鲁西白彦组砾岩中重矿物组合特征及其物源指示意义

廉波，刘成儒，周军，褚志远，胡戈

(1.山东省第七地质矿产勘查院,山东 临沂 276006;2.济南铁信人力资源管理咨询有限公司，山东 济南 250131；3.山东省地质科学研究院,国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室,山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,山东 济南 250013)

鲁中南地区地层由老到新含有7个含金刚石层位：寒武纪李官庄组砾岩、石炭纪本溪组砾岩、侏罗纪三台组砾岩、古近纪固城组砾岩、新近纪白彦组砾岩及第四纪小埠岭组砾岩、于泉组砂矿层。新近纪白彦组砾岩是发育于早古生代碳酸盐岩微地貌中的一种岩溶燧石质砾岩。1976年，山东省第七地质队在砂矿普查中将其创名为“白彦砾岩”，目前已发现白彦砾岩近300处，其中大部分含金刚石，是鲁西重要的次生金刚石储积层之一。其所含金刚石特征明显有别于已知的蒙阴金刚石原生矿的矿物标型特征，和山东蒙阴金伯利岩原生矿中的金刚石晶体相对比，白彦地区金刚石晶体中带绿色斑点的金刚石较多，阶梯状八面体,晶体较少，曲面菱形十二面体较多[1-9]，指示另有金刚石原生矿的存在。同时又由于其产出状态特殊、成因机制复杂，自1988年至今，广泛开展金刚石找矿和相关的研究，包括金刚石原生矿和中间储集层物质来源的研究，取得了较大的进展，但白彦组砾岩时代和物源问题一直存在争议[1-4，8]。该文采用重矿物分布特征和组合关系，结合鲁西南地区构造特征进行物源指示意义的研究，对砾岩点的重矿物进行重点分析，并在此基础上，对于其物源指示意义进一步探讨。

1 区域地质背景

白彦砾岩主要分布于沂沭断裂带西侧，NW向延伸的蒙山断裂以南，区域构造位置位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)内，由一系列中新生代形成的、凸凹相间排布的断块山及山间盆地组成。地层自下而上可划分为三大层：前寒武纪结晶基底、古生代陆表海及海陆交互相沉积层和中新生代山间盆地河湖相沉积层。

褶皱构造主要发育在基底岩系，表现为一系列的紧密线状倒转复式背斜和向斜，褶皱轴面走向NW。盖层断裂较基底断裂更为发育，走向主要为NW，NNE，NEE。显生宙岩浆岩主要为中奥陶世蒙阴地区的含金刚石金伯利岩和中生代燕山晚期的闪长岩、花岗岩(图1)。

1—第四系；2—古近系；3—侏罗—白垩系；4—石炭—二叠系；5—寒武—奥陶系；6—泰山岩群；7—金伯利岩；8—地质界线；9—断裂；10—隐伏断裂；11—白彦组出露点及编号图1 鲁西白彦地区地质图

2 白彦砾岩赋存的围岩及地貌特征

砾岩遍布于白彦地区，分别属于泗水县、平邑县、费县和滕州市等地。主要分布在剥蚀低山、丘陵斜坡地带和山麓地带寒武—奥陶纪碳酸盐岩中的岩溶地貌的溶蚀沟、溶蚀槽及洞穴等负地形，以燧石角砾为主。

空间上呈“面状散布”，同时受地形及物源的控制，呈现一定的规律性，在微地貌上呈“环边状”，绝大多数砾岩分布在该区低山丘陵地形的边缘地带。区域上呈“条带状”，可划分为2个条带：北带(费县-泗水)、南带(枣庄-滕州)。各处砾岩的分布，严格受下古生代灰岩出露范围的限制，该地区周围盆地中、新生代沉积岩出露的地方均未发现较典型的含金刚石砾岩。表明砾岩的生成、保存与构造隆起条件下剥蚀深度存在内在联系。

砾岩形态多种多样，规模大小不一，延伸长度从几米到几十米，个别达百余米；宽度一般1～5m，最宽达10余米，出露面积从几平方米到几百平方米。在同一砾岩分布带上，平行凸起的长轴方向，相邻砾岩点出露的高程相近，垂直方向随地势的降低砾岩点高程也逐渐降低。

3 白彦组砾岩的沉积特征

砾岩的砾石分选性较好，粗细成分相间形成清楚的斜层理，倾向、倾角比较稳定，倾向一般与砾岩体的延伸方向或砾岩体两侧地表坡面倾斜方向接近，沉积物粗细相间成层，多出现在溶沟、溶洞比较规则平整的部位。倾角自上而下逐渐变陡，常出现在溶沟、溶槽中局部呈壶穴形展布的部位。倾向、倾角与围岩灰岩壁面一致，并随其变化而变化，斜层理倾角可达40°～50°以上，往往出现于两侧地形倾斜平缓的溶沟中。

砾岩的碎屑成分基本相似，砾岩主要呈灰白色、棕黄色，由碎屑和胶结物组成，砾石外形多呈圆粒状、扁平状、扁圆状、长圆状、卵状等。砾岩体的形态较为复杂，平面上呈现长条状为主，其余为不规则的三角状和发散分支状。剖面上呈倒锥状、楔状、透镜状或不规则四边形状。多数砾岩中砂砾物质的排列，在多数情况下杂乱无章，砾石无明显的排列方向，无明显的层理构造。碎屑成分以燧石为主，其次为铁质结核、灰岩碎屑、赤铁矿、石英等，部分砾岩中还见有石英岩、石英砂岩、白云岩、页岩及岩浆岩岩屑等。

(1)燧石含量一般在50%～80%，多为褐黄色、棕黄色，其次为灰白色、黑色棕黄色等，砾石磨圆度高，表面极光洁，表层颜色深，内部颜色浅，表面常见麻点和凹坑，部分破裂的砾石裂隙中见有钙质充填。绝大多数砾石的磨圆度以圆、次圆为主，燧石砾石的平均球度系数变化范围一般在0.6～0.8之间。一般砾径愈小，磨圆度愈好。燧石砾石结构多为隐晶质结构，晶粒细而不均等。

(2)铁质结核：主要由褐铁矿、赤铁矿和铁质粉砂岩组成。铁黑色、黑红色，表面光亮，砾径一般在0.3～0.5cm之间，大多呈不规则块状、圆粒状。磨圆度较燧石成分者差，以次圆状、次棱角状为主。

(3)胶结物：砾岩的胶结物有3种，一是钙质，二是铁质，三为黏土质。钙质胶结物由泥晶方解石、亮晶方解石和少量文石组成。砾岩中的胶结物以钙质为主，由钙质和铁质胶结的岩石固结程度高，坚硬，属固结型;而由黏土质或钙、黏土质胶结的岩石固结差，松散或比较松散，属未固结或弱固结型。砾岩的胶结物含量一般在20%左右。

4 重矿物特征

通过重矿物的稳定性以及区域分布特征，稳定重矿物和不稳定的相对含量以及其他指数特征，可以辨别碎屑沉积物的搬运方向和搬运距离[9-15]；按照重矿物的物理化学性质可以分为自生矿物、不稳定矿物、中等稳定矿物、稳定矿物和极稳定矿物4个级别，这种分类方法使得问题简化和对比效果直观[10，12]。该次研究主要是针对砾岩人工重砂样品进行分析，进一步推测研究碎屑沉积物的搬运方向和搬运距离。金刚石作为白彦组砾岩出露点最重要的一种重矿物，单独分析。

4.1 重矿物分区分布特征

砾岩中的重矿物成分较为复杂，分析结果显示：砾岩中的重矿物除金刚石外，主要为黄铁矿、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、锆石、金红石、绿帘石、磷灰石、电气石；其他含量较少的还有透辉石、铬铁矿、碳硅石、白钛矿、独居石、石榴石、软锰矿、锐钛矿、黄铁矿、绿泥石、海绿石、角闪石等。其中主要重矿物分布特点也比较突出，其中赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿分布比较普遍，含量最高，黄铁矿仅仅在个别砾岩点发现，个别砾岩点中褐铁矿高峰值甚至可以在72%～90%以上，其他透明重矿物锆石、磷灰石分布范围较大，角闪石、金红石、绿帘石尤其是重矿物分布比较局限(表1)。

表1 在白彦组砾岩中重矿物含量(%)

图2 重矿物含量分布图

比较重矿物相对含量分布，可以看出黄铁矿、角闪石、绿帘石、磷灰石含量较少，分布范围也较小，局部砾岩点甚至为零；而金红石、锆石含量较少，但是分布范围相对较广；赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿分布范围最大，几乎所有的砾岩点都有，并且在重矿物中含量最多(图2)。其中角闪石、绿帘石、磷灰石、金红石、锆石矿物结构成熟度较高，多为花岗岩类及一些变质岩类矿物成分， 结合重矿物组合及特征，推测来源于相对距离较远的岩浆岩和变质岩类型。磁铁矿、褐铁矿颗粒较大，磨圆度较好，含量较丰富，和周边寒武-奥陶纪灰岩围岩中燧石条带、褐铁矿条带成分相似，推测应该来自近距离的古生代灰岩，经过流体的多次冲洗磨圆最终形成。

4.2 重矿物组合ZTR指数

重矿物指数分析是分析物源区的重要方法和手段。由极稳定矿物锆石、金红石和电气石组成的透明矿物组合的百分含量，称为ZTR指数，指数由小到大的方向指示物源方向。因此，根据重矿物的ZTR指数可大致确定其搬运方向及搬运距离，从而判断物源方向[7-8],而物源对沉积体系的形成具有重要的控制作用，代表重矿物的成熟度。ZTR指数越大，矿物的成熟度越高。而矿物的成熟度受古气候、古构造、搬运距离、成岩作用等多种因素的制约，对其系统研究，有时可以指示搬运距离和物源方向，有时则反映不同时期的古构造和古气候的变化[8,12-13]。研究区重矿物缺少电气石，该文在分析中采用锆石、金红石二者的含量。根据重矿物组合ZTR指数特征，总体可以分为以下4个重矿物异常区(图3)。

1—等值线及数值；2—重矿物分区及编号；3—推测供源方向图3 白彦组砾岩中ZTR指数等值线分布图

Ⅰ区：泗水县—平邑县一带1～12号砾岩点为不稳定矿物—稳定矿物组合，不稳定矿物角闪石明显增多，并且从2号砾岩点开始角闪石含量有逐渐减少的趋势。极稳定矿物金红石和锆石含量相对减少，稳定和中等稳定矿物含量起伏较大，总体含量较多。此矿物组合反映物质搬运时间较短，水动力条件相对较弱。

Ⅱ区：费县—平邑县一带13～19号砾岩点为稳定矿物—极稳定矿物组合，不稳定矿物角闪石明显减少，除绿帘石外，稳定和中等稳定矿物含量虽然起伏较大，总体含量较多。极稳定矿物金红石和锆石含量相对明显增加。此矿物组合反映物质搬运时间较长，水动力条件相对较强。

Ⅲ区：滕州市NW向29～31号砾岩点为不稳定矿物—稳定矿物组合，不稳定矿物角闪石明显较多，稳定和中等稳定矿物含量总体含量偏小。极稳定矿物金红石和锆石含量明显降低。此矿物组合反映物质搬运时间较短，水动力条件相对较弱。

Ⅳ区：滕州市—枣庄市一带NW向20～28号砾岩点为稳定矿物组合，不稳定矿物角闪石和极稳定矿物金红石和锆石含量都相对明显降低。稳定和中等稳定矿物含量总体含量增多。此矿物组合反映物质搬运时间较长，水动力条件相对较弱。

从ZTR指数看，一般在0.2～0.8之间，最低为0.00，局部达到1.0～2.0；最高值在费县南西为15.95。从等值线的疏密程度和总体分布看，其物源指示方向应为蒙阴县和滕州市中间的高地。整体上看，自北西到南东，重矿物分区(Ⅰ，Ⅲ区)由不稳定—稳定矿物组合区，变为稳定矿物组合(Ⅳ区)和极稳定矿物组合区(Ⅱ区)，指示白彦组砾岩的物源从距离远近判断应来自北西方向。

5 金刚石分布特征

金刚石是该区白彦组砾岩出露点中最重要的一种重矿物，砾岩中含金刚石基本上具有普遍性，含金刚石岩溶砾岩分布为泗水县、费县、藤县和枣庄市一带的古生代灰岩分布区，各处砾岩点含量变化大，含量最高可达64.61mg/m3，低者只有0.164mg/m3，甚至部分砾岩点未选获金刚石(表1) ，总体金刚石重矿物分布较为广泛，在26个砾岩点中，有20个砾岩点发现有金刚石矿物。总体呈中间花状散开分布。北带金刚石品位自中段向两端逐渐降低；南带则呈自中心向四周环形扩散。在同一砾岩带上往往其中部金刚石品位高，向两端逐渐降低，同时金刚石的分布具有不连续性，部分砾岩点不含金刚石(图4)。其等值线分布形态和重矿物组合ZTR指数分布基本一致。

1—等值线及数值(mg/m3)；2—主要砾岩取样点及金刚石品位(mg/m3)；3—推测供源方向图4 白彦地区砾岩中金刚石品位等值线分布图

从金刚石重矿物的数据分析，金刚石品位最高位于平邑县北西，达到64.61mg/m3，其中滕州市南东也分布有金刚石的一个高品位区域，由于该区中央的大片结晶基底剥蚀区的出露，只能局部分区进行金刚石品位的等值线圈定，金刚石是该区最稳定的重砂矿物，其成熟度和稳定系数说明品位越高，沉积区距离物源越远。从等值线的疏密程度和总体分布看，供源方向应如图4所示，总体物源应为来自泗水县南—白彦镇一带。

6 结论和讨论

(1)白彦砾岩主要分布在剥蚀低山、丘陵斜坡地带和山麓地带寒武—奥陶纪碳酸盐岩中的岩溶地貌的溶蚀沟、溶蚀槽及洞穴等负地形，以燧石角砾为主。砾岩体的形态复杂多样，仅部分砾岩点砾石分选性较好，粗细成分相间形成清楚的斜层理。砾岩碎屑成分以燧石为主，其次为铁质结核、灰岩碎屑、赤铁矿、石英等。

(2)砾岩中的重矿物成分比较复杂，砾岩中的重矿物普遍含有金刚石外，主要为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、黄铁矿、锆石、金红石、绿帘石、磷灰石、电气石等。重矿物ZTR指数一般在0.2～0.8之间，最低为0.00，局部达到1.0～2.0；最高值在费县南西为15.95。金刚石含量最高可达64.61mg/m3，低者只有0.1mg/m3，北带金刚石品位自中段向两端逐渐降低，南带则呈自中心向四周环形扩散。

(3)砾岩的胶结物多为钙质成分，反映出砾岩生成时围岩多为碳酸盐岩地区，钙质含量较多，燧石的磨圆度普遍较好，显示出砾石经过了流水长期侵蚀磨圆的特征。白彦组不同砾岩点的重矿物含量和组合的不同，反映了其物质来源、沉积环境以及古构造条件的变化。一般重矿物随着搬运距离的增大，不稳定重矿物逐渐减少，而稳定重矿物如金刚石等相对含量逐渐升高，重矿物的成熟度越来越高，沉积区距离物源越远，表现为不稳定重矿物的减少和稳定重矿物的相对增大，暗示供源的距离最远，砾岩点重矿物相对含量较多如平邑和泗水一带的5～15号砾岩点，则说明搬运距离较远，和河流相有关，相对含量较少，重矿物种类单一，如滕州东部的20～25号砾岩点，则可能是近距离山间滨湖相的反复冲洗磨圆有关。从重矿物相对含量和重矿物组合ZTR指数来判断物源的大致方向，总体物源供应来源应在泗水县和白彦镇一带。

(4)根据碎屑组分特征与重矿物组合特征，结合区域构造、沉积古地貌及盆地演化，泗水县和白彦镇一带的高地，在新近纪开始隆升风化，其中的古生代碳酸盐岩、金伯利岩和其他岩浆岩脉遭受剥蚀，在古生代沉积石灰岩盖层高地中间低洼的溶洞中，河流和山间湖泊携带金刚石、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、锆石等主要的重矿物的围岩碎屑，伴随以石英、灰岩碎石为主的砾岩、砂砾岩，不断沉积，最终形成岩溶成因的白彦组地层。