中條山銅凹組泥質巖礦物共生組合及地質意義

姚 宇 凱

(山西省地質調查院,山西 太原 030000)

1 概述

中條山區處于華北克拉通中部帶南緣，鄂爾多斯地塊與河淮地塊接合帶的南端，華北地塊南緣沁水向斜南部仰起端，華北板塊山西地塊南緣與豫皖地塊接壤地帶，行政區劃分屬山西臨汾市、晉城市、運城市管轄。中條山作為我國重要銅礦產地之一，目前已發現銅礦床20處，探明銅儲量達390多萬噸(龐雪嬌，2010)。同時還伴生鈷、金、鉬、銀等金屬元素。不僅如此，由于地處特殊的大地構造位置，該地區被認為是研究華北克拉通早前寒武紀地質演化的關鍵區域。

泥質巖對變質作用的反應比較“靈敏”，選取泥質巖進行變質作用的研究通常能得出準確的結論。中條山區的變質泥質巖石主要分布在絳縣群銅凹組，中條群篦子溝組、陳家山組(見表1)。而且這三個組是中條山最為重要的含礦地層，賦存了超過90%的銅礦床(點)。雖然前人對相關內容作了大量研究，但已有的資料停留在20世紀90年代，已不能適應地質理論及實驗測試技術的發展。所以，本文以中條山區銅凹組變泥質巖作為研究對象，通過礦物組合的研究，從而對絳縣群乃至中條山區的變質作用探討提供一些基礎資料。

表1 中條山區絳縣群、中條群地層簡表

2 區域地質背景

中條山地區是華北克拉通內出露早前寒武紀巖石的典型區域之一，區內巖石呈北東—南西向展布(見圖1)，區域內出露最古老的巖石為涑水雜巖，主要由新太古代(2.7 Ga～2.5 Ga)的TTG片麻巖(孫大中等，1991；趙鳳清，2006；郭麗爽等，2008；張晗，2012；Zhu et al.，2013)、古元古代變質表殼巖(趙鳳清，2006)和新太古代至古元古代的花崗質侵入體組成(Tian et al.，2006；趙鳳清，2006)。基底巖石被古元古代沉積—火山巖建造不整合覆蓋，從下至上依次為絳縣群、中條群、擔山石群變質地層以及中元古代—新生代沉積蓋層。

絳縣群主要分布于中條山區絳縣幅、垣曲幅中，主體呈NE-SW向展布于涑水雜巖東側，其中北端地層出露最全，向南變薄至尖滅，除在南東側與中條群呈不整合接觸外，與周邊地質體多以構造接觸。為一套經歷了中～低級變質作用的碎屑巖—泥質巖—火山沉積建造。根據沉積建造、火山活動、接觸關系、構造運動、變質作用等特征，維持近年來成果，將絳縣群劃分為兩個亞群，下部為橫嶺關亞群，上部為銅礦峪亞群，二者為不整合接觸關系。銅凹組位于橫嶺關亞群。

銅凹組出露于范家溝—橫嶺關—上陰一帶。呈北東向展布，北部出露較寬，南部較窄，其間線狀褶皺發育。總厚度大于1 115 m。原巖為一套泥質、半泥質沉積建造。據其巖石特征，可劃分為四個巖性段，自下而上為：一段(Pt1t1)：巖性為深灰色含十字石榴絹云片巖，含碳絹云片巖，局部地段出現藍晶石片巖。二段(Pt1t2)：主要由灰色絹英片巖和灰黃色、灰色二云片巖組成，夾少量絹英巖。三段(Pt1t3)：為十字石榴絹云片巖、絹云片巖。四段(Pt1t4)：為黃色絹(白)云母石英片巖，下部夾黃白色細粒絹(白)云石英巖一層。

3 礦物共生組合

由于地層出露的限制，本次工作只采到銅凹組一段～三段巖石，以下主要介紹絳縣群銅凹組一段～三段變質礦物組合。

3.1 銅凹組一段

銅凹組一段具有代表性的巖石為十字石榴二云片巖、石榴二云片巖，其特征變質礦物為十字石、石榴石、絹云母，過剩礦物為黑云母、石英、白云母。

1)石榴二云片巖，巖石呈斑狀粒狀鱗片變晶結構，石榴石為變斑晶，其核部不含礦物包裹體，幔部邊部含有石英礦物包裹體，且礦物包裹體形跡與基質片理一致；基質為黑云母、白云母、石英組成的片理，發生輕微褶皺(見圖2)。若石榴石斑晶整體形成于變形(形成片理)前，則其或整體呈交代殘余狀，或整體含包裹體且形跡與基質片理一致；若石榴石整體形成于變形后，則其整體應均不含包裹體，較為干凈；若石榴石整體形成于變形期，則其整體應均含包裹體。由此可見，石榴石核部與幔部邊部只能為兩期形成。核部為變形之前形成，是第一期變質礦物；幔部及邊部包含同基質相同的礦物包裹體，且包裹體形跡與片理一致，是第二期變質礦物；基質云母、石英為第三期變質礦物。

2)十字石榴二云片巖，巖石呈斑狀粒狀鱗片變晶結構，變斑晶十字石、石榴石互相穿插生長(見圖3)，推斷它們幾乎同時形成，可能的變質反應為：Cld+Q=St+Grt+H2O。根據石榴石—黑云母礦物溫度計計算結果(后文介紹)，將十字石歸入與第二世代石榴石同期生成的變質礦物。

3.2 銅凹組二段

銅凹組二段具有代表性的巖石為灰色絹英片巖和灰黃色、灰色二云片巖，夾少量絹英巖。除了黑云母、白云母、石英外，在鏡下看到許多順片理生長的鈦鐵礦和鉀長石，由此得出兩期變質礦物：第一期黑云母+白云母，第二期為鉀長石、鈦鐵礦，石英和絹云母為過剩礦物。

3.3 銅凹組三段

銅凹組三段具有代表性的巖石為十字石榴二云片巖、石榴二云片巖，特征變質礦物為十字石、石榴石、黑云母、綠泥石。樣品中的石榴石均穿插黑云母生長，二者具有成因關系，局部達到平衡共生。樣品中的綠泥石存在兩種產狀(見圖4)：一種位于黑云母邊部，呈板狀或放射狀，是黑云母退變質而來；另一種獨立存在，為變斑晶，由于產出數量少且為局部產出，推斷為進變質產生的變質礦物。巖石組合中存在兩期變質礦物：第一期綠泥石，第二期十字石+石榴石+黑云母，絹云母和石英為過剩礦物，此外還有一期退變質產生的綠泥石。

3.4 變質溫度估算

經過巖石學相平衡實驗標定，適用于泥質變質巖的石榴石—黑云母(GB)地質溫度計準確度較高(吳春明，2007)，利用GB溫度計估算出的變質作用峰期溫度如下：

1)銅凹組一段：第一期進變質，反應溫度為434 ℃～456 ℃(Model A)，443 ℃～460 ℃(Model B)，第二期進變質，反應變質溫度為466 ℃～516 ℃(Model A)，468 ℃～505 ℃(Model B)。

2)銅凹組三段：第二期進變質，反應溫度約為547 ℃。

4 討論

1)按照特征變質礦物的首次出現來劃分變質帶，緊鄰涑水雜巖出現的是十字石帶，向東邊為黑云母帶、十字石帶，呈現一種比較復雜的變質帶分帶格局。銅凹組一段與三段均為十字石帶，二段屬于黑云母帶，它們的變質帶發生了突變。

本次通過礦物化學分析發現，銅凹組二段巖石的黑云母含量少于12%，且黑云母中的TiO2含量(w%)遠高于其他組(2.22～2.27；Pt1b為0.07～0.032，Pt1cj為1.15～1.63；Pt1t3為1.32～1.86)，XMg較低(0.73～0.77；Pt1b為0.8～1.1；Pt1cj為0.99～1.08；Pt1t3為1.1～1.18)。合理的推測，由于巖石受黑云母的含量及其礦物化學成分所限，在變質作用過程中黑云母沒有生成石榴石，而生成鈦鐵礦，且黑云母中剩余的K元素組成了鉀長石。也就是說，變質巖石的礦物成分受原巖成分的控制。可能的變質反應為：

Bt+Q(+Ms)=Kfs+Ilm+H2O

利用其中的斜長石包裹體，二長石溫度計計算出變質溫度達到586 ℃，與銅凹組一、三段的變質溫度相差無幾，達到了低角閃巖相的變質溫度條件，從側面證明了猜測的正確性。

2)絳縣群與中條群是上下關系還是側向關系。

以往二者的關系被認為是角度不整合或不整合基礎上疊加有韌性斷層接觸關系。近年來有的學者從沉積盆地的角度認為二者可能為側向相變關系，提出平頭嶺石英巖與界牌梁石英巖可能為同一層石英巖，二者現今的空間關系為晚期構造疊置的結果。界牌梁石英巖底部礫巖中保留有大量涑水雜巖礫石，支持絳縣群與中條群是側向關系的認識。

本次根據礦物生長關系，銅凹組變質泥質巖的變質作用可以劃分為兩個進變質期和一個退變質期。第一進變質期發生在D1變形期間，早期標志性礦物為小片綠泥石+石英+絹云母，而后出現黑云母，變質溫度增高出現石榴石，最后出現十字石。礦物組合：銅凹組一段為GrtⅠ+Ms+Bt+Q，銅凹組二段為Ms+Bt+Q，銅凹組三段為St+Bt+Ms+Q。第二期變質期大致與D2變形時期相當，早期出現沿S2片理生長的絹云母、黑云母，在進變質過程中依次出現石榴石、十字石。礦物組合：銅凹組一段為GrtⅡ+St+Ms+Bt+Q，銅凹組二段為Kfs+Ilm+Ms+Q，銅凹組三段為Chl+Ms+Q。退變質作用發育比較普遍，表現在石榴石、十字石退變為絹云母+石英組合，黑云母退變為綠泥石。據前人資料，中條群篦子溝組變質泥質巖的變質作用同樣可以劃分為兩個進變質期和一個退變質期，且變質礦物組合與絳縣群銅凹組相當，由此可以推斷二者經歷了相同的變質作用。兩期進變質為中條晚期的變質作用所致，退變質為擔山石期變質作用疊加的結果(中條早期為古元古代涑水雜巖及冷口巖組的變質時期，另文敘述)。從而，從變質作用的角度證明了絳縣群與中條群為側向關系，而非上下關系。

5 結語

1)銅凹組一段有兩期變質礦物，變質級別最高達到角閃巖相十字石帶，變質礦物組合：第一期，GrtⅠ；第二期，GrtⅡ+St，第三期：Ser+Q，Bt+Ms+Q為過剩礦物。第一期變質溫度為434 ℃～456 ℃，443 ℃～460 ℃，第二期變質溫度為466 ℃～516 ℃，468 ℃～505 ℃。

2)銅凹組二段有兩期變質礦物組合：第一期，Ms+Bt；第二期，Kfs+Ilm，Q+Ms為過剩礦物。可能由于原巖化學成分的控制，導致沒有生成石榴石等特征變質礦物。利用two-feldspar thermometer計算出第二期變質溫度為586 ℃，達到石榴石帶變質級，推測的變質反應為：Bt+Q(+Ms)=Kfs+Pl+Ilm+H2O。

3)銅凹組三段有兩期進變質礦物組合：第一期，Chl；第二期，Grt+Bt，Ms+Q為過剩礦物。一期退變質礦物組合：Chl。第二期的變質溫度約為547 ℃。

4)通過礦物共生組合分析發現，絳縣群銅凹組泥質巖與中條群泥質巖都具有兩期進變質礦物組合和一期退變質礦物組合，說明它們經歷了相同的變質作用，從變質作用角度證明絳縣群和中條群為側向相變關系，而非上下關系。