劉 丹,張瑞香

(中國石油大學勝利學院 油氣工程學院,山東 東營 257000)

2017-07-10

劉 丹(1989—)，女，湖北仙桃人，中國石油大學勝利學院油氣工程學院助教，碩士，主要從事礦物巖石學研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.003

山東昌樂玄武巖中藍寶石成因探討

劉 丹,張瑞香

(中國石油大學勝利學院 油氣工程學院,山東 東營 257000)

利用藍寶石資源分布特點、剛玉巨晶成因及成礦條件和藍寶石顏色成因對山東昌樂藍寶石成因機制進行研究。研究結果表明,山東昌樂藍寶石原生礦的分布受葛溝深大斷裂控制,含礦巖石為堿性玄武巖;剛玉巨晶形成于富含“地幔流體”的堿性巖漿中,地幔深處高溫高壓環(huán)境有利于藍寶石巨晶的形成;昌樂藍寶石主要致色離子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑離子為Fe3+,改色成功的關鍵在于降低三價鐵的同時保留或增加鈦的含量。

剛玉巨晶;藍寶石;成因;山東昌樂

藍寶石指除去紅寶石(紅色剛玉寶石)以外的所有剛玉寶石,是世界上公認的珍貴彩色寶石品種[1]。山東昌樂是我國藍寶石的主要產地,發(fā)育有中國最大的與新生代堿性玄武巖有關的藍寶石礦床[2],隨著藍寶石需求量的增加,對該區(qū)大型藍寶石原生礦床的成礦條件進行研究具有重要的經濟意義。筆者深入剖析昌樂藍寶石資源分布特點、剛玉巨晶成因及成礦條件、藍寶石顏色成因,對藍寶石的成因機制進行研究。

1 昌樂藍寶石礦區(qū)域分布特點

根據(jù)形成寶石礦床地質作用的類型,可將剛玉寶石礦床分為巖漿巖型、變質巖型及外生砂礦型,其中巖漿巖型又包括侵入巖型、偉晶巖型、火山巖型。昌樂地區(qū)藍寶石原生礦與砂礦并存(圖1),原生礦屬于火山巖型礦床,含礦巖石為新生代堿性玄武巖,是目前中國發(fā)現(xiàn)的最大寶石礦之一。該區(qū)發(fā)育有長200 km,NNE向葛溝深大斷裂,為郯廬斷裂帶在山東昌樂境內分支,新近紀主要表現(xiàn)為拉張裂陷作用,此時玄武巖漿活動強烈,以斷裂帶為通道,寧靜噴溢出地表,形成低緩的熔巖臺地或盾狀火山錐。其中牛山期玄武巖分布廣泛,堯山期玄武巖零星分布,藍寶石原生礦主要賦存于牛山組堿性玄武巖中。含礦巖石具有斑狀結構,斑晶主要為橄欖石和單斜輝石,基質主要為斜長石微晶和少量玻璃質,并具氣孔、杏仁構造,屬堿性橄欖玄武巖,巖石中剛玉巨晶與幔源橄欖巖包體緊密伴生,含礦性越好的玄武巖所含幔源包體越大越多。長期暴露地表的含礦玄武巖被風化破壞后,形成殘坡積和沖洪積砂礦床,主要分布在方山周圍的五圖-新旺水系中。

2 剛玉巨晶成因及成礦條件

山東昌樂剛玉在玄武巖中以孤立單晶的形式存在,與寄主巖界限清晰,表面明顯的熔蝕現(xiàn)象和尖晶石、鈦磁鐵礦反應邊說明其與寄主巖漿存在化學不平衡,與寄主巖漿發(fā)生了交代反應,由此判斷剛玉礦物是堿性玄武巖漿早期結晶的高壓巨晶[3-4]。而巨晶中大量不混熔相熔體、流體-熔體包裹體的發(fā)現(xiàn)表明巨晶結晶過程中流體作用明顯,其形成于不均勻的流體-熔體體系中[5-6]。剛玉巨晶成礦環(huán)境復雜,受多種因素的影響和制約。

(引自昌樂縣地質礦產資源開發(fā)利用研究,李洪奎等,2014)圖1 昌樂藍寶石礦分布區(qū)地質簡圖

2.1 物質來源

昌樂藍寶石Al2O3含量為98%～99%,巖漿中Al2O3是剛玉結晶的物質基礎。昌樂地區(qū)玄武巖化學成分、剛玉礦物中包裹體研究表明,形成剛玉巨晶的母源巖漿相對貧Si,富Al,富堿(Na和K),富揮發(fā)分。含礦玄武巖SiO2含量約43.5%,Al2O3含量約13.5%,Na2O+K2O含量約5.3%,具有貧Si,富Al,富堿的特點[3];剛玉中鉀長石、霞石等礦物包裹體及富鋁、富鉀、富鈉玻璃包裹體的發(fā)現(xiàn)均說明剛玉形成于堿性巖漿中;剛玉中包裹體流體成分以CO2為主,同時包含H2O、N2和H2S等,稀有氣體及氧同位素研究顯示流體幔源特征明顯,因此可以認為剛玉形成于富含“地幔流體”的堿性巖漿中。地幔流體通過地幔交代作用影響著巖漿的形成與演化,在地幔流體的淋濾下,下地殼中的Al和堿金屬更容易進入低度熔融的上地幔巖漿中,為剛玉礦物的形成提供重要的物質來源[6]。富Al,富堿,富揮發(fā)分的母源巖漿有利于剛玉礦物的形成,堿質和揮發(fā)分促進了硅氧骨干中氧橋斷裂[3],使Al以六次配位的Al2O3形式結晶,形成獨立的剛玉礦物。

2.2 溫壓條件

圖2 過冷度與結晶能力關系

剛玉礦物形成于高溫高壓環(huán)境中,溫度的緩慢降低有利于剛玉巨晶的形成。一定的化學成分下,大于0.7 GPa剛玉就可從玄武巖漿中結晶出來,且?guī)r漿所處的壓力越高,剛玉首晶區(qū)越大,晶出寶石級剛玉的可能性就越大。地質溫度計和壓力計計算結果表明含礦巖石中地幔橄欖巖包體形成的溫度和壓力為1 100 ℃、1.5 GPa[3],代表了形成剛玉礦物的高溫高壓條件。剛玉巨晶中熔融包裹體均一溫度在1 000～1 300 ℃之間,為剛玉內包裹體的捕獲溫度,與形成剛玉礦物的高溫條件相吻合。巖漿的溫度同時影響著剛玉晶體的數(shù)量和大小,過冷度與結晶能力關系(圖2)表明,Al2O3一定的情況下,過冷度為ΔT1時,成核密度小,生長速度相對較大,形成數(shù)量少、晶體大的剛玉;過冷度為ΔT2時,成核密度和生長速度均較大,形成數(shù)量中等、晶體大小中等的剛玉;過冷度為ΔT3時,成核密度大,生長速度小,形成數(shù)量眾多但晶體小的剛玉。因此,巖漿溫度達到剛玉結晶點后,過冷度在ΔT1附近時,最有利于寶石級剛玉礦床的形成。

2.3 保存條件

地幔深處形成的剛玉巨晶能否在高溫巖漿中保存,能否順利上升至地表受寄主巖漿的黏度、密度、上升速度等多種因素制約,而堿性玄武巖漿黏度和密度均較小,巖石的含礦性主要取決于巖漿的上升速度。剛玉巨晶與幔巖包體的伴生關系說明含礦巖漿較不含礦巖漿上升速度更快,若巖漿上升速度較慢,一方面已形成的剛玉巨晶由于重力作用更易下沉,另一方面剛玉礦物有更多的時間與寄主巖漿發(fā)生反應而被熔蝕或交代。剛玉巨晶與寄主玄武巖間存在兩類反應邊,一類由尖晶石帶和鈦磁鐵礦+熔體帶構成,為反應沒有達到平衡的產物,反應時間較短;另一類由尖晶石帶和長石+鈦磁鐵礦帶構成,為反應平衡或接近平衡的產物,反應時間較長。以剛玉礦物與巖漿反應形成斜長石為例,昌樂藍寶石平均直徑為3 cm,為克服其重力使其不下沉,玄武巖漿上升的最小速度為1.1 km/h,若以此速度從100 km的地下深處到達地表,則大約需要94 h,當溫度為1 160 ℃時,斜長石生長速度為5×10-9cm/s,94 h內藍寶石將有0.017 mm的熔蝕。因此,巖漿的快速上升能夠保證剛玉巨晶被攜帶至地表保存下來,形成具有經濟意義的藍寶石礦床。

3 藍寶石的顏色成因

純凈的剛玉無色透明,山東昌樂藍寶石顏色較深,多呈藍黑色、黑藍色。寶石自身的致色因子對不同波長或能量的光源選擇性吸收和透射或反射導致了寶石的顏色[1]。剛玉寶石的顏色與化學成分密切相關,昌樂藍寶石主要致色因子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,三種離子的含量決定了藍寶石的藍色,含量越高且鐵鈦比越高,顏色越深。它們以類質同像的方式替代Al3+,其中全鐵含量為0.723%～1.522%,平均1.02%,三價鐵占優(yōu)勢,鈦離子平均含量為0.03%。Fe2+和Ti4+對可見光565 nm的吸收使藍寶石呈美麗的藍色,Fe3+對可見光有442 nm的藍紫光吸收,使藍寶石呈黑色,所以Fe3+為主要的致黑離子。根據(jù)這一原理,早期山東昌樂藍寶石改色研究中只注重減少Fe3+含量,但降低Fe3+的同時,Fe2+的含量必然會增多,而Fe2+和Ti4+的比例控制在1:1時,藍色最純,因此山東昌樂藍寶石改色成功的關鍵在于降低三價鐵的同時保留或增加鈦的含量。

藍寶石生長過程中所處的地球化學環(huán)境和溫壓條件決定了Fe和Ti含量,堿性玄武巖型藍寶石顏色均較深,與變質成因的藍寶石相比,地殼深處堿性玄武巖漿中Fe和Ti含量更高,藍寶石生長過程中的高溫條件有利于類質同象替換,高壓條件能促進六次配位的Fe3+進入晶格替換Al3+。因此,堿性玄武巖型藍寶石中Fe和Ti含量普遍較高。

4 結 論

(1)山東昌樂地區(qū)藍寶石原生礦的分布受葛溝深大斷裂控制,含礦巖石為堿性玄武巖,巖石中剛玉巨晶與幔源二輝橄欖巖包體緊密伴生。

(2)剛玉巨晶形成于地幔深處高溫高壓環(huán)境中,從相對貧Si、富Al、富揮發(fā)分、富堿的母源巖漿中結晶出來后,經歷緩慢降溫,形成藍寶石巨晶,寄存在迅速上升的玄武巖漿中,隨著巖漿的噴發(fā)作用被攜帶至地表。

(3)山東昌樂藍寶石顏色較深,主要致色離子為Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑離子為Fe3+,改色成功的關鍵在于降低三價鐵的同時保留或增加鈦的含量。

[1] 張蓓莉.系統(tǒng)寶石學[M].北京:地質出版社,2006:60,198.

[2] 丘志力,陳炳輝,陳敬德.山東昌樂與堿性玄武巖有關剛玉巨晶中鋯石包裹體的發(fā)現(xiàn)及其意義[J].中山大學學報(自然科學版),1999,38(6):132-133.

[3] 董振信,楊良鋒,王月文.山東藍寶石原生礦床成因探討[J].地球學報,1999,20(2):65-71.

[4] 余曉艷,姚曉梅,汪云峰,等.郯廬斷裂帶中段第三紀玄武巖特征及與剛玉形成的關系[J].地質與勘探,2000,36(3):28-31.

[5] 丘志力,陳敬德,陳炳輝,等.與堿性玄武巖有關剛玉巨晶的多階段成因—包裹體的證據(jù)[J].中山大學學報(自然科學版),2001,40(2):107-111.

[6] 丁振華.山東剛玉巨晶的成因—來自礦物包裹體的證據(jù)[J].礦物學報,2009,29(4):442- 446.

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[責任編輯]董大偉