徐州睢宁白露山岩体中的铬铁矿化学成分及金刚石的含矿性研究

周琦忠，张 琪，冯学知，王 博，邱 磊，王国强

(江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004)

0 引言

2013年以来，江苏省地质矿产局第五地质大队在苏北地区启动了第二轮金刚石原生矿找矿工作，在郯庐断裂带西侧张集、塔山、吴桥、西村等地区开展了矿产普查工作[1-2]，从基性-超基性岩中选获了6颗原生金刚石。其中白露山岩体选获了3颗原生金刚石，包括2颗大颗粒金刚石(粒径>1 mm)，这是郯庐断裂带西侧首次发现的大颗粒金刚石，苏北地区金刚石找矿工作取得了重要突破。

白露山岩体是近几年在苏北地区新发现的金刚石含矿岩体，因相关研究工作刚刚起步，因此存在很多亟待解决的科学问题。该岩体中除了发现原生金刚石外，还选获了大量铬铁矿。铬铁矿作为典型的金刚石指示矿物，可以较好地指示金刚石的含矿性[3-5]。本文通过研究白露山岩体中铬铁矿的化学成分，探讨其成因及金刚石的含矿性，并与山东、辽宁含矿金伯利岩中铬铁矿的化学成分进行对比，进一步分析白露山岩体的金刚石成矿潜力，为今后该区金刚石勘查工作提供参考资料。

1 区域地质背景

白露山岩体位于江苏省徐州市东南部约55 km处，属于徐州市睢宁县姚集镇管辖。其大地构造位置处于华北陆块区(Ⅰ1)胶东古陆块(Ⅱ1)鲁南被动陆缘与陆表海盆地(Ⅲ1)徐淮陆表海盆地(Ⅳ2)徐州—宿县弧形断褶带北东段，东距郯庐断裂带约45 km(图1)。华北陆块为典型的A型克拉通，区域上古老基底为新太古界泰山岩群，上覆盖层为新元古界碳酸盐岩和碎屑岩，厚度达数千米，为金刚石的形成提供了有利条件[1-2,6]。

Ⅰ1.华北陆块区；Ⅰ2.秦祁昆造山系；Ⅰ3.扬子陆块区；Ⅱ1.胶东古陆块；Ⅱ2.大别苏鲁地块；Ⅱ3.下扬子古陆块；Ⅲ1.鲁南被动陆缘与陆表海盆地；Ⅲ2.苏鲁高压-超高压变质岩系折返带；Ⅲ3.苏皖前陆盆地；Ⅳ1.鲁南碳酸盐岩台地；Ⅳ2.徐淮陆表海盆地；Ⅳ3.苏鲁高压-超高压变质亚带；Ⅳ4.苏北周缘前陆盆地；Ⅴ1.欢口新生代粉砂岩-泥岩建造；Ⅴ2.丰沛古生代碳酸盐岩-陆缘碎屑岩建造；Ⅴ3.敬安新生代粉砂岩-泥岩建造；Ⅴ4.徐州—贾汪古生代碳酸盐岩-陆缘碎屑岩建造；Ⅴ5.邳县—睢宁新元古代陆缘碎屑岩-碳酸盐岩建造；Ⅴ6.新沂—宿迁中生代磨拉石建造；Ⅴ7.东海—赣榆地区云母片岩-石英岩-花岗片麻岩-榴辉岩建造；Ⅴ8.泗阳—连云港地区绿色云母片岩-含磷大理岩-变粒岩-浅粒岩建造；Ⅴ9.滨海古生代陆缘碎屑岩-碳酸盐岩建造；Ⅴ10.阜宁新生代粉砂岩-泥岩建造；Ⅴ11.建湖古生代陆缘碎屑岩-碳酸盐岩建造

该区构造运动较活跃，区内褶皱、断裂发育，且多次叠加，形成了区域上错综复杂的构造格架。褶皱主要发生在印支期—燕山期，表现为徐州—宿县弧形断褶带内发育一系列轴向由NNE向渐转为NEE向的复式褶皱，并略向NW向凸出呈弧形。区域断裂主要为NE向、NNE向、NW向和近EW向4组，多期活动性明显，控制着区域岩浆岩的侵位与分布。

该区岩浆活动不强烈，主要有3期岩浆岩，分别为新元古代辉绿岩、中生代中酸性侵入岩及喷出岩、新生代脉岩，白露山岩体属于新生代岩浆活动的产物。

2 岩石学特征

白露山岩体出露于四山子村北—白露山一带，受多组断裂控制而呈枝杈状分布，具有多次喷发的特点，其出露形态反映了裂隙式-中心式喷发的隐爆火山岩岩管特征。岩体由东、西2条岩脉和四山子村岩管组成，其中东、西2条岩脉在北段合并为1条，四山子村岩管可能在深部与东岩脉相连(图2)。

图2 白露山岩体平面示意图

岩体的岩相分带较明显，根据岩石类型及其分布特征，可分为中间相和外部相。自岩体内部向外角砾含量逐渐增多，由中间相的橄榄玄武岩逐渐过渡为外部相的橄榄玄武质隐爆火山角砾岩(图3(a))。围岩为震旦系九顶山组下段深灰色中厚层灰岩，接触界线清晰，围岩蚀变以大理岩化为主，但蚀变范围有限。

橄榄玄武岩呈灰黑色、黑绿色，具斑状结构、基质间粒结构，块状构造。斑晶主要由橄榄石(10%)、单斜辉石(10%)以及少量斜长石和角闪石组成，粒径一般为0.1～1.2 mm；基质主要由斜长石(50%)、单斜辉石(20%)、橄榄石(5%)以及少量不透明矿物、黑云母和角闪石组成，粒径一般<0.1 mm(图3(b))。橄榄石呈半自形-它形柱粒状，基本被皂石或碳酸盐矿物交代成假象。

(a)野外照片(b)显微镜下照片

橄榄玄武质隐爆火山角砾岩呈深灰色、灰绿色，角砾状构造。角砾大小不一，直径2～10 cm，多数呈浑圆状，具熔蚀壳，成分极其复杂，主要为橄榄玄武岩和灰岩，此外还可见凝灰质、闪斜煌岩、辉石岩和片麻岩角砾等。胶结物主要为碎粉、火山尘及方解石等次生矿物等，粒径<0.5 mm。

3 样品特征与测试方法

3.1 样品特征

本次研究的铬铁矿主要来自白露山岩体东岩脉选矿样品中的重砂矿物。其显微镜下特征为：黑色，八面体，粒状，金属、半金属光泽，不透明，高硬度，浑圆-半浑圆状，无解理，断口呈油脂光泽、沥青光泽，条痕呈褐色，表面特征具有镜面状、指纹状、致密状及斜切边状(图4)。

图4 白露山岩体中的铬铁矿显微镜下照片

3.2 测试方法

对铬铁矿进行单矿物制靶和电子探针测试。单矿物制靶在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成，电子探针测试在国家海洋局第二海洋研究所检测中心完成。电子探针仪器型号为JXA-8100电子微探针波谱仪，测试条件为室温23 ℃，湿度40%，加速电压15 kV，束流20 nA，光束直径5 μm，分析项目包括TiO2、Cr2O3、Al2O3、MgO、FeO和MnO含量测定。校正标准矿物主要为橄榄石(Mg)、铁铝榴石(Fe、Al)、铬铁矿(Cr)、金红石(Ti)和蔷薇辉石(Mn)；Mn、Cr计数时间峰值为30 s，背景计数时间为10 s，其他元素计数时间峰值均为10 s。

4 地球化学特征

4.1 主量元素

白露山岩体中铬铁矿的电子探针分析数据见表1。铬铁矿的Cr2O3含量为46.10%～66.10%，平均值为58.12%；Al2O3含量为4.67%～14.78%，平均值为8.25%；MgO含量为9.68%～13.46%，平均值为11.63%；FeO含量为13.74%～25.43%；TiO2含量多数为0～1.65%，极个别含量为3.76%，平均值为0.81%。铬铁矿总体具有高Cr、低Al、高Mg的特征。

在铬尖晶石晶格中，Cr3+和Al3+是占据B位的主要阳离子，Cr2O3与Al2O3呈互为消长关系[3]。在铬铁矿Cr2O3-Al2O3图解(图5)上，二者基本呈负相关，但存在一定的离散，这主要是由于Fe2O3含量较高，部分Fe3+替代了Cr3+和Al3+所致。

与金伯利岩中的铬铁矿相比，白露山岩体中的铬铁矿Cr2O3含量与山东富矿金伯利岩中的铬铁矿Cr2O3含量(53%～60%)大致相当，比辽宁富矿金伯利岩中的铬铁矿Cr2O3含量(43%～58%)略高，明显高于河南无矿金伯利岩中的铬铁矿Cr2O3含量(30%～46%)[4]。

4.2 种类划分

为了详细划分白露山岩体中铬铁矿的种类，本文采用阴离子法[5](氧原子数为4)计算得到了各配位阳离子数，进而计算出化学分子式，确定其种类，其中Fe2+和Fe3+通过剩余电价法估算得出。

尖晶石族的化学通式为AB2O4。计算结果(表1)显示：A组阳离子主要为Mg2+和Fe2+，占位数分别为0.49～0.66和0.34～0.52，Mn2+占位极少，不超过0.02；B组阳离子主要为Cr3+、Al3+和Fe3+，占位数分别为1.19～1.72、0.18～0.56和0.04～0.27，Ti4+占位极少，不超过0.04。本文以占位阳离子数>0.05的元素参与分类命名，将白露山岩体中的铬铁矿划分为3个亚种[7]，其中以镁铁-铬铝铁亚种(17个样品)为主，少数为镁铁-铬铝亚种(3个样品)或铁镁-铬铝铁亚种(2个样品)。

根据B组3价阳离子的相对含量，依据索科洛夫铬尖晶石分类方案[8]，将铬尖晶石分为12类。在铬尖晶石类矿物分类图解(图6)上，白露山岩体中的铬铁矿大多数属于铬铁矿类，少数由于Al2O3或Fe2O3含量略高而落入铝铬铁矿、富铁铝富铬尖晶石和富铁铬尖晶石类(图6)。

图6 铬尖晶石类矿物分类图解[6]

一些学者根据Mg、Fe2+、Cr、Al的化学成分，将尖晶石分为铝尖晶石、铁尖晶石、铬铁矿和镁铬铁矿[9]。白露山岩体中的铬铁矿Cr/(Cr+Al)值为0.7～0.9，均>0.5，Mg/(Mg+Fe2+)值为0.49～0.66，基本>0.5。在尖晶石类矿物化学成分分类图解(图7)上，白露山岩体中的铬铁矿大多数落入镁铬铁矿区，仅3个样品落入铬铁矿区。山东蒙阴含金刚石金伯利岩中的铬铁矿与辽宁瓦房店50号岩管金伯利岩中的铬铁矿也多为镁铬铁矿[10]。

图7 尖晶石类矿物化学成分分类图解

5 讨论

5.1 成因

对于铬尖晶石的成因，一般认为高Cr铬尖晶石(Cr/(Cr+Al)>0.6)形成于深部地幔，而高Al铬尖晶石(Cr/(Cr+Al)<0.6)形成于接近莫霍面的浅部地幔[11]。在铬铁矿Cr/Fe3+-Cr/(Cr+Al)图解(图8)上，样品投影点从浅部地幔到深部地幔均有分布，但主要集中在深部地幔，说明白露山岩体中的铬铁矿主要来自深部地幔。

图8 铬铁矿Cr/Fe3+-Cr/(Cr+Al)图解[11]

一些学者[10,12]认为，随着铬铁矿中Cr2O3成分的变化，Al2O3与TiO2的成分变化表现出2种趋势：一是Cr2O3与Al2O3呈负相关，而与TiO2无相关性，代表其原地幔岩为橄榄岩；二是Cr2O3与TiO2呈负相关，而与Al2O3无相关性，代表其原地幔岩为苦橄岩。在铬铁矿Cr2O3-Al2O3图解(图5)与Cr2O3-TiO2图解(图9)上，白露山岩体中铬铁矿的Cr2O3与Al2O3、TiO2成分变化表现为第一种趋势，表明其原地幔岩为橄榄岩。

图9 铬铁矿Cr2O3-TiO2图解

对于含金刚石岩体中的铬铁矿来说，其成因更为复杂，一般包括地幔捕虏体成因、原生结晶成因、金刚石中的铬铁矿包体以及成岩期后交代成因等[3]。白露山岩体主体岩性为橄榄玄武岩，是一种略偏碱性的基性岩，来源深度通常不超过70 km[13]，很难结晶出高Cr铬铁矿，后期交代成因显然与前述来自深部地幔的观点不符，因此白露山岩体中的铬铁矿更可能来自地幔捕虏体。白露山岩体除主体岩性之外，还含有大量隐爆角砾，其成分十分复杂，但由于地幔捕虏体在地表极易发生蚀变，目前仅发现辉石岩等深源捕虏体，尚未发现其他类型的深源捕虏体，后期有待进一步开展相关研究工作。

5.2 金刚石含矿性

在金刚石找矿过程中，铬铁矿常作为重要的指示矿物。关于铬铁矿与金刚石含矿性的关系，学者们普遍认为富Cr贫Al(Cr2O3含量>54%，Al2O3含量<10%)的铬铁矿越多，金刚石的含矿性越好[3,10,13-15]。白露山岩体中的铬铁矿大多数属于高Cr、低Al铬铁矿(图4)，与含矿岩体关系密切。

除了Cr、Al含量外，Cr、Mg含量在一定程度上也可指示金刚石的含矿性[3,10]。在铬铁矿Cr2O3-MgO图解(图10)上，白露山岩体中铬铁矿样品投影点分布较分散，在蒙阴常马庄含矿金伯利岩和辽宁50号岩管铬铁矿区均有分布，仅少数样品投影点落在这2个区域之外，且有一部分样品投影点落入金刚石包体区，表明这些铬铁矿与金刚石具有密切关系，指示金刚石的含矿性较好。

图10 铬铁矿Cr2O3-MgO图解[10]

张安棣[3]在研究金刚石指示矿物特征时，通过对TiO2、Al2O3、Cr2O3和MgO含量4个变量进行Q型聚类分析，获得了铬尖晶石化学成分统计分类表(表2)。根据以上4个含量变量，发现白露山岩体中的铬铁矿多属于贫钛富铝富镁铬铁矿(S4组)和富钛贫铝镁铬铁矿(S6组)，其次为无钛贫铝富镁铬铁矿(S1组)和含钛贫铝富镁铬铁矿(S2组)，表明白露山岩体中的铬铁矿来自金伯利岩或钾镁煌斑岩，其中S1组和S2组铬铁矿是含矿岩体的标型矿物，进一步表明白露山岩体金刚石的含矿性较好，岩体可能含有含矿的金伯利岩或钾镁煌斑岩捕虏体，这在一定程度解释了大颗粒原生金刚石的来源问题。

表2 12组铬尖晶石的平均含量及产状特征

综上所述，白露山岩体中的铬铁矿与金刚石具有密切关系，该区具有良好的金刚石找矿前景。

6 结论与建议

(1)白露山岩体中的铬铁矿Cr2O3含量较高，平均值为58.12%；Al2O3平均值为8.25%；MgO平均值为11.63%。铬铁矿总体具有高Cr、低Al、高Mg的特征。按照化学分子式，铬铁矿多属于镁铁-铬铝铁亚种；根据索科洛夫铬尖晶石分类方案，白露山岩体中的铬铁矿多属于铬铁矿；根据Mg、Fe2+、Cr、Al成分含量，铬铁矿多属于镁铬铁矿。

(2)白露山岩体中的铬铁矿是深部地幔橄榄岩结晶而成的，不是岩体本身的结晶产物，可能来源于岩体中的深源捕虏体。

(3)白露山岩体中的铬铁矿结晶温度为1 253～1 354 ℃，与金刚石的形成温度(1 150～1 400 ℃)相近；铬铁矿的化学成分与山东、辽宁含矿金伯利岩中铬铁矿的化学成分较相似，多数属于S4组和S6组铬铁矿，少数属于S1组和S2组铬铁矿，其中S1组和S2组铬铁矿是含矿岩体的标型矿物。白露山岩体中的铬铁矿与金刚石具有密切关系，该区具有良好的金刚石成矿潜力和找矿前景。

(4)虽然本文已明确铬铁矿不是岩体的结晶产物，而是来自深源捕虏体，金伯利岩中的高Cr铬铁矿也多来自深源捕虏体。但目前尚未发现新鲜的深源包体或金伯利岩，而橄榄玄武岩的深度不足以直接携带大量的深源包体至地表，探寻地下深处是否存在更早期的金伯利质岩浆活动对解释金刚石成因及下一步勘查方向具有重要意义，后期将开展进一步研究工作。

致谢：本文得到了江苏省地质矿产局第五地质大队施建斌正高级工程师的理论指导，在野外考察及采样中得到了江苏省地质调查研究院厉建华正高级工程师的大力帮助。此外，还得到了江苏省地质矿产勘查局王大志高级工程师、张建正高级工程师，江苏省地质勘查技术院张作宏高级工程师以及中国地质调查局南京地质调查中心蔡逸涛博士等专家的指导、支持和帮助。在此一并致以诚挚的谢意！