嚴(yán)育通，賈寶劍，周紅升,史興俊,趙國(guó)永,閆軍輝

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 豫南巖礦寶玉石鑒定及加工中心，河南 信陽(yáng) 464000；2.浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，浙江 杭州 310000)

0 引言

珍珠巖作為一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源，由于其具有熱膨脹性能優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、膨脹后容重輕及導(dǎo)熱系數(shù)低、無(wú)毒、無(wú)味、隔音等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于建筑材料[1]、保溫材料[2]、化工填料[3]、催化[4]等領(lǐng)域.對(duì)比而言，我國(guó)珍珠巖地質(zhì)方面的研究則進(jìn)展緩慢.隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)珍珠巖礦產(chǎn)資源的需求量不斷增大，珍珠巖資源保有儲(chǔ)量和需求量之間的矛盾日益突出[5].因此，查明我國(guó)及世界上珍珠巖礦床的基礎(chǔ)地質(zhì)背景，對(duì)我國(guó)珍珠巖成巖-成礦理論和找礦實(shí)踐的研究具有重要的指導(dǎo)和借鑒作用.

1 珍珠巖的定義及分布

商業(yè)上珍珠巖是指通過(guò)加熱能膨脹10倍以上的玻璃質(zhì)火山巖；而地質(zhì)學(xué)上定義珍珠巖是由火山噴發(fā)的酸性熔巖經(jīng)急速冷卻而成的玻璃質(zhì)熔巖，具典型珍珠構(gòu)造[6].酸性玻璃質(zhì)熔巖根據(jù)含水量的多少可分為黑曜巖(<2%wt)、珍珠巖(2%wt～5%wt)和松脂巖(>5 %wt)[7].世界珍珠巖主要賦存于中生代以來(lái)的兩大火山巖帶中：環(huán)太平洋帶(包括中國(guó)、日本、澳大利亞、美國(guó)等，其中中國(guó)、美國(guó)和日本儲(chǔ)量大)和歐洲勾形帶(包括冰島、意大利、希臘、匈牙利、土耳其等國(guó)，其中希臘產(chǎn)量最大).

2 珍珠巖的地質(zhì)背景

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)珍珠巖的研究，主要集中在礦床地質(zhì)特征、成礦時(shí)代、巖石地球化學(xué)、大地構(gòu)造背景、火山噴發(fā)模式及巖漿來(lái)源、水的賦存形式及來(lái)源、水化蝕變、礦床成因方面.

2.1 礦床地質(zhì)特征

自20世紀(jì)50年代起，學(xué)者就對(duì)美國(guó)珍珠巖兩大主產(chǎn)區(qū)(新墨西哥州和俄勒岡州)的珍珠巖礦床進(jìn)行了研究，Naert[6]對(duì)新墨西哥州No Agua珍珠巖礦床進(jìn)行了詳細(xì)的研究，查明了出露面積、賦存特征(產(chǎn)于四座火山穹窿中)，地層層序特征、礦石類型劃分、各類型礦石的孔隙度和礦物組成(光學(xué)顯微鏡觀察表明斑晶主要是斜長(zhǎng)石，為鈉-奧長(zhǎng)石系列，其次為石英和黑云母).Barker等[8]對(duì)No Agua礦黑曜巖的研究表明，西峰、西峰附近的兩個(gè)小山峰、東峰黑曜石含量分別為2%、50%、20%，并且發(fā)現(xiàn)整個(gè)No Agua礦區(qū)隨著原生黑曜巖增多，珍珠巖數(shù)量也呈遞增的趨勢(shì)，但未對(duì)黑曜巖進(jìn)行更詳細(xì)的礦物學(xué)研究.Naert[6]對(duì)新墨西哥州Brushy珍珠巖礦床也進(jìn)行了初步研究，珍珠巖礦體上覆第四系沖擊物，珍珠巖下伏地層為安山巖和玄武巖.珍珠巖礦石類型以角礫狀礦石較多，斑晶數(shù)量較多，并以石英和鉀長(zhǎng)石為主.這些和No Agua礦角礫狀礦石較少，斑晶數(shù)量少，以斜長(zhǎng)石及石英、黑云母為主有一定的差異，推測(cè)主要是由礦床規(guī)模不同和成礦環(huán)境差異造成的.Wilson等[9]對(duì)美國(guó)另一珍珠巖主產(chǎn)區(qū)(俄勒岡州)Tucker珍珠巖礦床進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該礦賦存在晚中新世流紋質(zhì)大巖體的邊部冷凝帶中.孔隙度從核心至邊緣增加，而長(zhǎng)石微晶數(shù)量變化趨勢(shì)則相反.該礦珍珠巖的地質(zhì)剖面和火山噴發(fā)地層分帶及孔隙度、結(jié)晶度變化顯示出了明顯的規(guī)律性：賦礦巖層中部為流紋巖，向上部依次轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａз|(zhì)流紋巖、具珍珠構(gòu)造珍珠巖、細(xì)粒珍珠巖、氣孔狀珍珠巖、輕質(zhì)珍珠巖；向下部依次轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａз|(zhì)流紋巖、具珍珠構(gòu)造珍珠巖、細(xì)粒氣孔珍珠巖、玄武巖和安山巖.結(jié)晶程度是從中部向兩邊依次遞減，而孔隙度則是依次遞增，這個(gè)規(guī)律是否在礦物上有所反映，有待驗(yàn)證.通過(guò)對(duì)珍珠巖中孔隙、玻璃質(zhì)和結(jié)晶相的體積分?jǐn)?shù)歸一標(biāo)準(zhǔn)化后做三角圖，得出了一個(gè)明顯的規(guī)律：在一定的玻璃質(zhì)和結(jié)晶相比例范圍內(nèi)，隨著孔隙體積的增加，珍珠巖從具有典型珍珠構(gòu)造向細(xì)粒致密珍珠巖、泡狀珍珠巖、輕質(zhì)珍珠巖依次轉(zhuǎn)變，表明珍珠構(gòu)造的形成條件和孔隙度(或揮發(fā)性組分)的數(shù)量密切相關(guān).

學(xué)者們對(duì)珍珠巖的另一大主產(chǎn)區(qū)—希臘進(jìn)行了詳細(xì)研究.Koukouzas等[7]對(duì)希臘Milos珍珠巖進(jìn)行了研究，表明珍珠巖層上覆第四紀(jì)沉積物，下伏古老正負(fù)變質(zhì)巖，珍珠巖層從下部往上部依次為蝕變?nèi)蹘r、流紋巖、角礫珍珠巖和砂巖互層、致密珍珠巖、經(jīng)典珍珠巖、輕質(zhì)珍珠巖、火山泥流.該礦珍珠巖礦石分為3種不同類型：輕質(zhì)珍珠巖(質(zhì)輕，具有泡沫特性、礦中出現(xiàn))、硬珍珠巖(礦床邊部出現(xiàn))、經(jīng)典珍珠巖(致密，和輕質(zhì)及硬珍珠巖接觸，礦中出現(xiàn)).Kaufhold等[10]對(duì)Moils礦珍珠巖巖相學(xué)進(jìn)行了研究，表明絕大多數(shù)為玻璃質(zhì)(大于90%wt)，石英(2.6%wt)、長(zhǎng)石斑晶(2.6%wt)，還有黑云母(0.6%wt).Hunahashi[11]對(duì)日本中央火山巖帶的Tsuchihata珍珠巖礦床進(jìn)行了研究，該帶主要是由青磐巖及他們的角礫巖組成.珍珠巖體中部為細(xì)粒致密珍珠巖，邊部是角礫巖、凝灰?guī)r等，上覆不整合第四紀(jì)海相砂巖和泥巖.Yanev等[12]對(duì)希臘羅多彼山脈東部早第三紀(jì)珍珠巖中微晶的含鐵非混納米相進(jìn)行了透射電子顯微鏡及電子衍射特征測(cè)試，結(jié)果表明該物質(zhì)和富鐵的鈉鐵閃石類似，根據(jù)相圖可得出該含鐵非混納米相之所以沒(méi)有形成磁鐵礦是受到高溫(850～900 ℃)和低氧逸度條件的制約.Tuffen等[13]對(duì)冰島Blahnukar中央火山噴發(fā)物進(jìn)行了研究，珍珠巖的賦存于熔巖底部和流紋巖邊緣部分. 除此之外，學(xué)者們對(duì)世界其他地區(qū)珍珠巖也進(jìn)行了部分研究[14].Sa’ad 等[15]對(duì)亞洲西南部的也門Al-Qyeyarie珍珠巖礦床進(jìn)行了巖石學(xué)研究，珍珠巖礦體從下部往上部巖性依次為玄武巖、火山碎屑巖、流紋巖、珍珠巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)珍珠巖、安山質(zhì)珍珠巖.顯微觀察斑晶為石英、玉髓、輝石、鐵氧化物、蛇紋石、鉀長(zhǎng)石(歪長(zhǎng)石-透長(zhǎng)石)、斜長(zhǎng)石(鈉長(zhǎng)石).

我國(guó)自20世紀(jì)60年代始就對(duì)珍珠巖進(jìn)行了較多研究.趙禮和高凡[16]對(duì)我國(guó)東北、華北、東南一些省區(qū)的珍珠巖進(jìn)行了野外觀察，并在室內(nèi)對(duì)天然玻璃熔巖進(jìn)行了形貌、折射率、顏色測(cè)定，對(duì)斑晶、雛晶、微晶、脫玻生成物(球粒和黏土)的形貌特征進(jìn)行了描述.鄭常青等[17]對(duì)松遼盆地營(yíng)城組珍珠巖中斑晶礦物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明斑晶礦物主要有斜長(zhǎng)石、黑云母、角閃石，還有鎂鐵質(zhì)的單斜輝石和謝方輝石，認(rèn)為單斜輝石、斜方輝石可能是巖漿與地殼深部圍巖發(fā)生混染作用時(shí)的捕擄晶或巖屑.單玄龍等[18]對(duì)松遼盆地營(yíng)城組珍珠巖相學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明珍珠巖具有斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)、珍珠構(gòu)造.斑晶主要為石英和長(zhǎng)石，斑晶含量約10%～25%.鄧峰等[19]對(duì)信陽(yáng)上天梯一帶珍珠巖礦床的研究指出，珍珠巖主要是由酸性火山玻璃組成，含少量石英、斜長(zhǎng)石，斑晶含量約10%，副礦物有迪開石、黑云母、云母及微量赤鐵礦和磁鐵礦等.由此可見，以上關(guān)于珍珠巖的礦床地質(zhì)特征研究主要集中在賦礦地層及層序、礦體冷凝分帶、孔隙度測(cè)定、巖相學(xué)薄片礦物一般鑒定方面.

2.2 成礦時(shí)代

學(xué)者對(duì)世界珍珠巖礦床進(jìn)行了地層及同位素定年工作，如日本Tsuchihata珍珠巖成礦時(shí)代為早中新世[11]；美國(guó)Tucker珍珠巖的黑曜石K-Ar成礦時(shí)代為晚中新世至早上新世[20]；美國(guó)No Agua礦的40Ar/39Ar成礦時(shí)代為晚中新世至更新世[21]；冰島Blahnukar珍珠巖成礦時(shí)代為115～11 ka(晚更新世)[13]；亞洲西南部也門Al-Qyeyarie珍珠巖礦床研究認(rèn)為該礦成礦時(shí)代為第三紀(jì)[15]；我國(guó)珍珠巖礦床成礦時(shí)代為上侏羅世至下白堊世[16,18,22].由上可看出，世界珍珠巖的成礦時(shí)代各不相同，主要分布在中生代和新生代.

2.3 巖石地球化學(xué)及大地構(gòu)造背景

學(xué)者對(duì)世界珍珠巖礦床，如美國(guó)No Agua[6,21]和Tucker[23]、希臘[7]、也門[15]、我國(guó)東北[18,22]，進(jìn)行了全巖主量、微量、稀土、穩(wěn)定同位素成分分析，結(jié)果表明主量成分(如SiO2、H2O、Na2O、MgO等)均在一定范圍內(nèi)變化，顯示了酸性熔巖的特點(diǎn).微量元素則特點(diǎn)不一致，如美國(guó)No Agua礦西部富Ba、Sr，而虧Rb，東部則相反；希臘不同礦之間堿金屬、Ba差別較大；我國(guó)圌山礦則富Cs并達(dá)到礦化濃度.稀土元素分析結(jié)果也是礦床之間及礦區(qū)內(nèi)部差異較大.環(huán)太平洋帶珍珠巖巖石主量、微量、稀土元素及穩(wěn)定同位素研究表明，該帶珍珠巖是在太平洋和大陸俯沖后的構(gòu)造伸展背景下的島弧型構(gòu)造環(huán)境形成的[18,21].

2.4 火山噴發(fā)模式及巖漿來(lái)源

基于礦內(nèi)不同礦區(qū)之間巖石地球化學(xué)(微量和穩(wěn)定同位素)數(shù)據(jù)的不同， Naert[6]提出了No Agua礦火山噴發(fā)的四穹窿模型，隨后又提出了兩穹窿模型，這兩個(gè)模型都認(rèn)為東、西部巖石化學(xué)特征的不同是由于來(lái)自不同地球化學(xué)指標(biāo)的巖漿房所致.隨后Chamberlin等[21]則提出該礦來(lái)自單一巖漿房，提出了四階段噴發(fā)觀點(diǎn)，從早到晚依次是：①富Rb火山碎屑巖；②高Rb、富Si熔巖，形成西峰；③高Rb、富Si火山熔巖形成西峰旁邊的小山峰；④最后噴發(fā)了3次低Rb、富Si的熔巖，通過(guò)中央通道形成了北峰、南峰、東峰.Mckee等[23]認(rèn)為美國(guó)俄勒岡州Tucker珍珠巖礦床的流紋巖來(lái)源于玄武質(zhì)巖漿房，證據(jù)是：①本區(qū)流紋巖和玄武巖具有相似的Sr同位素值；②空間上玄武巖和流紋巖聯(lián)系非常緊密.Fytikas等[24]對(duì)希臘Milos珍珠巖礦床上新世到晚第四紀(jì)珍珠巖樣品的研究認(rèn)為該珍珠巖和鈣堿性流紋巖的成分類似，是最新一次火山活動(dòng)形成的，和年齡老的火山活動(dòng)相比具有更淺的巖漿房.

2.5 水的賦存形式、來(lái)源及水化蝕變

自20世紀(jì)50年代起，學(xué)者就對(duì)珍珠巖中的水的賦存形式、來(lái)源和水化蝕變進(jìn)行了大量研究，由于珍珠巖熱膨脹性能和水有關(guān)，因此一直是研究的熱點(diǎn).珍珠巖中水的研究主要涉及以下3個(gè)方面：①水的賦存形式，如通過(guò)對(duì)珍珠巖DSC-TGA-MS和IR分析后認(rèn)為礦體中揮發(fā)性組分從高到低順序?yàn)轳妨吘?、脈巖、角礫巖、碎屑巖至火山穹窿礦體、流紋巖至黑曜石，揮發(fā)性組分成分經(jīng)質(zhì)譜測(cè)試以H2O為主，鹵素Cl、F等次之，并且隨著水化程度的增加，除水之外的其他揮發(fā)性組分含量越少.大量研究表明，區(qū)別珍珠巖中水類型的困難之處在于：火山玻璃質(zhì)中的原始水的數(shù)量和成分都在變化，是一種氫氧根和分子水的比例可變的混合體，水在珍珠巖中的存在形式是OH根(羥基)還是水分子，取決于水的含量及水化時(shí)的溫度.Kaufhold等[10]通過(guò)CT(計(jì)算機(jī)斷層攝影)、FIB(離子束掃描電鏡)、IRM(紅外顯微鏡)技術(shù)對(duì)希臘Milos島珍珠巖的多孔性和水的分布的研究結(jié)果表明，珍珠巖中水的存在形式有3種(分子水、氫氧根水、結(jié)合水)；珍珠巖中孔的存在形式有2種(直徑為20～100 μm的孔和1 μm左右的孔)，20～100 μm孔中充填的是空氣，而1 μm左右的孔由水充填.②水的來(lái)源，如Naert[6]通過(guò)對(duì)該礦的研究認(rèn)為珍珠巖中水的來(lái)源可能是由流紋質(zhì)巖漿在冷卻過(guò)程中溶離出的巖漿水，證據(jù)有：(1)玻璃質(zhì)流紋巖和珍珠巖中的水都分布在泡狀單元中；(2)水化程度的強(qiáng)弱和距離表面或裂隙帶的遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)；(3)晚期水化形成的珍珠巖缺乏珍珠構(gòu)造.Friedman等[25]對(duì)美國(guó)新墨西哥州No Agua礦中11個(gè)聯(lián)系緊密的黑曜巖和珍珠巖樣品進(jìn)行了水的提取，測(cè)試了氘濃度，最后和大氣水中氘對(duì)比，結(jié)果表明黑曜巖中的水與大氣水無(wú)關(guān)，而珍珠巖中的水與大氣水相關(guān)，說(shuō)明珍珠巖中的水是大氣水.③水化蝕變，如Noh等[26]對(duì)韓國(guó)的珍珠巖水化蝕變研究發(fā)現(xiàn)，珍珠巖進(jìn)一步的水化是沿著珍珠裂隙玻璃質(zhì)的溶解及蒙脫石的形成過(guò)程，最終會(huì)導(dǎo)致殘余玻璃珠的溶解.水向玻璃質(zhì)中擴(kuò)散導(dǎo)致了裂隙，而裂隙進(jìn)一步促進(jìn)了水的擴(kuò)散，在靠近裂隙處，玻璃質(zhì)溶解，形成了蒙脫石晶體.Varga等[27]對(duì)斯洛伐克的Jastraba和Lehotka兩個(gè)礦床的珍珠巖進(jìn)行了X射線衍射、IR紅外光譜、光學(xué)纖維鏡特征研究，并發(fā)現(xiàn)兩個(gè)礦床的珍珠巖在多孔性方面存在顯著區(qū)別.

2.6 礦床成因

珍珠巖的成因一直是地質(zhì)學(xué)研究的焦點(diǎn)，珍珠巖成因研究可為噴發(fā)環(huán)境、巖漿—水相互作用理論提供線索[15].目前關(guān)于珍珠巖的成因主要有以幾類觀點(diǎn)：①珍珠巖是由黑曜巖的水化形成，如Chesterman[28]認(rèn)為珍珠巖是來(lái)自黑曜巖的水化，證據(jù)為：(1)珍珠巖中含水量略高于黑曜巖；(2)珍珠巖和黑曜巖界面漸變關(guān)系；(3)珍珠巖集中分布在延伸至黑曜巖的裂隙中.Chamberlin等[22]認(rèn)為美國(guó)No Agua珍珠巖是由大氣水低溫?cái)U(kuò)散到附近的無(wú)水黑曜巖，并使之發(fā)生水化過(guò)程形成的，證據(jù)是：對(duì)珍珠巖樣品中提取的水的H-O同位素測(cè)試結(jié)果，表明水是大氣水成因.認(rèn)為珍珠巖形成過(guò)程是一種化學(xué)風(fēng)化過(guò)程，珍珠巖是大氣水通過(guò)珍珠巖中初始高裂隙和微氣孔均一擴(kuò)散水化的結(jié)果.②珍珠巖是由流紋巖水化形成，如Engineer[29]對(duì)蘇聯(lián)Nachikinsk珍珠巖礦床的研究表明珍珠巖是由流紋巖水化形成，水來(lái)自礦體下部的凝灰?guī)r層，是經(jīng)過(guò)巖漿加熱提取而來(lái).③珍珠巖是在空氣中或水下急速冷卻形成，如Koukouzas等[7]對(duì)希臘Milos珍珠巖的研究認(rèn)為是由中酸性火山熔漿在水下急速冷卻形成.單玄龍等[18]對(duì)我國(guó)松遼盆地營(yíng)城組珍珠巖的研究認(rèn)為是由巖漿在早白堊世陸相斷陷盆地中水下噴發(fā)經(jīng)急速冷卻形成.金永新等[22]對(duì)我國(guó)東北地區(qū)的珍珠巖礦床研究認(rèn)為礦床的形成過(guò)程中，酸性熔巖急速冷卻只是必要條件，而強(qiáng)調(diào)巖漿經(jīng)歷了一個(gè)“放氣過(guò)程”可能起到了更重要的作用.信陽(yáng)上天梯珍珠巖的研究認(rèn)為屬于火山巖型內(nèi)生巖漿礦床，是由水下噴發(fā)急速冷卻形成或者是噴出地表時(shí)其內(nèi)部含有大量的氣液成分無(wú)法溢出，在空氣中經(jīng)急速冷卻形成[19].可見，目前對(duì)于珍珠巖的成因尚未達(dá)成一致意見：歐美傾向于珍珠巖是由黑曜巖的水化形成，而具體的水化過(guò)程及水的來(lái)源則分歧較大，且礦物學(xué)方面證據(jù)較少；蘇聯(lián)傾向于是由流紋巖水化形成，水是來(lái)源于富水的凝灰?guī)r.國(guó)內(nèi)則普遍認(rèn)為是在盆地水或空氣中經(jīng)急速冷卻形成或經(jīng)過(guò)顯著“放氣過(guò)程”，所提供的礦物學(xué)證據(jù)也甚少.

3 珍珠巖礦床地質(zhì)背景的異同

由以上珍珠巖的研究現(xiàn)狀可知，世界各珍珠巖礦床的地質(zhì)特征差異顯著，成礦帶、成礦時(shí)代、賦礦地層序列、斑晶類型等均存在較大差異，本文整理了世界典型珍珠巖礦床的簡(jiǎn)要地質(zhì)特征(見表1)，以上差異可能與珍珠巖礦床在各自不同的地質(zhì)背景下的成礦環(huán)境和過(guò)程密切相關(guān).

表1 世界典型珍珠巖礦床地質(zhì)特征Tab. 1 Ore geological characteristics of world typical perlite deposits

4 存在問(wèn)題與建議

目前雖然珍珠巖的研究已取得許多成果，但珍珠巖成因方面的很多具體問(wèn)題尚未進(jìn)行合理的解釋，如珍珠構(gòu)造是在什么條件下形成的？珍珠巖和流紋巖及黑曜巖密切共生，為什么沒(méi)有形成流紋巖、黑曜巖而形成了珍珠巖？珍珠巖礦體為什么會(huì)有規(guī)律的垂向和水平巖性及冷凝分帶規(guī)律，控制分帶的關(guān)鍵因素是什么？珍珠巖是在什么成礦物化條件下形成？具體的溫度、含水量、壓力、酸堿度、氧逸度等物理化學(xué)條件如何？形成具體過(guò)程是什么？以上問(wèn)題的解決需要對(duì)珍珠巖地質(zhì)方面進(jìn)行更微觀、定量化的研究.本文提議將來(lái)應(yīng)在礦床地質(zhì)特征、火山噴發(fā)模式、水的賦存形式及來(lái)源、巖相學(xué)、成因礦物學(xué)、礦床形成具體過(guò)程和環(huán)境條件等方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，為珍珠巖的成巖-成礦理論和找礦實(shí)踐提供理論支持.