魯西白彥組礫巖中重礦物組合特征及其物源指示意義

廉波，劉成儒，周軍，褚志遠(yuǎn)，胡戈

(1.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 臨沂 276006;2.濟(jì)南鐵信人力資源管理咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250131；3.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,國(guó)土資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250013)

魯中南地區(qū)地層由老到新含有7個(gè)含金剛石層位：寒武紀(jì)李官莊組礫巖、石炭紀(jì)本溪組礫巖、侏羅紀(jì)三臺(tái)組礫巖、古近紀(jì)固城組礫巖、新近紀(jì)白彥組礫巖及第四紀(jì)小埠嶺組礫巖、于泉組砂礦層。新近紀(jì)白彥組礫巖是發(fā)育于早古生代碳酸鹽巖微地貌中的一種巖溶燧石質(zhì)礫巖。1976年，山東省第七地質(zhì)隊(duì)在砂礦普查中將其創(chuàng)名為“白彥礫巖”，目前已發(fā)現(xiàn)白彥礫巖近300處，其中大部分含金剛石，是魯西重要的次生金剛石儲(chǔ)積層之一。其所含金剛石特征明顯有別于已知的蒙陰金剛石原生礦的礦物標(biāo)型特征，和山東蒙陰金伯利巖原生礦中的金剛石晶體相對(duì)比，白彥地區(qū)金剛石晶體中帶綠色斑點(diǎn)的金剛石較多，階梯狀八面體,晶體較少，曲面菱形十二面體較多[1-9]，指示另有金剛石原生礦的存在。同時(shí)又由于其產(chǎn)出狀態(tài)特殊、成因機(jī)制復(fù)雜，自1988年至今，廣泛開(kāi)展金剛石找礦和相關(guān)的研究，包括金剛石原生礦和中間儲(chǔ)集層物質(zhì)來(lái)源的研究，取得了較大的進(jìn)展，但白彥組礫巖時(shí)代和物源問(wèn)題一直存在爭(zhēng)議[1-4，8]。該文采用重礦物分布特征和組合關(guān)系，結(jié)合魯西南地區(qū)構(gòu)造特征進(jìn)行物源指示意義的研究，對(duì)礫巖點(diǎn)的重礦物進(jìn)行重點(diǎn)分析，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)于其物源指示意義進(jìn)一步探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

白彥礫巖主要分布于沂沭斷裂帶西側(cè)，NW向延伸的蒙山斷裂以南，區(qū)域構(gòu)造位置位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)內(nèi)，由一系列中新生代形成的、凸凹相間排布的斷塊山及山間盆地組成。地層自下而上可劃分為三大層：前寒武紀(jì)結(jié)晶基底、古生代陸表海及海陸交互相沉積層和中新生代山間盆地河湖相沉積層。

褶皺構(gòu)造主要發(fā)育在基底巖系，表現(xiàn)為一系列的緊密線狀倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜和向斜，褶皺軸面走向NW。蓋層斷裂較基底斷裂更為發(fā)育，走向主要為NW，NNE，NEE。顯生宙巖漿巖主要為中奧陶世蒙陰地區(qū)的含金剛石金伯利巖和中生代燕山晚期的閃長(zhǎng)巖、花崗巖(圖1)。

1—第四系；2—古近系；3—侏羅—白堊系；4—石炭—二疊系；5—寒武—奧陶系；6—泰山巖群；7—金伯利巖；8—地質(zhì)界線；9—斷裂；10—隱伏斷裂；11—白彥組出露點(diǎn)及編號(hào)圖1 魯西白彥地區(qū)地質(zhì)圖

2 白彥礫巖賦存的圍巖及地貌特征

礫巖遍布于白彥地區(qū)，分別屬于泗水縣、平邑縣、費(fèi)縣和滕州市等地。主要分布在剝蝕低山、丘陵斜坡地帶和山麓地帶寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖中的巖溶地貌的溶蝕溝、溶蝕槽及洞穴等負(fù)地形，以燧石角礫為主。

空間上呈“面狀散布”，同時(shí)受地形及物源的控制，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在微地貌上呈“環(huán)邊狀”，絕大多數(shù)礫巖分布在該區(qū)低山丘陵地形的邊緣地帶。區(qū)域上呈“條帶狀”，可劃分為2個(gè)條帶：北帶(費(fèi)縣-泗水)、南帶(棗莊-滕州)。各處礫巖的分布，嚴(yán)格受下古生代灰?guī)r出露范圍的限制，該地區(qū)周圍盆地中、新生代沉積巖出露的地方均未發(fā)現(xiàn)較典型的含金剛石礫巖。表明礫巖的生成、保存與構(gòu)造隆起條件下剝蝕深度存在內(nèi)在聯(lián)系。

礫巖形態(tài)多種多樣，規(guī)模大小不一，延伸長(zhǎng)度從幾米到幾十米，個(gè)別達(dá)百余米；寬度一般1～5m，最寬達(dá)10余米，出露面積從幾平方米到幾百平方米。在同一礫巖分布帶上，平行凸起的長(zhǎng)軸方向，相鄰礫巖點(diǎn)出露的高程相近，垂直方向隨地勢(shì)的降低礫巖點(diǎn)高程也逐漸降低。

3 白彥組礫巖的沉積特征

礫巖的礫石分選性較好，粗細(xì)成分相間形成清楚的斜層理，傾向、傾角比較穩(wěn)定，傾向一般與礫巖體的延伸方向或礫巖體兩側(cè)地表坡面傾斜方向接近，沉積物粗細(xì)相間成層，多出現(xiàn)在溶溝、溶洞比較規(guī)則平整的部位。傾角自上而下逐漸變陡，常出現(xiàn)在溶溝、溶槽中局部呈壺穴形展布的部位。傾向、傾角與圍巖灰?guī)r壁面一致，并隨其變化而變化，斜層理傾角可達(dá)40°～50°以上，往往出現(xiàn)于兩側(cè)地形傾斜平緩的溶溝中。

礫巖的碎屑成分基本相似，礫巖主要呈灰白色、棕黃色，由碎屑和膠結(jié)物組成，礫石外形多呈圓粒狀、扁平狀、扁圓狀、長(zhǎng)圓狀、卵狀等。礫巖體的形態(tài)較為復(fù)雜，平面上呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀為主，其余為不規(guī)則的三角狀和發(fā)散分支狀。剖面上呈倒錐狀、楔狀、透鏡狀或不規(guī)則四邊形狀。多數(shù)礫巖中砂礫物質(zhì)的排列，在多數(shù)情況下雜亂無(wú)章，礫石無(wú)明顯的排列方向，無(wú)明顯的層理構(gòu)造。碎屑成分以燧石為主，其次為鐵質(zhì)結(jié)核、灰?guī)r碎屑、赤鐵礦、石英等，部分礫巖中還見(jiàn)有石英巖、石英砂巖、白云巖、頁(yè)巖及巖漿巖巖屑等。

(1)燧石含量一般在50%～80%，多為褐黃色、棕黃色，其次為灰白色、黑色棕黃色等，礫石磨圓度高，表面極光潔，表層顏色深，內(nèi)部顏色淺，表面常見(jiàn)麻點(diǎn)和凹坑，部分破裂的礫石裂隙中見(jiàn)有鈣質(zhì)充填。絕大多數(shù)礫石的磨圓度以圓、次圓為主，燧石礫石的平均球度系數(shù)變化范圍一般在0.6～0.8之間。一般礫徑愈小，磨圓度愈好。燧石礫石結(jié)構(gòu)多為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)而不均等。

(2)鐵質(zhì)結(jié)核：主要由褐鐵礦、赤鐵礦和鐵質(zhì)粉砂巖組成。鐵黑色、黑紅色，表面光亮，礫徑一般在0.3～0.5cm之間，大多呈不規(guī)則塊狀、圓粒狀。磨圓度較燧石成分者差，以次圓狀、次棱角狀為主。

(3)膠結(jié)物：礫巖的膠結(jié)物有3種，一是鈣質(zhì)，二是鐵質(zhì)，三為黏土質(zhì)。鈣質(zhì)膠結(jié)物由泥晶方解石、亮晶方解石和少量文石組成。礫巖中的膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主，由鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)的巖石固結(jié)程度高，堅(jiān)硬，屬固結(jié)型;而由黏土質(zhì)或鈣、黏土質(zhì)膠結(jié)的巖石固結(jié)差，松散或比較松散，屬未固結(jié)或弱固結(jié)型。礫巖的膠結(jié)物含量一般在20%左右。

4 重礦物特征

通過(guò)重礦物的穩(wěn)定性以及區(qū)域分布特征，穩(wěn)定重礦物和不穩(wěn)定的相對(duì)含量以及其他指數(shù)特征，可以辨別碎屑沉積物的搬運(yùn)方向和搬運(yùn)距離[9-15]；按照重礦物的物理化學(xué)性質(zhì)可以分為自生礦物、不穩(wěn)定礦物、中等穩(wěn)定礦物、穩(wěn)定礦物和極穩(wěn)定礦物4個(gè)級(jí)別，這種分類方法使得問(wèn)題簡(jiǎn)化和對(duì)比效果直觀[10，12]。該次研究主要是針對(duì)礫巖人工重砂樣品進(jìn)行分析，進(jìn)一步推測(cè)研究碎屑沉積物的搬運(yùn)方向和搬運(yùn)距離。金剛石作為白彥組礫巖出露點(diǎn)最重要的一種重礦物，單獨(dú)分析。

4.1 重礦物分區(qū)分布特征

礫巖中的重礦物成分較為復(fù)雜，分析結(jié)果顯示：礫巖中的重礦物除金剛石外，主要為黃鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、鋯石、金紅石、綠簾石、磷灰石、電氣石；其他含量較少的還有透輝石、鉻鐵礦、碳硅石、白鈦礦、獨(dú)居石、石榴石、軟錳礦、銳鈦礦、黃鐵礦、綠泥石、海綠石、角閃石等。其中主要重礦物分布特點(diǎn)也比較突出，其中赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦分布比較普遍，含量最高，黃鐵礦僅僅在個(gè)別礫巖點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，個(gè)別礫巖點(diǎn)中褐鐵礦高峰值甚至可以在72%～90%以上，其他透明重礦物鋯石、磷灰石分布范圍較大，角閃石、金紅石、綠簾石尤其是重礦物分布比較局限(表1)。

表1 在白彥組礫巖中重礦物含量(%)

圖2 重礦物含量分布圖

比較重礦物相對(duì)含量分布，可以看出黃鐵礦、角閃石、綠簾石、磷灰石含量較少，分布范圍也較小，局部礫巖點(diǎn)甚至為零；而金紅石、鋯石含量較少，但是分布范圍相對(duì)較廣；赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦分布范圍最大，幾乎所有的礫巖點(diǎn)都有，并且在重礦物中含量最多(圖2)。其中角閃石、綠簾石、磷灰石、金紅石、鋯石礦物結(jié)構(gòu)成熟度較高，多為花崗巖類及一些變質(zhì)巖類礦物成分， 結(jié)合重礦物組合及特征，推測(cè)來(lái)源于相對(duì)距離較遠(yuǎn)的巖漿巖和變質(zhì)巖類型。磁鐵礦、褐鐵礦顆粒較大，磨圓度較好，含量較豐富，和周邊寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r圍巖中燧石條帶、褐鐵礦條帶成分相似，推測(cè)應(yīng)該來(lái)自近距離的古生代灰?guī)r，經(jīng)過(guò)流體的多次沖洗磨圓最終形成。

4.2 重礦物組合ZTR指數(shù)

重礦物指數(shù)分析是分析物源區(qū)的重要方法和手段。由極穩(wěn)定礦物鋯石、金紅石和電氣石組成的透明礦物組合的百分含量，稱為ZTR指數(shù)，指數(shù)由小到大的方向指示物源方向。因此，根據(jù)重礦物的ZTR指數(shù)可大致確定其搬運(yùn)方向及搬運(yùn)距離，從而判斷物源方向[7-8],而物源對(duì)沉積體系的形成具有重要的控制作用，代表重礦物的成熟度。ZTR指數(shù)越大，礦物的成熟度越高。而礦物的成熟度受古氣候、古構(gòu)造、搬運(yùn)距離、成巖作用等多種因素的制約，對(duì)其系統(tǒng)研究，有時(shí)可以指示搬運(yùn)距離和物源方向，有時(shí)則反映不同時(shí)期的古構(gòu)造和古氣候的變化[8,12-13]。研究區(qū)重礦物缺少電氣石，該文在分析中采用鋯石、金紅石二者的含量。根據(jù)重礦物組合ZTR指數(shù)特征，總體可以分為以下4個(gè)重礦物異常區(qū)(圖3)。

1—等值線及數(shù)值；2—重礦物分區(qū)及編號(hào)；3—推測(cè)供源方向圖3 白彥組礫巖中ZTR指數(shù)等值線分布圖

Ⅰ區(qū)：泗水縣—平邑縣一帶1～12號(hào)礫巖點(diǎn)為不穩(wěn)定礦物—穩(wěn)定礦物組合，不穩(wěn)定礦物角閃石明顯增多，并且從2號(hào)礫巖點(diǎn)開(kāi)始角閃石含量有逐漸減少的趨勢(shì)。極穩(wěn)定礦物金紅石和鋯石含量相對(duì)減少，穩(wěn)定和中等穩(wěn)定礦物含量起伏較大，總體含量較多。此礦物組合反映物質(zhì)搬運(yùn)時(shí)間較短，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱。

Ⅱ區(qū)：費(fèi)縣—平邑縣一帶13～19號(hào)礫巖點(diǎn)為穩(wěn)定礦物—極穩(wěn)定礦物組合，不穩(wěn)定礦物角閃石明顯減少，除綠簾石外，穩(wěn)定和中等穩(wěn)定礦物含量雖然起伏較大，總體含量較多。極穩(wěn)定礦物金紅石和鋯石含量相對(duì)明顯增加。此礦物組合反映物質(zhì)搬運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，水動(dòng)力條件相對(duì)較強(qiáng)。

Ⅲ區(qū)：滕州市NW向29～31號(hào)礫巖點(diǎn)為不穩(wěn)定礦物—穩(wěn)定礦物組合，不穩(wěn)定礦物角閃石明顯較多，穩(wěn)定和中等穩(wěn)定礦物含量總體含量偏小。極穩(wěn)定礦物金紅石和鋯石含量明顯降低。此礦物組合反映物質(zhì)搬運(yùn)時(shí)間較短，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱。

Ⅳ區(qū)：滕州市—棗莊市一帶NW向20～28號(hào)礫巖點(diǎn)為穩(wěn)定礦物組合，不穩(wěn)定礦物角閃石和極穩(wěn)定礦物金紅石和鋯石含量都相對(duì)明顯降低。穩(wěn)定和中等穩(wěn)定礦物含量總體含量增多。此礦物組合反映物質(zhì)搬運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱。

從ZTR指數(shù)看，一般在0.2～0.8之間，最低為0.00，局部達(dá)到1.0～2.0；最高值在費(fèi)縣南西為15.95。從等值線的疏密程度和總體分布看，其物源指示方向應(yīng)為蒙陰縣和滕州市中間的高地。整體上看，自北西到南東，重礦物分區(qū)(Ⅰ，Ⅲ區(qū))由不穩(wěn)定—穩(wěn)定礦物組合區(qū)，變?yōu)榉€(wěn)定礦物組合(Ⅳ區(qū))和極穩(wěn)定礦物組合區(qū)(Ⅱ區(qū))，指示白彥組礫巖的物源從距離遠(yuǎn)近判斷應(yīng)來(lái)自北西方向。

5 金剛石分布特征

金剛石是該區(qū)白彥組礫巖出露點(diǎn)中最重要的一種重礦物，礫巖中含金剛石基本上具有普遍性，含金剛石巖溶礫巖分布為泗水縣、費(fèi)縣、藤縣和棗莊市一帶的古生代灰?guī)r分布區(qū)，各處礫巖點(diǎn)含量變化大，含量最高可達(dá)64.61mg/m3，低者只有0.164mg/m3，甚至部分礫巖點(diǎn)未選獲金剛石(表1) ，總體金剛石重礦物分布較為廣泛，在26個(gè)礫巖點(diǎn)中，有20個(gè)礫巖點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有金剛石礦物?？傮w呈中間花狀散開(kāi)分布。北帶金剛石品位自中段向兩端逐漸降低；南帶則呈自中心向四周環(huán)形擴(kuò)散。在同一礫巖帶上往往其中部金剛石品位高，向兩端逐漸降低，同時(shí)金剛石的分布具有不連續(xù)性，部分礫巖點(diǎn)不含金剛石(圖4)。其等值線分布形態(tài)和重礦物組合ZTR指數(shù)分布基本一致。

1—等值線及數(shù)值(mg/m3)；2—主要礫巖取樣點(diǎn)及金剛石品位(mg/m3)；3—推測(cè)供源方向圖4 白彥地區(qū)礫巖中金剛石品位等值線分布圖

從金剛石重礦物的數(shù)據(jù)分析，金剛石品位最高位于平邑縣北西，達(dá)到64.61mg/m3，其中滕州市南東也分布有金剛石的一個(gè)高品位區(qū)域，由于該區(qū)中央的大片結(jié)晶基底剝蝕區(qū)的出露，只能局部分區(qū)進(jìn)行金剛石品位的等值線圈定，金剛石是該區(qū)最穩(wěn)定的重砂礦物，其成熟度和穩(wěn)定系數(shù)說(shuō)明品位越高，沉積區(qū)距離物源越遠(yuǎn)。從等值線的疏密程度和總體分布看，供源方向應(yīng)如圖4所示，總體物源應(yīng)為來(lái)自泗水縣南—白彥鎮(zhèn)一帶。

6 結(jié)論和討論

(1)白彥礫巖主要分布在剝蝕低山、丘陵斜坡地帶和山麓地帶寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖中的巖溶地貌的溶蝕溝、溶蝕槽及洞穴等負(fù)地形，以燧石角礫為主。礫巖體的形態(tài)復(fù)雜多樣，僅部分礫巖點(diǎn)礫石分選性較好，粗細(xì)成分相間形成清楚的斜層理。礫巖碎屑成分以燧石為主，其次為鐵質(zhì)結(jié)核、灰?guī)r碎屑、赤鐵礦、石英等。

(2)礫巖中的重礦物成分比較復(fù)雜，礫巖中的重礦物普遍含有金剛石外，主要為赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦、鋯石、金紅石、綠簾石、磷灰石、電氣石等。重礦物ZTR指數(shù)一般在0.2～0.8之間，最低為0.00，局部達(dá)到1.0～2.0；最高值在費(fèi)縣南西為15.95。金剛石含量最高可達(dá)64.61mg/m3，低者只有0.1mg/m3，北帶金剛石品位自中段向兩端逐漸降低，南帶則呈自中心向四周環(huán)形擴(kuò)散。

(3)礫巖的膠結(jié)物多為鈣質(zhì)成分，反映出礫巖生成時(shí)圍巖多為碳酸鹽巖地區(qū)，鈣質(zhì)含量較多，燧石的磨圓度普遍較好，顯示出礫石經(jīng)過(guò)了流水長(zhǎng)期侵蝕磨圓的特征。白彥組不同礫巖點(diǎn)的重礦物含量和組合的不同，反映了其物質(zhì)來(lái)源、沉積環(huán)境以及古構(gòu)造條件的變化。一般重礦物隨著搬運(yùn)距離的增大，不穩(wěn)定重礦物逐漸減少，而穩(wěn)定重礦物如金剛石等相對(duì)含量逐漸升高，重礦物的成熟度越來(lái)越高，沉積區(qū)距離物源越遠(yuǎn)，表現(xiàn)為不穩(wěn)定重礦物的減少和穩(wěn)定重礦物的相對(duì)增大，暗示供源的距離最遠(yuǎn)，礫巖點(diǎn)重礦物相對(duì)含量較多如平邑和泗水一帶的5～15號(hào)礫巖點(diǎn)，則說(shuō)明搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，和河流相有關(guān)，相對(duì)含量較少，重礦物種類單一，如滕州東部的20～25號(hào)礫巖點(diǎn)，則可能是近距離山間濱湖相的反復(fù)沖洗磨圓有關(guān)。從重礦物相對(duì)含量和重礦物組合ZTR指數(shù)來(lái)判斷物源的大致方向，總體物源供應(yīng)來(lái)源應(yīng)在泗水縣和白彥鎮(zhèn)一帶。

(4)根據(jù)碎屑組分特征與重礦物組合特征，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、沉積古地貌及盆地演化，泗水縣和白彥鎮(zhèn)一帶的高地，在新近紀(jì)開(kāi)始隆升風(fēng)化，其中的古生代碳酸鹽巖、金伯利巖和其他巖漿巖脈遭受剝蝕，在古生代沉積石灰?guī)r蓋層高地中間低洼的溶洞中，河流和山間湖泊攜帶金剛石、赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、鋯石等主要的重礦物的圍巖碎屑，伴隨以石英、灰?guī)r碎石為主的礫巖、砂礫巖，不斷沉積，最終形成巖溶成因的白彥組地層。