山东昌乐玄武岩中蓝宝石成因探讨

刘 丹,张瑞香

(中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000)

2017-07-10

刘 丹(1989—)，女，湖北仙桃人，中国石油大学胜利学院油气工程学院助教，硕士，主要从事矿物岩石学研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.003

山东昌乐玄武岩中蓝宝石成因探讨

刘 丹,张瑞香

(中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000)

利用蓝宝石资源分布特点、刚玉巨晶成因及成矿条件和蓝宝石颜色成因对山东昌乐蓝宝石成因机制进行研究。研究结果表明,山东昌乐蓝宝石原生矿的分布受葛沟深大断裂控制,含矿岩石为碱性玄武岩;刚玉巨晶形成于富含“地幔流体”的碱性岩浆中,地幔深处高温高压环境有利于蓝宝石巨晶的形成;昌乐蓝宝石主要致色离子为Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑离子为Fe3+,改色成功的关键在于降低三价铁的同时保留或增加钛的含量。

刚玉巨晶;蓝宝石;成因;山东昌乐

蓝宝石指除去红宝石(红色刚玉宝石)以外的所有刚玉宝石,是世界上公认的珍贵彩色宝石品种[1]。山东昌乐是我国蓝宝石的主要产地,发育有中国最大的与新生代碱性玄武岩有关的蓝宝石矿床[2],随着蓝宝石需求量的增加,对该区大型蓝宝石原生矿床的成矿条件进行研究具有重要的经济意义。笔者深入剖析昌乐蓝宝石资源分布特点、刚玉巨晶成因及成矿条件、蓝宝石颜色成因,对蓝宝石的成因机制进行研究。

1 昌乐蓝宝石矿区域分布特点

根据形成宝石矿床地质作用的类型,可将刚玉宝石矿床分为岩浆岩型、变质岩型及外生砂矿型,其中岩浆岩型又包括侵入岩型、伟晶岩型、火山岩型。昌乐地区蓝宝石原生矿与砂矿并存(图1),原生矿属于火山岩型矿床,含矿岩石为新生代碱性玄武岩,是目前中国发现的最大宝石矿之一。该区发育有长200 km,NNE向葛沟深大断裂,为郯庐断裂带在山东昌乐境内分支,新近纪主要表现为拉张裂陷作用,此时玄武岩浆活动强烈,以断裂带为通道,宁静喷溢出地表,形成低缓的熔岩台地或盾状火山锥。其中牛山期玄武岩分布广泛,尧山期玄武岩零星分布,蓝宝石原生矿主要赋存于牛山组碱性玄武岩中。含矿岩石具有斑状结构,斑晶主要为橄榄石和单斜辉石,基质主要为斜长石微晶和少量玻璃质,并具气孔、杏仁构造,属碱性橄榄玄武岩,岩石中刚玉巨晶与幔源橄榄岩包体紧密伴生,含矿性越好的玄武岩所含幔源包体越大越多。长期暴露地表的含矿玄武岩被风化破坏后,形成残坡积和冲洪积砂矿床,主要分布在方山周围的五图-新旺水系中。

2 刚玉巨晶成因及成矿条件

山东昌乐刚玉在玄武岩中以孤立单晶的形式存在,与寄主岩界限清晰,表面明显的熔蚀现象和尖晶石、钛磁铁矿反应边说明其与寄主岩浆存在化学不平衡,与寄主岩浆发生了交代反应,由此判断刚玉矿物是碱性玄武岩浆早期结晶的高压巨晶[3-4]。而巨晶中大量不混熔相熔体、流体-熔体包裹体的发现表明巨晶结晶过程中流体作用明显,其形成于不均匀的流体-熔体体系中[5-6]。刚玉巨晶成矿环境复杂,受多种因素的影响和制约。

(引自昌乐县地质矿产资源开发利用研究,李洪奎等,2014)图1 昌乐蓝宝石矿分布区地质简图

2.1 物质来源

昌乐蓝宝石Al2O3含量为98%～99%,岩浆中Al2O3是刚玉结晶的物质基础。昌乐地区玄武岩化学成分、刚玉矿物中包裹体研究表明,形成刚玉巨晶的母源岩浆相对贫Si,富Al,富碱(Na和K),富挥发分。含矿玄武岩SiO2含量约43.5%,Al2O3含量约13.5%,Na2O+K2O含量约5.3%,具有贫Si,富Al,富碱的特点[3];刚玉中钾长石、霞石等矿物包裹体及富铝、富钾、富钠玻璃包裹体的发现均说明刚玉形成于碱性岩浆中;刚玉中包裹体流体成分以CO2为主,同时包含H2O、N2和H2S等,稀有气体及氧同位素研究显示流体幔源特征明显,因此可以认为刚玉形成于富含“地幔流体”的碱性岩浆中。地幔流体通过地幔交代作用影响着岩浆的形成与演化,在地幔流体的淋滤下,下地壳中的Al和碱金属更容易进入低度熔融的上地幔岩浆中,为刚玉矿物的形成提供重要的物质来源[6]。富Al,富碱,富挥发分的母源岩浆有利于刚玉矿物的形成,碱质和挥发分促进了硅氧骨干中氧桥断裂[3],使Al以六次配位的Al2O3形式结晶,形成独立的刚玉矿物。

2.2 温压条件

图2 过冷度与结晶能力关系

刚玉矿物形成于高温高压环境中,温度的缓慢降低有利于刚玉巨晶的形成。一定的化学成分下,大于0.7 GPa刚玉就可从玄武岩浆中结晶出来,且岩浆所处的压力越高,刚玉首晶区越大,晶出宝石级刚玉的可能性就越大。地质温度计和压力计计算结果表明含矿岩石中地幔橄榄岩包体形成的温度和压力为1 100 ℃、1.5 GPa[3],代表了形成刚玉矿物的高温高压条件。刚玉巨晶中熔融包裹体均一温度在1 000～1 300 ℃之间,为刚玉内包裹体的捕获温度,与形成刚玉矿物的高温条件相吻合。岩浆的温度同时影响着刚玉晶体的数量和大小,过冷度与结晶能力关系(图2)表明,Al2O3一定的情况下,过冷度为ΔT1时,成核密度小,生长速度相对较大,形成数量少、晶体大的刚玉;过冷度为ΔT2时,成核密度和生长速度均较大,形成数量中等、晶体大小中等的刚玉;过冷度为ΔT3时,成核密度大,生长速度小,形成数量众多但晶体小的刚玉。因此,岩浆温度达到刚玉结晶点后,过冷度在ΔT1附近时,最有利于宝石级刚玉矿床的形成。

2.3 保存条件

地幔深处形成的刚玉巨晶能否在高温岩浆中保存,能否顺利上升至地表受寄主岩浆的黏度、密度、上升速度等多种因素制约,而碱性玄武岩浆黏度和密度均较小,岩石的含矿性主要取决于岩浆的上升速度。刚玉巨晶与幔岩包体的伴生关系说明含矿岩浆较不含矿岩浆上升速度更快,若岩浆上升速度较慢,一方面已形成的刚玉巨晶由于重力作用更易下沉,另一方面刚玉矿物有更多的时间与寄主岩浆发生反应而被熔蚀或交代。刚玉巨晶与寄主玄武岩间存在两类反应边,一类由尖晶石带和钛磁铁矿+熔体带构成,为反应没有达到平衡的产物,反应时间较短;另一类由尖晶石带和长石+钛磁铁矿带构成,为反应平衡或接近平衡的产物,反应时间较长。以刚玉矿物与岩浆反应形成斜长石为例,昌乐蓝宝石平均直径为3 cm,为克服其重力使其不下沉,玄武岩浆上升的最小速度为1.1 km/h,若以此速度从100 km的地下深处到达地表,则大约需要94 h,当温度为1 160 ℃时,斜长石生长速度为5×10-9cm/s,94 h内蓝宝石将有0.017 mm的熔蚀。因此,岩浆的快速上升能够保证刚玉巨晶被携带至地表保存下来,形成具有经济意义的蓝宝石矿床。

3 蓝宝石的颜色成因

纯净的刚玉无色透明,山东昌乐蓝宝石颜色较深,多呈蓝黑色、黑蓝色。宝石自身的致色因子对不同波长或能量的光源选择性吸收和透射或反射导致了宝石的颜色[1]。刚玉宝石的颜色与化学成分密切相关,昌乐蓝宝石主要致色因子为Fe3+、Fe2+和Ti4+,三种离子的含量决定了蓝宝石的蓝色,含量越高且铁钛比越高,颜色越深。它们以类质同像的方式替代Al3+,其中全铁含量为0.723%～1.522%,平均1.02%,三价铁占优势,钛离子平均含量为0.03%。Fe2+和Ti4+对可见光565 nm的吸收使蓝宝石呈美丽的蓝色,Fe3+对可见光有442 nm的蓝紫光吸收,使蓝宝石呈黑色,所以Fe3+为主要的致黑离子。根据这一原理,早期山东昌乐蓝宝石改色研究中只注重减少Fe3+含量,但降低Fe3+的同时,Fe2+的含量必然会增多,而Fe2+和Ti4+的比例控制在1:1时,蓝色最纯,因此山东昌乐蓝宝石改色成功的关键在于降低三价铁的同时保留或增加钛的含量。

蓝宝石生长过程中所处的地球化学环境和温压条件决定了Fe和Ti含量,碱性玄武岩型蓝宝石颜色均较深,与变质成因的蓝宝石相比,地壳深处碱性玄武岩浆中Fe和Ti含量更高,蓝宝石生长过程中的高温条件有利于类质同象替换,高压条件能促进六次配位的Fe3+进入晶格替换Al3+。因此,碱性玄武岩型蓝宝石中Fe和Ti含量普遍较高。

4 结 论

(1)山东昌乐地区蓝宝石原生矿的分布受葛沟深大断裂控制,含矿岩石为碱性玄武岩,岩石中刚玉巨晶与幔源二辉橄榄岩包体紧密伴生。

(2)刚玉巨晶形成于地幔深处高温高压环境中,从相对贫Si、富Al、富挥发分、富碱的母源岩浆中结晶出来后,经历缓慢降温,形成蓝宝石巨晶,寄存在迅速上升的玄武岩浆中,随着岩浆的喷发作用被携带至地表。

(3)山东昌乐蓝宝石颜色较深,主要致色离子为Fe3+、Fe2+和Ti4+,主要致黑离子为Fe3+,改色成功的关键在于降低三价铁的同时保留或增加钛的含量。

[1] 张蓓莉.系统宝石学[M].北京:地质出版社,2006:60,198.

[2] 丘志力,陈炳辉,陈敬德.山东昌乐与碱性玄武岩有关刚玉巨晶中锆石包裹体的发现及其意义[J].中山大学学报(自然科学版),1999,38(6):132-133.

[3] 董振信,杨良锋,王月文.山东蓝宝石原生矿床成因探讨[J].地球学报,1999,20(2):65-71.

[4] 余晓艳,姚晓梅,汪云峰,等.郯庐断裂带中段第三纪玄武岩特征及与刚玉形成的关系[J].地质与勘探,2000,36(3):28-31.

[5] 丘志力,陈敬德,陈炳辉,等.与碱性玄武岩有关刚玉巨晶的多阶段成因—包裹体的证据[J].中山大学学报(自然科学版),2001,40(2):107-111.

[6] 丁振华.山东刚玉巨晶的成因—来自矿物包裹体的证据[J].矿物学报,2009,29(4):442- 446.

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[责任编辑]董大伟