安徽歙县龙潭砚石板岩矿物谱学特征研究

王传田,任明军,秦 伟,杨晓勇, 蔡逸涛

(1. 宣城市产品质量监督检验所,安徽 宣城 242000;2.安徽省地质矿产勘查局332地质队,安徽 黄山 245000; 3.中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026;4.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

歙县位于安徽省南部,盛产优势特色砚石资源——歙砚石[1-3]。歙县砚石资源开发历史悠久,歙砚、端砚、桃砚和澄泥砚是中国四大名砚,深受历代文人墨客青睐[2,4]。歙砚加工中,矿物微观结构对歙砚的品质具有较大影响,直接影响歙砚使用时出墨的流畅度和墨的品质。目前,前人主要针对歙砚的文化价值和艺术水平进行研究,对其岩石学、矿物学特别是谱学的研究较少,这在一定程度上制约了歙砚工艺制作的发展。本文以龙潭矿砚石板岩为例,开展了系统的矿物学鉴定和谱学研究,进一步分析砚石板岩的微观结构,为歙砚板岩的开发及利用提供矿物学依据。

1 区域地质概况

研究区位于扬子板块东南边缘,江南造山带北东倾伏端,属于华南地层大区扬子地层区江南地层小区,主要地层为前南华纪基底地层、南华纪及后南华纪沉积盖层和中生代红层[5]。万载—南昌—景德镇—歙县断裂带以南地区卷入华南广西期造山带,由南向北发育近EW向逆冲构造(450～465 Ma)、NNE向正花状构造(430～449 Ma)、后造山近EW向韧性走滑剪切带(380～429 Ma)[6-8]。印支期造山运动导致该区发育NNE向褶皱-逆冲构造和花岗岩,奠定了江南造山带东段基本的构造格局[9-10]。

区域上,与歙砚资源有关的地层为中元古代基底地层,主要有牛屋组(Pt2n)、大谷运组(Pt2d)和新元古界青白口系镇头组(Qbzh)[11]。镇头组分为上、下两段:下段暗紫色沉凝灰岩与灰黑色凝灰质板岩呈韵律相伴产出,部分为中厚层凝灰质(硅化)硅质岩、条纹状硅质板岩;上段为岩屑砂岩、粉砂岩夹千枚状板岩和浅灰色砂岩、板岩[12]。大谷运组夹多层板岩,岩层板理面平整,是理想的歙砚砚石资源[2,13-14](图1)。

(a).黑色板岩;(b).灰黑色凝灰质板;(c).歙砚雕刻成品中的金晕图1 歙县大谷运组厚层状砚石板岩及歙砚成品照片Fig. 1 Thick layered ink stone slates in the Daguyun Formation, Shexian County and the product of Sheyan ink stone

2 矿床地质特征

2.1 地层特征

大谷运组上段面积为7 km2,从下往上、自南向北分为4个岩性层,分别为千枚状板岩(A层)、黑色板岩(B层)、中厚层砂岩(C层)和粉砂质板岩层(D层),其中D层为龙潭砚石矿的主矿体,位于矿区北部(图2),砚石板岩较发育。矿区处于汪满田大型倒转扇形背斜褶皱的倒转翼,大谷运组倒转,倒转褶皱轴面倾向东,倾角陡。矿区断裂不发育,偶见断裂破碎,规模较小[9,15]。矿区及周边围岩蚀变较弱,未发生强烈的蚀变。主要蚀变类型为绢云母化、绿泥石化、硅化、钠长石化、黄(褐)铁矿化和高岭土化等[10,16]。

1.休宁组;2.镇头组;3.大谷运组上段D层;4.大谷运组上段C层;5.大谷运组上段B层;6.大谷运组上段A层;7. 砚石矿体及编号图2 歙县砚石矿区地质简图Fig. 2 Geological sketch of the ink stone slate district in Shexian County

2.2 矿体特征

矿体由灰黑色板岩和含粉砂板岩组成。矿区内共圈定1个矿体,呈层状产出,平面上呈长条状,矿体长150 m,厚3 m。矿体出露最高标高为540 m,出露最低标高为430 m,矿体相对高差110 m,矿体最大埋深25 m,产状为151°∠87°。矿体顶、底板围岩为粉砂质板岩,产状为153°∠86°[8,10]。

2.3 矿石特征

矿区高品质矿石大多分布在灰黑色、黑色绢云板岩层中,石质较细腻,块度较大。近地表矿石因受物理风化作用影响,砚石块度相对较小,品级较低。矿石及围岩受地层层序控制,岩性为中-薄层灰黑色板岩或含粉砂质板岩与粉砂质板岩或粉砂岩互为韵律层,其中将符合工业指标的灰黑色-黑色板岩与灰黑色含粉砂质板岩圈定为砚石矿体[13]。

3 测试方法

3.1 扫描电镜观察

扫描电镜观察在中国科学技术大学理化实验中心完成,仪器为日本JEOL公司生产的JSM-6700F场发射扫描电镜,分辨率为1 nm(15 kV);2.2 nm(1 kV),放大倍数为(25～6.5)×105,加速电压为0.5～30 kV,探针电流为10-9～10-13A,并配有X射线能谱仪系统,可测元素范围为Be4—U92。

3.2 X-射线粉末衍射分析

X-射线粉末衍射分析在中国科学技术大学理化实验中心完成,实验仪器为密封陶瓷X射线管全自动衍射仪X Pert-PRO,最大管压是60 kV,最大管流为55 mA,最大功率为1.8 kW。

3.3 热重分析

热重分析可以分析矿物脱水情况下的转变。热重分析在中国科学技术大学理化实验中心完成,仪器为Shimadzu DTG-60H、DSC-60。实验温度为室温至1 500 ℃,称重准确度约1.0%,温度准确度约1.0 ℃,量热准确度约1.0%。

4 砚石结构组成及谱学特征

4.1 砚石结构及组成

龙潭地区砚石矿石类型主要为灰黑色粉砂质绢云板岩和黑色含粉砂绢云板岩[11,17],典型矿物组合是绢云母+石英(长石),绿泥石一般≤10%,其他不透明矿物(金属矿物等)含量<5% (图3(a))。

4.1.1 灰黑色粉砂质绢云板岩砚石

灰黑色粉砂质绢云板岩主要由粉砂级-泥质级石英、长石颗粒组成,矿物颗粒细小,粒径均<0.05 mm。主要矿物为石英(图3(b)),含量为20%～40%,呈压扁透镜状,定向排列,表面较光洁;长石含量为40%～45%,含钾长石和钠长石,以钾长石为主,绝大部分已发生绢云母化,单偏光显微镜下呈灰色。泥质(黏土矿物)呈隐晶质-显微鳞片状。绢云母雏晶-显微鳞片变晶定向分布,不透明矿物多呈隐晶质或非晶质,集合体呈长短不一的条状平行板劈理定向分布。

4.1.2 黑色含粉砂绢云板岩砚石

黑色含粉砂绢云板岩主要为石英、长石碎屑,多数为粉砂,部分为细砂,呈次棱角状-次浑圆状,部分粉砂重结晶,长粒状碎屑物平行定向分布,长石碎屑发生微弱的绢云母化。填隙物为绢云母、绿泥石雏晶-显微鳞片变晶定向分布。不透明矿物多呈隐晶质或非晶质,集合体呈长短不一的条状平行板劈理定向分布,不同条带中不透明矿物含量不同。薄片中见少量碳酸盐微脉,脉宽<0.2 mm,走向与板劈理斜交(图3(c))。敲击后,矿石断口呈刀锋状或贝壳状。矿石为变余泥质显微鳞片变晶结构、变余含粉砂质显微鳞片变晶结构,显微千枚状构造(图3(d))。

(a).粉砂质绢云板岩 (ZK401-B2);(b).粉砂质绢云板岩变余粉砂质泥质结构(正交偏光;1.石英粉砂;2.绢云母;(c).含粉砂绢云板岩(ZK701-B1)照片);(d).含粉砂绢云板岩变余砂质泥质结构(正交偏光;1.石英碎屑;2.长石碎屑;3.重结晶小颗粒石英;4.绢云母)图3 砚石矿岩心照片及显微镜下岩矿鉴定特征Fig. 3 Rock cores and rock-mineral identification of ink stone slate

4.2 砚石矿物谱学特征

4.2.1 灰黑色粉砂质绢云板岩砚石

扫描电镜下观察发现,该砚石中细颗粒矿物以绢云母和绿泥石为主,嵌布于其他矿物颗粒之间,呈粒状或片状(图4(a)),含量约10%。金属矿物呈杂乱状分布,含量约5%,颗粒粒径<0.1 mm,多数粒径<0.05 mm。通过高分辨带能谱SEM鉴定,发现微粒金属矿物主要是黄铁矿、黄铜矿和钛铁矿等,在龙潭砚石中还发现了钛铁矿(图4(b))。前人对歙砚“金星”的地质成因进行了分析[11-12],本次通过高分辨扫描电镜微区观察鉴定,认为这些金属矿物是构成歙砚最美大观“金星”的成因(图4(c)),金属矿物的色泽和分布是评价歙县砚石品质的重要依据。

(a).扫描电镜下绢云母及绿泥石影像特征;(b).扫描电镜观察定性分析鉴定结果;(c).歙砚中的“金星”图4 扫描电镜下影像特征及鉴定结果Fig. 4 Images and identification results under SEM

4.2.2 黑色含粉砂绢云板岩砚石

主要矿物为绢云母,粒径极细小,绢云母雏晶-显微鳞片变晶定向分布,集合体呈细小团粒状,含量75%以上;石英、长石粒径<0.05 mm,部分重结晶或边部被绢云母交代,长粒状平行定向分布,长石碎屑微弱绢云母化,多散布于绢云母间,极少量呈镶嵌状,含量约20%;绿泥石显微鳞片状,含量约2%;不透明矿物呈显微粒状、长粒状定向分布,粒径<0.1 mm,含量约3%。

由砚石X-射线粉末衍射鉴定结果(图5)可知,石英、绿泥石、白云母特征峰值最强,表明砚石板岩主要由石英、绿泥石、白云母组成,与前人显微镜下鉴定结果相吻合[18-19]。热重分析结果(图6)显示:500 ℃时,绿泥石的结构水脱除;800 ℃以上,绿泥石、白云母发生分解,证明砚石中绿泥石和白云母同时存在。

图5 砚石X-射线粉末衍射定性分析图谱Fig. 5 Qualitative analysis diagram of ink stone powder by X-ray diffraction

图6 砚石粉末样品热重分析曲线(QJ1-B5-1)Fig. 6 Thermogravimetric curve of ink stone powder sample (QJ1-B5-1)

4.3 砚石成分及结构对品质的影响

根据砚石品级的分类标准[20],石质的密度、细腻程度以及隔水性是影响砚石品级的重要依据。前人研究认为砚石的密度主要与绢云母和石英(包括石英粉砂)的含量有关[17]。绢云母的密度为2.77～2.88 g/cm3,石英的密度为2.65 g/cm3,如果绢云母的含量大于石英的含量,则会提高板岩的密度[16]。通过本次研究发现本区板岩中含有大量的绢云母,含量为55%～75%(扫描电镜下观察),而较高密度的绢云母导致了本区板岩密度值介于2.72～2.765 g/cm3之间[18],高于普通板岩的平均密度(2.70 g/cm3)[18]。因此,本区板岩可以成为较好品质的砚石材料,同时较高的密度可以使之具有良好的隔水性和工艺加工价值[19]。

此外,具有良好的研磨性和细腻的结构的板岩才能成为优质的砚石材料[19]。根据X-射线粉晶衍射和扫描电镜的鉴定结果,石英在板岩中为粉砂状,这在一定程度上造成了该板岩具有较高的研磨能力,又兼顾到石材的细腻程度和隔水性。这样磨出来的墨才会均匀细腻又不损毫。大量呈显微鳞片变晶结构的绢云母和显微鳞片状绿泥石使板岩保持了细腻的质感和精细的纹理(“罗纹”)。这是歙县砚石发墨益毫、滑不拒笔、涩不滞笔的重要原因[19]。相比两种板岩,由于石英含量和云母含量上的区别,含粉砂绢云板岩比粉砂质绢云板岩更细腻,品质更佳。

5 结论

(1)X-射线粉末衍射结果表明,安徽歙县龙潭砚石板岩的主要矿物相为石英、绿泥石和白云母。

(2)热重分析结果显示:500 ℃,绿泥石结构水脱除;800 ℃以上,绿泥石、白云母分解,证明绿泥石和白云母广泛存在于砚石中,导致该区板岩具有更高的密度。同时这些矿物的存在使之兼顾了隔水性和研磨性,是造成歙县板岩能够成为高品质砚石的重要原因。

(3)高分辨带能谱SEM鉴定结果表明:砚石板岩中微粒金属矿物为黄铁矿、黄铜矿、钛铁矿等,这些金属矿物微粒是歙砚最美大观“金星”的成因。