河南省鲁山—舞钢地区含石墨岩系岩石地球化学特征及其地质意义

韩长寿, 张燕赞, 朱林杰, 蒋 芹, 赵 静, 许 芸

(河南省有色金属地质矿产局第四地质大队,河南 郑州 450016)

0 引言

华北地台南缘深变质晶质石墨矿主要分布于小秦岭—鲁山—舞钢一线,含石墨岩系为新太古界太华群上部的一套以富含高铝矿物石榴子石、矽线石和石墨,并普遍分布大理岩为特征的区域变质岩石组合,目前许多研究者认为这套岩石组合属于孔兹岩系[1-3]。鲁山—舞钢地区的孔兹岩系主要岩石类型为含石墨、石榴子石、矽线石(黑云)斜长片麻岩夹不连续的大理岩、浅粒岩等,变质程度达高角闪相。含石墨岩系处在孔兹岩系的中下部,常产出一层或多层石墨矿。

鲁山—舞钢地区位于属华北陆块南部古裂谷石墨成矿带的东段[4],是河南省重要的石墨矿资源地。以往对区内孔兹岩系和含石墨岩系的研究,多用地层学和矿床学的方法[5-8],对岩石地球化学特征,特别是微量元素和稀土元素特征的研究较少。本项目的研究目的是查明区内石墨的成矿地质条件,评价区内石墨矿的找矿潜力,研究含石墨岩系的岩石地球化学特征是本项目的重要研究内容。本研究通过分析含石墨岩系主要岩性的常量、微量元素和稀土元素的地球化学特征,确定了石墨岩系的变质原岩、原岩的物源以及原岩的沉积环境。

1 研究区含石墨岩系地质概况

本次研究范围为鲁山—舞钢地区的一个呈NW向的带状区域,面积约1250 km2,地理坐标为东径112°27′25″～113°34′32″,北纬33°14′10″～34°02′20″。鲁山—舞钢地区位于三门峡—鲁山断裂和栾川—方城维摩寺断裂之间的华北地台南缘东段,区内的含石墨岩系为新太古界太华群的上部层位,太华群呈断续状分布,集中出露在鲁山县的西北部和舞钢市北部—叶县南部地区,两地之间被新生界覆盖或被岩浆岩侵噬(图1)。太华群在鲁山和舞钢地区的地层划分方案不同,目前的资料都将区内太华群归属到新太古代。鲁山地区的太华群自下而上划分为五个组,即耐庄组、荡泽河组、铁山岭组、水底沟组和雪花沟组,各组间均为整合接触,前三个组为灰色片麻岩系,水底沟组为孔兹岩系;舞钢地区的太华群自下而上划分为四个组,即赵案庄组、铁山庙组、杨树湾组和唐山沟组,前两个组为灰色片麻岩系,后两组为孔兹岩系,各组均为整合接触。两地区地层虽然名称不同,但主要岩石矿物组合和地层特征基本相同,属同一套地层[9]。

图1 河南省鲁山—舞钢地区地质略图

鲁山地区的铁山岭组和舞钢地区的赵案庄组、铁山庙组赋存有多层铁矿,铁山岭组和铁山庙组内的铁矿被认为是BIF型铁矿,赵案组中的铁矿成因类型还存在火山沉积变质与岩浆变质之争。

鲁山地区含石墨岩系为水底沟组,岩性为含石榴子石、石墨和矽线石的黑云斜长片麻岩,局部夹大理岩,地层总厚度111～669 m,岩石变质程度基本为角闪岩相;舞钢地区的含石墨岩系为杨树湾组,岩性主要为含石墨、石榴子石的(黑云)斜长片麻岩夹大理岩、混合岩,地层总厚大于260 m。

含石墨岩系中局部石墨富集,形成层状石墨矿工业矿体,矿体产状与围岩一致,鲁山地区的石墨矿呈多层状产出,舞钢地区仅有一层,石墨矿层中常被后期岩脉穿插。

区内含石墨岩系主要岩石类型具有孔兹岩系典型的矿物和岩石组合,属于孔兹岩系6种岩石组合中的石榴子石—矽线石—石墨片岩和片麻岩类型。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

研究区内含石墨岩系中的含石墨黑云斜长片麻岩为含石墨、石榴子石,局部含矽线石的片麻岩类,属狭义的孔兹岩[10],是孔兹岩系的主要组成部分,其岩石地球化学特征基本代表了孔兹岩系。

本次研究样品采集的对象为太华群水底沟组和杨树湾组中的含石墨黑云斜长片麻岩。样品采集于区内有代表性的,出露条件较好地段的新鲜基石。采样方法为连续刻槽取样,样品长度1～2 m,共取样10件,采样地点见图1。

含石墨(黑云)斜长片麻岩呈深灰色,鳞片粒状变晶结构,片麻状构造。主要矿物成分及含量占比:石英35%～40%,斜长石30%～35%,钾长石10%～15%,石墨0.09%～12.72%,黑云母10%～15%,少量锆石、磷灰石、方解石、石榴子石、矽线石等,金属矿物微量。镜下观察,矿物粒度0.1～3.2 mm,石英具波状消光,钾长石格子双晶发育,斜长石、黑云母有被交代的现象。

2.2 分析与测试

样品分析了全岩的常量、微量和稀土元素含量,分析单位为中国地质调查局天津地质调查中心。常量元素分析方法为X射线荧光光谱仪法,仪器型号:PW4400/40;微量及稀土元素分析方法为电感耦合等离子质谱仪法(ICP-MS),仪器型号:X seriesⅡ。分析结果见表1、表2、表3。

表1 含石墨岩系常量元素分析数据

表2 含石墨岩系微量元素分析数据

表3 含石墨岩系稀土元素分析数据

表1中,CIA和ICV计算过程中使用的CaO*,使用McLennan提出的简化方法[11]计算得出,即当扣除了磷灰石的影响后,若n(CaO)>n(Na2O),n(CaO*)=n(Na2O),若n(CaO)

3 含石墨岩系岩石地球化学特征

3.1 常量元素特征

分析结果表明,含石墨(黑云)斜长片麻岩的常量元素具有中硅、低铝、高铁镁特点,平均w(SiO2)=55.88%,低于北美页岩(64.80%)[14];平均w(Al2O3)=11.91%,低于一般的孔兹岩系岩石(>15%);平均w(Fe2O3+FeO+MgO)=11.30%。碱质成分总体上w(K2O)>w(Na2O),但两者含量相差不大,平均w(K2O)=2.76%,平均w(Na2O)=1.67%,K2O/Na2O比值为0.50～19.50,平均比值为3.90。

样品常量元素含量呈无序分布,与样品的区段位置,层位上下无明显关系。通过统计各常量元素间的相关系数(表4),Al2O3与Na2O呈正相关,与其他成分无明显相关性;SiO2与K2O呈正相关,而与Fe2O3、FeO、MgO都呈明显负相关;K2O与MgO、CaO呈负相关。

表4 常量元素相关系数统计表

典型的孔兹岩系一般具有高铝(Al2O3>15%),富K贫Na(K2O/Na2O>5)的特点,与之相比,区内含石墨岩系的Al2O3含量较低,多数样品富K贫Na的特点不显著,属一种低铝的孔兹岩系。

3.2 微量元素与稀土元素地球化学特征

在微量元素的原始地幔(数据引自文献[15])标准化蛛网图中(图2),U、P、Ti表现为明显负异常,Ta、Nb、Ba有弱亏损,而多数样品的K、Zr有明显正异常。微量元素分布特点总体是大离子亲石元素Ba、Rb、K、Sr等含量变化相对较小,而高场强元素U、Ti、Nb、Y、Zr等含量相对变化较大。

图2 含石墨岩系微量元素分布蛛网图

有学者认为,泥质岩石的Cr/Th值主要受局部源区及构造影响,是对源区较敏感的指数,可以记录上地壳成分的变化特征[16-17]。Cr是亲铁元素,在铁镁质岩石中含量最高;而Th为大离子亲石元素,在硅铝质岩石中含量最高,Cr/Th值随岩石中玄武质、科马提质成分的降低或随花岗质成分的增加而变小。现代上地壳主要成分为硅铝质,根据Rudnick等[18]的统计数据,其Cr/Th平均值为8.76,而Taylor等[19]提出的太古宙上地壳Cr/Th平均值为31。区内除了原岩为火山岩的3个样品外,其他7个样品(见后文)的Cr/Th值为0.69～34.56,平均9.88,明显低于太古宙上地壳平均值,而与现代上地壳平均值相近,反映的是原岩为泥质岩的沉积物源以花岗质成分为主,少部分为玄武质、科马提质。区内样品Rb/Sr平均值为0.97,高于原始地幔Rb/Sr值0.03[15]的30倍,Sr/Ba平均值为0.36,Rb/Sr >Sr/Ba,表明岩石沉积物质来源以陆壳物质为主。

区内样品微量元素的分布特点与地幔岩石相差明显,多种元素的含量或比值与现代上地壳岩石相近,表明了区内变质原岩成岩物质的陆壳来源。

区内样品稀土元素总量变化幅度为一个数量级,ΣREE(含Y)为(46.17～299.58)×10-6,在球粒陨石标准化分布模式图上(图3)呈右倾的分布形态,轻稀土段的斜率大于重稀土段的斜率,表明轻、重稀土有一定分异,轻稀土比重稀土的分异程度略高,(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N的平均值分别为11.50、4.37、2.01,反映出岩系中轻稀土相对富集。

图3 含石墨岩系稀土元素分布模式图

各样品均不具有明显Ce异常,δCe为0.89～1.04,δEu变化较大,其值为0.45～1.89。由图3可见,根据分布曲线中Eu的亏损程度,样品可大致划分为三组:H10样,具明显Eu正异常,ΣREE低;H4、H5等多数样品,具明显Eu负异常,ΣREE高,与北美页岩相比,两者稀土元素分配模式基本一致;H6、H11样,Eu异常不明显,ΣREE居中,这些特点表明成岩物质来源的多样性。

4 含石墨岩系的原岩及物源

4.1 含石墨岩系的原岩恢复及物源分析

原岩恢复及其物源分析是变质岩研究的重要内容,本次研究中,利用常量、微量和稀土元素,通过多种方法对含石墨岩系的原岩进行了恢复、对比,对原岩的物质来源进行了分析,不同的方法所得出的结果基本一致。

在区域变质作中,常量元素是按等化学条件处理的,变质岩与其变质原岩的常量元素含量保持不变。本次研究经利用常量元素进行尼格里岩石化学计算,结果显示,在Si-(al+fm)-(c+alk)图解中(图4),样品数落点比较分散,在泥岩、砂岩、钙质沉积物和火山岩区都有样品分布,有半数样品落在泥岩—砂岩区,3个样品分布在火山岩区,2个样品在钙质沉积物区。表明含石墨黑云斜长片麻岩的变质原岩较复杂,主要为泥岩、砂岩,并含有部分钙质沉积物和少量中—基性火山岩。

图4 含石墨岩系Si-(al+fm)-(c+alk)图解(底图据文献[20])

利用微量元素中不活动元素Ni、Zr、Ti进行的原岩恢复(图5中Ni、Zr以10-6计,TiO2以%计)表明,原岩主要为沉积岩,含少量火成岩。

图5 含石墨岩系Ni-Zr/TiO2图解(底图据文献[22])

稀土元素同样具有化学性质较稳定的特点,也是进行物源示踪常用的元素。王中刚等[21]认为,在400℃以下或变质程度在角闪岩相以下的中、低级变质岩中,稀土元素是不进行迁移的,变质岩的稀土元素特点基本反映了原岩及物源的稀土元素特征。但在研究区,含石墨岩系的岩石变质程度达到了高角闪岩相,变质温度达到600℃～700℃[23],能否利用稀土元素进行原岩恢复,就要研究稀土元素在变质过程中是否有带入或带出。一般地,岩石发生强烈蚀变或与发生水岩作用,就会改变稀土元素的配分模式,稀土元素就会发生迁移,变质岩的稀土元素特征较原岩会发生明显变化,就不能再利用其进行原岩恢复。这种情况下,δEu和δCe将呈现显著的线性相关。通过对样品的δEu和δCe关系研究,δEu和δCe的线性相关性并不明显(图6),两者的相关系数仅为0.48。表明在变质作用过程中,稀土元素的迁移并不明显,仍可利用其进行原岩恢复研究。

图6 δEu和δCe关系图

在稀土元素La/Yb-ΣREE图解中 (图7),样品投影点主要分布在沉积岩、钙质泥岩及其与玄武岩的重叠区,其他区域中基本没有样品分布,同样表明原岩以沉积岩为主,基性火山物质为辅。

图7 含石墨岩系La/Yb-ΣREE图解(底图据文献[24])

上述三种方法进行的原岩恢复结果基本一致,都表明变质原岩主要为沉积岩(泥岩、砂岩),有少量钙质沉积物和火山物质。

前述微量元素特征中,岩石样品的U、Ti、Ta、Nb含量都较低,是地壳岩石的地球化学标志,Rb/Sr明显高于原始地幔,也表明原岩成岩物质来源于地壳。原岩为泥质岩的样品较低的Cr/Th值,反映出其源区风化物以花岗质为主。

图4的稀土元素分配模式图显示,具有明显Eu负异常的一组样品与北美页岩的分配模式基本一致,反映这些样品的原岩是碎屑沉积物;而具有Eu正异常的H10样品,ΣREE仅46.17×10-6,无明显Ce异常,有较强的Eu正异常,反映的是太古宙海洋化学沉积物的特征。刘敬党等[3]认为,石墨岩系是变质的黑色岩系,含有机碳的黑色岩系包括了各种与黑色页岩共生的碎屑岩和化学沉积岩,本区的研究结果与该观点基本一致。

综上分析,通过含石墨岩系的原岩恢复和对其稀土元素分布特征的研究,表明含石墨岩系的成岩物质来源至少有碎屑沉积物、化学沉积物和火山沉积物三类,碎屑沉积物的中碎屑是以花岗质岩石为主及部分玄武质、科马提质岩石的风化产物。

4.2 含石墨岩系的沉积环境

沉积物中的一些特征微量元素及稀土元素因化学性质稳定,其含量主要受风化物源的影响,在沉积岩形成的物源风化作用、搬运沉积和成岩过程中基本保持不变。在成岩后,若没有受到热液影响而产生强烈蚀变,其含量仍能反映物源特征,其他研究者曾利用微量元素和稀土元素对华北地台其他孔兹岩的物源特征进行过研究[3,10,16]。对区内含石墨岩系的野外观察没有发现强烈蚀变的现象,轻微的绿泥石化等属于退变质作用形成,前文对稀土元素所做的分析也表明,在变质原岩经历的区域变质过程中,稀土元素没有明显的迁移。这为研究变质原岩成岩物质来源、物源区的气候环境和风化程度等特征提供了手段。

华北地台的孔兹岩系主要为变质的陆源海相沉积[3],区内所研究样品的微量元素中,大离子亲石元素含量较高,高场强元素含量较低,Sr/Ba和Rb/Sr平均值分别为0.36、0.98,Rb/Sr>Sr/Ba,反映的是陆源碎屑的特征。而在含石墨岩系中局部存在的大理岩和石墨的生物成因则反映的是海相沉积的特征。

Chen等[25]认为,沉积岩中Sr>160×10-6,Sr/Ba>0.35时为浅海相沉积;Sr<90×10-6,Sr/Ba<0.2时为陆相沉积。区内样品的Sr为75.80～340.00×10-6,平均值为155.84×10-6,Sr/Ba平均值为0.36,接近浅海沉积的指标。另外,样品的MgO/CaO值多为0.50～1.00,指示为咸水沉积。根据上述指标判断,总的认为区内含石墨岩系与华北地台其他地区孔兹岩系一样,均属陆源海相沉积产物。

U/Th值是判断沉积岩是正常沉积还是热水沉积的有效指标,正常沉积岩中Th含量高于U含量(即U/Th<1),热水沉积岩中U含量高于Th含量(即U/Th>1)[3],区内样品U/Th为0.11～1.91,平均0.66,反映原岩中的沉积物为主要正常沉积。

化学蚀变指数(CIA)不仅可表征化学风化强度,也可指示沉积岩形成时的气候,一般认为,CIA值越大,说明源岩风化程度越高,CIA在60以下反映干冷气候下低等化学风化程度;60～80反映了温润气候条件中等化学风化程度;80以上则表明炎热气候条件下的强烈化学风化程度[26-27]。毛光周等[28]也认为,CIA在50左右的碎屑沉积岩,其物源岩石未遭受化学风化,CIA值为100时,表明其物源区岩石遭受了强烈的化学风化。本研究区内的样品CIA值为47.30～75.98,多数样品在60以上,平均值为60.58,表明区内物源区以温润条件下中等风化强度为主,部分为干冷气候条件下的低等化学风化程度。

岩石化学成分变异指数(ICV)可判断碎屑沉积岩物源的碎屑成分成熟度,较高的ICV值反映的是碎屑中黏土矿物比例较少,碎屑成分成熟度低。一般认为,如果ICV>1,表明碎屑物质是活动构造带的首次沉积;而ICV<1,则表明沉积物经历了沉积再循环的过程或是在强烈的化学风化作用下的首次沉积[29]。本区样品的ICV值为0.77～3.29,平均2.08,因前面的CIA值已表明物源区化学风化程度较低,故认为变质原岩的碎屑物质是活动构造环境下的首次沉积。

CIA和ICV指数所指示的物源区化学风化程度较低,碎屑物成熟度不高,造成一些易分离的常量元素没有严重流失,结果碎屑中黏土成分较少,Al2O3含量较低,这是除物源化学成分外,形成的变质原岩Al2O3含量较低的另一主要因素。

4.3 含石墨岩系对物源地球化学特征的继承

现在越来越多的证据表明,华北地台结晶基底存在二层结构特点,即地台的结晶基底下部为灰色片麻岩系,上部为孔兹岩系,上、下层间存在不整合。随着各地同位素年龄测试资料的积累,关于结晶基底的形成时间也越来越清晰,下部的灰色片麻岩系形成时代为新太古代,上部的孔兹岩系的形成时代为古元古代[1,3-4,30-31]。

太华群的形成时代过去一直被认为是新太古代,鲁山—舞钢地区的灰岩片麻岩系的岩石年龄测试资料较多,所得到的成岩年龄都大于2.50 Ga[1,32],成岩时代为太古代无疑。但区内孔兹岩系较新的地层年龄测试资料有限,杨长秀[33]在鲁山地区水底沟组测得的岩石年龄为2.25～2.31 Ga,地层时代应为古元古代。这表明鲁山地区的水底沟组和舞钢地区的杨树湾、唐山沟组地层这套孔兹岩系成岩时代与华北地台其他地区的孔兹岩系一致。

从新太古代到古元古代,中间经历了约2300 Ma前的地球大气中游离氧浓度突然增加的第一次“大氧化”事件,此后全球沉积岩中稀土元素分布模式变得基本相同,分布曲线近于平行排列,共同的特点是具有Eu负异常,而太古代的沉积岩则一般没有Eu负异常。

从区内样品的稀土元素分布模式看,其与太古代后沉积岩的稀土元素分布模式并不完全一致,本项目测定的区内含石墨岩系中石墨δ13CV-PDB值为-20.68‰～-28.41‰,这表明石墨主要为有机成因,也说明含石墨岩系的形成时间是在“大氧化”事件之后,因为“大氧化”之后大气中氧气增加,使地球上的生物得到爆发式生长,为石墨的形成提供了有机碳源。

区内各样品稀土元素分布模式差异较大,分异程度不尽相同,虽有部分样品有Eu负异常,但也有样品呈正异常或无异常,这反映区内含石墨岩系中稀土元素分布模式并未受到“大氧化”事件显著影响。太华群是研究区内最老的地层,古元古界水底沟组和杨树湾组含石墨岩系的成岩物质主要来源于下部的新太古代地层风化物,或少量为火山碎屑,稀土元素的分布模式主要是对源区物质稀土元素特征的继承。前面的物源分析认为,具有Eu负异常的样品其物源为经过分异的花岗岩,具有Eu正异常样品其物源为化学沉积物。在氧化作用不显著的情况下,物源中的Eu并未发生进一步氧化而与其他稀土元素分离,而保持着原有的特征。ICV指数已表明物源区化学风化程度较弱,同样印证含石墨岩系保持了物源稀土元素特征的认识。

5 结论

在鲁山—舞钢地区的孔兹岩系中含石墨岩系分布最广泛、连续,其他如浅粒岩、变粒岩、大理岩等则在地层中分布不连续,厚度也较小,含石墨岩系中的含石墨、石榴子石、矽线石的黑云斜长片麻岩是孔兹岩石系的主要岩石类型,其岩石地球化学特征基本代表了孔兹岩系。

研究含石墨岩系和孔兹岩系的地球化学特征,其意义在于深入认识太华群地层上、下层位间的物质联系以及古元古代孔兹岩系形成时的地质作用过程及特点。通过本次研究,获得以下几点认识:

(1)研究区含石墨岩系具低铝的特点,为特殊的低铝孔兹岩。微量元素表现为地壳岩石的特征,稀土元素分配模式为富轻稀土型,δEu变化较大,反映了物质来源的多样性。

(2)含石墨岩系的变质原岩为陆源海相沉积物,成分主要为碎屑沉积物,含少量化学沉积物和火山岩成分。

(3)物源区以温润条件下中等风化强度为主,部分为干冷气候条件下的低等化学风化程度。物源碎屑成分成熟度低,是未经过沉积再循环的,在活动构造环境下的首次沉积。