董鐘斗，蔡逸濤，曹正琦，張 潔，向 華，康叢軒

（1. 安徽省地勘局第二水文地質工程勘察院，安徽蕪湖 241000；2. 中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016；3. 湖北文理學院，湖北襄陽 441053；4. 湖南省地質礦產勘查開發(fā)局四一三隊，湖南常德 415000）

金剛石是找礦難度最大的礦種之一，砂礦一般先于原生礦被人們發(fā)現[1-3]。我國金剛石找礦進程中，也是先發(fā)現砂礦，再溯源尋找原生礦。如山東郯城地區(qū)砂礦中發(fā)現的巨鉆“常林鉆石”，蘇北新沂地區(qū)的金剛石砂礦以及湖南金剛石砂礦[4-5]。這些砂礦的發(fā)現為尋找原生金剛石礦提供了諸多線索，砂礦中最重要的伴生礦物為石榴子石、鉻鐵礦等，尤其是高鉻的石榴子石，往往作為金伯利巖或其他含金剛石母巖的指示礦物而備受地質學家重視[6-8]。安徽省泗縣山頭地區(qū)早在1960年代就發(fā)現金剛石砂礦點。在2012年安徽宿州欄桿地區(qū)發(fā)現原生金剛石后[9]，有學者提出泗縣山頭地區(qū)金剛石是否來自于欄桿地區(qū)的原生金剛石礦的問題[10]。為此，本文以泗縣山頭地區(qū)金剛石砂礦中的指示礦物石榴子石和鉻鐵礦為研究對象，并與欄桿地區(qū)原生金剛石礦的相應指示礦物進行對比，探討砂礦中金剛石的來源，以期能夠對區(qū)域金剛石找礦工作有所啟示。

1 區(qū)域地質背景

泗縣山頭地區(qū)位于華北克拉通東南緣，基底為新太古代五河群、霍丘群和古元古代鳳陽群，時代為1878～2963 Ma[12-13]；蓋層包括青白口系、南華系、震旦系及寒武系，巖性為石英巖、灰?guī)r、頁巖等，總厚達7000米。古生代時，本區(qū)長期處于隆起剝蝕狀態(tài)，造成上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)缺失。侏羅紀以來形成陸相沉積，包括河湖相及中性火山巖復陸屑建造組合。

郯廬斷裂帶穿過泗縣地區(qū)的東部，由嘉山-廬江斷裂和五河-合肥斷裂構成東西主干斷裂[14,15]，另有一系列與其配套的北西向斷裂（圖1）。

圖1 泗縣地區(qū)地質簡圖Fig. 1 Sketch Geologic map of the Sixian area五角星為金剛石出土點.

本區(qū)巖漿活動不強烈，加里東期為少量輝綠巖的侵入，燕山期為中酸性巖的侵入和噴發(fā)，喜山期主要是超淺成-玄武質巖漿的侵入和噴發(fā)，主要巖性有花崗巖、閃長玢巖、安山質凝灰?guī)r。此外，還發(fā)育一些煌斑巖類脈巖[18]。在區(qū)內北部的大莊凹陷及泗縣凹陷內分布的毛坦廠組（J3m）、黑石渡組（J1hs）以中基性火山巖、火山碎屑巖為主，巖性有安山質角礫凝灰?guī)r、氣孔狀安山巖、輝石安山巖等。在以往對泗縣翟莊的航磁異常（87-138）進行鉆探驗證時，還發(fā)現有堿性橄欖玄武巖。

2 山頭地區(qū)地質特征

山頭地區(qū)砂礦點范圍內廣泛發(fā)育第四系，包括中下更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。下更新統(tǒng)為河流相碎屑沉積，是主要含金剛石層位，分布在赤山南北兩端；上更新統(tǒng)下段屬殘坡積成因，含金剛石，上段為沖積成因粉質粘土；全新統(tǒng)廣泛分布于赤山周圍的沖積平原上。山頭地區(qū)含金剛石的地層為下更新統(tǒng)豆沖組（Qp1d）和上更新統(tǒng)戚嘴組（Qp3q）。豆沖組依據巖性特征及空間分布（圖2），可進一步分為上、中、下三個巖性段。

圖2 山頭地區(qū)砂礫層分布圖Fig. 2 Distribution map of sand and gravel in the Shantou area

豆沖組下段僅出露兩處，一處在赤山頂周圍，另一處在赤山南端，巖性為棕黃、棕紅、雜色粘土質砂礫，礫石含量為65% ～ 80%，砂含量10%左右，粘土含量10% ～ 25%，自上而下礫石含量漸增，礫徑增大，粘土含量逐漸減少。礫石成分以安山巖（安山質凝灰?guī)r）、硅質條帶灰?guī)r、石英砂巖為主，脈石英次之，并含少量輝綠巖、閃長煌斑巖、片麻巖及紅色砂巖礫石。礫石磨圓度差，多為棱角狀-次棱角狀，少為次圓狀，礫徑一般為1-10 cm，大者30-60 cm（主要為硅質條帶灰?guī)r）。砂成分以長石為主，石英次之，呈棱角狀-次棱角狀。結構松散，分選性差，礫石排列無定向。下伏地層為古近系。豆沖組中段主要分布于赤山南段，赤山頂附近，巖性為灰黃、淺褐色砂礫，粘土質砂礫，礫質砂及含礫砂，在縱向上和橫向上巖性變化較大，顯示了河流相的沉積特點。

通過對礫石成分的測量（表1），發(fā)現豆沖組中段礫石成分以石英砂巖為主，石英巖、脈石英、燧石、瑪瑙、安山質火山巖和紅色砂巖次之，偶見片麻巖、灰?guī)r、煌斑巖礫石；礫徑多為0.5-5 cm，少數達10 cm；礫石磨圓度差，多為次棱角狀，棱角狀次之，極少數為次圓狀-渾圓狀，其中片麻巖礫石多呈渾圓狀，且礫徑都小于5 cm。礫石排列略顯定向性；砂成分以長石、石英為主，長石一般風化成粘土，但顆粒形狀仍依稀可辨，砂粒多呈棱角狀、次棱角狀。

表1 豆沖組中段成分統(tǒng)計表（%）Table 1 Composition statistics of the middle section of the Douchong Formation（%）

豆沖組上段主要分布在赤山南北兩端，北端零星分布；南端呈東西向長條狀展布；巖性以褐灰色、灰黃色含礫砂及砂層為主，砂礫層次之。該段巖性特征與中段大致相同。通過對礫石的統(tǒng)計（表2），發(fā)現礫石成分以石英砂巖為主，磨圓度差；砂成分以長石、石英為主；總體上上段細，以砂為主，并發(fā)育水平層理，礫石塊度明顯變小。

表2 豆沖組上段成分統(tǒng)計表（%）Table 2 Composition statistics of the up section of the Douchong Formation（%）

戚嘴組下段上覆于豆沖組，僅在赤山頂北東惠祠堂附近有零星出露，屬殘坡積沉積，由豆沖組改造而成，巖性為灰黃色、褐色含鐵錳球粘土質砂礫、粘土質砂礫、砂礫。礫石成分主要為石英砂巖、石英巖、脈石英、燧石等，另外還有紅色砂巖，礫徑一般為1-4 cm，少數達7-8 cm，多為次棱角-次圓狀，分選差，礫石排列不定向，砂成分為石英，棱角狀。總之，該層礫石成分及含礦性與豆沖組相似，其區(qū)別主要在于含有較多的鐵錳球，鐵錳球大小為1-2 mm，黑色，球體內部為褐黃色，粘土含量增高，結構松散。

3 山頭金剛石特征及對比

在該區(qū)砂礦點選獲金剛石64顆，顏色以無色至淺黃色為主，少量具有淺藍色、粉紅色、灰白色等，金剛光澤，X光下呈藍色。金剛石粒徑大多在 0.3 mm至2.0 mm之間，最大單粒為2.7 mm×2.1 mm ×2.9 mm，重22.3 mg。鏡下觀察，其中部分富含包裹體，以黑色片狀石墨（或片狀硫化物）為主，其次可見少量淺色包裹體，推測可能為石榴子石、透輝石、橄欖石等[19]。該區(qū)發(fā)現的金剛石部分具有較好的晶形，以階梯狀八面體、平八面體為主，其它有菱形十二面體、平八面體聚晶及其聚形等；曲面晶體有曲四六面體、曲面菱形十二面體、曲八面體等；八面體晶形晶面光滑，少見三角蝕像，曲面晶體表面常見特征的熔蝕坑、熔蝕溝。

前人在欄桿地區(qū)的輝綠巖等堿性基性巖中曾選獲大量微粒金剛石[20]，從顏色、晶體特征來看，均與泗縣地區(qū)出土的金剛石明顯不同（表3）。

表3 皖北地區(qū)金剛石特征一覽表Table 3 The list of diamonds features from North of Anhui

4 指示礦物特征

本區(qū)與金剛石成礦、找礦關系比較密切的重砂礦物有石榴子石，鉻鐵礦等。

本次研究選獲石榴子石300余粒，粒徑3-0.2 mm。以淺紫色、淺玫瑰色為主，其它還有淺紫青色、淺粉紅色等。

選獲的鉻鐵礦一般多呈黑色，半透明-不透明，具瀝青光澤，條痕棕色，硬度中等，粒徑大多為0.1-0.5 mm，少數晶?？蛇_1 mm，折射率在1.887-2.040之間，比重為4.18。

5 樣品分析及測試條件

樣品主要來自于2016-2018年安徽地勘局第二水文地質工程勘查院在泗縣山頭地區(qū)的施工鉆孔（ZK1502和ZK1501）中的人工重砂。共測試石榴子石69顆，鉻鐵礦33顆。

將挑選出來的樣品經過丙酮、酒精清洗，去除表面雜質及污染，在雙目鏡下制成透明樹脂靶，并將其拋磨至礦物露出表面，進行電子探針測試。

樣品分析在國家海洋局第二海洋研究所完成。使用儀器為JEOL JXA-8100電子微探針波譜儀，測試條件為：加速電壓15 kV，束流20 nA，光束直徑為5μm。校準標準礦物為：硬玉（Si，Na），橄欖石（Mg），鐵鋁榴石（Fe，Al），透輝石（Ca），透長石（K），鉻鐵礦（Cr），金紅石（Ti），薔薇輝石 （Mn）和硅鈹鋁鈉石（Cl）。Ni，Co，Mn，Cr和Cl的計數時間峰值為30秒，背景計數時間為10秒，其他元素分析為峰值10秒，背景5秒。

6 測試結果

6.1 石榴子石化學成分特征

山頭地區(qū)伴隨金剛石出土的石榴子石的主要化學成分見表4，其中：MgO含量為11.81 ～ 4.04 wt%，SiO2含量為36.74～36.99 wt%，FeO含量為17.21 ～32.43 wt%，Na2O含量為0.03～0.40 wt%，Al2O3含量為21.19 ～23.34 wt%，CaO含量為0.84～ 8.16 wt%，MnO含量為0～2.18 wt%，Cr2O3含量很低，部分未達檢測限。

石榴子石的一般化學式為A32+B23+(SiO4)3，其中A大多為Ca、Mg、Fe、Mn，B則常為Al、Fe、Cr、Ti等。端元組分常見有鐵鋁榴石、鈣鋁榴石、鎂鋁榴石、鉻鋁榴石和鈣鉻榴石等端元組分。依據電子探針化學成分數據計算的石榴子石的分子式表明（表5），山頭地區(qū)砂礦中石榴子石族礦物化學式中的A主要由Mg2+、Fe2+和Ca2+占位，B主要由Al3+和少量的Mn3+占位；三價陽離子主要為Al3+，二價陽離子主要為Fe2+；雖然Fe2+的離子半徑較大，難以與其他二價陽離子置換，但在本區(qū)Mg2+和Fe2+之間的置換較普遍。

表5 山頭地區(qū)典型石榴子石分子式Table 5 Molecular formula of typical garnet in the Shantou area

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6.2 鉻鐵礦化學成分特征

鉻尖晶石類礦物廣泛出現于金伯利巖等含金剛石母巖中，其含量甚至可超過石榴子石族礦物。當Cr3+在單位晶胞中的數量大于8時為鉻鐵礦，小于8者為鉻尖晶石（單位晶胞中3價陽離子數為16）[21]。山頭地區(qū)重砂中的鉻尖晶石類礦物以鉻鐵礦為主；鉻尖晶石只有4粒，所占比例很小。

從表6可知，鉻尖晶石礦物中Cr2O3的含量最小值為35.17 wt%，絕大多數大于40wt%；MgO的含量為3.75～17.11 wt%，大多數在8 wt%左右；TiO2含量為0.11～2.26 wt%。

7 討論

本區(qū)石榴子石中的端員組分主要以鐵鋁榴石（Alm）為主（占比35.78%～75.79%），其次是鎂鋁榴石（Pyp）（占比16.44%～44.04%）（表7），鈣鋁榴石（Grs）占比較低（1.99%～22.67%）；其他端員組分鈣鐵榴石、錳鋁榴石和鈣鉻榴石的含量非常低，基本可以忽略不計。69件石榴子石化學成分測試結果表明：區(qū)內指示礦物石榴子石主要為鐵鋁-鎂鋁-鈣鋁石榴子石系列。按照Dawson Stephens對石榴子石的劃分方法（表8），本區(qū)石榴子石主要類型應為G3、G4石榴子石（圖3），其主要來自于榴輝巖[22-24]。

圖3 山頭地區(qū)石榴子石分類圖[24]Fig. 3 Classification of garnets from the Shantou area (after [24])

表8 Dawson-Stephens分類中不同巖石類型石榴子石的平均氧化物含量[22]Table 8 Average oxides contents of garnets from different rock types [22]

宿州欄桿地區(qū)含金剛石母巖中的石榴子石端員組分主要以鈣鋁榴石（Grs）為主（41.64%-80.29%，平均為72.88%），其次是鈣鐵榴石（Adr）（18.45%-48.58%，平均為25.75%[23]），鎂鋁榴石的含量較低（0.29%-1.14%，平均為1.01%），主要為鈣鋁-鈣鐵-鎂鋁石榴子石系列，并且發(fā)現有超硅石榴子石的存在[23]，屬于G0系列石榴子石[24]。泗縣山頭砂礦中的石榴子石指示礦物與安徽欄桿地區(qū)石榴子石類型完全不同，說明該砂礦的金剛石不是源自欄桿地區(qū)的原生礦。

從另一個重要指示礦物——鉻鐵礦來看。根據Cr2O3含量可以將山頭地區(qū)的鉻鐵礦分為中鉻-鉻鐵礦和低鉻鉻鐵礦（圖4），且中鉻-鉻鐵礦與山東、遼寧金伯利巖中發(fā)現的中鉻-鉻鐵礦成分基本一致，但缺乏后者的高鉻-鉻鐵礦系列[25,26]。說明山頭砂礦中鉻鐵礦應該是與該區(qū)金剛石共生的指示礦物。

圖4 山頭地區(qū)鉻鐵礦成分分布圖Fig. 4 Composition diagram of chromites from the Shantou area

前人對安徽欄桿地區(qū)金剛石找礦指示礦物中鉻鐵礦的研究顯示，其大多為含鉻尖晶石[27]，Cr含量低于本區(qū)鉻鐵礦。因此，從化學成分上來講，泗縣地區(qū)的鉻鐵礦也并非來自欄桿地區(qū)。

綜上所述，泗縣地區(qū)砂礦和欄桿地區(qū)原生礦中的石榴子石、鉻鐵礦在化學成分上相差較遠，并不屬于同一來源，同時也表明兩者金剛石來源不同。

8 結論

（1）安徽泗縣山頭地區(qū)砂礦中石榴子石族礦物主要為鐵鋁-鎂鋁-鈣鋁石榴子石系列的G3、G4石榴子石，與欄桿地區(qū)原生金剛石礦中石榴子石類型完全不同。本區(qū)鉻尖晶石族礦物中中鉻-鉻鐵礦與山東、遼寧金伯利巖中發(fā)現的中鉻-鉻鐵礦成分基本一致，屬于含金剛石母巖中常出現的鉻鐵礦類型，與安徽欄桿地區(qū)原生金剛石礦中鉻尖晶石明顯不同。

（2）該區(qū)砂礦中出土的金剛石與宿州欄桿地區(qū)的原生金剛石在顏色、晶型等方面均有明顯不同，指示礦物也明顯不同，因此欄桿地區(qū)的金剛石原生礦并不是該區(qū)金剛石砂礦的物源，本區(qū)是否具有金剛石原生礦的潛力需要進一步研究。