魯西白彥組礫巖中重礦物組合特征及其物源指示意義

廉波，劉成儒，周軍，褚志遠，胡戈

(1.山東省第七地質礦產勘查院,山東 臨沂 276006;2.濟南鐵信人力資源管理咨詢有限公司，山東 濟南 250131；3.山東省地質科學研究院,國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東 濟南 250013)

魯中南地區地層由老到新含有7個含金剛石層位：寒武紀李官莊組礫巖、石炭紀本溪組礫巖、侏羅紀三臺組礫巖、古近紀固城組礫巖、新近紀白彥組礫巖及第四紀小埠嶺組礫巖、于泉組砂礦層。新近紀白彥組礫巖是發育于早古生代碳酸鹽巖微地貌中的一種巖溶燧石質礫巖。1976年，山東省第七地質隊在砂礦普查中將其創名為“白彥礫巖”，目前已發現白彥礫巖近300處，其中大部分含金剛石，是魯西重要的次生金剛石儲積層之一。其所含金剛石特征明顯有別于已知的蒙陰金剛石原生礦的礦物標型特征，和山東蒙陰金伯利巖原生礦中的金剛石晶體相對比，白彥地區金剛石晶體中帶綠色斑點的金剛石較多，階梯狀八面體,晶體較少，曲面菱形十二面體較多[1-9]，指示另有金剛石原生礦的存在。同時又由于其產出狀態特殊、成因機制復雜，自1988年至今，廣泛開展金剛石找礦和相關的研究，包括金剛石原生礦和中間儲集層物質來源的研究，取得了較大的進展，但白彥組礫巖時代和物源問題一直存在爭議[1-4，8]。該文采用重礦物分布特征和組合關系，結合魯西南地區構造特征進行物源指示意義的研究，對礫巖點的重礦物進行重點分析，并在此基礎上，對于其物源指示意義進一步探討。

1 區域地質背景

白彥礫巖主要分布于沂沭斷裂帶西側，NW向延伸的蒙山斷裂以南，區域構造位置位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)內，由一系列中新生代形成的、凸凹相間排布的斷塊山及山間盆地組成。地層自下而上可劃分為三大層：前寒武紀結晶基底、古生代陸表海及海陸交互相沉積層和中新生代山間盆地河湖相沉積層。

褶皺構造主要發育在基底巖系，表現為一系列的緊密線狀倒轉復式背斜和向斜，褶皺軸面走向NW。蓋層斷裂較基底斷裂更為發育，走向主要為NW，NNE，NEE。顯生宙巖漿巖主要為中奧陶世蒙陰地區的含金剛石金伯利巖和中生代燕山晚期的閃長巖、花崗巖(圖1)。

1—第四系；2—古近系；3—侏羅—白堊系；4—石炭—二疊系；5—寒武—奧陶系；6—泰山巖群；7—金伯利巖；8—地質界線；9—斷裂；10—隱伏斷裂；11—白彥組出露點及編號圖1 魯西白彥地區地質圖

2 白彥礫巖賦存的圍巖及地貌特征

礫巖遍布于白彥地區，分別屬于泗水縣、平邑縣、費縣和滕州市等地。主要分布在剝蝕低山、丘陵斜坡地帶和山麓地帶寒武—奧陶紀碳酸鹽巖中的巖溶地貌的溶蝕溝、溶蝕槽及洞穴等負地形，以燧石角礫為主。

空間上呈“面狀散布”，同時受地形及物源的控制，呈現一定的規律性，在微地貌上呈“環邊狀”，絕大多數礫巖分布在該區低山丘陵地形的邊緣地帶。區域上呈“條帶狀”，可劃分為2個條帶：北帶(費縣-泗水)、南帶(棗莊-滕州)。各處礫巖的分布，嚴格受下古生代灰巖出露范圍的限制，該地區周圍盆地中、新生代沉積巖出露的地方均未發現較典型的含金剛石礫巖。表明礫巖的生成、保存與構造隆起條件下剝蝕深度存在內在聯系。

礫巖形態多種多樣，規模大小不一，延伸長度從幾米到幾十米，個別達百余米；寬度一般1～5m，最寬達10余米，出露面積從幾平方米到幾百平方米。在同一礫巖分布帶上，平行凸起的長軸方向，相鄰礫巖點出露的高程相近，垂直方向隨地勢的降低礫巖點高程也逐漸降低。

3 白彥組礫巖的沉積特征

礫巖的礫石分選性較好，粗細成分相間形成清楚的斜層理，傾向、傾角比較穩定，傾向一般與礫巖體的延伸方向或礫巖體兩側地表坡面傾斜方向接近，沉積物粗細相間成層，多出現在溶溝、溶洞比較規則平整的部位。傾角自上而下逐漸變陡，常出現在溶溝、溶槽中局部呈壺穴形展布的部位。傾向、傾角與圍巖灰巖壁面一致，并隨其變化而變化，斜層理傾角可達40°～50°以上，往往出現于兩側地形傾斜平緩的溶溝中。

礫巖的碎屑成分基本相似，礫巖主要呈灰白色、棕黃色，由碎屑和膠結物組成，礫石外形多呈圓粒狀、扁平狀、扁圓狀、長圓狀、卵狀等。礫巖體的形態較為復雜，平面上呈現長條狀為主，其余為不規則的三角狀和發散分支狀。剖面上呈倒錐狀、楔狀、透鏡狀或不規則四邊形狀。多數礫巖中砂礫物質的排列，在多數情況下雜亂無章，礫石無明顯的排列方向，無明顯的層理構造。碎屑成分以燧石為主，其次為鐵質結核、灰巖碎屑、赤鐵礦、石英等，部分礫巖中還見有石英巖、石英砂巖、白云巖、頁巖及巖漿巖巖屑等。

(1)燧石含量一般在50%～80%，多為褐黃色、棕黃色，其次為灰白色、黑色棕黃色等，礫石磨圓度高，表面極光潔，表層顏色深，內部顏色淺，表面常見麻點和凹坑，部分破裂的礫石裂隙中見有鈣質充填。絕大多數礫石的磨圓度以圓、次圓為主，燧石礫石的平均球度系數變化范圍一般在0.6～0.8之間。一般礫徑愈小，磨圓度愈好。燧石礫石結構多為隱晶質結構，晶粒細而不均等。

(2)鐵質結核：主要由褐鐵礦、赤鐵礦和鐵質粉砂巖組成。鐵黑色、黑紅色，表面光亮，礫徑一般在0.3～0.5cm之間，大多呈不規則塊狀、圓粒狀。磨圓度較燧石成分者差，以次圓狀、次棱角狀為主。

(3)膠結物：礫巖的膠結物有3種，一是鈣質，二是鐵質，三為黏土質。鈣質膠結物由泥晶方解石、亮晶方解石和少量文石組成。礫巖中的膠結物以鈣質為主，由鈣質和鐵質膠結的巖石固結程度高，堅硬，屬固結型;而由黏土質或鈣、黏土質膠結的巖石固結差，松散或比較松散，屬未固結或弱固結型。礫巖的膠結物含量一般在20%左右。

4 重礦物特征

通過重礦物的穩定性以及區域分布特征，穩定重礦物和不穩定的相對含量以及其他指數特征，可以辨別碎屑沉積物的搬運方向和搬運距離[9-15]；按照重礦物的物理化學性質可以分為自生礦物、不穩定礦物、中等穩定礦物、穩定礦物和極穩定礦物4個級別，這種分類方法使得問題簡化和對比效果直觀[10，12]。該次研究主要是針對礫巖人工重砂樣品進行分析，進一步推測研究碎屑沉積物的搬運方向和搬運距離。金剛石作為白彥組礫巖出露點最重要的一種重礦物，單獨分析。

4.1 重礦物分區分布特征

礫巖中的重礦物成分較為復雜，分析結果顯示：礫巖中的重礦物除金剛石外，主要為黃鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、鋯石、金紅石、綠簾石、磷灰石、電氣石；其他含量較少的還有透輝石、鉻鐵礦、碳硅石、白鈦礦、獨居石、石榴石、軟錳礦、銳鈦礦、黃鐵礦、綠泥石、海綠石、角閃石等。其中主要重礦物分布特點也比較突出，其中赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦分布比較普遍，含量最高，黃鐵礦僅僅在個別礫巖點發現，個別礫巖點中褐鐵礦高峰值甚至可以在72%～90%以上，其他透明重礦物鋯石、磷灰石分布范圍較大，角閃石、金紅石、綠簾石尤其是重礦物分布比較局限(表1)。

表1 在白彥組礫巖中重礦物含量(%)

圖2 重礦物含量分布圖

比較重礦物相對含量分布，可以看出黃鐵礦、角閃石、綠簾石、磷灰石含量較少，分布范圍也較小，局部礫巖點甚至為零；而金紅石、鋯石含量較少，但是分布范圍相對較廣；赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦分布范圍最大，幾乎所有的礫巖點都有，并且在重礦物中含量最多(圖2)。其中角閃石、綠簾石、磷灰石、金紅石、鋯石礦物結構成熟度較高，多為花崗巖類及一些變質巖類礦物成分， 結合重礦物組合及特征，推測來源于相對距離較遠的巖漿巖和變質巖類型。磁鐵礦、褐鐵礦顆粒較大，磨圓度較好，含量較豐富，和周邊寒武-奧陶紀灰巖圍巖中燧石條帶、褐鐵礦條帶成分相似，推測應該來自近距離的古生代灰巖，經過流體的多次沖洗磨圓最終形成。

4.2 重礦物組合ZTR指數

重礦物指數分析是分析物源區的重要方法和手段。由極穩定礦物鋯石、金紅石和電氣石組成的透明礦物組合的百分含量，稱為ZTR指數，指數由小到大的方向指示物源方向。因此，根據重礦物的ZTR指數可大致確定其搬運方向及搬運距離，從而判斷物源方向[7-8],而物源對沉積體系的形成具有重要的控制作用，代表重礦物的成熟度。ZTR指數越大，礦物的成熟度越高。而礦物的成熟度受古氣候、古構造、搬運距離、成巖作用等多種因素的制約，對其系統研究，有時可以指示搬運距離和物源方向，有時則反映不同時期的古構造和古氣候的變化[8,12-13]。研究區重礦物缺少電氣石，該文在分析中采用鋯石、金紅石二者的含量。根據重礦物組合ZTR指數特征，總體可以分為以下4個重礦物異常區(圖3)。

1—等值線及數值；2—重礦物分區及編號；3—推測供源方向圖3 白彥組礫巖中ZTR指數等值線分布圖

Ⅰ區：泗水縣—平邑縣一帶1～12號礫巖點為不穩定礦物—穩定礦物組合，不穩定礦物角閃石明顯增多，并且從2號礫巖點開始角閃石含量有逐漸減少的趨勢。極穩定礦物金紅石和鋯石含量相對減少，穩定和中等穩定礦物含量起伏較大，總體含量較多。此礦物組合反映物質搬運時間較短，水動力條件相對較弱。

Ⅱ區：費縣—平邑縣一帶13～19號礫巖點為穩定礦物—極穩定礦物組合，不穩定礦物角閃石明顯減少，除綠簾石外，穩定和中等穩定礦物含量雖然起伏較大，總體含量較多。極穩定礦物金紅石和鋯石含量相對明顯增加。此礦物組合反映物質搬運時間較長，水動力條件相對較強。

Ⅲ區：滕州市NW向29～31號礫巖點為不穩定礦物—穩定礦物組合，不穩定礦物角閃石明顯較多，穩定和中等穩定礦物含量總體含量偏小。極穩定礦物金紅石和鋯石含量明顯降低。此礦物組合反映物質搬運時間較短，水動力條件相對較弱。

Ⅳ區：滕州市—棗莊市一帶NW向20～28號礫巖點為穩定礦物組合，不穩定礦物角閃石和極穩定礦物金紅石和鋯石含量都相對明顯降低。穩定和中等穩定礦物含量總體含量增多。此礦物組合反映物質搬運時間較長，水動力條件相對較弱。

從ZTR指數看，一般在0.2～0.8之間，最低為0.00，局部達到1.0～2.0；最高值在費縣南西為15.95。從等值線的疏密程度和總體分布看，其物源指示方向應為蒙陰縣和滕州市中間的高地。整體上看，自北西到南東，重礦物分區(Ⅰ，Ⅲ區)由不穩定—穩定礦物組合區，變為穩定礦物組合(Ⅳ區)和極穩定礦物組合區(Ⅱ區)，指示白彥組礫巖的物源從距離遠近判斷應來自北西方向。

5 金剛石分布特征

金剛石是該區白彥組礫巖出露點中最重要的一種重礦物，礫巖中含金剛石基本上具有普遍性，含金剛石巖溶礫巖分布為泗水縣、費縣、藤縣和棗莊市一帶的古生代灰巖分布區，各處礫巖點含量變化大，含量最高可達64.61mg/m3，低者只有0.164mg/m3，甚至部分礫巖點未選獲金剛石(表1) ，總體金剛石重礦物分布較為廣泛，在26個礫巖點中，有20個礫巖點發現有金剛石礦物。總體呈中間花狀散開分布。北帶金剛石品位自中段向兩端逐漸降低；南帶則呈自中心向四周環形擴散。在同一礫巖帶上往往其中部金剛石品位高，向兩端逐漸降低，同時金剛石的分布具有不連續性，部分礫巖點不含金剛石(圖4)。其等值線分布形態和重礦物組合ZTR指數分布基本一致。

1—等值線及數值(mg/m3)；2—主要礫巖取樣點及金剛石品位(mg/m3)；3—推測供源方向圖4 白彥地區礫巖中金剛石品位等值線分布圖

從金剛石重礦物的數據分析，金剛石品位最高位于平邑縣北西，達到64.61mg/m3，其中滕州市南東也分布有金剛石的一個高品位區域，由于該區中央的大片結晶基底剝蝕區的出露，只能局部分區進行金剛石品位的等值線圈定，金剛石是該區最穩定的重砂礦物，其成熟度和穩定系數說明品位越高，沉積區距離物源越遠。從等值線的疏密程度和總體分布看，供源方向應如圖4所示，總體物源應為來自泗水縣南—白彥鎮一帶。

6 結論和討論

(1)白彥礫巖主要分布在剝蝕低山、丘陵斜坡地帶和山麓地帶寒武—奧陶紀碳酸鹽巖中的巖溶地貌的溶蝕溝、溶蝕槽及洞穴等負地形，以燧石角礫為主。礫巖體的形態復雜多樣，僅部分礫巖點礫石分選性較好，粗細成分相間形成清楚的斜層理。礫巖碎屑成分以燧石為主，其次為鐵質結核、灰巖碎屑、赤鐵礦、石英等。

(2)礫巖中的重礦物成分比較復雜，礫巖中的重礦物普遍含有金剛石外，主要為赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦、鋯石、金紅石、綠簾石、磷灰石、電氣石等。重礦物ZTR指數一般在0.2～0.8之間，最低為0.00，局部達到1.0～2.0；最高值在費縣南西為15.95。金剛石含量最高可達64.61mg/m3，低者只有0.1mg/m3，北帶金剛石品位自中段向兩端逐漸降低，南帶則呈自中心向四周環形擴散。

(3)礫巖的膠結物多為鈣質成分，反映出礫巖生成時圍巖多為碳酸鹽巖地區，鈣質含量較多，燧石的磨圓度普遍較好，顯示出礫石經過了流水長期侵蝕磨圓的特征。白彥組不同礫巖點的重礦物含量和組合的不同，反映了其物質來源、沉積環境以及古構造條件的變化。一般重礦物隨著搬運距離的增大，不穩定重礦物逐漸減少，而穩定重礦物如金剛石等相對含量逐漸升高，重礦物的成熟度越來越高，沉積區距離物源越遠，表現為不穩定重礦物的減少和穩定重礦物的相對增大，暗示供源的距離最遠，礫巖點重礦物相對含量較多如平邑和泗水一帶的5～15號礫巖點，則說明搬運距離較遠，和河流相有關，相對含量較少，重礦物種類單一，如滕州東部的20～25號礫巖點，則可能是近距離山間濱湖相的反復沖洗磨圓有關。從重礦物相對含量和重礦物組合ZTR指數來判斷物源的大致方向，總體物源供應來源應在泗水縣和白彥鎮一帶。

(4)根據碎屑組分特征與重礦物組合特征，結合區域構造、沉積古地貌及盆地演化，泗水縣和白彥鎮一帶的高地，在新近紀開始隆升風化，其中的古生代碳酸鹽巖、金伯利巖和其他巖漿巖脈遭受剝蝕，在古生代沉積石灰巖蓋層高地中間低洼的溶洞中，河流和山間湖泊攜帶金剛石、赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、鋯石等主要的重礦物的圍巖碎屑，伴隨以石英、灰巖碎石為主的礫巖、砂礫巖，不斷沉積，最終形成巖溶成因的白彥組地層。