中条山铜凹组泥质岩矿物共生组合及地质意义

姚 宇 凯

(山西省地质调查院,山西 太原 030000)

1 概述

中条山区处于华北克拉通中部带南缘，鄂尔多斯地块与河淮地块接合带的南端，华北地块南缘沁水向斜南部仰起端，华北板块山西地块南缘与豫皖地块接壤地带，行政区划分属山西临汾市、晋城市、运城市管辖。中条山作为我国重要铜矿产地之一，目前已发现铜矿床20处，探明铜储量达390多万吨(庞雪娇，2010)。同时还伴生钴、金、钼、银等金属元素。不仅如此，由于地处特殊的大地构造位置，该地区被认为是研究华北克拉通早前寒武纪地质演化的关键区域。

泥质岩对变质作用的反应比较“灵敏”，选取泥质岩进行变质作用的研究通常能得出准确的结论。中条山区的变质泥质岩石主要分布在绛县群铜凹组，中条群篦子沟组、陈家山组(见表1)。而且这三个组是中条山最为重要的含矿地层，赋存了超过90%的铜矿床(点)。虽然前人对相关内容作了大量研究，但已有的资料停留在20世纪90年代，已不能适应地质理论及实验测试技术的发展。所以，本文以中条山区铜凹组变泥质岩作为研究对象，通过矿物组合的研究，从而对绛县群乃至中条山区的变质作用探讨提供一些基础资料。

表1 中条山区绛县群、中条群地层简表

2 区域地质背景

中条山地区是华北克拉通内出露早前寒武纪岩石的典型区域之一，区内岩石呈北东—南西向展布(见图1)，区域内出露最古老的岩石为涑水杂岩，主要由新太古代(2.7 Ga～2.5 Ga)的TTG片麻岩(孙大中等，1991；赵凤清，2006；郭丽爽等，2008；张晗，2012；Zhu et al.，2013)、古元古代变质表壳岩(赵凤清，2006)和新太古代至古元古代的花岗质侵入体组成(Tian et al.，2006；赵凤清，2006)。基底岩石被古元古代沉积—火山岩建造不整合覆盖，从下至上依次为绛县群、中条群、担山石群变质地层以及中元古代—新生代沉积盖层。

绛县群主要分布于中条山区绛县幅、垣曲幅中，主体呈NE-SW向展布于涑水杂岩东侧，其中北端地层出露最全，向南变薄至尖灭，除在南东侧与中条群呈不整合接触外，与周边地质体多以构造接触。为一套经历了中～低级变质作用的碎屑岩—泥质岩—火山沉积建造。根据沉积建造、火山活动、接触关系、构造运动、变质作用等特征，维持近年来成果，将绛县群划分为两个亚群，下部为横岭关亚群，上部为铜矿峪亚群，二者为不整合接触关系。铜凹组位于横岭关亚群。

铜凹组出露于范家沟—横岭关—上阴一带。呈北东向展布，北部出露较宽，南部较窄，其间线状褶皱发育。总厚度大于1 115 m。原岩为一套泥质、半泥质沉积建造。据其岩石特征，可划分为四个岩性段，自下而上为：一段(Pt1t1)：岩性为深灰色含十字石榴绢云片岩，含碳绢云片岩，局部地段出现蓝晶石片岩。二段(Pt1t2)：主要由灰色绢英片岩和灰黄色、灰色二云片岩组成，夹少量绢英岩。三段(Pt1t3)：为十字石榴绢云片岩、绢云片岩。四段(Pt1t4)：为黄色绢(白)云母石英片岩，下部夹黄白色细粒绢(白)云石英岩一层。

3 矿物共生组合

由于地层出露的限制，本次工作只采到铜凹组一段～三段岩石，以下主要介绍绛县群铜凹组一段～三段变质矿物组合。

3.1 铜凹组一段

铜凹组一段具有代表性的岩石为十字石榴二云片岩、石榴二云片岩，其特征变质矿物为十字石、石榴石、绢云母，过剩矿物为黑云母、石英、白云母。

1)石榴二云片岩，岩石呈斑状粒状鳞片变晶结构，石榴石为变斑晶，其核部不含矿物包裹体，幔部边部含有石英矿物包裹体，且矿物包裹体形迹与基质片理一致；基质为黑云母、白云母、石英组成的片理，发生轻微褶皱(见图2)。若石榴石斑晶整体形成于变形(形成片理)前，则其或整体呈交代残余状，或整体含包裹体且形迹与基质片理一致；若石榴石整体形成于变形后，则其整体应均不含包裹体，较为干净；若石榴石整体形成于变形期，则其整体应均含包裹体。由此可见，石榴石核部与幔部边部只能为两期形成。核部为变形之前形成，是第一期变质矿物；幔部及边部包含同基质相同的矿物包裹体，且包裹体形迹与片理一致，是第二期变质矿物；基质云母、石英为第三期变质矿物。

2)十字石榴二云片岩，岩石呈斑状粒状鳞片变晶结构，变斑晶十字石、石榴石互相穿插生长(见图3)，推断它们几乎同时形成，可能的变质反应为：Cld+Q=St+Grt+H2O。根据石榴石—黑云母矿物温度计计算结果(后文介绍)，将十字石归入与第二世代石榴石同期生成的变质矿物。

3.2 铜凹组二段

铜凹组二段具有代表性的岩石为灰色绢英片岩和灰黄色、灰色二云片岩，夹少量绢英岩。除了黑云母、白云母、石英外，在镜下看到许多顺片理生长的钛铁矿和钾长石，由此得出两期变质矿物：第一期黑云母+白云母，第二期为钾长石、钛铁矿，石英和绢云母为过剩矿物。

3.3 铜凹组三段

铜凹组三段具有代表性的岩石为十字石榴二云片岩、石榴二云片岩，特征变质矿物为十字石、石榴石、黑云母、绿泥石。样品中的石榴石均穿插黑云母生长，二者具有成因关系，局部达到平衡共生。样品中的绿泥石存在两种产状(见图4)：一种位于黑云母边部，呈板状或放射状，是黑云母退变质而来；另一种独立存在，为变斑晶，由于产出数量少且为局部产出，推断为进变质产生的变质矿物。岩石组合中存在两期变质矿物：第一期绿泥石，第二期十字石+石榴石+黑云母，绢云母和石英为过剩矿物，此外还有一期退变质产生的绿泥石。

3.4 变质温度估算

经过岩石学相平衡实验标定，适用于泥质变质岩的石榴石—黑云母(GB)地质温度计准确度较高(吴春明，2007)，利用GB温度计估算出的变质作用峰期温度如下：

1)铜凹组一段：第一期进变质，反应温度为434 ℃～456 ℃(Model A)，443 ℃～460 ℃(Model B)，第二期进变质，反应变质温度为466 ℃～516 ℃(Model A)，468 ℃～505 ℃(Model B)。

2)铜凹组三段：第二期进变质，反应温度约为547 ℃。

4 讨论

1)按照特征变质矿物的首次出现来划分变质带，紧邻涑水杂岩出现的是十字石带，向东边为黑云母带、十字石带，呈现一种比较复杂的变质带分带格局。铜凹组一段与三段均为十字石带，二段属于黑云母带，它们的变质带发生了突变。

本次通过矿物化学分析发现，铜凹组二段岩石的黑云母含量少于12%，且黑云母中的TiO2含量(w%)远高于其他组(2.22～2.27；Pt1b为0.07～0.032，Pt1cj为1.15～1.63；Pt1t3为1.32～1.86)，XMg较低(0.73～0.77；Pt1b为0.8～1.1；Pt1cj为0.99～1.08；Pt1t3为1.1～1.18)。合理的推测，由于岩石受黑云母的含量及其矿物化学成分所限，在变质作用过程中黑云母没有生成石榴石，而生成钛铁矿，且黑云母中剩余的K元素组成了钾长石。也就是说，变质岩石的矿物成分受原岩成分的控制。可能的变质反应为：

Bt+Q(+Ms)=Kfs+Ilm+H2O

利用其中的斜长石包裹体，二长石温度计计算出变质温度达到586 ℃，与铜凹组一、三段的变质温度相差无几，达到了低角闪岩相的变质温度条件，从侧面证明了猜测的正确性。

2)绛县群与中条群是上下关系还是侧向关系。

以往二者的关系被认为是角度不整合或不整合基础上叠加有韧性断层接触关系。近年来有的学者从沉积盆地的角度认为二者可能为侧向相变关系，提出平头岭石英岩与界牌梁石英岩可能为同一层石英岩，二者现今的空间关系为晚期构造叠置的结果。界牌梁石英岩底部砾岩中保留有大量涑水杂岩砾石，支持绛县群与中条群是侧向关系的认识。

本次根据矿物生长关系，铜凹组变质泥质岩的变质作用可以划分为两个进变质期和一个退变质期。第一进变质期发生在D1变形期间，早期标志性矿物为小片绿泥石+石英+绢云母，而后出现黑云母，变质温度增高出现石榴石，最后出现十字石。矿物组合：铜凹组一段为GrtⅠ+Ms+Bt+Q，铜凹组二段为Ms+Bt+Q，铜凹组三段为St+Bt+Ms+Q。第二期变质期大致与D2变形时期相当，早期出现沿S2片理生长的绢云母、黑云母，在进变质过程中依次出现石榴石、十字石。矿物组合：铜凹组一段为GrtⅡ+St+Ms+Bt+Q，铜凹组二段为Kfs+Ilm+Ms+Q，铜凹组三段为Chl+Ms+Q。退变质作用发育比较普遍，表现在石榴石、十字石退变为绢云母+石英组合，黑云母退变为绿泥石。据前人资料，中条群篦子沟组变质泥质岩的变质作用同样可以划分为两个进变质期和一个退变质期，且变质矿物组合与绛县群铜凹组相当，由此可以推断二者经历了相同的变质作用。两期进变质为中条晚期的变质作用所致，退变质为担山石期变质作用叠加的结果(中条早期为古元古代涑水杂岩及冷口岩组的变质时期，另文叙述)。从而，从变质作用的角度证明了绛县群与中条群为侧向关系，而非上下关系。

5 结语

1)铜凹组一段有两期变质矿物，变质级别最高达到角闪岩相十字石带，变质矿物组合：第一期，GrtⅠ；第二期，GrtⅡ+St，第三期：Ser+Q，Bt+Ms+Q为过剩矿物。第一期变质温度为434 ℃～456 ℃，443 ℃～460 ℃，第二期变质温度为466 ℃～516 ℃，468 ℃～505 ℃。

2)铜凹组二段有两期变质矿物组合：第一期，Ms+Bt；第二期，Kfs+Ilm，Q+Ms为过剩矿物。可能由于原岩化学成分的控制，导致没有生成石榴石等特征变质矿物。利用two-feldspar thermometer计算出第二期变质温度为586 ℃，达到石榴石带变质级，推测的变质反应为：Bt+Q(+Ms)=Kfs+Pl+Ilm+H2O。

3)铜凹组三段有两期进变质矿物组合：第一期，Chl；第二期，Grt+Bt，Ms+Q为过剩矿物。一期退变质矿物组合：Chl。第二期的变质温度约为547 ℃。

4)通过矿物共生组合分析发现，绛县群铜凹组泥质岩与中条群泥质岩都具有两期进变质矿物组合和一期退变质矿物组合，说明它们经历了相同的变质作用，从变质作用角度证明绛县群和中条群为侧向相变关系，而非上下关系。