2010 年 12 月, 第 16 卷, 第 4 期,426-435 页 December 2010,Vol. 16, No.4, p. 426-435 高校地质学报 Geological Journal of China Universities 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 * 张晔, 陈培荣 ( 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室, 地球科学与工程学院, 南京 210093) 摘要 : 对美国北卡罗来纳州 Spruce Pine 地区白岗岩 / 伟晶岩和新疆阿尔泰白云母花岗岩 / 伟晶岩进行了对比研究 这两个地区的伟晶岩可能是过铝质花岗岩浆通过熔体 - 蒸汽分异作用的产物 美国产高纯石英的伟晶岩发育在片岩 片麻岩的背景之上, 主要造岩矿物中富含斜长石,Na 大于 K, 大离子亲石元素 Sr 和 Ba 含量高, 高场强元素和稀土元素含量低,Eu 正异常, 石英中杂质元素含量低 这些特征可作为高纯石英伟晶岩的判别标志 我国阿尔泰地区的伟晶岩脉十分发育, 所研究的样品中, 有些样品已经具有这些特点, 阿尔泰伟晶岩区具有产高纯石英的成矿前景 关键词 : 伟晶岩 ; 高纯石英 ; Spruce Pine; 阿尔泰中图分类号 :P588;P578.4 + 94 文献标识码 :A 文章编号 : 1006-7493(2010)04-0426-10 Characteristics of Granitic Pegmatite with High-Purity Quartz in Spruce Pine Region, USA and Altay Region of Xinjiang, China ZHANG Ye CHEN Pei-rong State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China Abstract: The alaskites/pegmatites from the Spruce Pine region of USA and the muscovite granites/pegmatites from the Altay region of Xinjiang, China, were comparatively studied. The pegmatites from both regions might be melt-vapor differentiation products of the peraluminous granitic magmas. The pegmatites from the Spruce Pine region with high-purity quartz were developed on the schist or gneiss background, whose major rock-forming minerals are rich in plagioclase, showing high Na/K ratios, high large-ion lithophile elements Sr and Ba contents, low high-field strength and rare earth elements contents, positive Eu anomalies, and low impurity elements contents in quartz. All these characteristics can be used as the discrimination criteria of high-purity quartz pegmatities. The Altay region of Xinjiang is abundant of pegmatites, and some samples studied showed the features which evidenced that the Altay pegmatite region has a perspective to find the gualified pegmatites with high-purity quartz. Key words: pegmatite; high-purtity quartz; Spruce Pine; Altay 我国半导体 太阳能光伏 新型高效电光源等高技术行业使用的高纯石英玻璃, 其原料高纯石英砂长期以来一直依赖从国外进口 价格昂贵 (5~6 万元 / 吨 ), 严重地制约了这些行业的健康发 展 美国高纯石英砂的原矿为花岗质伟晶岩 ( 曾称为白岗岩 ), 产自北卡罗来纳州 Spruce Pine 地区 该区的伟晶岩最初的工业价值是用 收稿日期 :2010-03-25; 修回日期 :2010-10-08 基金项目 : 江苏省科技成果转化专项资金项目 (BA2005038) 作者简介 : 张晔, 女,1985 生, 硕士研究生, 主要从事石英材料和花岗岩岩石学研究 ; * 通讯作者 : 陈培荣, 教授, 博导, 主要从事石英材料和铀矿地质学研究 ;E-mail: prchen@nju.edu.cn
4 期 张晔等 : 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 427 来生产长石和白云母, 石英是尾矿中的废弃物 (Broadhurst,1954) 在上世纪 70 年代, 由于石英玻璃原料 水晶的日渐枯竭, 寻找可替代水晶的天然石英成为当时许多国家急需攻克的国家目标 在此背景下, 经过改进浮选技术, 利用花岗质伟晶岩中的石英替代了水晶, 生产出了高纯石英砂, 直到今天美国仍然垄断着国际高纯石英砂市场 ( 申士富,2006) 我国新疆阿尔泰地区是世界闻名的花岗伟晶岩集中区 在长达 413 km, 宽 20~60 km 的变质岩区带内, 出露各类花岗伟晶岩脉数万条, 形成十余个伟晶岩密集区 ( 新疆维吾尔自治区区域地质志,1993) 本项研究试图通过对新疆库卫和青河两地一些花岗伟晶岩样品的分析, 从地质背景 矿物岩石学和地球化学特征等方面, 与美国 Spruce Pine 地区的产高纯石英的伟晶岩对比, 进而评价阿尔泰地区伟晶岩中高纯石英资源的前景 1 地质背景 美国产高纯石英的花岗质伟晶岩, 位于北卡罗来纳州西部,Blue Ridge 省的 Avery Mithell 和 Yancey 县的 Spruce Pine 伟晶岩地区 ( 图 1), 伟晶岩带长 40 km, 宽 16 km 在 Spruce Pine 地区, 最丰富的岩石是前寒武纪的云母和角闪石片麻岩 片岩, 含有少量的白云石大理岩 这些岩石相继被前寒武纪的小岩体纯橄榄岩 早古生代 ( 可能是晚奥陶世或者早志留世 ) 的白岗岩和相关的伟晶岩 三叠纪玄武岩和辉绿岩岩脉和岩床侵入 这些岩石的风化作用十分强烈, 在一些地方被风化成厚达 15 m 的腐泥土, 一些白岗岩和伟晶岩被风化形成了有经济价值的高岭土矿床 (Brobst,1962) 我国新疆库卫伟晶岩区位于阿尔泰富蕴县境内 该区出露的地层主要为中 - 上奥陶统哈巴河群上亚群 (O 2-3 hb c ), 岩性主要为二云母微斜长石豆状混合岩 条痕状混合岩 石英片岩 ( 图 2) 在变质岩中伟晶岩脉十分发育, 富含白云母, 形成时代为海西期和印支期 ( 王登红等,2004) 海西期的其他侵入岩有辉长苏长岩 辉长辉绿岩 黑云母混合花岗岩 片麻状二云母花岗岩等 燕山期侵入岩的岩性主要为硅线石二云母混合花岗岩 二云母花岗岩等 ( 新疆维吾尔自治区地质局,1979; 刘伟,1990) N 1, 第三纪和白垩纪沉积岩 ;2, 三叠纪岩石 ;3, 阿巴拉契亚高原岩石 ;4, 卡罗莱纳板岩带的古生代岩石 ; 5, 盆岭区褶皱岩层 ;6, 超基性岩石 ;7, 变质深成岩省的变质岩和火成岩 1, Tertiary and Cretaceous sedimentary rocks; 2, Triassic rocks; 3, Rocks of the Appalachian Plateau; 4, Rocks of Paleozoic age in the Carolina slate belt; 5, Folded rocks of the Valley and Ridge Province; 6, Ultramafic rocks; 7, Metamorphic and igneous rocks of the metamorphic plutonic province. 图 1 美国 Spruce Pine 地区地质简图 Fig. 1 Schematic geological map of the Spruce Pine region, USA
428 高校地质学报 1 6 卷 4 期 1, 奥陶系哈巴河群上亚群混合岩 片岩 ; 2, 海西期黑云母混合花岗岩 ;3, 海西期红色中细粒黑云母花岗岩 ;4, 海西期斜长角闪岩 角闪岩 辉长苏长岩 辉长辉绿岩 ;5, 燕山期二云母花岗岩 二云母混合花岗岩 ; 6, 第四系砂土 砾石 ;7, 伟晶岩脉 ; 8, 断裂构造 1, Ordovician migmatite, schist; 2, Hercynian biotite migmatitic granite; 3, Hercynian red medium-fine grained biotite granite; 4, Hercynian plagioclase amphibolite, amphibolite, gabbro-norite, gabbro-diabase; 5, Yanshanian two-mica granite, two-mica migmatitic granite; 6, Quaternary sand, gravel; 7, Pegmatite vein; 8, Tectonic fractures Fig. 2 青河伟晶岩区位于新疆阿尔泰青河县境内 ( 图 3) 调查区出露的地层主要为中 - 上奥陶统 哈巴河群 (O 2-3 hb), 岩性为一套复杂的中深度变 质的片岩 片麻岩 混合岩 变粒岩 千枚岩 变质砂岩, 在其上下亚群均分布有大量的伟晶岩 脉, 富含白云母, 形成于加里东期 ( 王登红等, 2004) 海西期中粒闪长岩侵入于中上奥陶统哈 巴河群下亚群 (O 2-3 hb a ) 之石榴子石片麻岩 条带 状混合岩之中 在青格里河沿岸地面均覆盖着第 四纪岩块 砂砾 砂土等 ( 新疆维吾尔自治区地 质局,1979; 刘伟,1990) 2 样品采集和分析方法 图 2 新疆阿尔泰库卫地区地质简图 Schematic geological map of the Kuwei region, Xinjiang, China 样品分别采自美国北卡罗来纳州 Spruce Pine 地区的白岗岩矿山和中国新疆阿尔泰地区库卫和青河的白云母花岗岩 / 伟晶岩体中 对所采集的样品首先磨制薄片进行岩相学研究, 在此基础上筛选出新鲜的代表性样品进行化学组成分析 考虑到样品的代表性, 一般是选取多块样品组合在一起破碎, 重量 2~3 kg, 然后通过缩分器缩分后, 称重约 100 g 磨细用作化学分析 全岩样品的主要化学组成是在南京大学现代分析中心利用 XRFS 方法分 1, 奥陶系哈巴河群片岩 混合岩 ; 2, 海西期闪长岩 ;3, 第四系粘土 砂土 砾石 ;4, 伟晶岩脉 ;5, 断裂构造 ; 6, 青格里河 1, Ordovician schist, migmatite; 2, Hercynian diorite; 3, Quaternary System clay, sand, gravel; 4, Pegmatite veins; 5, Tectonic fractures; 6, Qinggeli River 图 3 新疆阿尔泰青河地区地质简图 Fig. 3 Schematic geological map of the Qinghe region, Xinjiang, China
4 期 张晔等 : 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 429 析, 微量元素和稀土元素在南京大学内生金属成矿作用国家重点实验室采用 ICP-MS 方法分析, 分析方法已有文献报道 (Qi et al., 2000) 3 矿物岩石学特征 美国 Spruce Pine 地区以 SP-01 和 SP-02 号样品为代表 据 Brobst(1962) 对该地区的地质调查成果 : 白岗岩的平均颗粒大小为 1.3 cm, 伟晶岩岩块不规则地分布在整个白岗岩岩体中, 粒度大于 1.3 cm 按照 Brobst(1962) 的粒度标准,SP-01 和 SP-02 号样品应称其为白岗岩 白岗岩和伟晶岩含有大约 40% 的更长石 25% 石英 20% 微斜长石 ( 一般为条纹长石 ) 和 15% 的白云母 ( 图 4) 最常见的伴生矿物有黑云母 石榴子石 磷灰石 褐帘石 绿帘石 锰黝帘石 黄铁矿和磁黄铁矿 伴生矿物总量不超过 5%(Brobst,1962) 新疆库卫地区以 KW-04 和 KW-08 号样品为代 表 KW-04 号样品为伟晶状含石榴子石白云母花岗岩, 平均粒度大于 1 cm 主要矿物成分大约为 70% 碱性长石 25% 石英 5% 石榴子石和少量细粒白云母, 长石绝大多数为钠长石, 呈聚片双晶, 另外可见少量的反条纹长石 ( 图 5a) KW-08 号样品是伟晶状白云母花岗岩, 平均粒度大于 1 cm, 主要矿物成分大约为 60% 碱性长石 20% 石英和 20% 白云母, 以含大片状白云母为特征 碱性长石以微斜长石为主, 多数呈格子双晶, 另外可见一些条纹长石 ; 少量为钠长石, 呈聚片双晶 ( 图 5b) 新疆青河地区以 QH-01,QH-06-1 和 QH-08 号样品为代表 QH-01 样品为花岗质伟晶岩, 主要矿物成分大约为 60% 碱性长石 40% 石英和少量鳞片状白云母 碱性长石主要为呈格子双晶的微斜长石, 少量是呈聚片双晶的钠长石, 长石和石英经常构成文象结构 QH-06-1 为中粒白云母花岗岩, 主要矿物组成大约为 60% 碱性长石 20% 石英 a Ms, 白云母 (muscovite); Kf, 钾长石 (k-feldspar); Ab, 钠长石 (albite); Bi, 黑云母 (biotite); Q, 石英 (quartz) 图 4 SP-02 样品薄片显微照片 Fig. 4 Microscopic pictures of the thin sections of sample SP-02, crossed Nicols b Fig. 5 a b Ms, 白云母 (muscovite); Ab, 钠长石 (albite); Kf, 钾长石 (k-feldspar); Q, 石英 (quartz) 图 5 KW-04 和 KW-08 样品薄片显微照片 Microscopic pictures of the thin sections of sample KW-04(a) and sample KW-08(b), crossed Nicols
430 高校地质学报 1 6 卷 4 期 20% 白云母, 含少量副矿物石榴子石和电气石 碱性长石以钠长石为主, 呈聚片双晶, 少量为微斜长石, 呈格子双晶 ( 图 6a) QH-08 号样品为中粗粒含电气石白云母花岗岩, 主要矿物成分大约为 55% 碱性长石 30% 石英和 7% 白云母, 普遍含电气石, 达 5% 以上 碱性长石既有呈格子双晶的微斜长石, 颗粒相对较大 ; 又有成聚片双晶的钠长石, 颗粒大小不均 ( 图 6b) 4 岩石地球化学特征 4.1 主量元素地球化学特征代表性样品的分析结果见表 1 Spruce Pine 地区的样品中 SiO 2 含量为 74.50% 和 77.60%;K 2 O+Na 2 O =7.91% 和 7.25%, 钠大于钾,K 2 O/Na 2 O =0.19 和 0.52;Al 2 O 3 =12.95%~15.60%; 铁镁含量相近, 铁略高,FeO T =0.34% 和 0.32%,MgO=0.21% 和 0.19%, CaO=1.54% 和 1.15%; 铝饱和指数 (ACNK) 为 1.05 和 1.03 因此具有亚碱性和弱过铝质的主元素化学特征 ( 图 7), 在图 8 中落于花岗岩区 库卫地区的样品中 S i O 2 含量为 7 2. 4 9 % 和 74.56%;K 2 O+Na 2 O =9.21% 和 8.56%,K 2 O/ N a 2 O = 0. 0 3 和 3. 4 2, 一个富钾, 一个富钠 ; Al 2 O 3 =16.43% 和 14.70%;Fe,Mg,Ca 分别为 FeO T =0.55% 和 0.40%,MgO=0.16% 和 0.25%, CaO=0.53% 和 0.42%; 铝饱和指数 (ACNK) 为 1.03 和 1.32 因此具有亚碱性和弱到强过铝质的岩石化学特征 ( 图 7), 在图 8 中落于花岗岩区 青河地区的样品中 SiO 2 含量为 73.89%,79.29% 和 75.28%;K 2 O+Na 2 O =11.19%,5.44% 和 9.10%; K 2 O/Na 2 O=2.98,0.34 和 1.14, 一个富钠, 两个富钾 ;Al 2 O 3 =14.30,11.74 和 14.40%;Fe,Mg,Ca 分别为 FeO T =0.06%,0.83% 和 0.25%,MgO=0.14%, 0.26% 和 0.24%;CaO=0.09%, 0.52% 和 0.45%; 铝饱和指数 (ACNK) 为 1.03,1.29 和 1.10 因此 Fig. 6 a Ms, 白云母 (Muscovite); Kf, 钾长石 (K-Feldspar); Ab, 钠长石 (Albite); Q, 石英 (Quartz) 图 6 QH-06-1(a),QH-08(b) 样品薄片显微照片 Microscopic pictures of the thin sections of sample QH-06-1(a) and sample QH-08(b), crossed Nicols b SP, 美国 Spruce Pine 地区样品 ;KW, 库卫地区样品 ;QH, 清河地区样品 图 7 代表性伟晶岩样品的 (K 2 O+Na 2 O)- SiO 2 和 ANK-ACNK 图解 Fig. 7 (K 2 O+Na 2 O)- SiO 2 plot(after Irvine and Baragar, 1971) and ANK-ACNK plot(after Maniar and Piccoli, 1989) of representative pegmatite samples
4 期 张晔等 : 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 431 Table 1 表 1 代表性伟晶岩样品的化学成分 Chemical compositions of representative pegmatite samples 化学成分 SP-01 SP-02 KW-04 KW-08 QH-01 QH-06-1 QH-08 SiO 2 74.50 77.60 72.49 74.56 73.89 79.29 75.28 TiO 2 0.02 0.02 0.01 0.06 0.01 0.02 0.02 Al 2 O 3 15.60 12.95 16.43 14.70 14.30 11.74 14.40 Fe 2 O 3 0.27 0.15 0.02 0.32 0.01 0.43 0.11 FeO 0.10 0.19 0.53 0.12 0.05 0.44 0.15 FeO T 0.34 0.32 0.55 0.40 0.06 0.83 0.25 MnO 0.02 0.02 0.75 0.01 0.08 0.25 0.04 MgO 0.21 0.19 0.16 0.25 0.14 0.26 0.24 CaO 1.54 1.15 0.53 0.42 0.09 0.52 0.45 Na 2 O 6.62 4.76 8.98 1.93 2.81 4.07 4.26 K 2 O 1.29 2.49 0.23 6.63 8.38 1.37 4.84 P 2 O 5 0.06 0.05 0.11 0.06 0.31 0.21 0.29 烧失量 0.50 0.42 0.48 1.27 0.42 1.06 0.74 总量 100.73 99.99 100.72 100.33 100.49 99.66 100.82 ALK 7.91 7.25 9.21 8.56 11.19 5.44 9.10 K 2 O/Na 2 O 0.19 0.52 0.03 3.42 2.98 0.34 1.14 ANK 1.27 1.23 1.09 1.42 1.04 1.44 1.18 ACNK 1.05 1.03 1.03 1.32 1.03 1.29 1.10 Rb 26.3 60.7 4.0 195 329 54.7 105 Ba 182 981 0.01 324 2.13 4.46 23.8 Sr 219 31 9.87 57.9 3.59 9.89 16.0 ΣLILE 427.3 1072.7 13.88 576.9 334.72 69.05 144.8 Th 1.58 0.92 0.34 0.46 0.83 3.51 0.31 U 1.25 1.48 1.97 0.86 1.43 4.85 0.74 Nb 3.75 2.86 0.19 16.5 0.61 7.28 1.80 Ta 0.28 0.31 0.10 2.59 0.15 1.92 0.42 Zr 30.0 3.1 89.0 42.5 11.6 28.6 7.60 Hf 1.17 0.20 6.43 3.51 0.52 1.71 0.30 Y 5.68 2.80 6.16 0.58 0.59 8.04 1.97 ΣHFSE 43.71 11.67 104.19 67.00 15.73 55.91 13.14 La 3.00 1.66 0.50 0.63 1.04 7.78 0.90 Ce 6.00 5.77 1.18 1.17 2.04 19.1 2.04 Pr 0.68 0.33 0.10 0.09 0.18 1.63 0.17 Nd 2.83 1.29 0.34 0.31 0.76 5.05 0.55 Sm 0.93 0.43 0.14 0.09 0.15 1.51 0.17 Eu 0.42 0.47 0.03 0.36 0.01 0.06 0.04 Gd 1.26 0.55 0.38 0.07 0.14 1.29 0.19 Tb 0.22 0.09 0.16 0.01 0.02 0.28 0.05 Dy 1.25 0.55 1.09 0.08 0.16 1.45 0.32 Ho 0.19 0.09 0.16 0.02 0.03 0.24 0.06 Er 0.48 0.22 0.44 0.06 0.10 0.74 0.23 Tm 0.06 0.03 0.09 0.01 0.01 0.16 0.05 Yb 0.33 0.15 0.70 0.11 0.08 1.43 0.45 Lu 0.05 0.02 0.10 0.02 0.01 0.23 0.07 ΣREE 17.70 11.65 5.41 3.03 4.73 40.95 5.29 LREE/HREE 3.61 5.85 0.73 6.97 7.60 6.04 2.73 δ(eu) 1.19 2.97 0.38 13.5 0.21 0.13 0.68 注 : SP-01 和 SP-02 是美国 Spruce Pine 地区的白岗岩 / 伟晶岩样品 ;KW-04,KW-08 和 QH-01,QH-06-1,QH-08 分别是我国新疆阿尔泰库卫和青河地区的白云母花岗岩 / 伟晶岩样品 ALK = Na 2 O+K 2 O(%),ANK = Al 2 O 3 /(Na 2 O+K 2 O)( 分子数比 ),ACNK = Al 2 O 3 / (CaO+Na 2 O+K 2 O)( 分子数比 ); 元素含量单位 : 主量元素 ( 氧化物 ) 为 %, 微量元素为 10-6
432 高校地质学报 1 6 卷 4 期 QH-08 和 QH-06-1 样品属于亚碱性,QH-01 样品具有 碱性, 它们都有弱到强过铝质的主元素地球化学 特征 ( 图 7) 由于 QH-06-1 中的钾含量较低, 导致 K 2 O+Na 2 O 含量过低, 不能在图 8 中投出, 其它两个 样品均落于花岗岩区 图 8 代表性伟晶岩样品的 (K 2 O+Na 2 O)- SiO 2 岩石化学分类图 ( 据 Middlemost,1994; 图例同图 7) Fig. 8 (K 2 O+Na 2 O)- SiO 2 chemical classification plot of representative pegmatite samples(after Middlemost,1994; symbols as in Fig. 7) 4.2 微量元素地球化学特征 从表 1 中可以看出, 在美国 Spruce Pine 地区, 两个样品的微量元素除了 Zr 和 Ba 有较大差别外, 其他元素差别不大, 它们的原始地幔不相容元素 标准化模式比较接近 ( 图 9) 该地区样品的稀土 元素都存在 Eu 的正异常 ( 图 9),δEu 值分别为 1.19 和 2.97; 稀土总量较低, 分别为 17.70 10-6 和 11.65 10-6 ; 都属于轻稀土元素富集型,LREE/ HREE 为 3.61 和 5.85 SP-02 号样品的第一组 La-Ce- Pr-Nd 和第二组 Pm-Sm-Eu-Gd 具有典型的 M 型稀土 元素四分组效应 ( 赵振华等,1999),SP-01 号样品仅第二组的四分组效应明显 在新疆库卫地区, 样品的微量元素差别较大 ( 表 1, 图 10),KW-08 样品的 Rb,Ba,Sr,Nb, Ta 明显高于 KW-04 样品 它们的稀土元素更是差异明显,KW-04 为重稀土元素富集型,LREE/HREE 为 0.73;Eu 负异常,δEu 值 0.38; 稀土总量为 5.41 10-6 KW-08 样品为轻稀土元素富集型,LREE/ HREE 为 6.97;Eu 正异常,δEu 值 13.5; 稀土总量很低, 仅有 3.03 10-6 KW-04 样品具有典型的 M 型稀土元素四分组效应, 其中第一组 La-Ce-Pr- Nd, 第三组 Gd-Tb-Dy-Ho 和第四组 Er-Tm-Yb-Lu 四分组效应比较明显, 第二组 Pm-Sm-Eu-Gd 因 Eu 亏损而偏离上凸曲线 KW-08 的第二组和第三组的四分组效应明显 青河地区样品的微量元素差别不是十分明显, 在原始地幔不相容元素标准化图解上有相近的变化趋势 ( 图 11), 其差别主要表现在稀土元素上 QH-01 和 QH-06-1 都属于轻稀土元素富集型,LREE/HREE 分别为 7.60 和 6.04; 都有明显的 Eu 负异常,δEu 分别为 0.21 和 0.13; 但是它们的稀土总量有明显差别, 分别为 4.73 10-6 和 40.95 10-6 QH-08 号样品与它们相比有明显不同, 后者相对富集重稀土元素,LREE/HREE 为 2.73; 明显亏损中稀土元素,Eu 负异常不甚明显, 只有 0.68; 稀土总量为 5.29 10-6 QH-06-1 和 QH-08 样品表现出明显的 M 型稀土元素四分组效应, 其中第一组 La-Ce-Pr-Nd, 第三组 Gd-Tb-Dy-Ho 和第四组 Er- Tm-Yb-Lu 四分组效应较明显, 第二组 Pm-Sm-Eu- (a) (b) 图 9 美国 Spruce Pine 伟晶岩样品稀土元素球粒陨石标准化 (a) 和微量元素原始地幔标准化 (b) 图解 ( 球粒陨石数据引自 Taylor 和 Mclennan, 1985); 原始地幔数据引自 Sun 和 McDonough, 1989; 图例同图 7) Fig. 9 Chondrite-normalized REE plot and primitive mantle-normalized trace elements plot of the pegmatite samples of Spruce Pine, USA (Chondrite data are after Tylor et al, 1985; primitive mantle data are after Sun et al, 1989; symbols as in Fig. 7)
4 期 张晔等 : 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 433 (a) (b) 图 10 新疆库卫伟晶岩样品稀土元素球粒陨石标准化 (a) 和微量元素原始地幔标准化 (b) 图解 ( 球粒陨石数据引自 Taylor 和 Mclennan, 1985; 原始地幔数据引自 Sun 和 McDonough, 1989; 图例同图 7) Fig. 10 Chondrite-normalized REE plot and primitive mantle-normalized trace elements plot of the pegmatite samples of Kuwei, Xinjiang, China (Chondrite data are after Tylor and Mclennan, 1985; primitive mantle data are after Sun and McDonough, 1989; symbols as in Fig. 7) (a) (b) 图 11 新疆青河伟晶岩样品稀土元素球粒陨石标准化 (a) 和微量元素原始地幔标准化 (b) 图解 ( 球粒陨石数据引自 Taylor 和 Mclennan, 1985; 原始地幔数据引自 Sun 和 McDonough, 1989; 图例同图 7) Fig. 11 Chondrite-normalized REE plot and primitive mantle-normalized trace elements plot of pegmatite samples of Qinghe, Xinjiang, China (Chondrite data are after Tylor and Mclennan, 1985; primitive mantle data are after Sun and McDonough, 1989; symbols as in Fig. 7) Gd 因 Eu 亏损而偏离上凸曲线 QH-01 样品的四分组效应不明显 综上可以看出, 美国 Spruce Pine 和新疆库卫 青河地区岩石样品中的稀土总量 (ΣREE) 都不高 ; 除了 KW-04 号样品富集重稀土以外, 其它均为轻稀土富集型 ; 美国 Spruce Pine 样品和 KW-08 样品都出现了 Eu 正异常, 而其他样品为 Eu 负异常 ; 在所研究的样品中, 多数样品具有 M 型稀土元素四分组效应 5 石英中的元素杂质 国际公认的高纯石英砂是 Al, K, Na, Li, Ca, Fe, Mg, Mn, Ti, Zr, Cu, Cr, Ni, P, B 共 15 种元素杂质小于 22.26 10-6 的高技术产品, 是半导体 太阳能光伏 高端电光源 ( 如汽车金卤灯 ) 行业的重要支撑材料, 直到去年南京 大学和东海县太平洋石英制品有限公司联合承担的江苏省产业化项目才打破了国际垄断, 填补了国内高纯石英砂的生产空白 目前太平洋公司生产的高纯石英砂的杂质含量小于 15 10-6, 优于进口产品, 受到客户好评 然而, 矿源可能会成为我国高纯石英砂生产持续发展的瓶颈 本项研究对 Spruce Pine 库卫和青河地区的白岗岩 / 伟晶岩中的石英纯度进行了初步评价 对这些地区的一些代表性样品, 在显微镜下通过人工挑选石英, 然后进行酸浸, 利用 ICP-AES 方法分析石英中的杂质含量, 结果见表 2 表 2 表明, 本文分析的 Spruce Pine 样品中 Al, Na,Ca 和 K 的含量明显偏高, 可能是在挑选石英时混入了主要造岩矿物钠长石 从其他元素的对比可以看出, 新疆库卫 青河 可可托海的样品与产高纯石英的 Spruce Pine 样品比较接近 由此可
434 高校地质学报 1 6 卷 4 期 Table 2 表 2 Spruce Pine 库卫 青河 可可托海代表性样品中石英的杂质含量( 10-6 ) Impurity chemical compositions in quartz from representative pegmatite samples of Spruce Pine, Kuwei, Qinghe and Keketuohai 元素 SP-01 SP-02 KW-04 QH-01 QH-04-02 QH-04-6 QH-06 QH-08 KKTH-02 Ni <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 0.13 <0.05 <0.05 <0.05 Fe 51.0 23.4 14.1 30.4 1.29 53.5 22.1 15.2 0.86 Cr 0.1 0.08 0.07 0.06 <0.05 <0.05 0.07 <0.05 <0.05 Mg 19.5 28.0 1.64 8.3 0.39 0.84 3.40 7.29 0.14 Ca 1898 1635 147 5.11 2.21 0.83 38.6 3.01 0.39 Cu <0.05 <0.05 0.23 <0.05 0.13 0.22 <0.05 <0.05 0.28 Ti 1.60 1.29 2.31 3.63 10.2 23.1 3.53 2.91 0.96 Al 11622 7573 211 93.8 17.5 21.6 205 128 169 Ba 5.02 19.0 0.07 0.15 <0.05 0.08 0.06 <0.05 <0.05 Na 6669 4839 149 14.3 9.03 4.07 80.7 9.35 8.94 Li 2.51 1.03 4.56 2.05 0.82 0.59 2.44 6.08 32.2 K 347 182 23.1 6.23 1.00 3.01 66.1 26.6 3.06 总量 20615.83 14301.90 553.13 164.13 42.72 108.02 422.10 198.64 215.98 注 :<0.05 按 0.05 计算 见, 若对阿尔泰地区的这些伟晶岩进行严格的加工, 其中的石英有可能达到高纯石英砂的标准 6 讨论和结论 美国 Spruce Pine 白岗岩 / 伟晶岩地区, 产高纯石英的花岗质伟晶岩, 形成于早古生代, 可能是晚奥陶世或者早志留世, 围岩为前寒武纪的云母和角闪石片麻岩 片岩, 含有少量的白云石大理岩 我国新疆阿尔泰地区库卫和青河的花岗质伟晶岩, 形成于晚古生代和中生代 ( 王登红等, 2001;2003;2004), 围岩为中上奥陶统哈巴河群 (O 2-3 hb c ), 岩性主要为中深度变质的片岩 片麻岩 混合岩 变粒岩 千枚岩 变质砂岩 就围岩来看, 二者的变质程度接近, 但时代差别较大,Spruce Pine 地区的伟晶岩发育在前寒武纪变质岩基底之上, 而阿尔泰地区的伟晶岩的围岩则为早古生代沉积的变质岩 伟晶岩的形成时代也不同, 阿尔泰地区的伟晶岩时代新 期次多 Spruce Pine 地区的伟晶岩形成时代老, 为早古生代 从岩相学特征来看,Spruce Pine 地区的白岗岩 / 伟晶岩和新疆库卫 青河地区的白云母花岗岩 / 伟晶岩的主要造岩矿物都由碱性长石 石英和白云母组成, 但碱性长石的性质有明显差别, 前者主要为钠长石, 后者多数样品主要为微斜长石, 只有 KW-04 和 QH-06-1 样品与前者类似, 其中碱性长石主要为钠长石 在副矿物方面,KW-04 和 QH-06-1 亦与前者相似, 都含有石榴子石, 只是 QH-06-1 还含有电气石 从元素地球化学特征来看,Spruce Pine 地区的白岗岩 / 伟晶岩和新疆库卫 青河地区的白云母花岗岩 / 伟晶岩的主元素 SiO 2 和 Al 2 O 3 没有明显差别, 暗色组分 Fe,Mg,Ti 等也较相近 但在碱金属和碱土金属方面存在不同, 前者的 K 2 O+Na 2 O 相对于后者偏低,CaO 偏高 除了 QH-01 号样品外, 它们都属于亚碱性的过铝质花岗岩类 ( 图 4, 图 5), 并具有高分异钙碱性的特征 ( 图 12) 但是, 需要特别注意的是, 在 K 2 O/Na 2 O 上, 新疆库卫和青河地区的样品中只有 KW-04 和 QH-06-1 与 Spruce Pine 地区可以类比, 它们都表现为钠大于钾的地球化学性质, 与其斜长石大于碱性长石的岩石学特征一致 在微量元素方面, 美国的样品含有较高的大离子亲石元素 (LILE), 特别是 Sr 和 Ba 的含量明显高于阿尔泰地区 但 Spruce Pine 和阿尔泰地区样品的高场强元素 (HFSE) 和稀土元素 (REE) 都普遍较低, 高场强元素的含量变化在 (11.67~104.19) 10-6 之间, 稀土元素为 (3.03~40.95) 10-6, 而且多数样品都具有 M 型稀土元素四分组效应 如此低的高场强元素和稀土元素, 以及四分组效应, 表明形成伟晶岩的 岩浆 可能是过铝质花岗质岩浆通过了熔体 - 蒸汽的分异作用形成的富流体的端员, 因为在此过程中, 这些元素的蒸汽 / 熔体分配系数都很低 (London et al,1988) Eu 正异常可能与 Eu 相对于熔体相而更易于进入流体相有关 ( 赵振华等, 1999) 鉴此, 可得出初步结论 :Spruce Pine 地区和新疆阿尔泰的库卫 青河地区的伟晶岩可能是过铝
4 期 张晔等 : 美国 Spruce Pine 与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究 435 图 12 代表性伟晶岩样品的 (Al 2 O 3 +CaO) /(FeO T +Na 2 O+K 2 O)- 100 (MgO+FeO T +TiO 2 )/ SiO 2 图解 ( 图例同图 7) Fig. 12 (Al 2 O 3 +CaO)/(FeO T +Na 2 O+K 2 O)- 100 (MgO+FeO T +TiO 2 )/ SiO 2 plot of representative pegmatite samples (after Sylvester,1989; symbols as in Fig. 7) 质花岗岩浆通过熔体 - 蒸汽高度分异作用的产物 产高纯石英的伟晶岩发育在片岩 片麻岩的背景 之上, 主要造岩矿物中富含钠长石, 全岩样品中 以 Na 2 O>K 2 O, 大离子亲石元素 Sr 和 Ba 含量高 高 场强元素和稀土元素含量低 四分组效应明显 Eu 正异常, 以及石英中杂质元素含量低为特征, 这些特征可作为高纯石英伟晶岩的判别标志 我国阿尔泰地区的伟晶岩脉十分发育, 所研究 的样品中, 有些样品已经具有这些特点, 而且石英 本身的纯度较高, 值得继续开展更加深入和全面的 研究 作者期望通过本文, 起到抛砖引玉作用, 以 引起对高纯石英伟晶岩研究的重视, 为我国的半导 体和太阳能光伏行业的发展打造资源基地 References: Broad hurst S D. 1954. A report on the high-silica sand resources of North Carolina [M]. North Carolina Department of Conservation and Development: 1-35. Brobs t D A. 1962. Geology of the Spruce Pine District Avery, Mitchell, and Yancey Counties, North Carolina [M]. Geological Survey Bulletin, 1122-A: 1-26. Irvine T N and Baragar W R A. 1971. A guide to the chemical classification of the common volcanic rocks. [J]. Can. J. Earth Sci., 8: 523-548. Liu W ei. 1990. Petrogenetic epoches and peculiarities of genetic types of granitoids in the Altai Mts., Xinjiang Uygur Autonomous Region, China [J]. Geotectonica et Metallogenia, 1(4): 43-56. (in Chinese with English abstract) Londo n D, Hervig R L and Morgan G B VI. 1988. Melt-vapor solubilities and elemental partitioning in peraluminous granite-pegmatite systems: experimental results with Macusani glass at 200 Mpa [J]. Contrib. Mineral. Petrol., 99: 360-373. Mani ar P D and Piccoli P M. 1989. Tectonic discrimination of granitoids [J]. Geol. Soc. Am. Bull., 101: 635-643. Midd lemost E A K. 1994. Naming materials in the magma/igneous rock system [J]. Earth Science Reviews, 37: 215-224. Qi Li ang, Hu Jing and Gregoire D C. 2000. Determination of trace elements in granites by inductively coupled plasma mass spectrometry [J]. Talanta, 51(3): 507-513. Shen Shifu. 2006. The actuality of study and manufacture in higher purity quartz [J]. China Non-Metallic Mining Industry Herald, 5: 13-16. (in Chinese with English abstract) Sun S S and McDonough W F. 1989. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: implication for mantle composition and process [G] // Saunders A D, Norry M J, eds. Magmatism in the Ocean Basin. Geological Society Special Publication, 42: 313-345. Sylve ster P J. 1989. Post-collisional alkaline granites [J]. J. Geol., 97(3): 261-280. Taylo r S R and MLennan S M. 1985. The continental crust: Its composition and evolution [M]. Blackwells Scientific, Oxford, 1-312. Wang Denghong, Chen Yuchuan and Xu Zhigang. 2001. Chronological study of Caledonian metamorphic pegmatite muscovite deposits in the Altay Mountains, northwesten China, and its significance [J]. Acta Geologica Sinica, 3(75): 419-425. (in Chinese with English abstract) Wang Denghong, Chen Yuchuan and Xu Zhigang. 2003. 40 Ar/ 39 Ar isotope dating on muscovites from Indosinian raremetal deposits in central Altay, northwestern China [J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 1(22): 14-17. (in Chinese with English abstract) Wang Denghong, Zou Tianren, Xu Zhigang, et al. 2004. Advance in the study of using pegmatite deposits as the tracer of orogenic process [J]. Advances in Earth Science, 3(25): 282-289. (in Chinese with English abstract) Xinji ang Geological Bureau. 1979. Regional Geological Survey Report, Daqiao Sheet [M]. 1-156. (in Chinese) Xinji ang Geological Bureau. 1979. Regional Geological Survey Report, Report, Qinghe sheet [M]. 1-90. (in Chinese) Xinji ang Bureau of Geology and Mineral Resources. 1993. Regional Geology of Xinjiang [M]. Geological Publishing House: 1-841. (in Chinese) Zhao Zhenhua, Xiong Xiaolin and Han Xiaodong. 1999. The formation mechanism of tetrad effect of the rare elements of granite [J]. Science in China (Series D), 29(4): 331-338. (in Chinese) 参考文献 : 刘伟. 1990. 中国新疆阿尔泰花岗岩的时代及成因类型特征 [J]. 大地构造与成矿学, 1(4): 43-56. 申士富. 2006. 高纯石英砂研究与生产现状 [J]. 中国非金属矿工业导刊, 5:13-16. 王登红, 陈毓川, 徐志刚. 2001. 阿尔泰加里东期变质成因伟晶岩型白云母矿床的成矿年代证据及其意义. 地质学报, 3(75): 419-425. 王登红, 陈毓川, 徐志刚. 2003. 新疆阿尔泰印支期伟晶岩的成矿年代学研究 [J]. 矿物岩石地球化学通报. 1(22):14-17. 王登红, 邹天人, 徐志刚, 等. 2004. 伟晶岩矿床示踪造山过程的研究进展 [J]. 地球科学进展,19(4):614-620. 新疆维吾尔自治区地质局. 1979. 中华人民共和国区域地质调查报告大桥幅 ( 区域地质 ) [M] : 1-156. 新疆维吾尔自治区地质局. 1979. 中华人民共和国区域地质调查报告青河幅 ( 区域地质 ) [M] : 1-90. 新疆维吾尔自治区地质矿产局. 1993. 新疆维吾尔自治区区域地质志 [M]. 地质出版社 : 1-841. 赵振华, 熊小林, 韩小东. 1999. 花岗岩稀土元素四分组效应形成机理探讨 以千里山和巴尔哲花岗岩为例 [J]. 中国科学 (D 辑 ), 29(4): 331-338.