矿物岩石地球化学通报  2015, Vol. 34 Issue (6): 1223-1230   PDF    
京西潭柘寺地区红庙岭组叶蜡石矿物学特征及成因
梁鹏, 刘钦甫 , 何广武    
中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
摘要: 为探讨潭柘寺地区叶蜡石成因,利用偏光显微镜、X射线衍射分析(XRD)、红外光谱(IR)分析、扫描电镜分析、X射线荧光光谱分析等技术对京西潭柘寺地区红庙岭组叶蜡石特征进行了研究.结果表明,叶蜡石高度有序,偏光镜下呈鳞片状集合体;共生矿物有硬水铝石、硬绿泥石、高岭石、伊/蒙间层矿物和钠云母,形成温度在300℃左右,为极低级变质作用产物,推断其成因可能是由富铝黏土岩在埋藏压力及构造应力下经热液作用蚀变形成.
关键词: 叶蜡石     变质作用     矿物学特征     京西    
Mineralogical Characteristics and Genesis of Pyrophyllite from the Hongmiaoling Formation in Tanzhesi Region, Western Beijing, China
LIANG Peng, LIU Qin-fu , HE Guang-wu    
School of Geosciences & Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China
Abstract: In order to discuss genesis of pyrophyllite from the Hongmiaoling Formation in Tanzhesi region, Western Beijing, China, polarized microscope, X-ray diffraction(XRD), infrared spectroscopy(IR), scanning electron microscope(SEM), and X-Ray Fluorescence(XRF)have been used to study mineralogical features of pyrophyllite in this paper. The pyrophyllite is observed as highly ordered and scale-like aggregates under polarized microscope. It is associated with diasporite, chloritoid, kaolinite, illite-smectite interlayered minerals, and paragonite which were low grade metamorphic products formed at about 300℃. It is believed that the pyrophyllite was formed from the aluminum-rich clay rocks through hydrothermal alteration under the buried pressure and tectonic stress.
Key words: pyrophyllite     metamorphism     mineralogical characteristics     Western Beijing    

叶蜡石作为一种重要的工业矿物,由于其在高温下具有卓越的机械和力学性能,在陶瓷、防火材料和水泥工业等工业部门具有广泛的应用。世界主要生产叶蜡石的国家有美国、韩国、中国、巴西和印度。日本的叶蜡石矿通常是酸性火山岩(如流纹岩,英安岩)或变质火山岩被风化或者受到热液蚀变作用转变形成(Fuji,1983)。在韩国,叶蜡石成因主要为中性或酸性火山岩和凝灰岩通过热液蚀变作用形成(Sang,1983)。在中国,叶蜡石矿床主要分布在东南沿海中生代火山岩区,其成因也多与火山作用相关。

作为北京地区较有特色的一种矿产,中国的地质矿产与材料研究人员对京西叶蜡石矿已进行过较为详细的研究。早在1977年陶知耻就对赵家台叶蜡石的品种类型和矿物相变做了详细的研究,并分析了其对合成金刚石的影响,往后大部分学者对京西叶蜡石的研究多集中在其作为合成金刚石的传压介质的研究上(李达明等,1978高德生,1994李蘅等,2004)。而在叶蜡石成因方面,何英才(1986)提出京西叶蜡石矿床是埋藏变质作用形成,但对叶蜡石矿物的矿物学特征和成因没有做详细的分析,除此外,关于京西叶蜡石成因的研究未见报道。本文应用偏光显微镜、X粉晶衍射、红外光谱、扫描电镜、X射线荧光光谱分析等方法对京西叶蜡石矿石及围岩进行了深入的研究并探讨了叶蜡石成因。

1 区域地质背景

研究区位于北京西山地区东南侧,九龙山向斜南翼。地层出露从中奥陶统马家沟组至下侏罗统南大岭组火山岩。自早二叠世山西组后,海水退出本区,沉积环境转化为陆相,中二叠世后气候变的干旱。红庙岭组砂岩和泥岩总体上呈现红色,底部为肉红色石英砂岩,常含细砾,中部为由砂岩至泥岩的多个沉积旋回,顶部为含叶蜡石泥岩。上覆地层为双泉组紫红色石英粗砂岩,下伏地层为下石盒子组砾岩。

研究样品采自潭柘寺东山剖面及赵家台叶蜡石矿区,潭柘寺东山剖面采集样品数2个(T22和T23),赵家台叶蜡石厂采集不同颜色叶蜡石矿石2个(Y1和Y2),围岩4个(Y3、Y4、Y5、Y6),从开采剖面采集围岩3个(P1、P2、P3),所处层位为红庙岭组中部(T22)、顶部(T23、P1、P2)及双泉组底部(P3)。

2 矿物学特征分析 2.1 镜下特征分析

偏光显微镜下观察,叶蜡石矿石主要矿物为叶蜡石、石英、硬水铝石、硬绿泥石及赤铁矿等。叶蜡石单偏光下无色,正低突起,呈鳞片状、针状集合体。正交偏光下干涉色可达3级顶部(图 3),近平行消光,正延性,长径一般小于0.08mm。图 3a为砂岩孔隙中的叶蜡石,呈“黏土桥”垂直颗粒定向排列生长,笔者认为是受到应力作用的结果。石英在正交光下一级黄白干涉色,可见波状消光。硬绿泥石在薄片中呈长柱状,单偏光下浅黄色,正交光下有一级灰干涉色,发育接触双晶,呈束状集合体。硬水铝石干涉色三级,其集合体呈颗粒状赤铁矿在光学显微镜下为黑色不透明物质,因矿物边缘薄的地方呈现红色而可以与黄铁矿等矿物区别出来,含有赤铁矿的缘故导致原岩外表呈红色。

图 1 潭柘寺地区区域地质略图 Fig. 1 Geological structural sketch map of Tanzhesi area

图 2 潭柘寺地区红庙岭组和双泉组地层柱状图 Fig. 2 The stratigraphic column in Hongmiaoling Formation-Shuangquan Formation of Tanzhesi

图 3 叶蜡石及共生矿物偏光显微镜下特征 Fig. 3 Polarizational microscope photos of pyrophyllite Qt-石英,Py-叶蜡石,Hem-赤铁矿,Cld硬绿泥石,Dsp硬水铝石;(a)砂岩孔隙中的叶蜡石,定向排列,T22; (b)叶蜡石泥岩;(c)硬绿泥石,Y2;(d)硬水铝石
2.2 XRD分析

样品的XRD分析测试在中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室完成,采用日本理学公司生产的Rigaku D/MAX 2500 PC型全自动粉末X射线衍射仪,其测定条件:Cu靶;电压: 40kV;电流:100mA;扫描速度4(°)/min,基于XRD测试结果对样品进行半定量分析,结果见表 1

表 1 样品的全岩矿物组成及含量 Table 1 The mineral composition and concentration for whole-rock samples (%)
2.2.1 样品全岩分析

全岩分析结果显示,主要矿物为石英、硬水铝石及黏土矿物,部分样品含硬绿泥石、赤铁矿和少量菱铁矿。

在偏光显微镜下笔者在大部分样品中都发现了硬绿泥石这种矿物(图 3c),由于含量比较少,在X射线下衍射峰很弱,而硬绿泥石主衍射峰在0.445nm的位置(图 4),与二八面体黏土矿物的峰重合,难以区分开来,所以只计算了硬绿泥石含量较高的样品Y5中硬绿泥石的含量。从表中可以看到,赵家台叶蜡石矿区采的样品中都具有很高的黏土矿物含量,除Y3,Y5和P3这3个样品外石英含量很少或者不含石英。P3与P2层位相邻但矿物组合却相差很大,主要表现在P3黏土矿物的减少和石英含量的增加。于潭柘寺东山采的样品T22和T23均有较高的石英含量。研究区叶蜡石以单斜叶蜡石(2M型)为主,三斜叶蜡石(即1Tc型)少见。

图 4 样品XRD全岩谱图 Fig. 4 The X-ray diffraction spectrum for whole-rock samples I/S-伊/蒙间层矿物;It-伊利石;Py-叶蜡石;Ch-磁绿泥石;Dsp-硬水铝石;Cl-硬绿泥石 图4 样品XRD全岩谱图
2.2.2 样品黏土分析

将样品制成悬浮液,用沉降法提取粒径小于2μm的颗粒进行黏土矿物分析。将提取出的悬浮液离心滴在玻璃片上制成自然定向片(N片),对已制好的自然定向片放入装有乙二醇的干燥器上部在45℃进行饱和得到乙二醇饱和片(E片),再将E片在450℃下恒温加热2h制成加热片(T片)。黏土分析扫描条件为:扫描速度2(°)/min; 测试角度N片和T片,=2.5°~15°,E片2θ=2.5°~30°。通过不同样品上测到的不同峰的面积,用绝热方程式算出黏土矿物的相对含量见表 2

表 2 样品的黏土矿物组成及相对含量 Table 2 The clay mineral composition and relative concentration of the samples

研究区黏土矿物分析表明,黏土矿物主要由叶蜡石、伊利石、伊/蒙间层矿物及磁绿泥石等组成,部分矿物含高岭石、钠云母和少量绿泥石。表中数据显示几个叶蜡石矿石样品在黏土矿物成分上有明显的差别,叶蜡石含量最高的是Y1和Y2两个样品,Y3与Y4具有相似的矿物组成,主要黏土矿物为伊利石、伊蒙间层矿物和钠云母,叶蜡石含量很少。Y4、Y6两个样品与P1、P2黏土矿物组合相似,主要特征是磁绿泥石含量较高。结合全岩数据分析叶蜡石含量高的样品都伴随着较多的硬水铝石,磁绿泥石含量较高的样品都含有少量的菱铁矿。

从黏土分析的X射线谱图中发现伊/蒙间层在1.7nm处没有衍射峰,间层比(S%)为45%,按Srodon(1984)陈洪起(1991)等的划分,为有序间层。(001)峰在N片上峰值为2.445nm,经饱和后膨胀到2.7nm,与累托石的X射线衍射图谱类似,但在E片上(001)峰的衍射强度达不到10级,计算其间层比为45%,根据Bailey(1982)提出的规则间层黏土矿物种名使用准则,该伊/蒙间层是不规则间层矿物,不能定为累托石,属于伊/蒙不规则有序间层矿物,赵杏媛和张宝收(2007)称之为“似累脱石”。

图 5 样品黏土矿物XRD分析谱图 Fig. 5 The X-ray diffraction spectrum for clay mineral of the samples I/S-伊/蒙间层矿物;It-伊利石;Py-叶蜡石;Ch-磁绿泥石

表 3 样品常量元素特征 Table 3 Major elements of the samples
2.3 化学组成

利用X射线荧光光谱分析对样品常量元素的组成进行了分析,并与火山蚀变型叶蜡石和叶蜡石理论成分进行了比较。样品中含量最高的为SiO2,含量在60%左右,其次为Al2O3,含量在30%左右,其他元素氧化物含量都比较低,大多不超过2%。与理论值相比较,SiO2的含量偏低而Al2O3的含量偏高,这是样品中含高岭石和硬水铝石的缘故。与火山蚀变型叶蜡石矿相比,Fe、Ti元素含量较高,而且含有少量的Na元素。Fe元素主要赋存在磁绿泥石及硬绿泥石中,Na2O的出现与样品中含的少量钠云母有关,样品中含有较高的TiO2含量与赋存于叶蜡石泥岩中的少量锐钛矿有关。

2.4 扫描电镜分析

电镜下叶蜡石呈片状或鳞片状,其片层厚度小于1μm,片层大小尺寸不一。 轮廓清晰,为尖角状,形状不规则。

为了了解叶蜡石的化学元素组成,结合XRD数据,选取黏土矿物成分比较单一的样品Y2(矿物组成为叶蜡石87%、高岭石13%),对样品进行黏土分离后对黏土组分进行了元素点分析,结果如表 4所示:3号和4号点呈现相似的元素含量,5号、6号和1号3个点具有相似的元素组成。

图 6 叶蜡石扫描电镜特征 Fig. 6 SEM features of pyrophyllite

表 4 能谱元素点分析结果 Table 4 EDX-Pointing results

5、6和1号点的Si/Al原子摩尔比接近2,O/Al原子摩尔比接近6,高于高岭石,与叶蜡石标准卡片相符合,笔者认为是叶蜡石,其化学式为Al2Si4O10(OH)2,与叶蜡石标准卡片一致。3号和4号点位的Si/Al原子摩尔比接近1.5,与高岭石相比偏高,比叶蜡石低,笔者认为这是在3、4号点的微区内有叶蜡石与高岭石共存的缘故,同时笔者认为叶蜡石与高岭石存在着相互交代蚀变的关系,没有蚀变完全,故元素含量特征上呈现过渡现象。

2.5 红外光谱分析

红外吸收光谱法是一种普遍适用于地质矿物的结构分析的快速、经济方法。采用美国Thermofisher生产的Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对样品进行官能团分析,测试条件:扫描次数32,分辨率4cm-1,扫描范围4000~600cm-1,光栏大小100 kBr压片。

叶蜡石的红外谱图有羟基振动和晶格振动两种基本振动形式(Farmer,1968陈大梅等,1991)3700~3600cm-1范围内的吸收峰为OH伸缩振动引起的,据赵杏媛和张有瑜(1990)的研究,3620cm-1附近的吸收带为黏土矿物内部OH振动引起,3700cm-1的吸收带为外OH引起。叶蜡石为2︰1层型黏土矿物,3670cm-1波段的振动归属为叶蜡石内OH的伸缩振动,峰对称性好,是叶蜡石高度有序的结果。在3620cm-1和3690cm-1出现有2个吸收峰,这是由于样品中含1︰1层型黏土矿物高岭石的缘故。在中频区,Si-O伸缩振动有1120cm-1,1066cm-1和1049cm-1 3个强吸收峰,在1066cm-1和1049cm-1分裂成了2个峰,而随着叶蜡石含量的降低,如T22样品,又重新恢复成1072一个吸收峰。949cm-1的峰属于叶蜡石Al—(OH)面内弯曲振动谱,827cm-1、804cm-1属于叶蜡石Al—(OH)面外弯曲振动谱。高岭石的吸收谱出现的较少,这是高岭石含量较低的缘故。

3 叶蜡石成因简析

叶蜡石属于极低级变质矿物,据Merriman和Peacor(1999)的划分叶蜡石属于极低级变质带的高级近变带。叶蜡石矿的分布很广,在热液作用、区域变质作用和埋藏变质作用下都能形成。

图 7 4、5号点扫描电镜特征及能谱点分析结果 Fig. 7 The SEM features and EDX-Pointing sesults of point 4 and 5

表 5 样品红外特征数据对比 Table 5 The data comparison of the infrared characteristics of the samples

本区石炭-二叠纪时总的沉积环境是由滨海平原向内陆河湖发展,到晚二叠世红庙岭组时期已经是河流湖泊沉积相占主导地位,发育了一套从石炭系上统到二叠系上统双泉组的一整套泥质粉砂岩、细砂岩、砾岩等的沉积岩系,叶蜡石主要出现在二叠系上统红庙岭组中。在偏光显微镜下发现有粪球粒(图 9a),椭圆状,由于有机质含量高而不透明。粪球粒是生物活动的证据,代表着相对平静的沉积环境;样品中发现有少量菱铁矿,说明是在还原环境下沉积的。叶蜡石矿层为一层泥岩,说明沉积物以泥质为主。对比湖泊沉积的特点,沉积物的水平分布为,自湖滨至湖心,颗粒由粗变细呈环状排列,在湖心一般为泥质或粉砂质沉积物,湖心的水动力一般较弱,且由于长期淹没于水下,一直处于还原状态,这与研究区的特征相符,故本区叶蜡石泥岩沉积环境为湖相沉积。

图 8 叶蜡石样品红外图谱 Fig. 8 The infrared spectrum of the samples

图 9 叶蜡石泥岩中的粪球粒(a)和自生石英(b) Fig. 9 The fecal pellet (a) and authigenic quartz (b) in pyrophyllite mudstone

通过偏光显微镜下观察,叶蜡石鳞片状呈定向排列(图 3a),且石英有波状消光现象,在野外观察露头时发现T22样品所在的层位岩层因受到挤压而发生变形,在矿物组成上发现有硬绿泥石和似累脱石的共生,黄杜斌和管新邦(2012)认为潭柘寺地区硬绿泥石是应力作用产物,硬绿泥石与钠云母共生,形成温度在350~500℃。Zen的合成条件表明,至少必须有1~2kb的压力才能对规则堆垛序列产生一些影响,这说明研究区受到过应力作用。

XRD结果显示赵家台叶蜡石矿石及矿层顶部围岩都具有很高的黏土矿物含量,与潭柘寺剖面采集的样品不同,笔者认为这是因为沉积时赵家台位于湖中心位置而潭柘寺东山剖面位于湖的边缘的缘故。Lijima等(1982)认为磁绿泥石是在还原条件下由菱铁矿和高岭石反应形成。笔者认为赵家台叶蜡石矿层在沉积早期沉积物以高岭石为主,位于湖心湖心位置而碎屑矿物很少,沉积作用后期沉积物或湖水中铁含量增高形成菱铁矿与高岭石反应形成磁绿泥石。

研究区叶蜡石矿体呈似层状、透镜状产出,厚度自0.5~5m,最厚达15m,顶板为黏土岩和紫红色黏土质粉砂岩。江苏丹徒、贵州赫章的叶蜡石与研究区的叶蜡石特征比较相似,都是出现在沉积岩中,主要矿物为硬水铝石、叶蜡石与高岭石,混合的非常均匀,呈致密块状,土状光泽,不同的是丹徒、赫章的叶蜡石以1Tc(三斜)型叶蜡石为主,谭泽寺地区叶蜡石以2M(单斜)型叶蜡石为主,而且谭泽寺地区的叶蜡石在矿物组成上比较复杂,叶蜡石矿物还与硬绿泥石、钠云母、似累托石等矿物共生。方邺森等(1983)认为江苏丹徒十里长山的叶蜡石是由高岭石族矿物在富硅溶液下蚀变而成,刘功欧(1991)等认为贵州赫章长冲的叶蜡石矿产是含黏土质粉砂岩在成岩后期,经地下热水溶液交代改造而成。Hemley等(1980)通过实验证明在二氧化硅饱和的情况下,高岭石、叶蜡石和石英可以共存的温度约为270℃,其反应式为2SiO2+Al4(Si4O10)(OH)8=2Al2(Si4O10)(OH)2+H2O,在300±10℃形成高岭石-叶蜡石-硬水铝石的稳定矿物相,在337±10℃形成叶蜡石-红柱石-硬水铝石的稳定矿物相。洛尔(1935)的合成实验也表明高岭石与叶蜡石可以互相转换,认为叶蜡石是在和高岭石同样的条件下,但温度比较高时形成的。偏光显微镜下硬水铝石、叶蜡石与高岭石混合的非常均匀,能谱分析结果也显示出研究区叶蜡石与高岭石相互交代的现象,笔者认为研究区叶蜡石主要是由高岭石蚀变而成。

笔者发现在叶蜡石矿层的顶部双泉组砂岩中似累托石出现的比较多,似累托石一般是热液作用的产物(赵杏媛和张宝收,2007),显微镜下发现有自生石英的出现(图 9b),矿层顶板发现有大量石英晶体,故笔者推断,叶蜡石的形成是在成岩作用后期,地表水顺着小的构造裂隙和砂岩的孔隙往下渗透,受到地热作用温度逐渐上升,在渗透过程中长石等硅酸盐矿物被蚀变析出大量的游离SiO2分散在热液中,混层类矿物被蚀变成似累托石。在热液到达高岭石沉积层的时候,由于孔隙度的下降导致大量热液停留在矿层顶板,冷凝后导致了大量石英晶体的出现,在砂岩空隙中冷却结晶形成自生石英。在富硅热液的作用下,高岭石变成了叶蜡石。

北京西山在燕山期受到了强烈的构造运动,构造运动引发的岩浆侵入、火山爆发作用使得京西在这个时代形成了大量有价值的矿产资源。研究区叶蜡石与硬绿泥石共生,Nemecz(1984)研究表明,在2.35×108Pa的压力下,三斜(1Tc)开始向单斜(2M)转变,并在6.47×108Pa的压力下完成这种变化。笔者认为研究区叶蜡石在燕山期受到的构造应力是导致与丹徒、赫章的叶蜡石多型不同的主要原因。

4 结论

(1)潭柘寺地区叶蜡石主要分布在二叠系上统红庙岭组顶部黏土岩中,含量在18.9%~88.5%,主要为单斜(2M型)叶蜡石,沉积环境为湖泊。

(2)研究区叶蜡石矿物共生组合复杂,与高岭石、石英、硬水铝石、磁绿泥石、硬绿泥石、伊利石、伊/蒙间层矿物、钠云母、似累托石矿物共生在一起,反映出复杂的成矿地质作用。

(3)叶蜡石是红庙岭组黏土岩在热液作用下由高岭石族矿物通过富硅溶液转变而来,形成温度在300℃左右。叶蜡石形成过程中受到的埋藏应力与构造应力为反应提供了合适的压力和温度条件。

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