安徽省泗县山头金刚石砂矿中指示矿物特征研究

董钟斗，蔡逸涛，曹正琦，张 洁，向 华，康丛轩

（1. 安徽省地勘局第二水文地质工程勘察院，安徽芜湖 241000；2. 中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016；3. 湖北文理学院，湖北襄阳 441053；4. 湖南省地质矿产勘查开发局四一三队，湖南常德 415000）

金刚石是找矿难度最大的矿种之一，砂矿一般先于原生矿被人们发现[1-3]。我国金刚石找矿进程中，也是先发现砂矿，再溯源寻找原生矿。如山东郯城地区砂矿中发现的巨钻“常林钻石”，苏北新沂地区的金刚石砂矿以及湖南金刚石砂矿[4-5]。这些砂矿的发现为寻找原生金刚石矿提供了诸多线索，砂矿中最重要的伴生矿物为石榴子石、铬铁矿等，尤其是高铬的石榴子石，往往作为金伯利岩或其他含金刚石母岩的指示矿物而备受地质学家重视[6-8]。安徽省泗县山头地区早在1960年代就发现金刚石砂矿点。在2012年安徽宿州栏杆地区发现原生金刚石后[9]，有学者提出泗县山头地区金刚石是否来自于栏杆地区的原生金刚石矿的问题[10]。为此，本文以泗县山头地区金刚石砂矿中的指示矿物石榴子石和铬铁矿为研究对象，并与栏杆地区原生金刚石矿的相应指示矿物进行对比，探讨砂矿中金刚石的来源，以期能够对区域金刚石找矿工作有所启示。

1 区域地质背景

泗县山头地区位于华北克拉通东南缘，基底为新太古代五河群、霍丘群和古元古代凤阳群，时代为1878～2963 Ma[12-13]；盖层包括青白口系、南华系、震旦系及寒武系，岩性为石英岩、灰岩、页岩等，总厚达7000米。古生代时，本区长期处于隆起剥蚀状态，造成上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统缺失。侏罗纪以来形成陆相沉积，包括河湖相及中性火山岩复陆屑建造组合。

郯庐断裂带穿过泗县地区的东部，由嘉山-庐江断裂和五河-合肥断裂构成东西主干断裂[14,15]，另有一系列与其配套的北西向断裂（图1）。

图1 泗县地区地质简图Fig. 1 Sketch Geologic map of the Sixian area五角星为金刚石出土点.

本区岩浆活动不强烈，加里东期为少量辉绿岩的侵入，燕山期为中酸性岩的侵入和喷发，喜山期主要是超浅成-玄武质岩浆的侵入和喷发，主要岩性有花岗岩、闪长玢岩、安山质凝灰岩。此外，还发育一些煌斑岩类脉岩[18]。在区内北部的大庄凹陷及泗县凹陷内分布的毛坦厂组（J3m）、黑石渡组（J1hs）以中基性火山岩、火山碎屑岩为主，岩性有安山质角砾凝灰岩、气孔状安山岩、辉石安山岩等。在以往对泗县翟庄的航磁异常（87-138）进行钻探验证时，还发现有碱性橄榄玄武岩。

2 山头地区地质特征

山头地区砂矿点范围内广泛发育第四系，包括中下更新统和全新统。下更新统为河流相碎屑沉积，是主要含金刚石层位，分布在赤山南北两端；上更新统下段属残坡积成因，含金刚石，上段为冲积成因粉质粘土；全新统广泛分布于赤山周围的冲积平原上。山头地区含金刚石的地层为下更新统豆冲组（Qp1d）和上更新统戚嘴组（Qp3q）。豆冲组依据岩性特征及空间分布（图2），可进一步分为上、中、下三个岩性段。

图2 山头地区砂砾层分布图Fig. 2 Distribution map of sand and gravel in the Shantou area

豆冲组下段仅出露两处，一处在赤山顶周围，另一处在赤山南端，岩性为棕黄、棕红、杂色粘土质砂砾，砾石含量为65% ～ 80%，砂含量10%左右，粘土含量10% ～ 25%，自上而下砾石含量渐增，砾径增大，粘土含量逐渐减少。砾石成分以安山岩（安山质凝灰岩）、硅质条带灰岩、石英砂岩为主，脉石英次之，并含少量辉绿岩、闪长煌斑岩、片麻岩及红色砂岩砾石。砾石磨圆度差，多为棱角状-次棱角状，少为次圆状，砾径一般为1-10 cm，大者30-60 cm（主要为硅质条带灰岩）。砂成分以长石为主，石英次之，呈棱角状-次棱角状。结构松散，分选性差，砾石排列无定向。下伏地层为古近系。豆冲组中段主要分布于赤山南段，赤山顶附近，岩性为灰黄、浅褐色砂砾，粘土质砂砾，砾质砂及含砾砂，在纵向上和横向上岩性变化较大，显示了河流相的沉积特点。

通过对砾石成分的测量（表1），发现豆冲组中段砾石成分以石英砂岩为主，石英岩、脉石英、燧石、玛瑙、安山质火山岩和红色砂岩次之，偶见片麻岩、灰岩、煌斑岩砾石；砾径多为0.5-5 cm，少数达10 cm；砾石磨圆度差，多为次棱角状，棱角状次之，极少数为次圆状-浑圆状，其中片麻岩砾石多呈浑圆状，且砾径都小于5 cm。砾石排列略显定向性；砂成分以长石、石英为主，长石一般风化成粘土，但颗粒形状仍依稀可辨，砂粒多呈棱角状、次棱角状。

表1 豆冲组中段成分统计表（%）Table 1 Composition statistics of the middle section of the Douchong Formation（%）

豆冲组上段主要分布在赤山南北两端，北端零星分布；南端呈东西向长条状展布；岩性以褐灰色、灰黄色含砾砂及砂层为主，砂砾层次之。该段岩性特征与中段大致相同。通过对砾石的统计（表2），发现砾石成分以石英砂岩为主，磨圆度差；砂成分以长石、石英为主；总体上上段细，以砂为主，并发育水平层理，砾石块度明显变小。

表2 豆冲组上段成分统计表（%）Table 2 Composition statistics of the up section of the Douchong Formation（%）

戚嘴组下段上覆于豆冲组，仅在赤山顶北东惠祠堂附近有零星出露，属残坡积沉积，由豆冲组改造而成，岩性为灰黄色、褐色含铁锰球粘土质砂砾、粘土质砂砾、砂砾。砾石成分主要为石英砂岩、石英岩、脉石英、燧石等，另外还有红色砂岩，砾径一般为1-4 cm，少数达7-8 cm，多为次棱角-次圆状，分选差，砾石排列不定向，砂成分为石英，棱角状。总之，该层砾石成分及含矿性与豆冲组相似，其区别主要在于含有较多的铁锰球，铁锰球大小为1-2 mm，黑色，球体内部为褐黄色，粘土含量增高，结构松散。

3 山头金刚石特征及对比

在该区砂矿点选获金刚石64颗，颜色以无色至浅黄色为主，少量具有浅蓝色、粉红色、灰白色等，金刚光泽，X光下呈蓝色。金刚石粒径大多在 0.3 mm至2.0 mm之间，最大单粒为2.7 mm×2.1 mm ×2.9 mm，重22.3 mg。镜下观察，其中部分富含包裹体，以黑色片状石墨（或片状硫化物）为主，其次可见少量浅色包裹体，推测可能为石榴子石、透辉石、橄榄石等[19]。该区发现的金刚石部分具有较好的晶形，以阶梯状八面体、平八面体为主，其它有菱形十二面体、平八面体聚晶及其聚形等；曲面晶体有曲四六面体、曲面菱形十二面体、曲八面体等；八面体晶形晶面光滑，少见三角蚀像，曲面晶体表面常见特征的熔蚀坑、熔蚀沟。

前人在栏杆地区的辉绿岩等碱性基性岩中曾选获大量微粒金刚石[20]，从颜色、晶体特征来看，均与泗县地区出土的金刚石明显不同（表3）。

表3 皖北地区金刚石特征一览表Table 3 The list of diamonds features from North of Anhui

4 指示矿物特征

本区与金刚石成矿、找矿关系比较密切的重砂矿物有石榴子石，铬铁矿等。

本次研究选获石榴子石300余粒，粒径3-0.2 mm。以浅紫色、浅玫瑰色为主，其它还有浅紫青色、浅粉红色等。

选获的铬铁矿一般多呈黑色，半透明-不透明，具沥青光泽，条痕棕色，硬度中等，粒径大多为0.1-0.5 mm，少数晶粒可达1 mm，折射率在1.887-2.040之间，比重为4.18。

5 样品分析及测试条件

样品主要来自于2016-2018年安徽地勘局第二水文地质工程勘查院在泗县山头地区的施工钻孔（ZK1502和ZK1501）中的人工重砂。共测试石榴子石69颗，铬铁矿33颗。

将挑选出来的样品经过丙酮、酒精清洗，去除表面杂质及污染，在双目镜下制成透明树脂靶，并将其抛磨至矿物露出表面，进行电子探针测试。

样品分析在国家海洋局第二海洋研究所完成。使用仪器为JEOL JXA-8100电子微探针波谱仪，测试条件为：加速电压15 kV，束流20 nA，光束直径为5μm。校准标准矿物为：硬玉（Si，Na），橄榄石（Mg），铁铝榴石（Fe，Al），透辉石（Ca），透长石（K），铬铁矿（Cr），金红石（Ti），蔷薇辉石 （Mn）和硅铍铝钠石（Cl）。Ni，Co，Mn，Cr和Cl的计数时间峰值为30秒，背景计数时间为10秒，其他元素分析为峰值10秒，背景5秒。

6 测试结果

6.1 石榴子石化学成分特征

山头地区伴随金刚石出土的石榴子石的主要化学成分见表4，其中：MgO含量为11.81 ～ 4.04 wt%，SiO2含量为36.74～36.99 wt%，FeO含量为17.21 ～32.43 wt%，Na2O含量为0.03～0.40 wt%，Al2O3含量为21.19 ～23.34 wt%，CaO含量为0.84～ 8.16 wt%，MnO含量为0～2.18 wt%，Cr2O3含量很低，部分未达检测限。

石榴子石的一般化学式为A32+B23+(SiO4)3，其中A大多为Ca、Mg、Fe、Mn，B则常为Al、Fe、Cr、Ti等。端元组分常见有铁铝榴石、钙铝榴石、镁铝榴石、铬铝榴石和钙铬榴石等端元组分。依据电子探针化学成分数据计算的石榴子石的分子式表明（表5），山头地区砂矿中石榴子石族矿物化学式中的A主要由Mg2+、Fe2+和Ca2+占位，B主要由Al3+和少量的Mn3+占位；三价阳离子主要为Al3+，二价阳离子主要为Fe2+；虽然Fe2+的离子半径较大，难以与其他二价阳离子置换，但在本区Mg2+和Fe2+之间的置换较普遍。

表5 山头地区典型石榴子石分子式Table 5 Molecular formula of typical garnet in the Shantou area

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6.2 铬铁矿化学成分特征

铬尖晶石类矿物广泛出现于金伯利岩等含金刚石母岩中，其含量甚至可超过石榴子石族矿物。当Cr3+在单位晶胞中的数量大于8时为铬铁矿，小于8者为铬尖晶石（单位晶胞中3价阳离子数为16）[21]。山头地区重砂中的铬尖晶石类矿物以铬铁矿为主；铬尖晶石只有4粒，所占比例很小。

从表6可知，铬尖晶石矿物中Cr2O3的含量最小值为35.17 wt%，绝大多数大于40wt%；MgO的含量为3.75～17.11 wt%，大多数在8 wt%左右；TiO2含量为0.11～2.26 wt%。

7 讨论

本区石榴子石中的端员组分主要以铁铝榴石（Alm）为主（占比35.78%～75.79%），其次是镁铝榴石（Pyp）（占比16.44%～44.04%）（表7），钙铝榴石（Grs）占比较低（1.99%～22.67%）；其他端员组分钙铁榴石、锰铝榴石和钙铬榴石的含量非常低，基本可以忽略不计。69件石榴子石化学成分测试结果表明：区内指示矿物石榴子石主要为铁铝-镁铝-钙铝石榴子石系列。按照Dawson Stephens对石榴子石的划分方法（表8），本区石榴子石主要类型应为G3、G4石榴子石（图3），其主要来自于榴辉岩[22-24]。

图3 山头地区石榴子石分类图[24]Fig. 3 Classification of garnets from the Shantou area (after [24])

表8 Dawson-Stephens分类中不同岩石类型石榴子石的平均氧化物含量[22]Table 8 Average oxides contents of garnets from different rock types [22]

宿州栏杆地区含金刚石母岩中的石榴子石端员组分主要以钙铝榴石（Grs）为主（41.64%-80.29%，平均为72.88%），其次是钙铁榴石（Adr）（18.45%-48.58%，平均为25.75%[23]），镁铝榴石的含量较低（0.29%-1.14%，平均为1.01%），主要为钙铝-钙铁-镁铝石榴子石系列，并且发现有超硅石榴子石的存在[23]，属于G0系列石榴子石[24]。泗县山头砂矿中的石榴子石指示矿物与安徽栏杆地区石榴子石类型完全不同，说明该砂矿的金刚石不是源自栏杆地区的原生矿。

从另一个重要指示矿物——铬铁矿来看。根据Cr2O3含量可以将山头地区的铬铁矿分为中铬-铬铁矿和低铬铬铁矿（图4），且中铬-铬铁矿与山东、辽宁金伯利岩中发现的中铬-铬铁矿成分基本一致，但缺乏后者的高铬-铬铁矿系列[25,26]。说明山头砂矿中铬铁矿应该是与该区金刚石共生的指示矿物。

图4 山头地区铬铁矿成分分布图Fig. 4 Composition diagram of chromites from the Shantou area

前人对安徽栏杆地区金刚石找矿指示矿物中铬铁矿的研究显示，其大多为含铬尖晶石[27]，Cr含量低于本区铬铁矿。因此，从化学成分上来讲，泗县地区的铬铁矿也并非来自栏杆地区。

综上所述，泗县地区砂矿和栏杆地区原生矿中的石榴子石、铬铁矿在化学成分上相差较远，并不属于同一来源，同时也表明两者金刚石来源不同。

8 结论

（1）安徽泗县山头地区砂矿中石榴子石族矿物主要为铁铝-镁铝-钙铝石榴子石系列的G3、G4石榴子石，与栏杆地区原生金刚石矿中石榴子石类型完全不同。本区铬尖晶石族矿物中中铬-铬铁矿与山东、辽宁金伯利岩中发现的中铬-铬铁矿成分基本一致，属于含金刚石母岩中常出现的铬铁矿类型，与安徽栏杆地区原生金刚石矿中铬尖晶石明显不同。

（2）该区砂矿中出土的金刚石与宿州栏杆地区的原生金刚石在颜色、晶型等方面均有明显不同，指示矿物也明显不同，因此栏杆地区的金刚石原生矿并不是该区金刚石砂矿的物源，本区是否具有金刚石原生矿的潜力需要进一步研究。