张北义哈德石墨矿床变质岩原岩恢复及古沉积环境浅析

王立考，田 贺，李艳杰，李博文，王 政

(中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北 保定 071051)

义哈德石墨矿位于华北陆块北缘中段成矿带之冀北隆起Pb-Zn-Ag-Mo-萤石-石墨成矿亚带，张北隆化石墨矿化集中区内，义哈德石墨矿是近几年在该成矿带内发现的超大型晶质石墨矿床。石墨矿体赋存在古元古界红旗营子岩群太平庄组变质岩内，前人对该石墨矿研究主要集中在矿床的地球物理特征、年代学特征、石墨建造特征等[1-3]，对该矿床变质岩的原岩恢复尚未进行系统研究。

恢复其变质岩原岩类型，并探讨其古沉积环境对寻找有关石墨矿床具有重要的指导意义[4]。本文在义哈德石墨矿变质岩进行岩相学特征研究的基础上，运用岩石地球化学方法对其进行原岩恢复研究，探讨其形成时的古沉积环境，以期为义哈德石墨矿的成矿规律研究提供地质依据。

1 区域地质背景

矿区位于华北北缘隆起带，张北台拱内。康保—围场深大断裂以南，尚义—隆化深大断裂以北。地质条件复杂，石墨成矿条件十分优越[1，2，3，5]。

矿区出露地层主要有古元古界红旗营子岩群太平庄组、侏罗系张家口组及第四系等(图1)。地层总体呈单斜产出。矿体主要赋存在太平庄组变粒岩、片麻岩中，呈层状、似层状产出，走向近东西向。矿区断层不发育，仅在钻孔中发现太平庄组与南部张家口组火山岩为断层接触。该断层使含矿层下部出露不全，造成矿体减少。岩浆岩不发育，多以脉岩形式产出[1，6]。

图1 义哈德石墨矿地质简图

2 岩相学特征

义哈德石墨矿严格受地层控制，赋存于红旗营子岩群太平庄组变粒岩、片麻岩及少量在浅粒岩中。本次在二先生营附近地表及探槽共采集样品6件。样品主要岩性石墨大理岩1个(样号2)，长英质岩类5个(样号3、12、17、18、19)。

2.1 岩石学特征

依据矿物成分，含矿建造归纳为长英质岩类、碳酸盐岩类。其中长英质岩类根据结构、构造及矿物成分的不同，可进一步划分为片麻岩、变粒岩、浅粒岩[5]。

(1)长英质岩类。

该岩类是太平庄组的主体岩石类型，以片麻岩、变粒岩、浅粒岩为主，其中片麻岩、变粒岩为石墨矿主要富矿层位，浅粒岩偶见少量石墨。

片麻岩类为灰色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造。矿物为斜长石、石英、黑云母、普通角闪石及少量石榴石、透辉石、石墨等。副矿物为褐帘石、磷灰石。

变粒岩、浅粒岩岩石多呈灰—灰白色，鳞片粒状变晶结构，弱片麻状构造，粒度一般0.1～1mm。矿物长轴平行定向，片状矿物的存在强化了面理。矿物成分主要为斜长石、石英、黑云母、石榴石及少量钾长石、石墨，偶见矽线石。副矿物主要为磁铁矿、锆石及磷灰石等。

岩石后期改造作用比较明显，表现为长石的绢云母化，绿泥石、黑云母交代石榴石，棕色黑云母被绿色黑云母交代等。

(2)碳酸盐岩类。

该岩类零星产出，常呈夹层状或透镜状。岩石呈灰白色，中粗粒变晶结构，块状或变余层状构造。主要矿物为方解石、蛇纹石、镁橄榄石，次要矿物为金云母、石墨。

2.2 副矿物特征

从成分可以看出，区内变粒岩及浅粒岩中副矿物组合以锆石、磷灰石、磁铁矿、石榴石等为主，只是由于岩性不同，含量有所差异。其中金属矿物大部分为碎块状，仅极个别晶形较完整；锆石和磷灰石多呈次圆状、次浑圆柱状。标型矿物锆石多呈紫色、紫褐色，表面粗糙，高低不平，改造痕迹明显，常见凹坑、划痕及沟槽，晶体光泽暗淡，明度较差，基本上反映了沉积岩的特征[7-8]。

3 地球化学特征

样品全岩常量、微量元素化学成分测试在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。常量元素使用Axiosmax射线荧光光谱仪分析测定。分析精度优于0.1%～1.0%，其中FeO含量用湿化学法测定，分析精度优于0.5%～1.0%。微量和稀土元素分析使用Xserise2等离子体质谱仪完成，测试误差普遍小于10%。

3.1 常量元素特征

(1)长英质岩类。

常量元素测试结果见表1，义哈德石墨矿床含矿建造中长英质岩类的SiO2含量53.13%～74.66%，平均65.16%，低于石英砂岩91.5%和长石砂岩(77.1%)，与古生代杂砂岩(66.1%)接近[9]，Al2O3含量13.46%～18.87%，平均值为14.95%，高于杂砂岩平均值13.50%，显示高铝特征。Al2O3/SiO2平均值0.229，与杂砂岩(0.20～0.23)相当，成熟度低。岩石全铁含量0.38%～4.91%，具明显差异。Fe2O3含量0.38%～3.15%，平均值为1.52%；FeO含量1.03%～4.91%，平均值为3.96%；Fe2O3明显小于FeO，这与沉积岩的特点相一致；Na2O含量2.12%～3.96%，平均值为3.03%，与杂砂岩2.90%相当；K2O含量1.74%～4.6%，平均值为2.61%，明显高于杂砂岩2.0%，表明相对富钾。其中黑云角闪斜长片麻岩(样品19)中SiO2含量为53.13%与岛弧拉板玄武51.10%岩相近，Fe2O3明显小于FeO，Na2O高于K2O，与中国及世界火成岩类成分最为接近，仅SiO2偏低，TiO2含量1.32%大于1%，含量高，显示出玄武岩的特征。

表1 义哈德石墨矿常量元素分析结果 (单位：%)

(2)大理岩类。

样品2中的CaO和CO2含量低于纯灰岩(CaO为56%，CO2为44%)，说明岩石中含有一定量的杂质成分。与吉林通化震旦系聚环状藻灰岩成分有一定的可比性，但Fe2O3和FeO含量偏高，MnO偏低。

3.2 微量元素特征

长英质岩类及大理岩类微量元素分析结果见表2。

表2 义哈德石墨矿变质岩微量元素分析 (单位：×10-6)

(1)长英质岩类。

长英质岩石不同样品之间微量元素丰度差异较明显，从一定程度上反映了其原岩类型较为复杂。除个别元素外，总体上介于页岩或砂岩两者之间。Cr/Zr比值为0.14～1.1，表明变质岩物源区成分较复杂。其中变粒岩中Cr、Ni、V、Sr等元素低于页岩平均值，但又高于砂岩平均值；Rb/Sr平均比值为1.47，Ba/Sr平均比值7.3。与砂岩平均值相比，浅粒岩中Cr、V、Zr、Ni等微量元素的丰度值明显偏低，而Ba元素丰度值显著偏高；Ba/Sr平均比值为3.43，Rb/Sr平均比值为1.07。从浅粒岩到变粒岩，Ba/Sr比值增高，Rb/Sr比值则降低，反映了水体变浅，陆源粗碎屑沉积物增多的趋势。石墨黑云斜长片麻岩(样号19)微量元素丰度值近似于砂岩平均值，其中岩石中Ni、V、Sr含量较高，Ti、Zr偏低。

(2)大理岩类。

该岩类微量元素丰度值变化不大，与世界碳酸盐岩平均值相比，具有Cr、Ni、V含量偏低，而Rb、Sr、Ba明显偏高的特点。

3.3 稀土元素特征

不同岩石类型样品稀土元素分析结果及有关参数见表3。

(1)长英质岩类。

变粒岩共采集2件样品(样号3、12)，测试结果显示：∑REE＝121.12～204.09×10-6，变化较大，平均162.605×10-6；(La/Yb)N＝5.59～5.67，平 均5.63，∑Ce/∑Y＝2.56～4.85，平均3.71，稀土分馏程度较高，轻稀土富集；δEu＝0.87～0.98，δEu平均0.93，负铕异常不明显。稀土配分模式曲线较为相似，轻稀土部分斜率较大，重稀土部分趋向平缓(图2)。依据澳大利亚从太古宙到三叠纪沉积物(页岩和杂砂岩)中稀土组成及演化特点，发现从老到新沉积物稀土含量及配分模式有一定的变化规律，即太古宙的岩石富铕，随着时代变新铕亏损越来越严重，稀土总量偏高[9]。本区变粒岩与澳大利亚太古宙及中元古代沉积岩中的稀土元素含量和配分模式非常相似。

表3 义哈德石墨矿变质岩稀土元素含量分析结果 (单位：×10-6)

浅粒岩1件样品(样号17)显示稀土分馏程度较高，轻稀土向右陡倾，重稀土向左微倾呈一不对称“V”形(图2)。正铕异常明显，这可能是由于原岩中泥质物含量变化较大，或者个别样品含有一定量的陆源火山物质所致。

图2 长英质岩类、碳酸盐类稀土元素曲线配分图

片麻岩2件样品中∑REE、∑Ce/∑Y及(La/Yb)N相差较大，其它特征参数基本相近。稀土分馏程度较高，∑Ce/∑Y＝31.97～39.79，(La/Yb)N＝5.49～12.17；δEu＝1.03，略显正铕异常。曲线模式总体平缓右倾(图2)，但轻稀土曲线部分差别较大，反映了片麻岩为不同的原岩类型。其中样品18的曲线模式近似于变粒岩，而样品19的曲线模式与太古宙玄武安山岩明显可比。

(2)大理岩类。

1件样品∑REE＝156.21×10-6，∑Ce/∑Y=6.43，(La/Yb)N=33.00，反映了轻、重稀土分馏程度高，轻稀土较为富集。δEu=0.32，具有较明显的负铕异常。稀土元素曲线与变粒岩相似。

4 原岩恢复

原岩恢复主要依据野外宏观特征、岩石组合类型、变余结构构造等进行判定，并结合岩相学、岩石地球化学以及图解判别法对岩石的原岩类型进行探讨[3-4]。

宏观上观察，不同岩石类型虽经历了变质作用改造和构造面理置换，但局部仍保留了部分原岩的结构特征。镜下观察，岩石中的变余砂状结构、变余层理构造仍不同程度保留沉积岩的砂状或粉砂状结构特征，显示其原岩应有砂岩—泥质粉砂岩类；斜长石的变余斑状结构、环带构造等特点显示保留了不同程度的火山岩的某些特征，尤其是大理岩类，岩石呈层状、似层状或透镜状产出[4，7，8，9]。

从上述宏观、微观特征可以看出，该岩组为一套典型的变质表壳岩组合，其原岩总体为一套泥砂质沉积岩—中基性火山岩—碳酸盐岩建造。为进一步证实该结论，利用样品化学分析结果对该岩群中的主要岩石类型进行了图解判别。

(1)长英质岩类。

在(al+fm)-(c+alk)对Si图解中(图3)，变粒岩2件样品(样号3、12)的投影点落入砂质沉积岩—泥质沉积岩区；浅粒岩(样号17)落入砂质沉积岩端区；片麻岩1件样品(样号18)落入靠近泥质沉积岩区部位，另1件样品(样号19)投入火山岩区。

在A-C-FM图解中(图4)，变粒岩样品3落入凝灰质粉砂岩区与基性火山岩及铁质白云质泥灰岩区交界处外，样品12落入粘土岩及亚杂砂岩区与中性及碱性火山岩和杂砂岩区的过渡区；浅粒岩落在富铝粘土岩及酸性火山岩区；片麻岩样品18投入粘土岩及亚杂砂岩或中性及碱性火山岩和杂砂岩区；样品19落在基性火山岩及铁质白云质泥灰岩区。

在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解中(图5)，变粒岩样品3落入硬砂岩区，样品12投入泥质砂岩区；浅粒岩样品(样号17)落于长石砂岩区；片麻岩样品18落在复矿砂岩区且靠近泥质砂岩区边部。

图3 (al+fm)-(c+alk)-si 图解(据西蒙南，1953)

综上信息，长英质岩石原岩应为泥砂质岩—中性火山岩组合。可以看出，变粒岩粘土质成分含量高，表明沉积速率相对较为缓慢；浅粒岩矿物成熟度欠佳；而片麻岩则为构造环境不稳定的杂砂岩和中性火山岩。部分岩石中显示有火山物质的信息，因此不排除有陆源火山物质混入的可能性。

(2)碳酸盐岩类。

根据野外宏观特征及变余层理构造、岩石化学特征及A-C-FM图解(图4)投点等进行综合判别，其原岩应为含泥砂质灰岩或白云质灰岩。

图4 A-C-FM 图解(据谢缅年科，1966)

5 古沉积环境浅析

由于碎屑沉积岩的地球化学特征主要取决于其物质组成，而物质组成又与其物源和大地构造环境有着非常密切的关系，因此碎屑沉积岩地球化学数据可以用来恢复构造背景[6]。

沉积岩的沉积大地构造环境可以利用常量元素Al2O3的含量与Al2O3+Fe2O3的含量之比值来判别，其比值介于0.86～0.97，均值为0.91与大陆边缘环境值为0.6～0.9相似[6，10，11]，该比值变化幅度相对很小，且该值落在大陆边缘环境判别区间的上限附近，充分反映了太平庄组变质岩的原岩主要为岛弧及大陆边缘沉积环境。沉积岩中的TiO2含量则与陆源物质的介入有关，MnO含量与大洋深部热液作用有关，MnO/TiO2比值介于0.09～0.24，表明其原岩具有大陆边缘沉积岩的特征[6]。结核西蒙南图解样品19落在火山岩区，而19号样品常量元素与岛弧拉板玄武特征岩相近，表明其形成于火山岛弧环境的特点。

结合前述特征，可对太平庄组形成的构造环境浅析如下：太平庄岩组原岩为一套中、基性火山岩—砂岩、泥质岩—碳酸盐岩组合。中、基性火山岩发育，沉积岩以杂砂岩及粉砂岩为主，沉积速率相对较快，碳酸盐岩不发育。反映了岛弧及大陆边缘弧侧剧烈动荡的构造环境。

图5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解(据涅洛夫，1974)

6 结论

本文采用岩相学、岩石地球化学以及图解判别法恢复了义哈德石墨矿变质岩的原岩类型，并探讨了其古沉积环境，得出以下结论。

(1)义哈德石墨矿变质岩主要赋存在中元古界红旗营子岩群太平庄组，为一套高角闪岩相深成变质岩，岩性主要为变粒岩、浅粒岩、片麻岩夹大理岩。

(2)岩相学和岩石地球化学研究结果均表明义哈德石墨矿床含矿建造原岩为一套中、基性火山岩—砂岩、泥质岩—碳酸盐岩组合。中、基性火山岩发育，沉积岩以杂砂岩及粉砂岩为主，碳酸盐岩不发育。

(3)变质岩原岩的古沉积环境显示

为火山活动强烈，构造环境极不稳定的岛弧及大陆边缘弧侧剧烈动荡的构造环境。