山东沂南徐公砚石矿床地质特征及成因浅析

宋晓媚，张修龙

(1.山东省自然资源资料档案馆(山东省地质博物馆)，山东 济南 250014；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250014)

0 引言

徐公砚石即制作徐公砚的岩石，因其产于山东省沂南县青驼镇徐公店村而得名，是鲁砚中的重要品种，早在唐宋时期即负盛名。

徐公砚石因其色泽及纹理丰富，纯朴雅观，具有形奇、色美、质润、石温之特点[1-2]，成为制砚优良材质；以其制作的徐公砚曾被称“中华第一自然砚”；又有以徐公砚石雕刻成的镇纸、朗石、笔筒等艺术品，与徐公砚搭配成趣，相得益彰。用其制砚叩之清脆，其声如磬，下墨如挫，发墨如油，色泽鲜润，且不损毫，堪称砚石材中之上品。

徐公砚石典型产地位于徐公店北砚台沟，另有庐山西头坑、仙子峪坑、柴胡山坑、石岗岭坑、李官坑等[3]。前人对徐公砚石的研究大多是从历史、文化、工艺性能、鉴赏方法、评价等方面，缺少对徐公砚石矿床地质特征及其成因的研究。该文对山东省沂南县青驼地区徐公砚石的成矿地质条件、矿物组成、岩石学特征及其成因进行研究，丰富徐公砚石的地质内涵，为砚石资源的进一步勘查工作提供参考。

1 地质背景

研究区大地构造位于华北板块东部鲁西隆起区鲁中隆起的东缘，靠近沂沭断裂带(郯庐断裂带山东段)[4-6]。

1.1 地层

区内地层属华北地层大区、晋冀鲁豫地层区鲁西地层分区。区内地层发育比较齐全，从新元古代至第四纪地层皆有分布，地表出露以古生代地层为主，其次为中、新生代地层，元古宙地层分布局限，太古宙地层零星出露(图1)[7-11]。新元古代土门群分布于沂沭断裂带西侧，为未受变质的浅海相碎屑岩、泥岩建造，地层旋回性清楚。寒武纪—奥陶纪地层主要为一套灰岩夹白云岩、页岩及砂岩的海相沉积岩，总厚度约2074m。岩石地层自下而上可划分为长清群、九龙群和马家沟群，其中长清群包括李官组、朱砂洞组、馒头组，九龙群包括张夏组、崮山组、炒米店组和三山子组，马家沟群包括东黄山组、北庵庄组、土峪组、五阳山组、阁庄组和八陡组。白垩纪地层主要为一套陆相碎屑岩夹火山岩、火山碎屑沉积岩。岩石地层主要为青山群八亩地组和方戈庄组，大盛群马朗沟组。古近纪地层主要为一套陆相含膏盐、碳酸盐碎屑沉积岩，岩石地层仅发育官庄群。第四纪地层较发育，主要分布于河流阶地和山麓、山前冲积平原上。

1—第四系；2—新近系；3—白垩系；4—奥陶系；5—寒武系；6—土门群佟家庄组；7—苍山序列；8—沂南序列；9—铜石序列；10—傲徕山序列；11—峄山序列；12—新甫山序列；13—泰山序列；14—实测、推断断层；15—角度、平行不整合界线；16—徐公砚石产地图1 山东省沂南县青驼地区区域地质简图

9.上覆地层：寒武纪李官组，灰红色—灰白色中厚层中细粒石英砂岩

-----平行不整合-----

佟家庄组(Zt)

总厚度：240.92m

页岩段

总厚度：213.89m

8.灰绿色与灰紫色钙质页岩成互层，偶夹灰黄色薄板状泥灰岩

25.25m

7.灰绿色钙质页岩偶夹灰色薄板状泥灰岩，发育水平层理

121.46m

6.灰绿色钙质页岩与灰色薄板状泥灰岩互层，以页岩为主，灰岩单层厚1～6cm，由页岩—灰岩组成韵律性基本层序，徐公砚石产出层位

根据用户间的相似度可以获取目标用户的最近邻居集合，并将其相似性作为权重预测目标用户对未评分项目的评分，故目标用户Ui 对项目i 的评分Put,i 预测如式（3）所示：

34.71m

5.灰色薄板状泥灰岩，岩石风化面呈浅灰色，发育水平层理

12.38m

4.灰绿色钙质页岩

20.09m

砂岩段

总厚度：28.03m

3.灰紫色中薄层钙质粉砂岩，风化后常呈1cm左右的板状，发育水平层理

16.52m

2.黄褐色含砾粗砂岩、中厚层细粒长石砂岩、灰色薄层钙质粉砂岩组成3个向上变细的基本层序，发育交错层理、水平层理

10.51m

～～～～角度不整合～～～～

1.下伏：新太古代花岗岩类中粒二长花岗岩

新元古代土门群为未受变质的浅海相碎屑岩、泥岩建造，地层旋回性清楚，区内仅发育土门群底部的佟家庄组。剖面上厚度240.92～45.20m，向北西变薄至尖灭(图2)。与下伏新太古代花岗岩类沉积不整合接触，与上覆寒武纪李官组平行不整合接触。

1—灰岩；2—微晶灰岩；3—二长花岗岩；4—钙质粉砂岩；5—中细粒石英砂岩；6—泥质灰岩；7—含砾粗砂岩；8—细粒长石砂岩；9—钙质页岩；10—砾岩；11—徐公砚矿层；12—土门群佟家庄组；13—寒武纪长清群李官组；14—新太古代二长花岗岩；15—产状图2 沂南县青驼地区土门群佟家庄组地质剖面图

1.2 构造

区内构造以脆性断裂为主，NW向、NE向断裂比较发育，主要断裂有沂水-汤头断裂、蒙山断裂、新泰-垛庄断裂、孙祖-铜冶店断裂、沂南断裂等。区内节理、裂隙构造较发育，节理、裂隙主要为NW向、NE向及近EW向3组。岩石节理、裂隙受岩石埋深影响明显，近地表节理、裂隙发育，其规模以数十厘米居多，数米以上者较少；地下5m以下节理裂隙明显减少。部分节理裂隙充填方解石脉。节理、裂隙的发育有利于溶蚀作用的进行，控制着徐公砚石自然溶蚀边的分布。

1.3 侵入岩

区内侵入岩十分发育，空间上与残存的泰山岩群组成基底隆起，构成一系列呈NW—SE方向展布的山系。岩石类型从超基性—基性—中性—酸性皆有，以中酸性为主，形成时代主要为新太古代、古元古代及中生代，以新太古代最为发育[12-17]。主要有新太古代泰山序列、峄山序列、新甫山序列、傲徕山序列及中生代苍山序列等(1)王立法，许克民，1∶25万临沂市幅区域地质调查报告,2007年。。岩脉主要为煌斑岩脉。

2 徐公砚石矿体特征

徐公砚石产于沂南县青驼镇卢山西头-徐公店砚台沟至兰山区汪沟镇石岗岭-柴胡山一带，呈NW—SE向条带状展布，NW—SE向延长约3km，宽200～300m，面积约0.75km2。

徐公砚石矿体赋存于新元古代土门群佟家庄组页岩段，含矿岩系为灰绿色钙质页岩夹深灰色薄层状—透镜状微晶灰岩，厚约35m。其下伏地层为佟家庄组页岩段灰色薄板状泥灰岩，上覆地层为佟家庄组页岩段灰绿色钙质页岩偶夹灰色薄板状泥灰岩。含矿岩系多为向NE倾斜的单斜岩层，矿层沿走向和倾向延伸较稳定，产状与地层产状一致，含矿岩系地层产状50°～65°∠18°～30°。

本次工作共发现1条矿带，含徐公砚石的矿化层呈层状、似层状或透镜状与灰绿色钙质页岩不等厚互层，在35m厚的含矿岩系中，共赋存矿化层15～25层。每一矿化层厚一般为1～6cm，个别层厚度可达15cm。徐公砚石单层呈似层状、透镜状赋存于矿化层中，单层不连续，在矿化层中往往断续出现。徐公砚石多为自然形扁平石饼，大者直径30cm，小者10cm，厚一般3～6cm。砚材周边有呈石乳状、纵横交错和垂直、变幻无穷的石纹，又称“花芽”。

3 徐公砚石特征

3.1 砚石矿物成分及主要物理特征

徐公砚石的岩石学名称为微晶灰岩，青灰、暗绿或褐黄色，微晶结构，薄层状、透镜状构造，主要由方解石微晶和少量长英质砂粒、绢云母、铁质等组成。微晶方解石多呈他形微晶状，矿物粒径大小一般为0.004～0.03mm(微晶)，含量85%～95%；长英质矿物呈砂砾状，主要是石英和长石，矿物粒径多小于0.03mm，粒径较小很难区分石英和长石，多呈棱角状，零星分布，含量1%～3%；绢云母多呈鳞片状，片径多小于0.1mm，多呈不均匀条带状集合体分布，含量1%～2%；不透明矿物多呈他形粒状，矿物粒径大小一般为0.06～0.2mm，少数呈粉末状，发生氧化呈褐色薄膜状分布在方解石颗粒之间，可能为一些铁质，含量1%～2%。岩石局部发育脉体，脉体多呈网脉状，脉体宽为0.02～3.3mm，脉体多充填亮晶方解石，含量2%～8%，偶见有黄铁矿等金属氧化物。砚石摩氏硬度为3～4，密度为2.67～2.70g/cm3，具不平块状断口，质地细腻。

3.2 徐公砚石的色系和品级

通过野外调查和砚石市场调研，徐公砚石既有纯色色系，又有共生色系。纯色色系主要为灰色、青色、绿色、黄色、褐色；共生色系主要为青灰色、暗绿色、褐黄色等等。徐公砚石的色泽中，以青灰色为主，其他颜色为辅。

徐公砚石因其具自然溶蚀边而闻名，多为不规则扁平状，形态各异，大多为异形砚。根据徐公砚石花芽发育情况、石质、块度、厚度、色差等因素，可将徐公砚石进行大致的品级划分。

青驼地区的砚石品级可大致分为特等品、一级品、二级品、三级品4个品级(表1)。

表1 徐公砚石品级分类一览表

3.3 徐公砚石岩石化学特征

研究样品采自徐公店砚台沟坑(XGY01)、石岗岭坑(XGY02)和柴胡山坑(XGY03)，样品岩性为深灰色薄层状—透镜状微晶灰岩，岩石致密均一，微晶结构，薄层状、透镜状构造。样品主量元素化学成分分析结果如表2所示。

表2 徐公砚石样品的主量元素测试结果 单位：%

徐公砚石的主量元素分析结果显示：SiO2含量的变化范围为6.49%～9.02%，平均为7.54%；Al2O3含量的变化范围为1.62%～1.84%，平均为1.70%；TFe2O3含量的变化范围为1.19%～1.48%，平均为1.37%；CaO含量的变化范围为46.79%～48.78%，平均为48.06%；MgO含量的变化范围为0.88%～1.12%，平均为0.99%；K2O含量的变化范围为0.26%～0.50%，平均为0.35%；LOI含量的变化范围为38.32%～39.74%，平均为39.05%。

徐公砚石化学成分基本符合石灰岩的一般化学成分[18-19](石灰岩的一般化学成分为CaO占42.61%，CO2占41.58%，MgO占7.90%，SiO2占5.19%，其他氧化物仅占2.72%)。徐公砚石样品的CaO含量较高，约为48%，而MgO含量较低，不同于普通石灰岩的化学成分。

4 徐公砚石矿床的成因浅析

古元古代以来至震旦纪以前青驼地区结晶基底在经过造山隆升后，长期处于风化、剥蚀、准平原化作用的风化剥蚀状态，为震旦纪的沉积提供了充足的物质来源。震旦纪佟家庄期该区地壳沿现在的沂沭断裂带附近被拉开，形成裂陷海槽，迎来首次海侵，海水从南东向北西逐渐侵入。早期水体较浅，处于滨海—浅海环境，陆源沉积物丰富，形成了佟家庄组底部砂岩段沉积(砾岩、含砾长英质砂岩、石英砂岩及少量页岩)，中期快速海侵，容纳空间进一步增大，构造沉降作用加剧，处于半深海环境，陆源沉积物供应不畅，导致了盆地内形成相对较饥饿期沉积(黄绿色页岩)[9-10]，水体中的碳酸钙在适当的环境条件下沉淀，夹杂在沉积软泥中，尔后成为页岩中的微晶灰岩夹层，即徐公砚石最初的物质聚集。随着地壳的升降变动发生海陆变迁，物质聚集反复发生。

深埋于地下的佟家庄组地层，在中生代发生的地壳运动中，受到NW向断裂和NE向断裂的挤压变形，发生破碎，产生节理、裂隙，部分呈网脉状，并有后期方解石细脉充填。早侏罗世晚期由于地幔上隆，岩石圈开始处于伸展状态，鲁中南地区形成穹隆，长期遭受剥蚀，青驼地区土门群佟家庄组地层也被逐渐抬升到地表。处于地表或近地表发育原生层理及次生裂隙的薄层状微晶灰岩，在地下水的长期循环、流动和溶蚀作用下发生不均匀溶蚀，而顶底板黄绿色页岩不发生溶蚀，薄层状微晶灰岩沿节理裂隙逐渐溶蚀为大小不等具自然溶蚀边的不规则透镜状微晶灰岩，即徐公砚石原石。

综上所述，沂南县徐公砚石矿床成因类型为沉积型层控矿床，其形成受特定的沉积地质环境和后期溶蚀作用条件的制约。

5 结论

(1)徐公砚石矿赋存于新元古代土门群佟家庄组页岩段中，岩性为薄层状—透镜状微晶灰岩，受时代、层位、岩相古地理等控制，为沉积型层控矿床。

(2)通过对砚石花芽发育情况、石质、块度、厚度、色差等的分析，区内砚石可划分为两大色系、四个品级。两大色系分别为纯色色系和共生色系；四大品级分别为特等品、一级品、二级品、三级品。

(3)徐公砚石样品的主量元素分析结果显示，徐公砚石的CaO含量为48.06%；MgO含量为0.99%；SiO2含量为7.54%；LOL含量为39.05%。CaO含量较高，高于普通石灰岩的化学成分。因此，徐公砚石为CaCO3含量较高的碳酸盐岩。