劉成龍， 于俊博， 董峰， 馬慧如， 楊金超

(1.黑龍江省第五地質(zhì)勘查院，哈爾濱 150036； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，哈爾濱 150001)

0 引言

黑龍江省是我國重要的石墨礦產(chǎn)地，石墨礦儲量占全國石墨總儲量的一半以上[1-4]，其中99.5%以上石墨礦集中分布于佳木斯地塊中部蘿北—勃利—雞西近SN向石墨成礦帶上。賦礦地層為新太古界麻山巖群西麻山組、余慶組及中—新元古界興東巖群大盤道巖組，成因類型為沉積變質(zhì)型[4-5]。本文通過巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等研究對巖石變質(zhì)程度、變質(zhì)作用過程進行探討，恢復(fù)原巖的沉積環(huán)境和孔達(dá)巖系特征，并通過碳同位素組成對鍋盔山地區(qū)石墨碳質(zhì)來源及礦床成因進行討論。

1 礦床地質(zhì)概況

鍋盔山石墨礦位于石墨成礦帶中東部(圖1)，為近年新發(fā)現(xiàn)的大鱗片晶質(zhì)石墨礦床[6]，規(guī)模達(dá)超大型。礦體賦存于中—新元古界興東巖群大盤道巖組(Pt2-3dp),地層整體呈NW向條帶狀、透鏡狀分布，產(chǎn)狀南西，傾角為45°～65°。巖石類型有片巖、片麻巖、變粒巖、碳酸鹽巖、石英巖、接觸交代矽卡巖等[6]。

1.黑龍江巖群; 2.興東巖群; 3.區(qū)域性大斷裂; 4.石墨成礦帶;5.鍋盔山石墨礦床; 6.水系

礦床整體可劃分為1條NW向石墨礦帶，中間被新元古代花崗巖侵入破壞導(dǎo)致地層不連續(xù)，進而劃分為3處礦體群(圖2)，圈定礦體32條。賦礦巖石類型為片巖型及片麻巖型，巖性主要為石墨石英片巖、矽線石墨石英片巖、黑云石墨片巖、黑云石墨斜長片麻巖、石墨黑云斜長片麻巖等。

1.大盤道巖組； 2.二長花崗巖； 3.花崗閃長巖； 4.石英脈； 5.第四系； 6.石墨礦體； 7.石墨成礦帶； 8.礦體群及編號

礦體走向NW，傾向南西，傾角多在45°～60°之間。由東南向北西，石墨礦體整體厚度變小，品位降低，夾石增多。礦石類型主要為石墨黑云斜長片麻巖、石墨石英片巖，石墨呈鱗片狀，片徑大于100目的占85%以上，為大鱗片晶質(zhì)石墨礦床。

2 變質(zhì)巖石學(xué)特征

區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖包括片巖類、片麻巖類、變粒巖類、石英巖類、大理巖類和矽卡巖類。

(1)片巖類主要有石墨石英片巖、黑云石墨片巖、石墨斜長片巖、矽線黑云石英片巖、石英片巖等。顯微鏡下觀察片巖中的礦物特征如下。矽線石： 針狀、柱狀，部分矽線石邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)榘自颇?，中間見少量殘留的矽線石(圖3(a))； 黑云母： 片狀，具無色—淡黃色的多色性，定向排列; 石英： 他形粒狀，粒度0.1～1 mm。石墨： 單偏光下不透明，呈細(xì)小的片狀產(chǎn)出，定向分布，具片狀構(gòu)造。

(2)片麻巖類主要有石墨黑云斜長片麻巖、矽線白云母鉀長片麻巖、石墨鉀長片麻巖、二云斜長片麻巖等。顯微鏡下觀察片麻巖中的礦物特征如下(圖3(b))。石英： 他形粒狀，粒度0.25～1.3 mm； 鉀長石： 他形粒狀，粒度0.2～4 mm； 矽線石： 無色，呈細(xì)小的毛發(fā)狀、針柱狀，定向分布，橫切面呈方形，橫切面見一組對角線解理，縱切面見縱紋； 黑云母： 呈細(xì)小的片狀產(chǎn)出； 白云母： 呈片狀或鱗片狀集合體，一組極完全解理； 角閃石： 柱狀、六邊形，橫切面兩組菱形解理，解理夾角約56°，縱切面斜消光，消光角c∧Ng′=20°，正延性； 綠泥石： 片狀，淺黃綠色。

(3)變粒巖類主要有透輝石墨斜長變粒巖、含石墨鉀長變粒巖、石墨透閃斜長變粒巖、黑云斜長變粒巖、黑云鉀長變粒巖等。石英： 它形粒狀，粒度0.2～2.4 mm； 斜長石： 粒狀，粒度0.2～1 mm，聚片雙晶； 透輝石： 柱狀，粒度0.1～0.9 mm，一組完全解理，斜消光，消光角c∧Ng′=36°； 石榴子石： 粒狀，粒度0.2～0.8 mm，表面見裂紋，無解理，具均質(zhì)性； 石墨： 呈細(xì)小的片狀分布，單偏光下不透明(圖3(c))。

(4)石英巖類主要有石墨透閃石英巖、石墨石英巖、石墨白云母石英巖等。石英： 呈它形粒狀產(chǎn)出，粒度0.1～0.7 mm，無色透明； 石墨： 不透明，呈細(xì)小的鱗片狀、片狀； 矽線石： 呈柱狀變斑晶產(chǎn)出，定向分布，粒度0.5～4.2 mm，見垂直于長柱方向的裂理； 白云母： 呈片狀、鱗片狀集合體產(chǎn)出，無色，一組極完全解理(圖3(d))。

(5)大理巖類主要有金云橄欖大理巖、大理巖、透輝大理巖、蛇紋石化橄欖大理巖等。橄欖石： 呈粒狀產(chǎn)出，粒度0.2～2.1 mm，無色，表面裂紋發(fā)育； 大多蝕變?yōu)樯呒y石，保留橄欖石假象； 金云母： 片狀，無色，一組極完全解理，二軸晶負(fù)光性，2V角很小； 碳酸鹽礦物： 粒狀，粒度0.2～2.5 mm，無色、土褐色，見2組菱形解理(圖3(e))。

(6)矽卡巖類主要有石榴透輝矽卡巖、石榴透輝方柱矽卡巖、尖晶透輝矽卡巖和黝簾透輝矽卡巖等。透輝石： 柱狀、粒狀，粒度0.15～2 mm，縱切面可見1組完全解理，橫切面可見2組近正交解理； 簡單雙晶的橫切面對稱消光，縱切面斜消光，消光角c∧Ng′=38°，尖晶石： 多呈粒狀產(chǎn)出，也見四邊形自形晶，粒度0.1～0.5 mm，深綠色，部分晶體見解理，全消光，具均質(zhì)性(圖3(f))； 碳酸鹽礦物： 粒狀，無色； 石英： 它形粒狀，無色透明，無解理。

3 變質(zhì)作用特征

該地區(qū)片麻巖、片巖、變粒巖中普遍含有特征變質(zhì)礦物矽線石、石榴子石、電氣石、石墨、白云母、黑云母等，少量出現(xiàn)透輝石、透閃石、角閃石。主要變質(zhì)礦物組合有： 黑云母+矽線石+石榴子石+鉀長石； 斜長石+石榴子石+石英+透輝石，石英+黑云母+矽線石+白云母； 石英+斜長石+鉀長石+電氣石+白云母等。

大理巖中特征變質(zhì)礦物有方解石、橄欖石、石榴子石、石英，變質(zhì)礦物組合出現(xiàn)方解石+透輝石+石英+石榴子石和金云母+橄欖石+方解石。

形成矽線石的變質(zhì)反應(yīng)一般是： 白云母+石英→矽線石+正長石，是高級變質(zhì)的主要臨界反應(yīng)[7-8]。該地區(qū)片巖、片麻巖中出現(xiàn)矽線石、鉀長石、石榴子石，大理巖中見橄欖石、金云母、尖晶石等礦物，說明巖石變質(zhì)程度較高，達(dá)高角閃巖相。

4 分析測試方法

4.1 穩(wěn)定碳、氮同位素比率測定

樣品的測定由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境穩(wěn)定同位素實驗室完成。將稱取的2～4 mg樣品放入錫箔杯，利用進樣器將樣品加入到元素分析儀(vario PYRO cube，德國Elementar公司)中； 利用燃燒與還原法將樣品轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2氣，CO2再經(jīng)稀釋后加入到穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100，英國Isoprime公司)中進行檢測。具體的工作參數(shù)如下。

元素分析儀條件： 還原爐溫度為650 ℃，燃燒爐溫度為1 020 ℃，He載氣流量為230 ml/min。

質(zhì)譜儀條件： N2參考?xì)鈮毫? psi，CO2參考?xì)鈮毫? psi。用IAEA N1(δ15Nair=0.4‰)標(biāo)定鋼瓶N2參考?xì)猓肐AEA N1和USGS43(δ14Nair=8.44‰)校正測定結(jié)果； 用USGS24(δ13CPDB=-16‰)標(biāo)定鋼瓶CO2參考?xì)?，用USGS24和IAEA600(δ13CPDB=-27.5‰)對測定結(jié)果進行兩點校正。

4.2 硅酸鹽樣品測定

樣品全部碎至小于0.84 mm，混勻，按切喬特公式Q=Kd2(K值選用0.8)進行縮分，留取正、副樣品。稱取0.500 0 g試樣放入高溫爐里經(jīng)無水碳酸鈉熔融，鹽酸提取，動物膠脫水，過濾，沉淀，灼燒，稱重,測定SiO2； 分取濾液用容量法測定Al2O3； 分取濾液用比色法分別測定Fe2O3、TiO2。稱取0.200 0 g試樣加氫氟酸、硫酸在電熱板上加熱分解，蒸至白煙冒盡趕盡氟離子，加3 mL、濃度5 mol/L的硝酸提取，冷卻后沖至100 mL容量瓶中。分取溶液在原子吸收上測定K2O、Na2O，MnO，分取溶液用容量法分別測定CaO、MgO，分取溶液用分光光度法測定P2O5。稱取0.500 0 g試樣于高溫爐里950 ℃灼燒1 h，稱重測定燒失量。

5 討論

5.1 巖石化學(xué)特征及原巖恢復(fù)

雙鴨山地區(qū)興東巖群大盤道巖組具有富Al特征[9]，區(qū)內(nèi)除大理巖外Al2O3含量亦較高(表1)； 大多巖石K2O/(K2O+Na2O)>0.5且K2O>Na2O，具有典型的正常沉積巖特征； CaO>MgO，顯示原巖中具有較高的鈣質(zhì)沉積。大理巖中含有石墨、石榴子石、透輝石、透閃石等,說明巖石原巖中含有Si、Al、Mg、C等雜質(zhì)[7]。

表1 鍋盔山地區(qū)硅酸鹽分析結(jié)果

通過巖石化學(xué)投圖(圖4，圖5)可見[10-11]，片巖類原巖為富鋁黏土巖、黏土巖； 鉀長變粒巖原巖為富鋁黏土巖； 透輝斜長變粒巖原巖多為富鈣質(zhì)長石砂巖、鋁黏土巖； 透閃斜長變粒巖原巖為中基性及堿性火山巖； 片麻巖原巖為鈣質(zhì)硅酸鹽巖，1個樣品為火山巖(16DC162/234GS)； 石英巖原巖為砂巖； 大理巖原巖為鈣質(zhì)碳酸鹽巖。區(qū)內(nèi)大盤道組地層原巖多為富鋁含碳黏土巖、砂巖等陸緣碎屑沉積巖及淺海相碳酸鹽巖夾少量火山巖。

結(jié)合原巖恢復(fù)結(jié)果，興東巖群大盤道巖組應(yīng)形成于穩(wěn)定構(gòu)造背景下生物活動強烈的淺海—濱海相碳硅泥巖建造環(huán)境[12-14]。

Ⅰ.富鎂硅酸鹽巖； Ⅱ(上).鋁硅酸鹽巖； Ⅱ(下).低鈣鋁鎂硅酸鹽巖； Ⅲ.鋁鎂硅酸鹽巖(低鈣鋁鎂硅酸鹽巖)； Ⅳ.鈣鋁鐵鎂硅酸鹽巖； Ⅴ.鈣鋁硅酸鹽巖； Ⅵ.鎂鐵硅酸鹽巖； Ⅶ.鈣鎂鐵硅酸鹽巖； Ⅷ.鋁鈣硅酸鹽巖； Ⅸ.富鎂鐵硅酸鹽巖； Ⅹ.低鈣鎂鐵硅酸鹽巖； Ⅺ.鈣鎂碳酸鹽巖； Ⅻ.鎂鈣碳酸鹽巖

圖5 (al+fm)-(c+alk)—si圖解

5.2 孔達(dá)巖系特征

孔達(dá)巖(Khondalite)為具有石墨+石榴子石+矽線石+石英的礦物組合特征含有機質(zhì)的一套富鋁巖石[15]。礦區(qū)巖石中富含石榴子石、矽線石、石墨等，具有典型的孔達(dá)巖變質(zhì)巖系特征[12，16-19]。

孔達(dá)巖形成于穩(wěn)定構(gòu)造環(huán)境和表生環(huán)境的淺海生物大量發(fā)育地區(qū)[20-21]，被認(rèn)為是花崗質(zhì)古大陸存在的標(biāo)志之一[22-24]。圖6、圖7顯示，δEu與∑REE具有負(fù)相關(guān)趨勢、(La/Yb)N與∑REE 圖顯示兩者呈正相關(guān)趨勢，亦說明沉積物的陸源物質(zhì)特征。如此一來，孔達(dá)巖系中必然存在反映原始古大陸與晚期淺海沉積的不同信息，這也是孔達(dá)巖系往往具有較大跨度測巖年齡的原因。

圖6 δEu—∑REE圖解

圖7 (La/Yb)N —∑REE圖解

據(jù)陳衍景等[25-26]研究，太古宙與元古宙界線在2 300 Ma左右[20]。2 300 Ma之前巖石微量元素δEu>1，(La/Nb)N/∑REE落在(La/Nb)N/∑REE=1/8線左上方； 2 300 Ma左右，0.8<δEu<1，(La/Nb)N/∑REE落在(La/Nb)N/∑REE =1/8線附近； 2 300 Ma后，δEu<0.8，(La/Nb)N/∑REE落在(La/Nb)N/∑REE=1/8線右下方。

由表2和圖6、圖7可見，其中序號9、10、11號樣品δEu比較接近100δEu/∑REE=1 線，該3個樣品也比較接近(La/Nb)N/∑REE =1/8。

筆者認(rèn)為以上3個樣品應(yīng)該為太古宙結(jié)晶基底巖石，原巖為基性火山巖和泥質(zhì)、泥灰質(zhì)沉積巖。而樣品落在標(biāo)準(zhǔn)線以下是由于深變質(zhì)作用巖石部分熔融過程中微量元素差異分配導(dǎo)致的含量輕微變化[28]。這一認(rèn)識也可以由該地區(qū)石榴矽線鉀長片麻巖(原巖為基性火山巖)中具有巖漿成因的2 514 Ma、2 591 Ma鋯石LA-ICP-MS U-Pb古老同位素年齡得到證明[9]。我國學(xué)者冉紅彥等對此也早有論述[29]。

表2 巖石微量元素特征及原巖恢復(fù)結(jié)果[27]

5.3 矽線石晶出與退變質(zhì)作用

在片巖、片麻巖、變粒巖中普遍見電氣石礦物，反映巖石流體中B元素較豐富。根據(jù)Anderson等[30]、Morgan等[31]的研究，富B堿性流體可形成堿硼酸陰離子團(Al-B-Alk-O)，從而使Al、Si在流體中的溶解度增加，限制藍(lán)晶石與紅柱石的晶出。

巖石中未見藍(lán)晶石、紅柱石，也未見矽線石交代藍(lán)晶石、紅柱石的證據(jù)，此種現(xiàn)象與高喜馬拉雅變質(zhì)巖矽線石帶特征相一致[32]，說明該地區(qū)矽線石的形成代表了深熔作用的結(jié)束，矽線石形成于熔體結(jié)晶[33]。

矽線石周圍出現(xiàn)白云母，矽線石邊部被白云母交代或白云母包裹矽線石呈矽線石假象(圖8)，說明巖石經(jīng)歷退變質(zhì)作用。在蘇格蘭高地的巴洛式變質(zhì)巖中也有類似現(xiàn)象，矽線石周圍出現(xiàn)白云母與藍(lán)晶石的絹云母化發(fā)生于同一時期[34]，而這種轉(zhuǎn)化發(fā)生在等溫降壓過程中[35]。

Ms.白云母； Gr.石墨； Sil.矽線石

在矽線石結(jié)晶后，晚期低溫流體與殘余富堿金屬組分結(jié)合，形成的黑云母或白云母疊加在矽線石外圍： Fib+Q+H2O→Mus。這更好地解釋了該區(qū)矽線石+白云母+石英礦物組合普遍出現(xiàn)的現(xiàn)象。

5.4 碳質(zhì)來源

有關(guān)石墨碳質(zhì)來源，有無機成因和有機成因2種理論。無機成因理論認(rèn)為石墨的形成主要通過碳酸鹽礦物的脫碳而再還原形成[36-37]； 有機成因理論根據(jù)石墨中δ13C值與世界各地不同時代有機質(zhì)δ13C平均值(-26‰)接近，認(rèn)為其來源于有機質(zhì)裂解[38-39]。

鍋盔山石墨礦區(qū)碳同位素測量結(jié)果(表3)表明，石墨石英片巖δ13C值與有機質(zhì)δ13C平均值極為接近，說明其為有機成因； 大理巖δ13C值與全球不同時代海相碳酸鹽δ13C平均值極為接近，說明其來源于碳酸鹽礦物。含石墨變粒巖中δ13C值為-11.3‰，與巖石原巖中含有機質(zhì)及碳酸鹽礦物有關(guān)，與原巖恢復(fù)表明變粒巖的原巖為富鈣質(zhì)長石砂巖相一致，說明其中有無機碳的參與。

表3 鍋盔山礦區(qū)碳同位素測量結(jié)果

6 結(jié)論

(1)鍋盔山地區(qū)興東巖群大盤道巖組變質(zhì)巖變質(zhì)程度達(dá)高角閃巖相，并經(jīng)歷等溫降壓的退變質(zhì)作用。原巖多富鋁和含碳，具有典型孔達(dá)巖系特征，形成于穩(wěn)定大陸邊緣的淺海—濱海相陸緣碎屑巖建造環(huán)境。

(2)變質(zhì)巖微量元素與同位素年齡反映了太古宙古大陸和元古宙沉積物的雙重信息，該地區(qū)古大陸的原巖為基性火山巖和泥灰質(zhì)、泥質(zhì)沉積巖。這也從另一個角度說明了孔達(dá)巖系往往具有較大年齡區(qū)間的原因，在今后研究中應(yīng)注意區(qū)分。

(3)該地區(qū)遞增變質(zhì)作用現(xiàn)象不發(fā)育，僅發(fā)育矽線石變質(zhì)反應(yīng)帶，矽線石非遞增變質(zhì)形成，而應(yīng)形成于滲透流體結(jié)晶或熔體結(jié)晶作用。

(4)礦床石墨碳質(zhì)來源于有機碳，為有機成因。