)。

圖8 湖南金剛石形成條件分析圖

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)研究區(qū)石榴子石礦物學(xué)特征、地球化學(xué)特征的綜合對(duì)比研究，認(rèn)為湖南辰溪地區(qū)河流中碎屑石榴子石大部分來(lái)源于地殼，與其他金伯利巖地區(qū)與金剛石有關(guān)的石榴子石較多來(lái)源于地幔具有明顯的差異。DJZ-7-1與DJZ-10-1這兩個(gè)不同采樣點(diǎn)的樣品特征具有明顯的差異和規(guī)律性，說(shuō)明DJZ-7-1部分碎屑石榴子石與湖南原生金剛石之間具有一定成生聯(lián)系， G3型石榴子石也有可能和金剛石有較強(qiáng)的聯(lián)系。

(2) 部分碎屑石榴子石及金剛石中包裹體石榴子石的成分特點(diǎn)顯示其與榴輝巖、鉀鎂煌斑巖具有更為密切的聯(lián)系。支持部分湖南砂礦金剛石具有原生本地來(lái)源的認(rèn)識(shí)，并且認(rèn)為其可能具有多源補(bǔ)給的特點(diǎn)，但仍然無(wú)法排除存在外來(lái)來(lái)源的可能性。湖南金剛石可能形成于深度小于220 km的橄欖巖-榴輝巖混雜區(qū)域，暗示了湖南金剛石寄主巖體與鉀鎂煌斑巖有更密切的關(guān)聯(lián)性。

(3) 湖南砂礦金剛石來(lái)源復(fù)雜，但至少有一部分屬于近源補(bǔ)給，可以通過(guò)在沅江流域辰溪赤巖村(DJZ-7-1采集點(diǎn))河段上游區(qū)域?qū)ふ褿3榴輝巖型碎屑石榴子石以及古老的鉀鎂煌斑巖，進(jìn)一步尋找原生金剛石礦。

致謝野外工作曾得到湖南常德413地質(zhì)隊(duì)馬文運(yùn)、李子云和董斌等幾任總工的大力支持與幫助，國(guó)家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(深圳實(shí)驗(yàn)室)丁汀主任、張?zhí)礻?yáng)、黎輝煌、張勇副主任，中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心欒日?qǐng)?jiān)、林培軍室主任和工程師李鳳春，以及廣州智柏鉆石有限公司黃穎詩(shī)總經(jīng)理，在樣品測(cè)試過(guò)程中提供了幫助，兩位匿名評(píng)審專家提出寶貴的修改建議和意見(jiàn)，對(duì)論文完善提供了重要幫助，在此一并表示感謝！