太行山北段浮图峪矿田石榴子石环带特征研究

聂 飞，董国臣，王 霞，朱华平

(1.成都地质矿产研究所，四川 成都 610081；

2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;

3.山西省地震局预报中心，山西 太原 030021)

矽卡岩型矿床中分布最广的标型造岩矿物为连续固溶体系列的钙铝-钙铁石榴子石[1]，钙铝榴石和钙铁榴石占矽卡岩型矿床中石榴子石成分的90%以上[2]。因此，对矽卡岩型矿床中钙铝-钙铁石榴子石的研究对于了解此类矿床显得十分重要[3]。张金民等[4]指出钙铝榴石组分较多指示其形成环境为弱酸、低氧逸度；Kwak[5]、Misra[6]、Lu等[7]通过研究得到钙铁榴石产于相对氧化的环境；Jamtveit等[8-9]进一步提出成矿流体温度和盐度的降低、pH值和氧逸度升高有利于钙铁榴石的形成。石榴子石环带在矽卡岩型矿床中普遍存在，矿物学与矿物结构方面的研究认为石榴子石环带形成的原因是与矿物本身生长速度及流体成分、温度、pH值、氧逸度(fO2)、盐度等有关[8-9]。

浮图峪矿田位于华北克拉通中部太行山北段，是由七个中小型矽卡岩型铜铁矿床和木吉村大型斑岩铜(钼)矿组成。石榴子石是浮图峪矿田矽卡岩型主要矿物，与矿化关系十分密切。艾永富等[2]通过X射线、折光率和密度对浮图峪矿田的石榴子石进行研究，得出该矿田的钙铁榴石在碱性介质中形成，钙铝榴石在酸性介质中产量最高。但是该矿田的石榴子石环带发育，对于其研究处于空白。鉴于此，本文在前人成果的基础上，对其中四个典型矽卡岩型矿床中与矿化密切相关的石榴子石进行野外地质调研、岩相学特征研究，运用电子探针分析石榴子石环带的化学成分，查明元素在不同环带间的分布规律，探讨控制环带形成的地质因素，进而反演成矿流体的演化过程及成矿热液的物理化学条件变化，以期为进一步研究浮图峪矿田中矽卡岩型矿床的成矿机制和成矿规律提供依据。

1 矿田地质特征

浮图峪矿田大地构造位置属华北克拉通中部的太行山北段、山西断隆与燕山台褶带过渡地带，处于紫荆关深断裂与上黄旗—乌龙沟深断裂之间[10]。该矿田位于河北省涞源县浮图峪—杨家庄一带，面积约30 km2，是太行山构造-岩浆-金属成矿带的一个重要成矿区。其处于太行山北段涞源花岗杂岩体的中腰西缘。

浮图峪矿田由大型的木吉村斑岩型铜钼矿床，中小型的浮图峪、小立沟、鸽子岭、铁岭、茅儿峪、东沟等七个矽卡岩型铜铁矿床组成，是河北最重要的铜矿集中区[5]。茅儿峪铜铁矿、浮图峪—东沟铜铁矿、鸽子岭—小立沟—铁岭铜铁矿呈雁行状或串珠状分布于木吉村含矿闪长玢岩-绵胡坨火山机构的北侧[11](图1)。

浮图峪矿田地层主要有太古宇阜平群片麻岩、中上元古界及下古生界碳酸盐岩和碎屑岩，矿区内地层受断裂切割和岩浆岩侵蚀多呈断块状分布。主要赋矿围岩是下古生界及中元古界碳酸盐岩。矿田的断裂构造及古火山构造发育，断裂构造有NNE、NE、NEE、近SN、NW向等多组，以NNE-NE向乌龙沟断裂系为主；主要控矿(岩)断裂为F4，成矿后断裂为F3等。矿田内的矿床主要与木吉村闪长玢岩有关，铁岭及东沟等矽卡岩型铁铜矿、浮图峪及小立沟等热液叠加矽卡岩型铜(铁)矿等集中产出，其矿体分布于闪长玢岩体及其内外蚀变带中，总体沿F4断裂绕古火山构造呈带状分布。

矿田中与矽卡岩型矿化相伴生的有透辉石-石榴子石矽卡岩、透闪石-透辉石矽卡岩、蛇纹石-滑石-绿帘石矽卡岩。热液叠加矽卡岩型矿床发育两期蚀变：早期以蛇纹石-透闪石、阳起石-透辉石、石榴子石矽卡岩为主；晚期在同一通道形成以绿泥石化、绿帘石化、硅化和碳酸盐化为特征的蚀变，称作“绿化”蚀变作用[12]。矿田的矿体主要位于闪长玢岩外带钙(镁)矽卡岩带中，沿F4断裂展布于鸽子岭—小立沟—铁岭、浮图峪—茅儿峪一带。矽卡岩铁铜矿体产于透辉透闪石矽卡岩中，热液叠加矽卡岩型铜(铁)矿体产于“绿化”矽卡岩带，伏于矽卡岩型铁铜矿体之下。前者矿石有磁铁矿石、磁铁-黄铜矿石及铜矿石三种类型，主要金属矿物为磁铁矿，少量黄铜矿、黄铁矿、自然铜等，脉石矿物为透闪石、透辉石、石榴子石、蛇纹石等。后者矿石有镜铁-黄铜矿石、黄铜矿石、镜铁矿石三种类型，主要金属矿物为黄铜矿、镜铁矿、黄铁矿、磁铁矿等，脉石矿物为绿泥石、透辉石、绿帘石、石榴子石、透闪石、石英、方解石等。

2 石榴子石矿物学特征

本文针对浮图峪矿田中矽卡岩型矿床中(浮图峪、铁岭、茅儿峪、鸽子岭)与矿体密切共生的石榴子石展开研究，采样位置见图1。石榴子石结晶较好，多数可清晰分辨其单晶形态，主要为菱形十二面体单形晶体，部分为菱形十二面体与四角三八面体聚形晶体，偶见四角三八面体单形晶体。石榴子石的颗粒大小不一，介于0.5～5 mm。与石榴子石共生的矽卡岩矿物有金云母(如样品GZ1075)，有少量后生矿物石英、方解石。金属矿物有黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿等，其中浸染状黄铁矿为立方体单形晶体(如样品ME1032，黄铁矿含量约10%)，块状黄铜矿(如样品GZ1075，黄铜矿含量约20%)，粒状磁铁矿(如样品GZ1026，磁铁矿含量约5%)。伴随有金属硫化物、氧化物等的石榴子石样品中，石榴子石的颜色多呈深褐色、棕红色、浅棕黄色等；反之，样品的石榴子石颜色多为浅黄色。

图1 浮图峪矿田地质简图和采样位置

其中两件样品(GZ1075和GZ1026)分别采自鸽子岭热液叠加矽卡岩型铜(铁)矿床的两期矿体，含磁铁矿的石榴子石样品呈棕红色、褐红色，呈致密粒状，颗粒大小均小于1 mm；含黄铜矿的石榴子石样品呈深褐色，颗粒大小约5 mm。

在偏光显微镜下，石榴子石颜色为无色、黄色，其切面多为六边形，具不规则裂纹，同心环带十分发育、明暗相间(图2)。环带一般数条，多者可达数十条；多数石榴子石晶体的环带围绕均质核生长，且其外缘又被较宽的环带包围。石榴子石大多数具非均质性，呈现一级灰至白的干涉色，并多见双晶(表现为六连晶)，这些连晶的自形晶体多位于石榴子石晶体的中心部位。石榴子石孔隙和裂隙常有少量辉石、方解石、石英等。

图2 浮图峪矿田矽卡岩型矿床中石榴子石环带的显微镜照片(a～e)和背散色图像(A～E)

3 石榴子石环带的化学成分

由第2节可知浮图峪矿田石榴子石环带非常发育，这些环带能够反映石榴子石的形成环境物理化学条件的差异，同时有效地记录成矿热液的演化历史，因此本次研究选取浮图峪矿田矽卡岩型矿床中石榴子石环带发育的样品进行电子探针分析，为研究石榴子石环带成因及成矿热液演化提供了良好素材。

为了研究石榴子石晶体基本组分从核心到边缘的变化情况，选择样品中石榴子石无杂质矿物、无裂隙、环带发育完好的晶体从环带核部向边缘进行电子探针分析。测试工作在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，仪器型号为JXA-8100型电子探针，测试条件：加速电压20 kV，束斑电流10 nA，束斑直径2～5 μm，峰值计算时间20～60 s。最后采用ZAF法修正数据。5件石榴子石样品的电子探针分析结果见表1～表5。

从表1可以看出，样品FT1016的Fe2O3从核部到边缘的含量(质量分数)变化范围为16.16%～29.21%，平均值24.98%；Al2O3含量变化范围为0.41%～10.23%，平均值3.50%。茅儿峪矿床石榴子石(样品ME1032，表2)环带从核部到边缘的Fe2O3含量为20.47%～28.59%；Al2O3含量为0.82%～7.36%，平均值3.00%。鸽子岭矿床的样品GZ1026(表3)从核部到边缘Fe2O3含量介于18.92%～28.62%，平均值23.55%；Al2O3含量范围在0.52%～7.87%，平均值4.34%。另外一件样品GZ1075(表4)从核部到边缘Fe2O3含量变化于20.96%～29.87%，平均值25.58%；Al2O3含量变化于0.24%～7.13%，平均值3.45%。铁岭矿床的样品GZ1075环带从核部到边缘Fe2O3含量介于18.24%～29.13%，平均值25.78%；Al2O3含量介于0.16%～9.10%，平均值2.72%。研究区样品石榴子石环带从核部到边缘的Fe2O3、Al2O3含量平均值变化范围不大，但Fe2O3、Al2O3含量平均值呈此消彼长，且Fe2O3含量平均值大于Al2O3平均值。此外，矿化强烈的样品如ME1032、GZ1026、GZ1075的MnO含量平均值较高，分别为0.49%、0.98%、0.80%；而其余样品如FT1016、TL1135的MnO含量平均值分别为0.27%、0.26%。

另外，本次研究对样品ME1032进行了两种主要元素(Fe、Al)的面扫描(图3)，从图中可以很清晰地观察到Fe和Al元素的环带(图3A、3B)呈韵律式变化，两种元素此消彼长，总体上Fe含量比Al高。

4 石榴子石环带的端员组分及环带成因

4.1 石榴子石环带的端员组分

以电子探针分析数据为基础，本文利用石榴子石的晶体结构通式A3B2[SiO4]3，A位阳离子包括Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等，B位阳离子包括Al3+、Fe3+、Cr3+、Ti3+等，以O=12为基准，计算得到石榴子石的晶体化学式及端员组分；对于含水的石榴子石以总阳离子数-Si=5为基准，OH=4×(3-Si)来计算其晶体化学式及端员组分。

研究区样品石榴子石的环带非常清晰，其主要阳离子为Si2+、Al3+、Fe3+、Ca2+，二价阳离子Mg2+、Mn2+、Fe2+的含量均很低。占据A位和B位阳离子的主要成分分别为Ca和Mn、Fe和Al，本矿田的石榴子石环带从核部到边缘Ca和Mn、Fe和Al之间的替代关系十分明显。以样品FT1016为例作图4，样品FT1016环带发育的石榴子石的钙铁榴石和钙铝榴石端员组分的质量分数平均值为82.5%和16.6%，钙铝榴石端员组分约为钙铁榴石端员组分的1/5，其他石榴子石端员组分的质量分数不超过1.1%。样品ME1032石榴子石的钙铁榴石和钙铝榴石端员组分的质量分数平均值分别为85.0%和13.6%，钙铝榴石端员分子不足钙铁榴石端员分子的1/5，其他石榴子石端员分子的质量分数不超过1.79%。样品TL1135石榴子石的钙铁榴石和钙铝榴石端员组分的质量分数平均值分别为86.2%和12.9%，钙铝榴石端员分子不足钙铁榴石端员分子的1/5，其他石榴子石端员分子的质量分数不超过1.03%。

表1 浮图峪矿田环带石榴子石电子探针分析结果

表2 茅儿峪矿床环带石榴子石电子探针分析结果

(续表 2)

表3 鸽子岭矿床样品GZ1026环带石榴子石电子探针分析结果

表4 鸽子岭矿床样品GZ1075环带石榴子石电子探针分析结果

表5 铁岭矿床环带石榴子石电子探针分析

(续表 5)

图3 样品ME1032面扫描图

鸽子岭样品GZ1026石榴子石的钙铁榴石和钙铝榴石端员组分的质量分数平均值分别为78.1%和19.3%，钙铝榴石端员分子约为钙铁榴石端员分子的1/4，其他石榴子石端员分子的质量分数不超过3.26%。样品GZ1075钙铁榴石和钙铝榴石端员组分的质量分数平均值分别为82.8%和14.9%，钙铝榴石的端员分子不足钙铁榴石端员分子的1/5，其他石榴子石端员分子的质量分数不超过3.47%。样品GZ1026石榴子石钙铁榴石的质量分数平均值低于样品GZ1075石榴子石钙铁榴石。同时图5可以看出，GZ1075环带的端员成分较GZ1026更密集地趋近钙铁分子。

图4 样品FT1016石榴子石环带成分变化

研究区样品环带结构石榴子石的钙铁端员组分平均值均较高，介于78.1%～86.2%，根据石榴子石族划分标准[13]，显示其属钙铁榴石系列。每一件样品石榴子石环带的端员成分表明，钙铁榴石的质量分数均大于50%，钙铁分子和钙铝分子从核心到边缘呈韵律变化，钙铁榴石与钙铝榴石此消彼长，且钙铁分子的质量分数远大于钙铝分子(图4)。

图5 Gro-And-Pyr+Spe+Ura三角图解

4.2 石榴子石环带成因

本次研究的浮图峪矿田的5件石榴子石环带成分基本为钙铁-钙铝榴石固溶体系列，且钙铁分子和钙铝分子从核心到边缘呈韵律变化，核心均为高钙铁榴石分子。石榴子石晶体在生长过程中，它的钙铁分子与钙铝分子以各种不同的百分比韵律式地组成许多同心的类质同像重叠层(薄片中呈环带状)，说明石榴子石形成时环境及热液组分变化动荡[14]，显示不是在完全封闭的平衡条件下形成的[14]。根据4.1节所述，石榴子石环带所对应是钙铁分子和钙铝分子从核心到边缘呈韵律变化，钙铁榴石与钙铝榴石此消彼长，因此本研究推测，在石榴子石每一层环带形成过程中，主要组分(Si、Ca、Fe或Al等)大量消耗，浓度降低，根据钙铁分子质量分数大于钙铝分子质量分数的客观事实，说明钙铁组分浓度高、活动性相对较大，中心部分优先形成以钙铁分子为主的类质同象，与此同时，钙铁分子与钙铝分子组分比产生相应的变化，增生的晶体表层环带的类质同象分子组成也就产生了明显的差异，从以钙铁分子为主的类质同象转变为了以钙铝分子为主的类质同象，从而导致晶体结构变形，引起光性异常[13]，形成石榴子石环带(非均质体)。另外，K、Na卤化物溶液在钙铁-钙铝榴石系列石榴子石的形成过程中起着降低结晶温度和加快结晶速率的作用，因此，也常使钙铁榴石-钙铝榴石固溶体矿物的光性出现异常，成为非均质体[13]。马国玺等[10]对研究区矽卡岩矿床的流体包裹体成分分析表明，其热液成分中K、Na、Cl、F、H2O含量较高，佐证了卤化物在石榴子石环带的形成过程中发挥了作用。

综上所述，该矿区的石榴子石环带的形成是由于钙铁榴石和钙铝榴石两个端员成分含量呈交替变化而引起光性异常；同时，K、Na等卤化物也发挥了降低结晶温度和加快结晶速率的作用。

4.3 石榴子石环带的意义

石榴子石环带的化学成分及其变化能够反映其形成条件或成因特征，具有标型特征指示意义[4-9,13,15]。因此可以根据石榴子石的环带结构及其成分特征指示其形成和演化过程，并且反演成矿流体演化轨迹及热液的物理化学条件。

梁祥济[1]研究得到近于等量钙铁-钙铝榴石只在中性介质中形成，钙铝-钙铁榴石形成温度变化范围在350～500℃；在温度450～600℃范围内，以钙铁榴石为主；在温度550～700℃范围内，钙铝榴石占优势。本文的数据显示五件样品石榴子石环带成分为钙铁-钙铝榴石固溶体系列，但钙铁榴石的成分较钙铝榴石高，因此可以推断，本次研究的石榴子石的形成环境应该为弱酸、较低温度和相对氧化环境。马国玺等[10]对该矿田矽卡岩期石榴子石流体包裹体研究认为：流体成分以富钙(钠)、氯、水为特征，成矿介质温度为450℃、中等盐度(12%)、弱酸性(pH=6.55)的盐水体系。因此，本文根据石榴子石成分的推断与前人研究成果较为一致。

本次研究的石榴子石环带清晰，不同环带的化学组成具有一定的差异，最显著差异表现为钙铁榴石和钙铝榴石两个端员成分含量交替变化，此消彼长，显示其不是在一个完全封闭的平衡条件形成的，指示成岩成矿流体温度、pH、氧逸度和盐度均在不断地变化，暗示流体的多期多阶段性。动荡的环境不利于成矿元素进入晶格，为富集成矿提供了必要条件，这与该矿区黄铁矿、黄铜矿、辉钼矿等硫化物呈细粒它形充填于石榴子石颗粒间，或者石榴子石的裂隙中形成细脉的地质现象相符。另外，钙铁榴石和钙铝榴石的形成，总体上降低了氧逸度，说明成矿环境从相对氧化环境转换为相对还原环境，在相对还原的环境中硫化物大量沉淀，从而进入矽卡岩型矿床主成矿阶段。也就是说，在矽卡岩型矿床系统演化中，成矿环境是随着不同阶段不同矿物结晶而变化的，而石榴子石可以看作在矽卡岩型矿床形成过程中是为成矿作用做准备的阶段，也是矽卡岩型矿床更富集金属的原因之一。

5 结语

石榴子石作为浮图峪矿田矽卡岩型矿床的主要矿物，其晶体大多具有明显的非均质性，环带极其发育；成分属于钙铁-钙铝榴石系列，从晶体核部到边缘，钙铁榴石与钙铝榴石呈韵律式变化，总体上钙铁榴石质量分数大于钙铝榴石质量分数；通过对石榴子石的环带成分的研究，石榴子石是在弱酸、较低温度和相对氧化的环境中生成的，指示成岩成矿流体温度、pH、氧逸度和盐度均在不断地变化。说明石榴子石不是在一个完全封闭的平衡条件形成的，而是暗示了一种多期多阶段性特征，为富集成矿提供了必要条件。

本次研究通过对浮图峪矿田矽卡岩型矿床中的石榴子环带成分进行研究，定性地说明了石榴子石是在弱酸、较低温度和相对氧化的环境中生成的，但没有定量描述，在今后类似的工作中应该综合考虑石榴子石流体包裹体，最终给出一个定量化的结论。

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