珍珠岩矿床地质背景研究进展

严育通，贾宝剑，周红升,史兴俊,赵国永,闫军辉

(1.信阳师范学院 豫南岩矿宝玉石鉴定及加工中心，河南 信阳 464000；2.浙江省地质矿产研究所，浙江 杭州 310000)

0 引言

珍珠岩作为一种重要的非金属矿产资源，由于其具有热膨胀性能优良、化学性质稳定、膨胀后容重轻及导热系数低、无毒、无味、隔音等特点，目前已广泛应用于建筑材料[1]、保温材料[2]、化工填料[3]、催化[4]等领域.对比而言，我国珍珠岩地质方面的研究则进展缓慢.随着社会的不断发展，人们对珍珠岩矿产资源的需求量不断增大，珍珠岩资源保有储量和需求量之间的矛盾日益突出[5].因此，查明我国及世界上珍珠岩矿床的基础地质背景，对我国珍珠岩成岩-成矿理论和找矿实践的研究具有重要的指导和借鉴作用.

1 珍珠岩的定义及分布

商业上珍珠岩是指通过加热能膨胀10倍以上的玻璃质火山岩；而地质学上定义珍珠岩是由火山喷发的酸性熔岩经急速冷却而成的玻璃质熔岩，具典型珍珠构造[6].酸性玻璃质熔岩根据含水量的多少可分为黑曜岩(<2%wt)、珍珠岩(2%wt～5%wt)和松脂岩(>5 %wt)[7].世界珍珠岩主要赋存于中生代以来的两大火山岩带中：环太平洋带(包括中国、日本、澳大利亚、美国等，其中中国、美国和日本储量大)和欧洲勾形带(包括冰岛、意大利、希腊、匈牙利、土耳其等国，其中希腊产量最大).

2 珍珠岩的地质背景

目前国内外对珍珠岩的研究，主要集中在矿床地质特征、成矿时代、岩石地球化学、大地构造背景、火山喷发模式及岩浆来源、水的赋存形式及来源、水化蚀变、矿床成因方面.

2.1 矿床地质特征

自20世纪50年代起，学者就对美国珍珠岩两大主产区(新墨西哥州和俄勒冈州)的珍珠岩矿床进行了研究，Naert[6]对新墨西哥州No Agua珍珠岩矿床进行了详细的研究，查明了出露面积、赋存特征(产于四座火山穹窿中)，地层层序特征、矿石类型划分、各类型矿石的孔隙度和矿物组成(光学显微镜观察表明斑晶主要是斜长石，为钠-奥长石系列，其次为石英和黑云母).Barker等[8]对No Agua矿黑曜岩的研究表明，西峰、西峰附近的两个小山峰、东峰黑曜石含量分别为2%、50%、20%，并且发现整个No Agua矿区随着原生黑曜岩增多，珍珠岩数量也呈递增的趋势，但未对黑曜岩进行更详细的矿物学研究.Naert[6]对新墨西哥州Brushy珍珠岩矿床也进行了初步研究，珍珠岩矿体上覆第四系冲击物，珍珠岩下伏地层为安山岩和玄武岩.珍珠岩矿石类型以角砾状矿石较多，斑晶数量较多，并以石英和钾长石为主.这些和No Agua矿角砾状矿石较少，斑晶数量少，以斜长石及石英、黑云母为主有一定的差异，推测主要是由矿床规模不同和成矿环境差异造成的.Wilson等[9]对美国另一珍珠岩主产区(俄勒冈州)Tucker珍珠岩矿床进行了研究，结果表明该矿赋存在晚中新世流纹质大岩体的边部冷凝带中.孔隙度从核心至边缘增加，而长石微晶数量变化趋势则相反.该矿珍珠岩的地质剖面和火山喷发地层分带及孔隙度、结晶度变化显示出了明显的规律性：赋矿岩层中部为流纹岩，向上部依次转变为玻璃质流纹岩、具珍珠构造珍珠岩、细粒珍珠岩、气孔状珍珠岩、轻质珍珠岩；向下部依次转变为玻璃质流纹岩、具珍珠构造珍珠岩、细粒气孔珍珠岩、玄武岩和安山岩.结晶程度是从中部向两边依次递减，而孔隙度则是依次递增，这个规律是否在矿物上有所反映，有待验证.通过对珍珠岩中孔隙、玻璃质和结晶相的体积分数归一标准化后做三角图，得出了一个明显的规律：在一定的玻璃质和结晶相比例范围内，随着孔隙体积的增加，珍珠岩从具有典型珍珠构造向细粒致密珍珠岩、泡状珍珠岩、轻质珍珠岩依次转变，表明珍珠构造的形成条件和孔隙度(或挥发性组分)的数量密切相关.

学者们对珍珠岩的另一大主产区—希腊进行了详细研究.Koukouzas等[7]对希腊Milos珍珠岩进行了研究，表明珍珠岩层上覆第四纪沉积物，下伏古老正负变质岩，珍珠岩层从下部往上部依次为蚀变熔岩、流纹岩、角砾珍珠岩和砂岩互层、致密珍珠岩、经典珍珠岩、轻质珍珠岩、火山泥流.该矿珍珠岩矿石分为3种不同类型：轻质珍珠岩(质轻，具有泡沫特性、矿中出现)、硬珍珠岩(矿床边部出现)、经典珍珠岩(致密，和轻质及硬珍珠岩接触，矿中出现).Kaufhold等[10]对Moils矿珍珠岩岩相学进行了研究，表明绝大多数为玻璃质(大于90%wt)，石英(2.6%wt)、长石斑晶(2.6%wt)，还有黑云母(0.6%wt).Hunahashi[11]对日本中央火山岩带的Tsuchihata珍珠岩矿床进行了研究，该带主要是由青磐岩及他们的角砾岩组成.珍珠岩体中部为细粒致密珍珠岩，边部是角砾岩、凝灰岩等，上覆不整合第四纪海相砂岩和泥岩.Yanev等[12]对希腊罗多彼山脉东部早第三纪珍珠岩中微晶的含铁非混纳米相进行了透射电子显微镜及电子衍射特征测试，结果表明该物质和富铁的钠铁闪石类似，根据相图可得出该含铁非混纳米相之所以没有形成磁铁矿是受到高温(850～900 ℃)和低氧逸度条件的制约.Tuffen等[13]对冰岛Blahnukar中央火山喷发物进行了研究，珍珠岩的赋存于熔岩底部和流纹岩边缘部分. 除此之外，学者们对世界其他地区珍珠岩也进行了部分研究[14].Sa’ad 等[15]对亚洲西南部的也门Al-Qyeyarie珍珠岩矿床进行了岩石学研究，珍珠岩矿体从下部往上部岩性依次为玄武岩、火山碎屑岩、流纹岩、珍珠岩、流纹质凝灰岩、英安质珍珠岩、安山质珍珠岩.显微观察斑晶为石英、玉髓、辉石、铁氧化物、蛇纹石、钾长石(歪长石-透长石)、斜长石(钠长石).

我国自20世纪60年代始就对珍珠岩进行了较多研究.赵礼和高凡[16]对我国东北、华北、东南一些省区的珍珠岩进行了野外观察，并在室内对天然玻璃熔岩进行了形貌、折射率、颜色测定，对斑晶、雏晶、微晶、脱玻生成物(球粒和黏土)的形貌特征进行了描述.郑常青等[17]对松辽盆地营城组珍珠岩中斑晶矿物进行了研究，结果表明斑晶矿物主要有斜长石、黑云母、角闪石，还有镁铁质的单斜辉石和谢方辉石，认为单斜辉石、斜方辉石可能是岩浆与地壳深部围岩发生混染作用时的捕掳晶或岩屑.单玄龙等[18]对松辽盆地营城组珍珠岩相学进行了研究，结果表明珍珠岩具有斑状结构，基质为玻璃质结构、珍珠构造.斑晶主要为石英和长石，斑晶含量约10%～25%.邓峰等[19]对信阳上天梯一带珍珠岩矿床的研究指出，珍珠岩主要是由酸性火山玻璃组成，含少量石英、斜长石，斑晶含量约10%，副矿物有迪开石、黑云母、云母及微量赤铁矿和磁铁矿等.由此可见，以上关于珍珠岩的矿床地质特征研究主要集中在赋矿地层及层序、矿体冷凝分带、孔隙度测定、岩相学薄片矿物一般鉴定方面.

2.2 成矿时代

学者对世界珍珠岩矿床进行了地层及同位素定年工作，如日本Tsuchihata珍珠岩成矿时代为早中新世[11]；美国Tucker珍珠岩的黑曜石K-Ar成矿时代为晚中新世至早上新世[20]；美国No Agua矿的40Ar/39Ar成矿时代为晚中新世至更新世[21]；冰岛Blahnukar珍珠岩成矿时代为115～11 ka(晚更新世)[13]；亚洲西南部也门Al-Qyeyarie珍珠岩矿床研究认为该矿成矿时代为第三纪[15]；我国珍珠岩矿床成矿时代为上侏罗世至下白垩世[16,18,22].由上可看出，世界珍珠岩的成矿时代各不相同，主要分布在中生代和新生代.

2.3 岩石地球化学及大地构造背景

学者对世界珍珠岩矿床，如美国No Agua[6,21]和Tucker[23]、希腊[7]、也门[15]、我国东北[18,22]，进行了全岩主量、微量、稀土、稳定同位素成分分析，结果表明主量成分(如SiO2、H2O、Na2O、MgO等)均在一定范围内变化，显示了酸性熔岩的特点.微量元素则特点不一致，如美国No Agua矿西部富Ba、Sr，而亏Rb，东部则相反；希腊不同矿之间碱金属、Ba差别较大；我国圌山矿则富Cs并达到矿化浓度.稀土元素分析结果也是矿床之间及矿区内部差异较大.环太平洋带珍珠岩岩石主量、微量、稀土元素及稳定同位素研究表明，该带珍珠岩是在太平洋和大陆俯冲后的构造伸展背景下的岛弧型构造环境形成的[18,21].

2.4 火山喷发模式及岩浆来源

基于矿内不同矿区之间岩石地球化学(微量和稳定同位素)数据的不同， Naert[6]提出了No Agua矿火山喷发的四穹窿模型，随后又提出了两穹窿模型，这两个模型都认为东、西部岩石化学特征的不同是由于来自不同地球化学指标的岩浆房所致.随后Chamberlin等[21]则提出该矿来自单一岩浆房，提出了四阶段喷发观点，从早到晚依次是：①富Rb火山碎屑岩；②高Rb、富Si熔岩，形成西峰；③高Rb、富Si火山熔岩形成西峰旁边的小山峰；④最后喷发了3次低Rb、富Si的熔岩，通过中央通道形成了北峰、南峰、东峰.Mckee等[23]认为美国俄勒冈州Tucker珍珠岩矿床的流纹岩来源于玄武质岩浆房，证据是：①本区流纹岩和玄武岩具有相似的Sr同位素值；②空间上玄武岩和流纹岩联系非常紧密.Fytikas等[24]对希腊Milos珍珠岩矿床上新世到晚第四纪珍珠岩样品的研究认为该珍珠岩和钙碱性流纹岩的成分类似，是最新一次火山活动形成的，和年龄老的火山活动相比具有更浅的岩浆房.

2.5 水的赋存形式、来源及水化蚀变

自20世纪50年代起，学者就对珍珠岩中的水的赋存形式、来源和水化蚀变进行了大量研究，由于珍珠岩热膨胀性能和水有关，因此一直是研究的热点.珍珠岩中水的研究主要涉及以下3个方面：①水的赋存形式，如通过对珍珠岩DSC-TGA-MS和IR分析后认为矿体中挥发性组分从高到低顺序为穹窿边缘、脉岩、角砾岩、碎屑岩至火山穹窿矿体、流纹岩至黑曜石，挥发性组分成分经质谱测试以H2O为主，卤素Cl、F等次之，并且随着水化程度的增加，除水之外的其他挥发性组分含量越少.大量研究表明，区别珍珠岩中水类型的困难之处在于：火山玻璃质中的原始水的数量和成分都在变化，是一种氢氧根和分子水的比例可变的混合体，水在珍珠岩中的存在形式是OH根(羟基)还是水分子，取决于水的含量及水化时的温度.Kaufhold等[10]通过CT(计算机断层摄影)、FIB(离子束扫描电镜)、IRM(红外显微镜)技术对希腊Milos岛珍珠岩的多孔性和水的分布的研究结果表明，珍珠岩中水的存在形式有3种(分子水、氢氧根水、结合水)；珍珠岩中孔的存在形式有2种(直径为20～100 μm的孔和1 μm左右的孔)，20～100 μm孔中充填的是空气，而1 μm左右的孔由水充填.②水的来源，如Naert[6]通过对该矿的研究认为珍珠岩中水的来源可能是由流纹质岩浆在冷却过程中溶离出的岩浆水，证据有：(1)玻璃质流纹岩和珍珠岩中的水都分布在泡状单元中；(2)水化程度的强弱和距离表面或裂隙带的远近无关；(3)晚期水化形成的珍珠岩缺乏珍珠构造.Friedman等[25]对美国新墨西哥州No Agua矿中11个联系紧密的黑曜岩和珍珠岩样品进行了水的提取，测试了氘浓度，最后和大气水中氘对比，结果表明黑曜岩中的水与大气水无关，而珍珠岩中的水与大气水相关，说明珍珠岩中的水是大气水.③水化蚀变，如Noh等[26]对韩国的珍珠岩水化蚀变研究发现，珍珠岩进一步的水化是沿着珍珠裂隙玻璃质的溶解及蒙脱石的形成过程，最终会导致残余玻璃珠的溶解.水向玻璃质中扩散导致了裂隙，而裂隙进一步促进了水的扩散，在靠近裂隙处，玻璃质溶解，形成了蒙脱石晶体.Varga等[27]对斯洛伐克的Jastraba和Lehotka两个矿床的珍珠岩进行了X射线衍射、IR红外光谱、光学纤维镜特征研究，并发现两个矿床的珍珠岩在多孔性方面存在显著区别.

2.6 矿床成因

珍珠岩的成因一直是地质学研究的焦点，珍珠岩成因研究可为喷发环境、岩浆—水相互作用理论提供线索[15].目前关于珍珠岩的成因主要有以几类观点：①珍珠岩是由黑曜岩的水化形成，如Chesterman[28]认为珍珠岩是来自黑曜岩的水化，证据为：(1)珍珠岩中含水量略高于黑曜岩；(2)珍珠岩和黑曜岩界面渐变关系；(3)珍珠岩集中分布在延伸至黑曜岩的裂隙中.Chamberlin等[22]认为美国No Agua珍珠岩是由大气水低温扩散到附近的无水黑曜岩，并使之发生水化过程形成的，证据是：对珍珠岩样品中提取的水的H-O同位素测试结果，表明水是大气水成因.认为珍珠岩形成过程是一种化学风化过程，珍珠岩是大气水通过珍珠岩中初始高裂隙和微气孔均一扩散水化的结果.②珍珠岩是由流纹岩水化形成，如Engineer[29]对苏联Nachikinsk珍珠岩矿床的研究表明珍珠岩是由流纹岩水化形成，水来自矿体下部的凝灰岩层，是经过岩浆加热提取而来.③珍珠岩是在空气中或水下急速冷却形成，如Koukouzas等[7]对希腊Milos珍珠岩的研究认为是由中酸性火山熔浆在水下急速冷却形成.单玄龙等[18]对我国松辽盆地营城组珍珠岩的研究认为是由岩浆在早白垩世陆相断陷盆地中水下喷发经急速冷却形成.金永新等[22]对我国东北地区的珍珠岩矿床研究认为矿床的形成过程中，酸性熔岩急速冷却只是必要条件，而强调岩浆经历了一个“放气过程”可能起到了更重要的作用.信阳上天梯珍珠岩的研究认为属于火山岩型内生岩浆矿床，是由水下喷发急速冷却形成或者是喷出地表时其内部含有大量的气液成分无法溢出，在空气中经急速冷却形成[19].可见，目前对于珍珠岩的成因尚未达成一致意见：欧美倾向于珍珠岩是由黑曜岩的水化形成，而具体的水化过程及水的来源则分歧较大，且矿物学方面证据较少；苏联倾向于是由流纹岩水化形成，水是来源于富水的凝灰岩.国内则普遍认为是在盆地水或空气中经急速冷却形成或经过显著“放气过程”，所提供的矿物学证据也甚少.

3 珍珠岩矿床地质背景的异同

由以上珍珠岩的研究现状可知，世界各珍珠岩矿床的地质特征差异显著，成矿带、成矿时代、赋矿地层序列、斑晶类型等均存在较大差异，本文整理了世界典型珍珠岩矿床的简要地质特征(见表1)，以上差异可能与珍珠岩矿床在各自不同的地质背景下的成矿环境和过程密切相关.

表1 世界典型珍珠岩矿床地质特征Tab. 1 Ore geological characteristics of world typical perlite deposits

4 存在问题与建议

目前虽然珍珠岩的研究已取得许多成果，但珍珠岩成因方面的很多具体问题尚未进行合理的解释，如珍珠构造是在什么条件下形成的？珍珠岩和流纹岩及黑曜岩密切共生，为什么没有形成流纹岩、黑曜岩而形成了珍珠岩？珍珠岩矿体为什么会有规律的垂向和水平岩性及冷凝分带规律，控制分带的关键因素是什么？珍珠岩是在什么成矿物化条件下形成？具体的温度、含水量、压力、酸碱度、氧逸度等物理化学条件如何？形成具体过程是什么？以上问题的解决需要对珍珠岩地质方面进行更微观、定量化的研究.本文提议将来应在矿床地质特征、火山喷发模式、水的赋存形式及来源、岩相学、成因矿物学、矿床形成具体过程和环境条件等方面进行更进一步的研究，为珍珠岩的成岩-成矿理论和找矿实践提供理论支持.