張北義哈德石墨礦床變質巖原巖恢復及古沉積環境淺析

王立考，田 賀，李艷杰，李博文，王 政

(中國建筑材料工業地質勘查中心河北總隊，河北 保定 071051)

義哈德石墨礦位于華北陸塊北緣中段成礦帶之冀北隆起Pb-Zn-Ag-Mo-螢石-石墨成礦亞帶，張北隆化石墨礦化集中區內，義哈德石墨礦是近幾年在該成礦帶內發現的超大型晶質石墨礦床。石墨礦體賦存在古元古界紅旗營子巖群太平莊組變質巖內，前人對該石墨礦研究主要集中在礦床的地球物理特征、年代學特征、石墨建造特征等[1-3]，對該礦床變質巖的原巖恢復尚未進行系統研究。

恢復其變質巖原巖類型，并探討其古沉積環境對尋找有關石墨礦床具有重要的指導意義[4]。本文在義哈德石墨礦變質巖進行巖相學特征研究的基礎上，運用巖石地球化學方法對其進行原巖恢復研究，探討其形成時的古沉積環境，以期為義哈德石墨礦的成礦規律研究提供地質依據。

1 區域地質背景

礦區位于華北北緣隆起帶，張北臺拱內?？当！獓鷪錾畲髷嗔岩阅?，尚義—隆化深大斷裂以北。地質條件復雜，石墨成礦條件十分優越[1，2，3，5]。

礦區出露地層主要有古元古界紅旗營子巖群太平莊組、侏羅系張家口組及第四系等(圖1)。地層總體呈單斜產出。礦體主要賦存在太平莊組變粒巖、片麻巖中，呈層狀、似層狀產出，走向近東西向。礦區斷層不發育，僅在鉆孔中發現太平莊組與南部張家口組火山巖為斷層接觸。該斷層使含礦層下部出露不全，造成礦體減少。巖漿巖不發育，多以脈巖形式產出[1，6]。

圖1 義哈德石墨礦地質簡圖

2 巖相學特征

義哈德石墨礦嚴格受地層控制，賦存于紅旗營子巖群太平莊組變粒巖、片麻巖及少量在淺粒巖中。本次在二先生營附近地表及探槽共采集樣品6件。樣品主要巖性石墨大理巖1個(樣號2)，長英質巖類5個(樣號3、12、17、18、19)。

2.1 巖石學特征

依據礦物成分，含礦建造歸納為長英質巖類、碳酸鹽巖類。其中長英質巖類根據結構、構造及礦物成分的不同，可進一步劃分為片麻巖、變粒巖、淺粒巖[5]。

(1)長英質巖類。

該巖類是太平莊組的主體巖石類型，以片麻巖、變粒巖、淺粒巖為主，其中片麻巖、變粒巖為石墨礦主要富礦層位，淺粒巖偶見少量石墨。

片麻巖類為灰色，鱗片粒狀變晶結構，片麻狀構造。礦物為斜長石、石英、黑云母、普通角閃石及少量石榴石、透輝石、石墨等。副礦物為褐簾石、磷灰石。

變粒巖、淺粒巖巖石多呈灰—灰白色，鱗片粒狀變晶結構，弱片麻狀構造，粒度一般0.1～1mm。礦物長軸平行定向，片狀礦物的存在強化了面理。礦物成分主要為斜長石、石英、黑云母、石榴石及少量鉀長石、石墨，偶見矽線石。副礦物主要為磁鐵礦、鋯石及磷灰石等。

巖石后期改造作用比較明顯，表現為長石的絹云母化，綠泥石、黑云母交代石榴石，棕色黑云母被綠色黑云母交代等。

(2)碳酸鹽巖類。

該巖類零星產出，常呈夾層狀或透鏡狀。巖石呈灰白色，中粗粒變晶結構，塊狀或變余層狀構造。主要礦物為方解石、蛇紋石、鎂橄欖石，次要礦物為金云母、石墨。

2.2 副礦物特征

從成分可以看出，區內變粒巖及淺粒巖中副礦物組合以鋯石、磷灰石、磁鐵礦、石榴石等為主，只是由于巖性不同，含量有所差異。其中金屬礦物大部分為碎塊狀，僅極個別晶形較完整；鋯石和磷灰石多呈次圓狀、次渾圓柱狀。標型礦物鋯石多呈紫色、紫褐色，表面粗糙，高低不平，改造痕跡明顯，常見凹坑、劃痕及溝槽，晶體光澤暗淡，明度較差，基本上反映了沉積巖的特征[7-8]。

3 地球化學特征

樣品全巖常量、微量元素化學成分測試在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。常量元素使用Axiosmax射線熒光光譜儀分析測定。分析精度優于0.1%～1.0%，其中FeO含量用濕化學法測定，分析精度優于0.5%～1.0%。微量和稀土元素分析使用Xserise2等離子體質譜儀完成，測試誤差普遍小于10%。

3.1 常量元素特征

(1)長英質巖類。

常量元素測試結果見表1，義哈德石墨礦床含礦建造中長英質巖類的SiO2含量53.13%～74.66%，平均65.16%，低于石英砂巖91.5%和長石砂巖(77.1%)，與古生代雜砂巖(66.1%)接近[9]，Al2O3含量13.46%～18.87%，平均值為14.95%，高于雜砂巖平均值13.50%，顯示高鋁特征。Al2O3/SiO2平均值0.229，與雜砂巖(0.20～0.23)相當，成熟度低。巖石全鐵含量0.38%～4.91%，具明顯差異。Fe2O3含量0.38%～3.15%，平均值為1.52%；FeO含量1.03%～4.91%，平均值為3.96%；Fe2O3明顯小于FeO，這與沉積巖的特點相一致；Na2O含量2.12%～3.96%，平均值為3.03%，與雜砂巖2.90%相當；K2O含量1.74%～4.6%，平均值為2.61%，明顯高于雜砂巖2.0%，表明相對富鉀。其中黑云角閃斜長片麻巖(樣品19)中SiO2含量為53.13%與島弧拉板玄武51.10%巖相近，Fe2O3明顯小于FeO，Na2O高于K2O，與中國及世界火成巖類成分最為接近，僅SiO2偏低，TiO2含量1.32%大于1%，含量高，顯示出玄武巖的特征。

表1 義哈德石墨礦常量元素分析結果 (單位：%)

(2)大理巖類。

樣品2中的CaO和CO2含量低于純灰巖(CaO為56%，CO2為44%)，說明巖石中含有一定量的雜質成分。與吉林通化震旦系聚環狀藻灰巖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

長英質巖類及大理巖類微量元素分析結果見表2。

表2 義哈德石墨礦變質巖微量元素分析 (單位：×10-6)

(1)長英質巖類。

長英質巖石不同樣品之間微量元素豐度差異較明顯，從一定程度上反映了其原巖類型較為復雜。除個別元素外，總體上介于頁巖或砂巖兩者之間。Cr/Zr比值為0.14～1.1，表明變質巖物源區成分較復雜。其中變粒巖中Cr、Ni、V、Sr等元素低于頁巖平均值，但又高于砂巖平均值；Rb/Sr平均比值為1.47，Ba/Sr平均比值7.3。與砂巖平均值相比，淺粒巖中Cr、V、Zr、Ni等微量元素的豐度值明顯偏低，而Ba元素豐度值顯著偏高；Ba/Sr平均比值為3.43，Rb/Sr平均比值為1.07。從淺粒巖到變粒巖，Ba/Sr比值增高，Rb/Sr比值則降低，反映了水體變淺，陸源粗碎屑沉積物增多的趨勢。石墨黑云斜長片麻巖(樣號19)微量元素豐度值近似于砂巖平均值，其中巖石中Ni、V、Sr含量較高，Ti、Zr偏低。

(2)大理巖類。

該巖類微量元素豐度值變化不大，與世界碳酸鹽巖平均值相比，具有Cr、Ni、V含量偏低，而Rb、Sr、Ba明顯偏高的特點。

3.3 稀土元素特征

不同巖石類型樣品稀土元素分析結果及有關參數見表3。

(1)長英質巖類。

變粒巖共采集2件樣品(樣號3、12)，測試結果顯示：∑REE＝121.12～204.09×10-6，變化較大，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，稀土分餾程度較高，輕稀土富集；δEu＝0.87～0.98，δEu平均0.93，負銪異常不明顯。稀土配分模式曲線較為相似，輕稀土部分斜率較大，重稀土部分趨向平緩(圖2)。依據澳大利亞從太古宙到三疊紀沉積物(頁巖和雜砂巖)中稀土組成及演化特點，發現從老到新沉積物稀土含量及配分模式有一定的變化規律，即太古宙的巖石富銪，隨著時代變新銪虧損越來越嚴重，稀土總量偏高[9]。本區變粒巖與澳大利亞太古宙及中元古代沉積巖中的稀土元素含量和配分模式非常相似。

表3 義哈德石墨礦變質巖稀土元素含量分析結果 (單位：×10-6)

淺粒巖1件樣品(樣號17)顯示稀土分餾程度較高，輕稀土向右陡傾，重稀土向左微傾呈一不對稱“V”形(圖2)。正銪異常明顯，這可能是由于原巖中泥質物含量變化較大，或者個別樣品含有一定量的陸源火山物質所致。

圖2 長英質巖類、碳酸鹽類稀土元素曲線配分圖

片麻巖2件樣品中∑REE、∑Ce/∑Y及(La/Yb)N相差較大，其它特征參數基本相近。稀土分餾程度較高，∑Ce/∑Y＝31.97～39.79，(La/Yb)N＝5.49～12.17；δEu＝1.03，略顯正銪異常。曲線模式總體平緩右傾(圖2)，但輕稀土曲線部分差別較大，反映了片麻巖為不同的原巖類型。其中樣品18的曲線模式近似于變粒巖，而樣品19的曲線模式與太古宙玄武安山巖明顯可比。

(2)大理巖類。

1件樣品∑REE＝156.21×10-6，∑Ce/∑Y=6.43，(La/Yb)N=33.00，反映了輕、重稀土分餾程度高，輕稀土較為富集。δEu=0.32，具有較明顯的負銪異常。稀土元素曲線與變粒巖相似。

4 原巖恢復

原巖恢復主要依據野外宏觀特征、巖石組合類型、變余結構構造等進行判定，并結合巖相學、巖石地球化學以及圖解判別法對巖石的原巖類型進行探討[3-4]。

宏觀上觀察，不同巖石類型雖經歷了變質作用改造和構造面理置換，但局部仍保留了部分原巖的結構特征。鏡下觀察，巖石中的變余砂狀結構、變余層理構造仍不同程度保留沉積巖的砂狀或粉砂狀結構特征，顯示其原巖應有砂巖—泥質粉砂巖類；斜長石的變余斑狀結構、環帶構造等特點顯示保留了不同程度的火山巖的某些特征，尤其是大理巖類，巖石呈層狀、似層狀或透鏡狀產出[4，7，8，9]。

從上述宏觀、微觀特征可以看出，該巖組為一套典型的變質表殼巖組合，其原巖總體為一套泥砂質沉積巖—中基性火山巖—碳酸鹽巖建造。為進一步證實該結論，利用樣品化學分析結果對該巖群中的主要巖石類型進行了圖解判別。

(1)長英質巖類。

在(al+fm)-(c+alk)對Si圖解中(圖3)，變粒巖2件樣品(樣號3、12)的投影點落入砂質沉積巖—泥質沉積巖區；淺粒巖(樣號17)落入砂質沉積巖端區；片麻巖1件樣品(樣號18)落入靠近泥質沉積巖區部位，另1件樣品(樣號19)投入火山巖區。

在A-C-FM圖解中(圖4)，變粒巖樣品3落入凝灰質粉砂巖區與基性火山巖及鐵質白云質泥灰巖區交界處外，樣品12落入粘土巖及亞雜砂巖區與中性及堿性火山巖和雜砂巖區的過渡區；淺粒巖落在富鋁粘土巖及酸性火山巖區；片麻巖樣品18投入粘土巖及亞雜砂巖或中性及堿性火山巖和雜砂巖區；樣品19落在基性火山巖及鐵質白云質泥灰巖區。

在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，變粒巖樣品3落入硬砂巖區，樣品12投入泥質砂巖區；淺粒巖樣品(樣號17)落于長石砂巖區；片麻巖樣品18落在復礦砂巖區且靠近泥質砂巖區邊部。

圖3 (al+fm)-(c+alk)-si 圖解(據西蒙南，1953)

綜上信息，長英質巖石原巖應為泥砂質巖—中性火山巖組合?？梢钥闯?，變粒巖粘土質成分含量高，表明沉積速率相對較為緩慢；淺粒巖礦物成熟度欠佳；而片麻巖則為構造環境不穩定的雜砂巖和中性火山巖。部分巖石中顯示有火山物質的信息，因此不排除有陸源火山物質混入的可能性。

(2)碳酸鹽巖類。

根據野外宏觀特征及變余層理構造、巖石化學特征及A-C-FM圖解(圖4)投點等進行綜合判別，其原巖應為含泥砂質灰巖或白云質灰巖。

圖4 A-C-FM 圖解(據謝緬年科，1966)

5 古沉積環境淺析

由于碎屑沉積巖的地球化學特征主要取決于其物質組成，而物質組成又與其物源和大地構造環境有著非常密切的關系，因此碎屑沉積巖地球化學數據可以用來恢復構造背景[6]。

沉積巖的沉積大地構造環境可以利用常量元素Al2O3的含量與Al2O3+Fe2O3的含量之比值來判別，其比值介于0.86～0.97，均值為0.91與大陸邊緣環境值為0.6～0.9相似[6，10，11]，該比值變化幅度相對很小，且該值落在大陸邊緣環境判別區間的上限附近，充分反映了太平莊組變質巖的原巖主要為島弧及大陸邊緣沉積環境。沉積巖中的TiO2含量則與陸源物質的介入有關，MnO含量與大洋深部熱液作用有關，MnO/TiO2比值介于0.09～0.24，表明其原巖具有大陸邊緣沉積巖的特征[6]。結核西蒙南圖解樣品19落在火山巖區，而19號樣品常量元素與島弧拉板玄武特征巖相近，表明其形成于火山島弧環境的特點。

結合前述特征，可對太平莊組形成的構造環境淺析如下：太平莊巖組原巖為一套中、基性火山巖—砂巖、泥質巖—碳酸鹽巖組合。中、基性火山巖發育，沉積巖以雜砂巖及粉砂巖為主，沉積速率相對較快，碳酸鹽巖不發育。反映了島弧及大陸邊緣弧側劇烈動蕩的構造環境。

圖5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(據涅洛夫，1974)

6 結論

本文采用巖相學、巖石地球化學以及圖解判別法恢復了義哈德石墨礦變質巖的原巖類型，并探討了其古沉積環境，得出以下結論。

(1)義哈德石墨礦變質巖主要賦存在中元古界紅旗營子巖群太平莊組，為一套高角閃巖相深成變質巖，巖性主要為變粒巖、淺粒巖、片麻巖夾大理巖。

(2)巖相學和巖石地球化學研究結果均表明義哈德石墨礦床含礦建造原巖為一套中、基性火山巖—砂巖、泥質巖—碳酸鹽巖組合。中、基性火山巖發育，沉積巖以雜砂巖及粉砂巖為主，碳酸鹽巖不發育。

(3)變質巖原巖的古沉積環境顯示

為火山活動強烈，構造環境極不穩定的島弧及大陸邊緣弧側劇烈動蕩的構造環境。