五峰湾潭国画石地质特征及成因分析

何 钦， 肖蛟龙， 雷 雳， 范小军， 李 江

(湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100)

国画石是指岩石经过打磨抛光后表现出具有浓墨山水画面特征的艺术品，其画面包括奇花异草、古树松林、溪流瀑布、高山湖泊等，形似中国山水画而得名[1]。中国国画石的种类繁多，以往关于国画石的相关成果主要体现在观赏性、艺术性的评价，对国画石成因研究尚显不足，成因分析多为一笔带过，缺少相应的分析依据。2015年通过实施湖北省地质局科研项目“鄂西地区湾潭国画石地质特征及开发前景研究”，在五峰湾潭镇开展了国画石的野外调查工作，完成了主量、微量及稀土元素的测定和流体包裹体测试分析，并对湾潭国画石成因进行了分析研究，加深了对国画石这一类非传统矿产资源形成机理的认识，有利于指导本区域国画石下一步的找矿工作。

1 区域地质背景

湾潭国画石矿位于扬子陆块区(Ⅰ级)—上扬子古陆块(Ⅱ级)—上扬子南部被动边缘褶冲带(Ⅲ级)—八面山台地褶皱带(Ⅳ级)，地层属扬子区上扬子分区八面山小区。区内地层出露较齐全，变质岩地层主要是在南部出露少量中元古界西岔河组，沉积岩地层由老至新从震旦系至第四系均有分布，其中与国画石密切相关的地层为奥陶系[2]，岩性主要为深灰、灰绿色薄—中层状泥质瘤状灰岩、生物碎屑灰岩。

湾潭地区构造以断层和褶皱为主(图1)，按其走向可划分为两组：一组走向为北东东向(NEE)；另一组走向为北北东向(NNE)，在上述两组构造转折部位多发育次级NE向弧形褶皱和断层。研究区构造包括长毛江背斜、下洞坪向斜和八方界断裂，正好是构造集中地段。

①.长毛江背斜；②.下洞坪向斜；③.东山峰复式背斜；④.后河背斜；⑤.马棚岭向斜；⑥.大安场向斜；⑦.八方界断裂；⑧.青官渡断裂；⑨.自生桥断裂图1 研究区构造纲要图Fig.1 Structural outline map of the study area

2 地质特征

2.1 赋矿地层

根据野外调查及坑道编录资料，湾潭国画石赋矿地层为奥陶系大湾组(O1d)、牯牛潭组(O2g)和宝塔组(O2-3b)，其中又以大湾组国画石质量最佳。国画石矿体由纹层状方解石细脉和基体(围岩)两部分组成(图2)，围岩岩性主要为泥质瘤状灰岩、龟裂纹灰岩和生物碎屑灰岩。矿体的产出既有层控特点，也与褶皱构造密切相关(如图3所示)。背斜两翼均为国画石产出部位，单层矿体厚度一般为0.2～0.5 m，层数一般为2～6层，矿体总厚度1.0～8.0 m(以大湾组为例，地层总厚度为93.54 m，矿体最好地段总厚度为7.97 m)，沿走向矿体延伸长度一般为20～60 m，矿体规模总体较小。

2.2 地质特征

湾潭国画石由纹层状方解石细脉(画面的主体部分)和基体(其底部支撑作用)两部分组成，画面石原料经过打磨、抛光等一系列工序后在方解石底面上呈现出形态各异、蕴含中国山水画特色的生动图像，因而称之为国画石，其中纹层状细条纹起到“墨”或“线条”作用，厚度一般为0.5 mm左右，而白色方解石则充当“背景画纸”的作用[2]，单层方解石厚度一般在2～10 mm。方解石细脉和其他颜色的细纹层(泥质含量较高)共同组成了画面石的纹层状构造。野外观察可见缝合线构造(图2)，岩矿鉴定镜下可见碎裂结构(图3)。

图2 纹层状方解石细脉Fig.2 Lamellar calcite veinlets

图3 镜下方解石碎裂结构Fig.3 Fragmentation structure of calcite under microscope

根据方解石细脉与围岩产出关系，湾潭国画石可被分为两类：第一类是纹层状方解石细脉沿层面裂隙顺层充填，延续性较好，也是国画石主要的产出类型；第二类是方解石细脉沿层间揉皱面斜切地层或直接切穿地层，方解石细脉呈网纹状、放射状，沿褶皱不同方向裂隙发育，产出的方解石细脉较纯净(缺少细纹层构造)，连续性较差，一般不满足国画石选料要求。由此可见，国画石矿体受地层和构造共同控制，其中褶皱发育地段沿层间裂隙充填的国画石质量最佳(图4)。

图4 大米垭矿区KD1坑道素描图 (300～370 m)Fig.4 Sketch of tunnel KD1 in Damiya mining area

按照方解石纹层颜色，湾潭国画石可分为紫红、灰绿和黑色三类，其中黑色多分布于宝塔组，灰绿、紫红色主要赋存于大湾组、牯牛潭组，纹层颜色与基体颜色总体一致。

3 岩石地球化学和流体包裹体分析

本次采集样品在湖北省地质实验测试中心进行主量、微量和稀土元素地球化学分析，两件样品均采自湾潭镇锁金山村采矿坑道奥陶系大湾组，其中B1采自矿体部分，B2采自近矿围岩(即基体部分)。同时，在同一坑道还选取了2件国画石矿体样品在中国地质调查局武汉地质调查中心进行流体包裹体测试，其中BG1采自大湾组(为紫红色类型样品)，BG2采自宝塔组(为黑色类型样品)。

3.1 主量元素分析

样品主量元素的测定成果如表1所示。根据矿体和围岩主量元素含量对比，矿体部分方解石细脉具有高CaO、CO2特点，与矿石主要矿物成分为方解石相吻合。根据Taylor等[3]的研究，矿体SiO2/Al2O3比值为4.07，>3.6，推测物源为陆源，且是由热液作用引起。

表1 主量元素分析结果表(%)Table 1 Analysis results of principal elements

3.2 稀土元素分析

样品稀土元素分析结果见表2，稀土元素标准化配分模式如图5所示，分析如下：

表2 稀土元素分析结果表(10-6)Table 2 Analysis results of rare earth elements

(1) 两个样品轻稀土LREE含量为0.38×10-6～142.43×10-6，重稀土HREE含量为6.16×10-6～11.78×10-6。根据李定龙等[4]的研究，如果LREE>20×10-6或HREE>4×10-6，可以判断该岩石属于未溶蚀岩或微溶蚀岩，这一结论与野外实际情况相符。

(2) 据图5所示，湾潭国画石样品的稀土元素配分模式表现轻稀土配分曲线斜率较大，右倾趋势明显，说明轻稀土富集，元素之间的分馏程度较高；而重稀土总体表现较为平坦，说明重稀土富集，元素之间的分馏程度较低[5]。因此，湾潭国画石稀土元素配分模型为轻稀土富集、重稀土亏损型。

图5 湾潭国画石稀土元素配分模式图Fig.5 REE patterns map of Wantan painting stones

(3) B2样品(围岩)δEu为0.69(<1)，中度亏损Eu；两个样品δCe为0.63～0.83，平均为0.73，略微偏低，亏损现象不明显。

3.3 微量元素分析

微量元素测定结果如表3所示。

表3 微量元素分析结果表(10-6)Table 3 Analysis results of trace elements

(2) 物源区判别：根据朱志军等[8]关于原岩物源区的判别，在物源区判别图(图6)上，B2样品投点落于平均上陆壳附近，显示其母岩物质为陆源，结果与主量元素判定相同。

图6 物源区判别图Fig.6 Discrimination diagram of provenance area

(3) 由于后期可能受到构造或热液等作用的影响，国画石矿床部分微量元素发生分散、迁移，改变了元素的初始含量，因此本次选用B2(围岩)来判别原岩的沉积环境。其Sr/Ba值为0.073，远远<1，反映当时沉积环境为淡水介质[9];V/(V+Ni)值为0.59(贫氧环境为0.46～0.60)，判定当时沉积环境为淡水贫氧环境[10]。

3.4 流体包裹体分析

流体包裹体分析结果如表4所示。由表4可知，两件方解石流体包裹体样品均由气液两相物质组成，爆裂温度在100～350℃。结合野外岩矿鉴定，认为两件样品成矿温度以中、低温为主；流体包裹体主要气相成分为水蒸气(H2O)，其次为CO2气体；液相成分主要由Ca2+、Mg2+组成，其次为Na+、Cl-、和SO42-等离子，液相成分富钙镁而贫钠，总体反映了流体与碳酸盐围岩发生的较充分的水岩反应。

表4 流体包裹体物质组分一览表Table 4 List of material components of fluid inclusions

4 成因初探

以往关于国画石成因的观点有热液成因和重熔结晶成因两种认识[11]。结合湾潭国画石地质特征及地球化学成果，本次工作认为其成因为构造+热液成因，依据有以下几点：

(1) 矿体多呈似层状、透镜状产于奥陶系中，其分布与断裂、裂隙具有较密切的联系，与围岩界线清楚，呈突变接触(图7)，是热液成因矿床的典型特征之一。

图7 矿体与围岩接触关系Fig.7 Contact relationship between ore body and surrounding rock

(2) 矿体中细纹层的线条与围岩层理总体一致，颜色相同，宏观上没有重熔结晶现象，且镜下也没有明显的重熔结构。

(3) 根据SiO2/Al2O3比值与微量元素对物源的判定，矿体的形成与热液作用紧密相关；矿体与围岩微量元素带入、带出能力的比较，也间接证明热液与围岩存在着物质交换。

(4) 流体包裹体测定成矿温度为100～350℃，成矿温度属中低温，围岩蚀变较弱，多见方解石化，成矿温度远未达到方解石的重熔结晶温度。流体包裹体液相成分也反映了成矿流体与碳酸盐围岩发生了较充分的水岩反应。

综上所述，本文认为矿区早期构造提供了成矿热液运移通道和容矿空间，后期热液沿深部断裂及裂隙迁移，并与围岩发生一定程度的水岩作用，沿裂隙或褶皱面平行层理贯入(因而矿体产状与地层产状总体一致)，当达到适宜温压条件时，晶体开始结晶沉淀，形成方解石细脉。同时在热液贯入地层的过程中，热液与原裂隙或层面间的残留纹层(或裹挟部分围岩物质)发生接触交代作用，形成绢云母、绿泥石等矿物，方解石细纹层与泥质纹层共同组成了国画石的纹层状构造。

5 对比研究

目前市场上较为知名的国画石有云南点苍大理石、广西来宾草花石、山东临朐枣花石、湖北三峡画面石以及湾潭国画石。

5.1 点苍大理石

点苍大理石最早发现于中国西南部的云南省大理市苍山，点苍大理石从元初开始就被制作成观赏石屏[12]，经加工后其花纹显现出似鸟、似龙、似凤、似莺、似鹤等多种多样的动物形态，故又被称为凤凰石、屏石(照片1)。点苍大理石常见以白色底子(多为灰岩、白云岩的变质矿物)为基础，其他元素如红色、黄色、黑色等构绘出绚丽多彩、纯天然的画面，形象生动、妙趣横生，按其图案颜色可分为彩花、苍白玉和云灰。以往资料显示点苍大理石的成因为变质成因，原岩为中元古代碳酸盐岩，经历了一定程度的区域变质作用和接触变质作用而形成，变质程度中等[13]。

照片1 点苍大理石——“鹰击长空”Photo 1 Diancang marble—Eagle soared in the sky

5.2 来宾草花石

来宾草花石产于广西省来宾县黔江中下游一带，草花石底色相对较浅，是在灰暗的底色上出现一些深绿、褐红或者黝黑色的图案，图案形态多以花草为主，因而得名草花石(照片2)。与其他国画石相比，草花石扬名早、硬度高(硅质含量高或者直接为硅质岩)、色彩绚丽、图案丰富，中国山水画的特征较为突出，又被称为“中国国画石”[14]。草花石主要赋存于奥陶系，岩性以一套生物碎屑灰岩、泥质瘤状灰岩为主，在经历了长期的风化作用后，一些有色矿物沿节理、裂隙向内部浸入，其后逐步氧化变色，后期再加上一定程度的热液蚀变作用(热液主要起到提供有色矿物成分的作用)，最后形成了钙质硅质岩。

照片2 来宾草花石——“层林尽染”Photo 2 Laibing flower stone—The woods are full of flowers

来宾草花石之所以大受追捧，是因为其画面不但极具中国山水画笔墨写意之美，淡淡数笔、朴实无华且意境深远，而且也兼顾西方油画之风格，浓墨重彩、绚丽夺目。

5.3 临朐枣花石

临朐枣花石产于山东省临朐县白沙乡，赋存于二叠系，主体岩性为浅灰色中厚层状灰质泥岩，画面底色常见为黄褐—灰白色，打磨抛光后岩石表面呈现出较多的黄白色星点纹理，多呈放射状、花瓣状，恰似盛世绽放的枣花，枣花多为土黄色且成串密布，姿态万千，因而称为“枣花石”享名于世(照片3)。枣花石原料经进一步加工后，可以制作成大小不一的石屏，其质地坚硬细润，纹理清晰美观，堪称石中珍品。枣花石成因以重熔结晶作用为主、风化作用为辅，前期雨水沿裂隙侵蚀是枣花石纹理形成的基础，其后在构造作用下岩石深埋地下，经历高温高压后黏土矿物发生重熔作用(类似于陶瓷煅烧的效果)，使岩石密度提高、硬度加大，石面上一些含铁、锰矿物氧化后则构成了枣树树干的主体部分，而石英矿物部分重熔形成枣花，多呈微粒状[15]。

照片3 临朐枣花石——“富贵花开”Photo 3 Linqu Jujube marble—Riches and honour flowers

5.4 三峡画面石

三峡画面石是产于长江三峡地区各种画面石的总称，其中尤以产自清江广袤山区的清江石最为出名。清江石是一种质地细腻的观赏石，给人以意蕴鲜、暖的舒适体验，以“形、质、色、纹、韵” 的典型特征而区别于其他国画石。清江石的原岩形成时代为晚泥盆世，原岩岩性以浅灰白色薄—中层状含铁石英砂岩、细砂岩(含铁矿物多氧化呈红色)为主，其间偶夹薄层泥页岩或泥灰岩等，在长期复杂的地质演化过程中，含铁矿物随地下水沿岩石孔隙、裂隙、层理、节理进行渗透浸染，最后在基底上呈现出一系列的斑纹和图案，基底(画面底色)常为灰白色或蜡黄色，而斑纹多为红褐色，暗淡不一，其姿态有萧瑟的秋景，有纯净纤白的北国风光，或为夕霞漫天的残阳，变幻多端，形态不一[16]。

5.5 湾潭国画石

湾潭国画石是近年来新发现的一个国画石品种，主要赋存于奥陶系，由画面(纹层状方解石细脉)和基体(围岩)两部分组成。其画面多以山水风景为主，较之其他画面石，湾潭国画石用笔极简，图案更显典雅自然(照片4)，是迄今为止所发现的最具中国传统水墨画特点的画面石品种[11]。

照片4 湾潭国画石——“马跃檀溪”Photo 4 Wantan traditional painting stone— The horse was jumping over the river

各类国画石基本情况对比见表5。国内外对国画石的研究工作及成果相对较少，以往发现的大理石、枣花石、清江石等的硬度不及草花石高，色彩不及草花石丰富，图案不及草花石有韵味，故国内国画石以来宾草花石最为出名，并将“中国国画石”这一专属称谓赋予来宾草花石。通过对不同类型国画石对比，可以看出湾潭国画石与来宾草花石的岩性、时代及成因具有较多相似之处。

表5 各类国画石对比情况表Table 5 Comparison of various traditional painting stones

6 结论

(1) 湾潭国画石主要赋存于奥陶纪大湾组、牯牛潭组和宝塔组，由画面(纹层状方解石细脉)和基体(围岩)两部分组成，按颜色可分为紫红色、灰绿色和黑色三类。矿体主要受地层和构造双重控制，多分布于构造交汇地段，总体规模较小，由数层国画石组成，单层矿体厚度一般为0.2～0.5 m，总厚度不超过8 m，延伸长度一般为20～60 m。

(2) 根据矿体及围岩主量、微量元素的测定，显示物源以陆源为主，成熟度较高，轻稀土(LREE)元素带出能力大于重稀土(HREE)元素，原始沉积环境为淡水贫氧环境；稀土元素配分模式为轻稀土富集、重稀土亏损型。流体包裹体测试确定了成矿温度为中低温成矿，气、液相组分表征热液与围岩发生了较充分的水岩反应。

(3) 根据矿体形态、地球化学特征及流体包裹体测试等，确定矿床成因为构造+热液。

(4) 通过与其他国画石在岩性、时代及成因的对比可知，湾潭国画石与来宾草花石具有较高的相似之处。