2023, Vol. 32
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以往玄武岩仅作为铸石用于路基铺设，未进行高端产品开发利用. 近年来，由于玄武岩独特的物理性能及纤维材料技术迅猛发展，已被列为国家战略性新兴产业中的重点新材料之一. 玄武岩纤维材料是以火山喷发形成的特定玄武岩为原料生产出的连续纤维、岩棉和细微鳞片等产品，具有良好的综合性能和高性价比等优势，能满足国防建设、交通运输、建筑、环保、电子、航空航天等领域结构材料的需求，应用十分广泛，市场空间巨大[1-2]. 四川省广安市华蓥山地区出露有条带状的峨眉山玄武岩，为了使地方资源优势转换为经济优势，2019年，中国地质调查局成都地质调查中心对邻水县西天玄武岩矿床开展了普查工作，圈定玄武岩矿体2条，估算储量1 594×104 t，达到超大型矿山规模. 2020年，由四川帕沃可矿物纤维制品有限公司组建的世界首条玄武岩纤维2400孔漏板拉丝智能化窑池生产线，在四川省广安市启动[3].
在我国川－滇－黔－桂地区广泛出露的二叠纪峨眉山玄武岩及其相关的镁铁质－超镁铁质侵入岩，构成了峨眉山大火成岩省（ELIP），一直以来都是国内外地学界的研究热点. 目前绝大多数学者认为该大火成岩省的形成与地幔柱活动密切相关[4]. 前人依据地层学及地球化学特征，将该大火成岩省分为内带、中带和外带，内带玄武岩具有高Ti和低Ti两个系列，而中－外带玄武岩为岩性较单一的高Ti玄武岩[5-6]，目前内带和中带玄武岩的地质地球化学特征研究程度较高[5-12]，而外带高Ti玄武岩研究程度相对较低且成因争议较大[6-7, 13]. 为了进一步了解外带玄武岩的成因，本研究以峨眉山大火成岩省外带的广安市邻水县西天超大型玄武岩矿床为对象，通过野外和镜下岩相学观察，运用主、微量元素地球化学方法，分析该矿床的地质特征及岩石成因，以期加深对峨眉山大火成岩省外带高Ti玄武岩成因的认识；同时，对纤维用玄武岩矿石的工业指标进行探讨，为企业生产过程中的选矿活动提供科学依据.
1 区域地质概况与矿床地质特征西天玄武岩矿床位于川东褶皱带华蓥山复式背斜东翼，行政区划属广安市邻水县西天乡（图 1a）. 区域出露地层齐全，有寒武系中上统、奥陶系、志留系中下统、石炭系中统、二叠系、三叠系、侏罗系及第四系地层（图 1b）. 研究区内发育F19和F20两条断层，其中主断层F19为一走向北东、倾向南东、倾角约65°的逆断层.该逆断层使得二叠统茅口组（P2m）、上二叠统峨眉山组玄武岩（P3 β）和上二叠统龙潭组炭质页岩（P3l）3套地层重复出现. F20为F19的次级断层.
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图 1 西天玄武岩矿床地质特征简图 Fig.1 Geological sketch map of Xitian basalt deposit a—川东褶皱带构造纲要图及西天玄武岩矿区位置（tectonic sketch map of the eastern Sichuan fold belt and location of Xitian basalt orefield）；b—西天玄武岩矿床Ⅳ和Ⅴ号矿体分布图（distribution map of Nos. Ⅳ and Ⅴ orebodies in Xitian basalt deposit）；1—第四系（Quaternary）；2—三叠系下统飞仙关组（Lower Triassic Feixianguan fm.）；3—二叠系上统吴家坪组（Upper Permian Wujiaping fm.）；4—二叠系上统龙潭组（Upper Permian Longtan fm.）；5—上二叠统峨眉山玄武岩组（Upper Permian Emeishan basalt fm.）；6—二叠系中统茅口组（Middle Permian Maokou fm.）；7—二叠系中－下统梁山组+栖霞组（Middle-Lower Permian Liangshan and Qixia fms.）；8—石炭系中统黄龙组（Middle Carboniferous Huanglong fm.）；9—志留系中统韩家店组（Middle Silurian Hanjiadian fm.）；10—志留系下统龙马溪组+小河坝组（Lower Silurian Longmaxi and Xiaoheba fms.）；11—地质界线（geological boundary）；12—断层及编号（fault and number）；13—玄武岩矿体及编号（basalt orebody and number）；14—剖面位置（profile position） |
西天玄武岩矿床共探明矿体2条，矿体形态简单，均呈较稳定的顺层状产出，且倾角较大；矿体底板围岩为中二叠统茅口组灰岩（图 1b、图 2），顶板围岩为上二叠统龙潭组薄层状炭质页岩（图 2和图 3a）. Ⅳ号矿体连续分布，控制矿体长463.45 m，厚24.58~38.55 m，平均厚度31.56 m，倾向120~128°，倾角71~86°；Ⅴ号矿体也连续分布，控制矿体长749.94 m，控制厚度26.47~30.20 m，平均厚度28.27 m. 倾向108~156°，倾角30~79°.
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图 2 西天玄武岩矿床Ⅴ号矿体地质剖面图 Fig.2 Profile of No.Ⅴ orebody in Xitian basalt deposit 1—石灰岩（limestone）；2—凝灰－砾石层（tuff gravel layer）；3—沉积凝灰岩（sedimentary tuff）；4—柱状节理构造玄武岩（columnar jointed basalt）；5—杏仁状玄武岩（amygdaloidal basalt）；6—块状玄武岩（massive basalt）；7—气孔状玄武岩（vesicular basalt）；8—炭质页岩（carbonaceous shale）；9—地层产状（stratigraphic occurrence）；10—采样位置（sampling location）；11—角度不整合界线（angular unconformity） |
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图 3 西天纤维用玄武岩矿床岩石及镜下照片 Fig.3 Field and microscopic photographs of Xitian basalt deposit a—玄武岩野外露头，上二叠统玄武岩与上二叠统龙潭组煤系地层平行不整合接触（parallel unconformity contact between Upper Permian basalt and coal measure strata of Upper Permian Longtan fm.）；b—柱状节理构造玄武岩（columnar jointed basalt）；c—气孔状玄武岩（vesicular basalt）；d—块状玄武岩镜下照片（正交偏光），具典型辉绿结构（microphotograph of massive basalt with typical diabasic texture under cross-polarized light）；plg—斜长石（plagioclase）；pyr—辉石（pyroxene） |
玄武岩矿石以块状构造为主，次为柱状节理构造（图 3b），再次为气孔状构造（图 3c）和杏仁状构造，杏仁体主要为石英.；矿石以隐晶质结构为主，少量斑状结构. 玄武岩矿石主要由斜长石、辉石、绿泥石组成，含少量黄铁矿（图 3d）. 其中，斜长石含量55%~75%，粒径约0.5 mm；辉石含量10%~25%，呈粒状充填于斜长石三角孔中，构成典型辉绿结构；绿泥石含量2%~6%.
2 样品及分析测试方法本研究的6件玄武岩样品，均采自西天玄武岩矿床的Ⅴ号矿体，采样位置见图 2. 其中，XT01、XT02为柱状节理构造玄武岩，XT01样品含斜长石斑晶；XT03号为杏仁状玄武岩；XT04、XT05为块状玄武岩，XT04样品含斜长石斑晶；XT06为气孔状玄武岩. 为避免风化和蚀变作用的影响，采样时尽量采集新鲜样品. 测试前先磨制薄片，经显微镜下观察，挑选无风化、未蚀变或风化蚀变程度相对较小的样品进行分析测试. 所有样品测试均在四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心进行. 其中，主量元素采用X射线荧光光谱仪（XRF）测定，测试相对偏差小于5%；稀土元素与微量元素采用电感耦合等离子质谱仪（ICP－MS）测试，分析精度优于10%.
3 分析测试结果 3.1 主量元素玄武岩矿石样品的主量元素分析结果见表 1. 从分析数据来看，矿石的含量为SiO2 45.54%~49.86%，平均47.28%；Al2O3 11.63%~13.67%，平均13.07%；Fe2O3 5.00%~7.48%，平均6.26%；FeO 8.37%~8.82%，平均8.63%；MgO 4.28%~5.66%，平均5.02%；CaO 6.93%~8.83%，平均7.73%；Na2O 2.39%~2.97%，平均2.74%；K2O 0.56%~1.29%，平均0.97%；TiO2 2.95%~3.58%，平均3.11%. 在K2O－SiO2岩石系列判别图（图 4a）中，西天玄武岩矿石全部投入高钾钙碱性－钙碱性岩浆系列；在TAS判别图解（图 4b）上，矿石投点全部落入玄武岩区. 表明西天玄武岩为高钾钙碱性－钙碱性系列玄武岩，反映其岩浆形成部位较深[14]. 前人对峨眉山玄武岩TiO2含量研究认为，TiO2含量高于2.80%为高Ti型玄武岩，低于2.80%为低Ti型玄武岩[5, 9]. 西天玄武岩TiO2含量为2.95%~3.58%，均大于2.80%，属于高Ti型玄武岩.
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表 1 西天玄武岩矿床矿石主量、稀土、微量元素组成 Table 1 Contents of major, rare earth and trace elements of ores from Xitian basalt deposit |
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图 4 西天玄武岩分类判别图解 Fig.4 The K2O－SiO2 and TAS diagrams of Xitian basalts |
从玄武岩矿石样品的稀土元素分析结果（表 1）可知，样品的REE总量变化于257.46×10－6~330.91×10－6，平均290.75×10－6. 其中轻稀土LREE含量变化于227.63×10－6~297.40×10－6，平均258.81；重稀土HREE含量变化于29.83×10－6~33.51×10－6，平均31.94×10－6. LREE含量远大于HREE含量，LREE/HREE平均为8.09. δEu变化于0.92~0.97，平均0.94，具弱负Eu异常特征；δCe变化于0.92~0.97，平均0.95，具弱负Eu异常特征. 在球粒陨石标准化配分模式图上（图 5），表现为LREE富集、HREE亏损的右倾型弱负Eu异常特征，与区域上高Ti峨眉山玄武岩及OIB（洋岛玄武岩）型玄武岩特征相似，说明它们具有相似的岩浆成因特征；此外，弱负Eu异常特征还指示玄武质岩浆在侵入过程中，可能在岩浆房的底部存在轻微的斜长石堆晶作用.
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图 5 西天玄武岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图 Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of Xitian basalts 球粒陨石数据据文献[15]（chondrite data after Reference [15]）；峨眉山玄武岩及OIB数据据文献[8]（Emeishan basalt and OIB data after Reference [8]） |
在微量元素原始地幔标准化蛛网图（图 6）中，西天玄武岩样品的Ti元素表现出正异常，Ta、Nb、Zr、Hf为弱负异常，Sr为强烈负异常特征，具有显著的幔源岩浆特征，与区域上高Ti峨眉山玄武岩特征一致. 除元素Sr外，标准化曲线与OIB型玄武岩相似，也说明其岩浆成因特征相似.
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图 6 西天玄武岩微量元素原始地幔标准化蛛网图 Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of Xitian basalts 原始地幔数据据据文献[15]（primitive mantle data after Reference [15]）；峨眉山玄武岩及OIB数据据文献[8]（Emeishan basalt and OIB data after Reference [8]） |
玄武岩矿石制造连续纤维主要包括将玄武岩捣碎、加热、拉丝等一系列工艺流程. 玄武岩中基本氧化物SiO2和Al2O3的含量决定了纤维成型的性能和连续玄武岩纤维的强度、热稳定性和化学稳定特性[16]. SiO2的影响主要表现在，玻璃状氧化物中SiO2含量偏低，会在拉丝温度区间形成弱硅酸离子键，提高溶液的黏度，造成纤维成型的间断，增加连续玄武岩纤维成型的难度. 存在一定比例的Al2O3可以把拉丝时的玄武岩黏度调整到所需的范围并赋予连续玄武岩纤维的性能. 而SiO2和Al2O3含量增加会提高熔化温度、拉丝温度和熔融物黏度，从而增加了连续纤维制造难度. SiO2+Al2O3含量在60%~80%时，纤维具有较好的强度、热稳定性和化学稳定性[16-17]. CaO和MgO含量增加会减少熔融物的黏度，反之则提高. K2O和Na2O含量的增加，会降低熔融物的析晶能力，有利于成型工艺的实施. Fe2O3和FeO的含量则影响熔化温度、拉丝成型温度范围、熔融物黏度等成型工艺参数以及连续纤维的化学稳定性、热稳定性和强度等，当FeO/Fe2O3≥0.5时才能保证温度和黏度稳定. TiO2含量越高则玄武岩纤维的热稳定性和化学稳定性越强[17].
将西天纤维用玄武矿床玄武岩矿石的主量元素含量，与四川帕沃可矿物纤维制品有限公司所需纤维用玄武岩矿石工业指标进行对比（表 2），可见柱状节理玄武岩、块状玄武岩和气孔状玄武岩的主量元素含量满足工业指标要求；含斑柱状节理玄武岩、含斑块状玄武岩因Fe2O3和MgO含量低于工业指标而不满足要求，其主要原因可能为斜长石含量的增加降低了Mg、Fe含量；杏仁状玄武岩因SiO2含量高于工业指标且Fe2O3、MgO和CaO低于工业指标而不满足要求，其主要原因可能是杏仁状玄武岩中杏仁体为石英所造成的. 西天纤维用玄武岩矿石特有而普遍的高TiO2含量则使其成为优质的纤维生产原料.
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表 2 西天玄武岩矿床矿石主量元素含量与企业纤维用玄武岩工业指标对比 Table 2 Comparison between major element contents of ores from Xitian basalt deposit and industrial indexes of fiber－used basalt |
综上可知，四川帕沃可矿物纤维制品有限公司在纤维用玄武岩矿石选矿过程中，应选择均质、细粒、无大的斑晶，没有石英、玉髓、碎石及外来杂质的柱状节理玄武岩、块状玄武岩和气孔状玄武岩矿石，其主量元素含量可满足连续玄武岩纤维用矿石工业指标.
4.2 矿石形成环境西天玄武岩矿床赋矿地层为上二叠统峨眉山玄武岩组，总体上介于海相茅口组灰岩和海陆交互相龙潭组含煤细碎屑岩之间，主要属于滨海－浅海环境下的基性岩浆喷溢产物. 但从岩相学特征看，玄武岩以块状构造和柱状节理构造为主，未见枕状熔岩，这些特征又表明该套玄武岩总体应形成于陆相喷发环境. 结合玄武岩矿石的岩石地球化学特征，对其形成的构造环境进行进一步判别.
由于玄武岩中的辉石、斜长及黑云母容易遭受后期蚀变，K、Na等元素容易因蚀变而发生迁移，因此采用Al2O3、MgO、FeOT、Zr、Hf、Nb、Y等相对稳定组分/元素来探讨玄武岩的形成环境. 在Al2O3－MgO－FeOT三角判别图解（图 7）中，西天玄武岩投点全部落入大陆构造环境；在Ti/100－Zr－3Y三角判别图解（图 8）中，西天玄武岩投点全部落入板内玄武岩构造环境；在2Nb－Zr/4－Y三角图解（图 9）中，西天玄武岩投点全部落入板内碱性玄武岩区；在Ta/Hf－Th/Hf图解（图 10）中，西天玄武岩投点全部落入地幔热柱玄武岩区. 以上结果表明，西天玄武岩形成环境为地幔热柱作用下的板内环境.
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图 7 西天玄武岩AMF构造环境判别图解（底图据文献[18]） Fig.7 The AMF discrimination diagram of Xitian basalts (After Reference [18]) Ⅰ—洋中脊或洋底（mid-ocean ridge or ocean floor）；Ⅱ—洋岛（ocean island）；Ⅲ—大陆（continent）；Ⅳ—扩张性中央岛（expansive central island）；Ⅴ—造山带（orogenic belt） |
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图 8 西天玄武岩Ti－Zr－Y构造环境判别图解（底图据文献[18]） Fig.8 The Ti－Zr－Y discrimination diagram of Xitian basalts (After Reference [18]) A—岛弧拉斑玄武岩（island arc tholeiite）；B—洋中脊玄武岩、岛弧拉斑玄武岩和钙碱性玄武岩（mid-ocean ridge basalt，island arc tholeiite，and calc-alkaline basalt）；C—钙碱性玄武岩（calc-alkaline basalt）；D—板内玄武岩（within plate basalt） |
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图 9 西天玄武岩Nb－Zr－Y构造环境判别图解（底图据文献[19]） Fig.9 The Nb-Zr-Y discrimination diagram of Xitian basalts (After Reference [19]) A1+A2—板内碱性玄武岩（within plate alkali basalt）；A2+C—板内拉斑玄武岩（within plate tholeiite）；B— P型洋中脊玄武岩（P-type mid-ocean ridge basalt）；D— N型洋中脊玄武岩（N-type mid-ocean ridge basalt）；C+D—火山弧玄武岩（volcanic arc basalt） |
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图 10 西天玄武岩Th/Hf－Ta/Hf判别图解（底图据文献[20]） Fig.10 The Th/Hf-Ta/Hf discrimination diagram of Xitian basalts (After Reference [20]) I— N型洋中脊玄武岩（N-type mid-ocean ridge basalt）；Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩（ocean island arc basalt）；Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩（continental margin arc and marginal volcanic arc basalt）；Ⅲ—大洋板内洋岛、海山玄武岩及过渡型洋中脊玄武岩、富集型洋中脊玄武岩（oceanic within plate island，seamount basalt and transitional mid-ocean ridge basalt，and enriched mid-ocean ridge basalt）；Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩（intracontinental rift and continental marginal rift tholeiite）；Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩（intracontinental rift alkaline basalt）；Ⅳ3—大陆拉张带（或初始裂谷）玄武岩（continental tension zone/ initial rift basalt）；Ⅴ—地幔热柱玄武岩（mantle plume basalt） |
前人研究表明，上地壳岩石中通常强烈亏损Ti，在微量元素原始地幔标准化蛛网图中常表现出强烈的负Ti异常特征[21]；同时，上地壳岩石具有富Rb和高Sr含量特征，在原始地幔标准化比值蛛网图中，往往会表现出Rb和Sr的正异常特征[22]. 因此，如果幔源岩浆在上升侵入过程中受到上地壳物质的混染，势必会出现Ti的负异常和Sr的正异常. 而西天高Ti玄武岩的微量元素蛛网图中则表现出正Ti和负Sr异常（图 6），说明玄武质岩浆在侵入位过程中没有受到明显的上地壳混染作用.
此外，Lu/Yb比值可用于研究地壳混染的判别，地幔起源的岩浆具有低Lu/Yb比值特征（平均值大致在0.14~0.15之间），大陆地壳具有高Lu/Yb比值特征（平均值大致在0.16~0.18之间）[21]. 西天玄武岩的Lu/Yb比值变化于0.135~0.147之间，平均0.14，明显低于大陆地壳值，表明其岩浆源自地幔且没有受到大陆地壳混染作用.
元素Th、Nb、Ta在蚀变及变质过程中比较稳定，但容易受地壳混染的影响，是地壳混染的重要标志[23]. 由于大陆地壳通常富集Th（中地壳平均为10.5×10－6，上地壳平均6.5×10－6 [21]），强烈亏损Nb和Ta，因而常在微量元素蛛网图上表现出强烈的Nb、Ta负异常特征. 因此，如果玄武岩岩石强烈亏损Nb和Ta，则可能反映受到了地壳物质混染. 西天玄武岩矿石Th含量变化于4.96×10－6~6.61×10－6，平均5.65×10－6，低于中上地壳平均值. 在微量元素比值蛛网图上，Nb、Ta表现为正常—弱负异常特征（图 6）；在（Th/Nb）PM－（La/Nb）PM图解（图 11）上，数据点均集中于玄武岩区范围内，且靠近原始地幔区域（PM）. 以上特征均表明，西天纤维用玄武岩矿床的玄武岩矿石岩浆源自地幔且基本未受大陆地壳混染.
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图 11 西天玄武岩原始地幔Th/Nb－La/Nb图解（底图据文献[11]） Fig.11 The primitive mantle Th/Nb-La/Nb diagram of Xitian basalts (After Reference [11]) 1—原始地幔（primitive mantle）；2—洋岛型玄武岩（ocean island basalt）；3—正常型洋中脊玄武岩（normal mid-ocean ridge basalt）；4—富集型洋中脊玄武岩（enriched mid-ocean ridge basalt）；5—西天玄武岩（Xitian basalt）；LC—下地壳（lower crust）；MC—中地壳（mid-crust）；UC—上地壳（upper crust） |
前人研究表明，TiO2的含量通常能够指示成岩物质的源区，由地壳岩石部分熔融形成的岩浆TiO2含量平均约为0.72%，而演化来源于软流圈的岩浆TiO2含量平均约1.27%，与深部地幔物质活动有关的岩浆的TiO2含量通常大于2.0% [24]. 西天玄武岩矿床玄武岩矿石的TiO2含量为2.95%~3.58%，平均3.11%，反映其形成很可能与深部地幔活动有关. 此外，西天玄武岩的Nb（39.38×10－6~51.65×10－6）、Zr（336.37×10－6~413.24×10－6）含量接近于OIB型玄武岩的Nb（48×10－6）和Zr（280×10－6）含量，球粒陨石标准化REE配分模式图与原始地幔标准化微量元素比值蛛网图也与OIB型玄武岩相似（图 5、6），表明西天玄武岩岩浆演化来源于OIB型地幔源区. 在La/Nb－La判别图解（图 12）上，西天纤维用玄武岩矿床的玄武岩矿石均落在OIB型玄武岩区，与区域上云南昭通[25]、贵州地区[26]和广西西部地区[27]玄武岩特征相似，指示形成玄武岩的岩浆来自OIB型地幔源区.
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图 12 西天玄武岩矿石La/Nb－La源区判别图解（底图据文献[22]） Fig.12 The La/Nb-La source discrimination diagram of Xitian basalts (After Reference [22]) MORB—洋中脊玄武岩（mid-ocean ridge basalt）；IAB—岛弧玄武岩（island-arc basalt）；OIB—洋岛玄武岩（ocean island basalt）；1—云南昭通地区玄武岩（据文献[25]）（Zhaotong basalt，from Reference [25]）；2—贵州地区玄武岩（据文献[26]）（Guizhou basalt，from Reference [26]）；3—广西地区玄武岩（据文献[27]）（Guangxi basalt，from Reference [27]）；4—西天玄武岩（Xitian basalt） |
二叠系峨眉山玄武岩及其伴生的镁铁质－超镁铁质侵入岩在中国西南地区大面积出露，构成了峨眉山大火成岩省（ELIP）. 目前绝大多数学者认为该大火成岩省的形成与地幔柱活动密切相关[4-5, 7-10, 12, 28-30]. 前人依据ELIP玄武岩的Ti含量和Ti/Y比值，将其划分为高Ti和低Ti两个系列[7]；依据生物地层学、沉积地层学和地球化学，又将ELIP玄武岩细分为内带、中带和外带[5]，从内带到外带，具有Ti含量逐渐增加的特征[29]，其中外带玄武岩为岩性单一的高Ti玄武岩[8]. 西天玄武岩具有典型的高Ti含量特征，表明其应分布于ELIP溢流玄武岩外带. 空间上广安西天玄武岩位于峨眉山玄武岩喷发中心的东部，表明西天玄武岩应为ELIP的东缘外带.
前人研究认为，高Ti玄武岩是地幔柱活动相对较弱的阶段，特别是在地幔柱活动中心的边缘地带岩石圈较厚、熔融程度相对较低的条件下形成的[7]. 广安西天高Ti玄武岩空间上位于ELIP东缘外带，远离峨眉山地幔柱头部，位于边缘地区，岩石圈较厚且温度较低，部分熔融程度小，因而其应当是地慢热柱边缘低程度部分熔融的产物.
5 结论四川省广安市邻水西天纤维用玄武岩矿床为超大型玄武岩矿床. 玄武岩矿石为高钛、高钾钙碱性－碱性玄武岩，形成于板内环境，岩浆未受到地壳物质混染，为地幔热柱边缘低程度部分熔融成因产物，是峨眉山玄武岩的东缘外带组成部分.
相关生产企业纤维用玄武岩矿石选矿过程中，应选择均质、细粒、无大的斑晶，没有石英、玉髓、碎石及外来杂质的柱状节理玄武岩、块状玄武岩和气孔状玄武岩矿石.
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