郭 威,陳夢杰,閆 斌,楊宏偉,曾 凱,萬傳輝,劉 林,斯小華，王 騰,范玖琳,秦元奎,劉 海

(1.湖北冶金地質(zhì)研究所(中南冶金地質(zhì)研究所),湖北 宜昌 443000;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所 a.自然資源部深地動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.自然資源部同位素地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100037)

黃陵背斜地區(qū)石墨成礦地質(zhì)條件優(yōu)越, 石墨資源量在國內(nèi)占有很重要的地位。 近年來,受益于地勘基金項(xiàng)目的推動,黃陵背斜地區(qū)石墨找礦勘查工作取得了重要突破,發(fā)現(xiàn)了多個大鱗片晶質(zhì)石墨礦床,具有極高的開發(fā)利用和科學(xué)研究價值。值得注意的是,黃陵背斜地區(qū)石墨礦勘查歷史已有40余年,前人對鄂西地區(qū)的地層構(gòu)造、地層時代、金屬礦產(chǎn)進(jìn)行過專題研究[1-7],但對黃陵背斜石墨礦相關(guān)的科學(xué)研究卻極其有限,除了一些生產(chǎn)性的勘探報告外,鮮有關(guān)于黃陵背斜石墨礦地質(zhì)研究的公開報道。2017—2019年,項(xiàng)目組通過3年的野外調(diào)查,取得了較多的第一手資料。本文通過對黃陵背斜地區(qū)石墨礦床的含礦巖石進(jìn)行巖相學(xué)、主微量元素、碳同位素地球化學(xué)特征等方面的研究,探討本區(qū)含礦巖石的物質(zhì)來源及石墨礦石的碳質(zhì)來源,深化對黃陵背斜地區(qū)石墨礦床成礦規(guī)律與礦床成因的認(rèn)識, 為指導(dǎo)該礦床的勘查提供新的科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

黃陵背斜具有基底加蓋層的雙層結(jié)構(gòu),大地構(gòu)造位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇黔川鄂臺褶帶上的次一級隆起, 是淮陽山字型西翼反射弧砥柱與鄂西隆起帶的復(fù)合部位[4]。 區(qū)內(nèi)主體為一套太古宙—元古宙中深變質(zhì) TTG灰色片麻巖和變質(zhì)表殼巖系[6-8]。 黃陵背斜核部被一系列基底構(gòu)造斷裂切割, 斷裂主要為北西方向, 其中霧渡河斷裂將黃陵背斜核部分為南北兩部分, 北部主要為太古代和古元古代表殼巖和變質(zhì)深成侵入巖的分布區(qū),南部則為新元古代花崗巖和花崗閃長巖分布區(qū)(圖1)。

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要有中太古代野馬洞巖組、中太古代東沖河片麻雜巖、古元古代力耳坪巖組及古元古代黃涼河巖組。野馬洞巖組出露面積很小, 巖石組合主要為一套混合巖化的斜長角閃巖、 黑云斜長變粒巖、 黑云角閃斜長片麻巖、 石英片巖、 角閃片巖和黑云片巖,主要的巖石礦物成分為角閃石、 斜長石、 石英、 黑云母、 白云母、磁鐵礦、金紅石等。中太古代東沖河片麻雜巖出露面積較大,主要巖性為英云閃長質(zhì)片麻巖、奧長花崗質(zhì)片麻巖和花崗閃長質(zhì)片麻巖,以前兩者居多,花崗閃長巖較少,零星可見石英閃長質(zhì)片麻巖,與英云閃長質(zhì)片麻巖過渡,主要礦物成分為斜長石、鉀長石、石英、黑云母、白云母、絹云母、綠泥石、角閃石、鋯石、磷灰石、榍石、簾石、磁鐵礦等。古元古代力耳坪巖組,巖性單一,為一套厚層細(xì)粒斜長角閃巖、綠簾斜長角閃巖、綠簾角閃(片)巖,偶夾黑云斜長片麻巖條帶。黃涼河巖組在研究區(qū)中部大面積出露,可分為上下兩段：下段由含石墨、富鋁礦物片巖、片麻巖夾數(shù)層白云石大理巖組成;上段為一套含石墨、富鋁礦物片巖、片麻巖互層,不含大理巖和鈣硅酸鹽巖,石墨礦主要賦存于黃涼河巖組中。

本區(qū)主要經(jīng)歷了3期構(gòu)造運(yùn)動:早期基底斷裂構(gòu)造僅對中太古代的交戰(zhàn)埡超鎂鐵質(zhì)巖和野馬洞組進(jìn)行改造;第2期普遍發(fā)育于太古代TTG片麻巖組合、黃涼河巖組變質(zhì)表殼巖、力耳坪巖組和交戰(zhàn)埡、核桃園等鎂鐵質(zhì)、超鎂鐵質(zhì)巖石,以廣泛發(fā)育透入性、區(qū)域性的片(麻)理和韌性剪切帶為特征,同時伴有麻粒巖相-角閃巖相區(qū)域變質(zhì)作用;第3期構(gòu)造變形是以新元古代黃陵島弧侵入巖為代表的青白口紀(jì)造山運(yùn)動,形成了菱形網(wǎng)格狀脆韌性剪切系統(tǒng)[8]。

區(qū)內(nèi)與石墨礦有關(guān)的巖漿巖有兩類,一類為東沖河片麻雜巖,另一類為礦區(qū)內(nèi)普遍可見的巖脈(輝綠巖脈)(圖2)。前一類變質(zhì)深成巖與黃涼河巖組相間分布,在黃涼河期時構(gòu)成古陸,后一類發(fā)生在石墨礦形成后,穿插破壞礦體。

2 典型礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)有7個典型石墨礦床,本文選取其中兩個進(jìn)行介紹:三岔埡石墨礦床,規(guī)模達(dá)到大型,品位最高;龔家河-青茶園礦床,為新發(fā)現(xiàn)的且規(guī)模最大的石墨礦床。

2.1 三岔埡石墨礦床

2.1.1 地質(zhì)概況 三岔埡石墨礦區(qū)處于圈椅埫穹隆南東翼(圖2)。主要出露的地層為野馬洞巖組、 黃涼河巖組和東沖河片麻雜巖, 石墨礦賦存于黃涼河巖組中。區(qū)內(nèi)地層走向北東,傾向南東, 傾角50°～60°, 呈單斜構(gòu)造。 斷裂構(gòu)造發(fā)育, 呈北東、 北西分布,將礦體切割成若干塊段。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖主要分布混合花崗巖和輝綠巖:混合花崗巖呈層狀、似層狀與地層產(chǎn)狀一致,厚數(shù)十至百余米,仍然保持地層狀殘余構(gòu)造;輝綠巖呈脈狀,沿北東和北西兩組斷裂充填,切割礦體。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)圖及石墨礦床采樣點(diǎn)(據(jù)湖北省地質(zhì)調(diào)查院[9])Fig.2 Geological map of the study area and sampling points of graphite depositsZ—震旦系; Pt3Hξγ—新元古代侵入巖華山觀超單元鉀長花崗巖; Pt3Xγδ—新元古代侵入巖小坪山雜巖片麻狀花崗閃長巖; Pt3Xηλ—新元古代侵入巖小坪山雜巖片麻狀二長花崗巖; Pt3Xηο—新元古代侵入巖小坪山雜巖片麻狀斜長花崗巖; Pt1l—古元古代力耳坪巖組; Pt1h—古元古代黃涼河巖組; Ar3S—新太古代曬家沖片麻巖; Ar2D—中太古代東沖河片麻雜巖; Ar2y—中太古代野馬洞巖組; βμ—輝綠巖、輝長巖

2.1.2 礦體特征 礦區(qū)已查明3個工業(yè)礦體。Ⅰ號礦體呈似層狀,長1 178 m,厚20.47 m,傾向120°～130°,傾角60°～70°,傾斜延深100～280 m,石墨平均含量11.37%;Ⅱ號礦體分布于Ⅰ號礦體上盤,相距30～90 m,礦體規(guī)模小,呈透鏡狀,長194 m,平均厚3.62 m,石墨平均含量13.61%;Ⅲ號礦體呈薄層狀,長1 218 m,平均厚3.9 m,石墨平均含量9.44%,傾向120°～160°,傾角35°～50°,礦體主要賦存于大理巖、斜長片麻巖及混合花崗巖接觸處,石墨礦礦體與圍巖產(chǎn)狀基本一致,呈似層狀和透鏡狀分布。

2.1.3 礦石特征 礦區(qū)內(nèi)存在石墨片巖和含石墨黑云斜長片麻巖兩種礦石類型,以石墨片巖為主(圖3a)。

(1)石墨片巖:為礦體主要礦石。主要由石墨、 絹(白)云母, 黑云母、 石英、 斜長石組成, 含少量屑石、 電氣石、 鋯石等。 固定碳含量3.16%～18.06%。 礦石具鱗片變晶結(jié)構(gòu)、 片狀構(gòu)造。 石墨鱗片直徑0.3～2.0 mm, 定向、 竹筏狀排列, 與絹云母等片狀礦物緊密共生, 由于受應(yīng)力作用, 石墨片晶常彎曲成弧形, 甚至S形(圖3c、 e)。

圖3 石墨礦石及礦物特征Fig.3 Characteristics of graphite ore and mineralsa—石墨片巖礦石; b—含石墨黑云斜長片麻巖礦石; c、 d—透射光石墨礦物形態(tài); e、 f—反射光下石墨礦物形態(tài); Ms—云母; Grp—石墨

(2)含石墨黑云斜長片麻巖:主要礦物成分有石墨、石英、長石、黑云母及絹云母,少量白云母。固定碳含量一般在2%～5%,最高6.17%,石墨呈鱗片狀,大小不一,多數(shù)為0.1～0.4 mm,最大1.5 mm,最小0.04 mm,與片狀礦物共生。

2.2 龔家河-青茶園石墨礦床

2.2.1 地質(zhì)概況 礦區(qū)位于巴山寺倒轉(zhuǎn)向斜南東翼,為同傾斜褶皺,地層總體為一單斜構(gòu)造,但層序倒轉(zhuǎn)。出露地層主要為黃涼河組下段和東沖河雜巖地層,傾向南東,傾角50°左右。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,但規(guī)模都較小,對礦體破壞較小。礦區(qū)出露的巖漿巖是花崗斑巖巖墻群及輝綠巖脈。

2.2.2 礦體特征 據(jù)最新的勘探數(shù)據(jù),礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)石墨礦體2個； 根據(jù)已有的見礦工程, Ⅰ號礦體長約3 km,地表最大厚度30.4 m,最小厚度約3.74 m,平均約15 m;Ⅱ號礦體長約1.5 km,厚度平均約10 m,礦體圍巖主要為黑云斜長片麻巖、鈣硅酸鹽巖、大理巖,礦體產(chǎn)狀與圍巖基本一致,呈似層狀和透鏡狀分布。

2.2.3 礦石特征 礦區(qū)石墨礦石也主要是含石墨黑云斜長片麻巖及石墨片巖兩種類型,以含石墨黑云斜長片麻巖為主(圖3b)。

含石墨黑云斜長片麻巖:礦物組成主要為石英、黑云母、絹云母、石墨、長石(少量)、 白云母及次生鐵。 結(jié)構(gòu)為鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu), 片麻狀構(gòu)造(實(shí)際上為片麻狀與片狀構(gòu)造過渡類型)。石墨呈鱗片狀,大小不一,多數(shù)0.1～1.4 mm?；旌蠋r化作用較石墨片巖富礦石強(qiáng)烈,呈長英質(zhì)細(xì)脈沿片麻理注入,脈體比例一般占20%～40%。 平行、 竹筏狀片理 、片麻理排列, 密集分布, 與云母緊密交生, 嵌生于云母解理間或兩者平行連生(圖3d、 f)。

黑云石墨片巖: 主要由石墨、 絹(白)云母, 黑云母、 石英、 斜長石組成, 含少量屑石、 電氣石、 鋯石等,黃鐵礦、 白鎢礦、 褐鐵礦偶見。 石墨鱗片片徑0.1～2.4 mm。 混合巖化作用較弱,長英質(zhì)脈體較少,一般<10%,呈細(xì)小脈紋隨片理彎曲。

3 樣品采集與測試

在研究區(qū)選取7個典型石墨礦床共采集了16件樣品(圖2)。 其中: 三岔埡礦區(qū)3件(樣號S1、 S3和S4), 坦蕩河礦區(qū)2件(T-1和T-2), 譚家溝礦區(qū)1件(TJG-1), 譚家河礦區(qū)3件(TJ-1、TJ-4和TJ-5), 青茶園礦區(qū)2件(Q-1和Q-4), 東沖河礦區(qū)2件(D-1、D-2), 二郎廟礦區(qū)3件(E-1 、E-2和E-3)。

所有樣品經(jīng)室內(nèi)整理后送澳實(shí)分析檢測(廣州) 有限公司完成樣品主量、 微量及稀土元素的分析。 主量元素采用 PANalytical Axios 型 X 熒光光譜儀測定, 相對誤差<5%; 微量與稀土元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國 Agilent 7700x)測定,相對誤差<10%。測試結(jié)果見表1。

續(xù)表1

12件樣品的碳同位素測試在澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司完成, 其中石墨片巖樣品采用Costech ECS 4010元素分析儀配合Finnigan MAT Delta Plus XP 同位素質(zhì)譜儀測定δ13C, 數(shù)據(jù)經(jīng)V-PDB標(biāo)準(zhǔn)化; 大理巖樣品在72 ℃條件下磷酸消解析出CO2, 離軸積分腔輸出激光光譜儀測δ13C, SD<0.05%, 數(shù)據(jù)經(jīng)V-PDB標(biāo)準(zhǔn)化。

3 含礦巖石的地球化學(xué)特征

3.1 主量元素分析及原巖推斷

石墨片巖的主要成分是SiO2和Al2O3(表1)。 SiO2含量在46.51%～67.56%,平均60.10%; Al2O3為11.41%～15.24%,平均13.92%; 其次為TFe、K2O、 MgO、 CaO。TFe含量為3.21%～7.17%, 平均5.18%; K2O為2.67%～4.48%, 平均3.23%; MgO為1.28%～2.64%, 平均2.04%; CaO為0.12%～1.19%, 平均0.60%， 總體特征為富硅鋁貧鈣。 在西蒙南圖解(圖4)中，全部落入泥巖或砂巖區(qū); 在圖5中,落入分異弱的砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖區(qū),且為寒帶和溫帶潮濕氣候的陸相沉積環(huán)境?？傮w顯示該類巖石原巖為一套含碳泥巖。

大理巖及鈣硅酸鹽巖主要成分:CaO為27.7%～32.9%,平均30.98%;MgO為18.40%～19.95%,平均19.29%;SiO2為4.22%～20.50%,平均10.44%;Al2O3為0.98%～2.03%,平均1.37%;TFe為0.67%～7.42%,平均2.17%。其中,大理巖貧Si、Al,富Ca、Mg,且CaO>MgO,K2O、Na2O明顯虧損。在圖4中落入鈣質(zhì)沉積巖區(qū);在圖5中,未落入三角區(qū)內(nèi),可能是由于碳酸鈣含量過高,導(dǎo)致(Al2O3+TiO2)和(Si2O+K2O)過低,總體顯示原巖為白云質(zhì)灰?guī)r。

片麻巖主要成分: SiO2含量為66.36%， Al2O3為13.49%，TFe為5.50%， MgO為3.12%， K2O為2.13%， CaO為2.10%。 在圖4中落入泥砂巖區(qū)， 在圖5中落入分異弱的砂巖、 粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖區(qū)，總體顯示該類巖石原巖為一套泥質(zhì)粉砂巖。

圖4 含礦巖石西蒙南圖解(底圖據(jù)Simonen[11])Fig.4 Simonen plot of ore-bearing rocks

圖5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑圖解(底圖據(jù)Nesbit等[12])Fig.5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑ plotⅠ—石英砂巖、 石英巖區(qū)； Ⅱ—少礦物砂巖、 石英質(zhì)砂巖區(qū)； Ⅲ—復(fù)礦物砂巖； Ⅳ—長石砂巖區(qū)； Ⅴ—鈣質(zhì)砂巖和含鐵砂巖區(qū)； Ⅵ—化學(xué)上強(qiáng)分異的沉積區(qū)(a—主要為雜砂巖; b—主要為復(fù)礦物砂巖；c—泥質(zhì)砂巖及寒帶和溫帶氣候的陸相粘土); Ⅶ—化學(xué)上中等分異的粘土寒帶和濕帶氣候的陸相粘土區(qū); Ⅷ—潮濕氣候帶化學(xué)上強(qiáng)分異的粘土區(qū); Ⅸ—碳酸質(zhì)粘土和含鐵粘土區(qū); Ⅹ—泥灰?guī)r區(qū); Ⅺ—硅質(zhì)泥灰?guī)r和含鐵砂巖區(qū); Ⅻ—含鐵石英巖區(qū)

石英巖的主要成分:SiO2為86.33%, Al2O3為6.82%,TFe為1.53%。在圖4中落入砂巖區(qū);在圖5中,落入含鐵石英巖區(qū)。總體顯示該類巖石原巖為一套石英砂巖及鐵質(zhì)石英砂巖。

綜上所述,本區(qū)含礦巖石原巖以含碳粘土巖、碳質(zhì)頁巖、含碳的粘土質(zhì)粉砂巖為主,夾有石英砂巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)粉砂巖,總的化學(xué)成分特征是硅鋁含量高,絕大多數(shù)巖石中SiO2+A12O3含量>70%,堿質(zhì)含量低,且大多K2O>Na2O, Fe2O3/MgO也較高,這套碎屑建造總體應(yīng)是太古宙花崗質(zhì)地塊邊緣海(陸殼內(nèi))沉積,構(gòu)造環(huán)境為半穩(wěn)定—較穩(wěn)定狀態(tài)。所以碎屑沉積物的成熟度仍不同于典型陸臺邊緣的陸棚區(qū),后者以石英砂巖-頁巖-碳酸鹽沉積為特征。

3.2 微量元素分析

在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上(圖6)，石墨礦含礦巖石整體上略向右傾。含礦巖石富集大離子親石元素Rb、 高場強(qiáng)元素U，及輕稀土元素La、 Nd、 Sm; 虧損大離子親石元素Sr、 Ba和Th, 高場強(qiáng)元素Nb。 Sr略顯虧損, 與斜長石風(fēng)化作用有關(guān),Sr在風(fēng)化過程中丟失, 造成虧損。 而P的虧損, 反映了沉積巖原巖的特征。 石英巖中Zr、 Hf高場強(qiáng)元素含量相對較高, 反映出高場強(qiáng)元素受重礦物控制。

圖6 含礦巖石微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element spidergram for graphite-bearing rock

黃陵背斜地區(qū)石墨礦石特征元素比值(表1):Rb/Sr值較高,平均為 1.46; Sr/Ba值較低,平均為0.85,顯示以陸源物質(zhì)為主。V/(V+Ni)值較低,平均為0.56,顯示弱還原環(huán)境; Th/U值較高,平均5.87,顯示氧化環(huán)境。Zr、Hf兩個元素的含量在石英巖中異乎尋常的高,Zr為6 110×10-6、Hf為173×10-6,說明石英巖原巖為濱海成因的石英砂巖,鋯石在濱海石英砂巖中富集。

按石英巖—片麻巖—石墨片巖的順序， 微量元素Ba、 Cr、 Cs、 Ga、 Li、 Nb、 Ni、 Pb、 Ta、 Th、 Ti、 U、 V、 Zn等含量發(fā)生有規(guī)律的變化(表1)。石英巖至石墨片巖、 片麻巖,Ba、 Cr、 Ga、 In、 P、 Sn含量逐步升高, U、 Zr、 Hf含量逐步降低； 從石墨片巖、 片麻巖到大理巖、 鈣硅酸鹽巖, 這些微量元素含量普遍突然降低。這些特征說明微量元素記錄了沉積韻律層形成的過程, 由粗粒沉積變成細(xì)粒沉積、 化學(xué)沉積, 微量元素含量發(fā)生了規(guī)律性的變化。 本區(qū)組成的含礦巖石沉積韻律層為石英巖(石英砂巖)—片麻巖(泥質(zhì)砂巖、 泥質(zhì)粉砂巖)—石墨片巖(含碳泥巖、 粉砂質(zhì)泥巖)—鈣硅酸鹽巖(不純碳酸鹽巖)—大理巖(碳酸鹽巖)。自石英砂巖至泥巖, 隨著碎屑粒度變細(xì), 由于機(jī)械沉積作用, Ba、 Cr、 Ga、 In、 P、 Sn等元素富集含量變高, U、 Zr、 Hf等元素虧損, 含量降低。自泥巖至白云巖, 因沉積性質(zhì)發(fā)生改變, 由機(jī)械沉積轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)沉積, 微量元素含量普遍突然降低。這是由于碎屑巖種的微量元素以各種形式存在于礦物的晶格中、 晶隙間, 或被表面吸附, 很少溶解于水介質(zhì)中, 因此當(dāng)碳酸鹽以化學(xué)沉淀的方式沉積時, 其中微量元素含量很低。

3.3 稀土元素分析

一般認(rèn)為,稀土元素在變質(zhì)過程中是不活動的[10]。 因此, 稀土元素的分布型式和特點(diǎn)能夠用來反映原巖性質(zhì)和形成環(huán)境。 從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分曲線(圖7)中可以看出, 出現(xiàn)了兩組REE含量差異較大的稀土元素配分模式：一組為石墨片巖和片麻巖樣品，REE含量相對較高；另一組為大理巖和鈣硅酸巖樣品，REE含量相對較低。 這說明兩組樣品原巖成因不同, 石墨片巖和片麻巖樣品中REE含量與花崗巖相近,REE型式也相近,推測石墨片巖和片麻巖的REE可能是由花崗巖提供,繼承了花崗巖REE型的特點(diǎn)；大理巖和鈣硅酸巖樣品REE含量與蝕變玄武巖相近,REE型式也相似,說明大理巖和鈣硅酸巖的REE可能是由玄武巖提供,它繼承了玄武巖REE型的特點(diǎn)； 石英巖的REE含量在兩組樣品之間, 推測石英巖的REE可能是由花崗巖和玄武巖共同提供。 兩組樣品REE含量雖然差異較大,但REE配分模式卻十分相近,都向右傾斜,并且呈現(xiàn)了幾乎平行的特征。

圖7 含礦巖石稀土元素配分曲線Fig.7 Rare earth element distribution curves of graphite-bearing rock

石墨片巖: ∑REE介于(114.78～241.85)×10-6, 平均172.53×10-6; LREE/HREE值為8.65～22.51, 平均14.65; (La/Yb)N值為11.78～71.29, 平均33.33; δEu在0.36～0.87; δCe在0.38～0.99。 在角閃巖與沉積巖La/Yb-∑REE圖解(圖8)中大部分落入頁巖與泥巖區(qū); 在地殼不同類型巖石的La/Yb-∑REE圖解(圖9)中,大部分落入花崗巖區(qū)域與沉積巖鈣質(zhì)泥巖區(qū)交界處,可能是樣品繼承了花崗巖稀土元素特征,而原巖總體為泥質(zhì)頁巖。

圖8 角閃巖與沉積巖La/Yb-∑REE圖解(底圖據(jù)趙振華[13])Fig.8 La/Yb-∑REE diagram of amphibole and sedimentary rock

圖9 地殼不同類型巖石的La/Yb-∑REE圖解(底圖據(jù)Allègre等[14])Fig.9 La/Yb-∑REE diagram of different types of rock in the crust

大理巖及鈣硅酸鹽巖:∑REE在(14.42～235.30)×10-6, 平均78.69×10-6; LREE/HREE值為5.24～11.55, 平均9.36; (La/Yb)N值為6.02～14.89, 平均12.11; δEu為0.63～0.94; δCe為0.91～0.99。在圖8中大部分落入碳酸鹽巖區(qū)附近;在圖9中,大部分落入沉積巖鈣質(zhì)泥巖區(qū),個別落入玄武巖與沉積巖鈣質(zhì)泥巖區(qū)交界處,可能是部分樣品繼承了玄武巖稀土元素特征,而原巖總體為碳酸鹽巖。

片麻巖: ∑REE為25×10-6; LREE/HREE值為10.11; (La/Yb)N值為13.85; δEu為0.62; δCe為0.97。在圖8中落入頁巖與泥巖區(qū);在圖9中落入沉積巖鈣質(zhì)泥巖區(qū),總體顯示泥頁巖。

石英巖:∑REE為54.03×10-6; LREE/HREE值為2.88;(La/Yb)N值為2.13;δEu為1.16;δCe為0.89。在圖8中落入角閃巖區(qū);在圖9中落入玄武巖區(qū),可能樣品繼承了玄武巖稀土特征。

綜上所述,稀土元素特征總體呈現(xiàn)輕稀土元素富集,重稀土元素平坦的配分模式,輕、重稀土元素分異較強(qiáng)烈,存在輕微的鈰負(fù)異常和明顯的銪負(fù)異常,反映出原巖沉積環(huán)境是太古代后期陸棚相沉積特征。本區(qū)含礦巖石原巖以泥質(zhì)頁巖、碳酸鹽巖為主,與主量元素的判別圖解基本一致。

4 討 論

4.1 含礦巖石物質(zhì)來源

黃陵背斜核部以野馬洞巖組和東沖河片麻雜巖為主體,以及少量中太古代超鎂鐵侵入巖(交戰(zhàn)埡超鎂鐵巖)和新太古代鈣堿性侵入巖(曬家沖片麻雜巖)共同構(gòu)成了黃陵原始陸殼, 太古代晚期五臺運(yùn)動(2 500 Ma)使原始陸殼發(fā)生差異性升降,在隆起區(qū)形成古陸,在凹陷區(qū)形成沉積盆地,接受沉積[9]。

4.1.1 源區(qū)巖石與含礦巖石成分關(guān)系 野馬洞巖組主要礦物成分為角閃石、斜長石、石英、黑云母、白云母、磁鐵礦、金紅石,風(fēng)化產(chǎn)物主要為長石碎屑、粘土礦物、Fe2O3膠體、Al2O3膠體、Ca2+、Na+、K+、Mg2+;東沖河片麻雜巖巖石礦物成分主要為斜長石、鉀長石、石英、黑云母、白云母、絹云母、綠泥石、角閃石、鋯石、磷灰石、榍石、簾石、磁鐵礦,風(fēng)化產(chǎn)物主要為石英、斜長石、粘土礦物、Al2O3膠體(表2)。根據(jù)地球化學(xué)主微量元素分析,本區(qū)含礦巖石原巖主要為石英砂巖、粉砂巖、 含碳泥巖及白云巖,主要礦物成分為石英碎屑、長石碎屑、巖屑、云母碎屑、粘土礦物、新生褐鐵礦、赤鐵礦、高嶺石、 伊利石、 方解石 、白云石, 副礦物為磁鐵礦、金紅石、鋯石、磷灰石、榍石等,與野馬洞組和東沖河片麻雜巖的風(fēng)化產(chǎn)物基本一致。

表2 源區(qū)巖石和含礦巖石成分關(guān)系(據(jù)湖北省地質(zhì)調(diào)查院[9])Table 2 Relationship between source rock and ore-bearing rock

野馬洞巖組主要提供了長石碎屑、 Fe2O3膠體、 粘土礦物及組成方解石、 白云石的鈣、 鎂離子。 東沖河片麻雜巖主要提供石英碎屑、 粘土礦物微粒及SiO2、 Al2O3膠體(后膠凝成為新生高嶺石,如有鉀質(zhì)加入成為伊利石)。 源區(qū)副礦物, 性質(zhì)穩(wěn)定大部分轉(zhuǎn)入沉積巖。 這為本區(qū)的含礦巖石物質(zhì)主要來源于野馬洞巖組和東沖河片麻雜巖提供了證據(jù)。

野馬洞巖組和東沖河片麻雜巖原巖分別以玄武巖和花崗巖為主[34],根據(jù)含礦巖石的稀土配分曲線圖及La/Yb-∑REE叛別圖解推測石墨片巖和片麻巖的REE可能是由花崗巖提供,大理巖和鈣硅酸巖REE可能是由玄武巖提供,石英巖的REE可能是由花崗巖和玄武巖共同提供,也說明本區(qū)含礦巖石成礦物質(zhì)來源主要來自野馬洞組和東沖河片麻雜巖。

據(jù)研究區(qū)石墨礦分布特征,野馬洞巖組因風(fēng)化剝蝕和巖體侵入作用,在研究區(qū)分布范圍很少,但大多數(shù)石墨礦床中都分布在有野馬洞巖組出露的地層附近(圖3),推測野馬洞巖組風(fēng)化產(chǎn)物是石墨礦床形成的主要貢獻(xiàn)者。

4.1.2 源區(qū)巖石與含礦巖石的地球化學(xué)特征分析 對含礦巖石、東沖河片麻雜巖及野馬洞巖組主微量元素特征分析認(rèn)為,野馬洞巖組應(yīng)和東沖河片麻雜巖同為含礦巖石原巖的主要物源,并且以野馬洞組為主(表3、 表4)。

表3 野馬洞巖組、東沖河片麻雜巖和本區(qū)含礦巖石主要化學(xué)成分對比Table 3 Comparison of main chemical components of the Yemadong Formation, Dongchonghe gneiss complex and ore-bearing rock wB/%

表4 含礦巖石與相關(guān)巖石微量元素特征對比Table 4 Comparison of trace element characteristics of ore-bearing rock and related rocks wB/10-6

含礦巖石含鐵高(10.84%), 而東沖河片麻雜巖含鐵低(3.43%),如果只是東沖河片麻雜巖提供物源, 則無法提供如此高含量的鐵。鎂、鈣的情況也是如此, 含礦巖石含鎂、 鈣量均高于東沖河片麻雜巖。因此,推斷含礦巖石中鐵、鎂、鈣等組分,主要來自野馬洞巖組； 而SiO2、Al2O3等組分則主要來自東沖河片麻雜巖。根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果可以粗略推算含礦巖石物源的組成,如以Fe2O3、MgO、 CaO為標(biāo)準(zhǔn),野馬洞巖組占68.11%,東沖河片麻雜巖占31.89%;如以SiO2和Al2O3為標(biāo)準(zhǔn),野馬洞巖組占66.43%,東沖河片麻雜巖占33.66%。因此,含礦巖石的主要物源應(yīng)為野馬洞巖組,其次為東沖河片麻雜巖,而不只是單一的東沖河片麻雜巖。

本區(qū)野馬洞巖組斜長角閃巖微量元素特征與中國玄武巖相似,以Cr、 Ni、 V、 Co 含量高為標(biāo)志, 與拉斑玄武巖微量元素組合相似； 東沖河片麻雜巖以低Cr、 Ni、 V、 Co, 高Rb、 Sr、 Ba、 Be為特征, 與中國奧長花崗巖的微量元素組合相似(表4)。 根據(jù)含礦巖石造巖組分對蝕源區(qū)巖石組分的繼承性, 本區(qū)微量元素可分為兩組: 一組為V、 Cr、 Co、 Ni,在自然界主要分布于基性、 超基性巖中; 另一組為Rb、 Sr、 Ba、 Be,自然界主要分布于酸性巖中。本區(qū)含礦巖石組分V、 Cr、 Co、 Ni含量低于野馬洞巖組明顯高于東沖河片麻雜巖; Rb、 Sr、 Ba、 Be與東沖河片麻雜巖相近, 而與野馬洞巖組不同, 說明本區(qū)含礦造巖組分的多源性, 野馬洞巖組和東沖河片麻雜巖共同為石墨礦的物源。

關(guān)于這一點(diǎn), 古地理演化提供了證據(jù)[34]。 在早元古代原始古陸形成時, 野馬洞巖組為表殼巖, 出露地表, 東沖河片麻雜巖為深成侵入體, 距地表至少3 000 m。 成礦期沉積盆地形成初期, 盆地周圍古陸地表大面積分布的應(yīng)是野馬洞巖組,而東沖河深成侵入體只是剝蝕出露地表部分。 隨著剝蝕加深,東沖河片麻雜巖出露面積不斷擴(kuò)大, 其作為含礦巖石物源的比例才逐漸增加。

4.2 碳質(zhì)來源

碳既可以游離元素存在,也可以化合物的形式存在。研究表明，地球上碳主要有4種存在形態(tài):大氣中的CO2、幔源巖漿中的初生碳、生物體中的有機(jī)碳、沉積碳酸鹽巖中的無機(jī)碳[17]。前人通過不同地區(qū)石墨礦沉積學(xué)、 巖石學(xué)、礦相學(xué)和同位素地球化學(xué)證據(jù),認(rèn)為石墨礦具有有機(jī)和無機(jī)兩種成因類型,且石墨碳同位素更接近于生物體中的有機(jī)碳,發(fā)育于大理巖中的石墨碳同位素值更接近于碳酸鹽巖中的無機(jī)碳[18-21]。

12件樣品的碳同位素分析結(jié)果顯示,大理巖樣品δ13C值在2.95‰～11.32‰,平均值為7.59‰,石墨樣品δ13C值在-9.69‰～-25.35‰， 平均值為-16.82‰(表5)。黃陵背斜地區(qū)的石墨樣品和大理巖樣品中δ13C值分布于不同的區(qū)間。石墨δ13C值落入地質(zhì)碳庫的“沉積有機(jī)物、 石油和煤”及“海洋、非海洋生物”區(qū)間內(nèi), 大理巖δ13C落入“各地灰?guī)r和淡水碳酸鹽”區(qū)間, 說明石墨碳和大理巖中碳酸鹽碳分別來源于有機(jī)沉積物和碳酸鹽沉積物(圖10)。石墨礦石樣品δ13C集中且偏差很小,可推斷研究區(qū)石墨礦的碳質(zhì)來源為地層中同源沉積的生物有機(jī)碳。石墨礦化具有變質(zhì)成因， 隨著變質(zhì)程度的提高, 碳酸鹽巖圍巖中的碳質(zhì)會越來越多地參與石墨礦化過程, 進(jìn)而導(dǎo)致δ13C值出現(xiàn)逐漸變大的趨勢。相較我國柳毛、南墅等典型區(qū)域變質(zhì)型石墨,黃陵背斜石墨δ13C值明顯偏高(圖10)，這間接說明黃陵背斜石墨礦化變質(zhì)程度比國內(nèi)一般區(qū)域變質(zhì)型石墨礦的變質(zhì)程度要高。

表5 碳同位素測定結(jié)果Table 5 Results of carbon isotope measurement

圖10 碳同位素分布區(qū)間(據(jù)文獻(xiàn)[22]修改)Fig.10 Carbon isotope distribution interval

5 結(jié) 論

(1) 對含礦巖石主微量元素研究及與源區(qū)巖石的成分研究表明,原巖為一套由碎屑巖、泥質(zhì)巖及碳酸鹽巖組成的沉積建造,以野馬洞組和東沖河片麻雜巖共同提供物源,并且以野馬洞巖組為主。據(jù)化學(xué)成分對比推算,含礦巖石物源以野馬洞巖組為主,66.42%～77.55%由野馬洞巖組供給,22.45%～33.66%由東沖河片麻雜巖供給。

(2)碳同位素研究表明,石墨礦石樣品和大理巖樣品中δ13C值分布于不同的區(qū)間,兩者沒有重疊區(qū),石墨δ13C值落入地質(zhì)碳庫的“沉積有機(jī)物、 石油和煤”及“海洋、 非海洋生物”區(qū)間內(nèi), 大理巖δ13C落入“各地灰?guī)r和淡水碳酸鹽”區(qū)間,說明石墨碳和大理巖中碳酸鹽碳分別來源于有機(jī)沉積物和碳酸鹽沉積物。與我國典型區(qū)域變質(zhì)型石墨礦相比,黃陵背斜地區(qū)石墨δ13C值明顯偏高,這說明黃陵背斜石墨礦化變質(zhì)程度比國內(nèi)一般區(qū)域變質(zhì)型石墨礦的高。

(3)野馬洞巖組出露的附近區(qū)域是研究區(qū)石墨礦有利的成礦部位。據(jù)研究區(qū)石墨礦分布特征,大多數(shù)石墨礦床中都分布在有野馬洞巖組出露的地層附近(圖2),野馬洞巖組為研究區(qū)最古老的地層,最先接受風(fēng)化剝蝕作用,也是含礦巖石物源的主要供給者,野馬洞巖組附近的沉積盆地內(nèi)有利于石墨礦的形成。在今后的找礦工作中,野馬洞巖組為研究區(qū)石墨礦的重要找礦標(biāo)志。