皖南歙县砚石板岩矿床地质特征及安全性研究

2020-04-03任明军周俊兰施建斌杨晓勇

华东地质 2020年1期

任明军，周俊兰,秦伟,施建斌，杨晓勇

(1. 安徽省地质矿产勘查局332地质队，黄山 245000 ；2. 中国科学技术大学，合肥 230026；3. 江苏省地质矿产局第五地质大队, 徐州 221004)

近些年来，随着社会经济的进一步发展，人们的物质文化需求越来越高。作为文房四宝之一，歙砚深受人们的喜爱。然而，砚石老坑已经告罄，砚石资源的保障及开发利用等问题亟需解决。2016年，安徽省地质勘查基金管理中心设立了“安徽省歙县双河口砚石板岩矿普查”项目，以期进一步解决砚石资源保障问题。笔者以该项目成果为基础，通过详实的野外地质调查，对皖南歙县砚石板岩矿床的成矿地质条件及其安全性进行研究，为砚石资源的进一步勘查工作提供参考。

1 区域地质背景

研究区大地构造位于扬子板块东南缘，江南造山带北东倾伏端(图1)，属历口基底构造区，基底构造线呈NE向[1-3]。江南造山带长期以来备受地学界关注，皖南大地构造格局及其构造演化存在多种观点[4-18]，如张彦杰等[18]认为皖赣相邻区地质发展史大致可分为晋宁期、加里东期、印支期和喜山期4个阶段，其中晋宁期是主造山期，经历了“扬子板块东南缘裂开—初始洋盆发展—洋盆收缩闭合—碰撞造山”全过程，奠定了江南造山带东段构造格架的基础。

研究区地层属扬子地层区江南地层分区[19-23]，主要出露青白口系和南华系。构造线以NE向为主，主要断裂有NE向旌德断裂和汪满田韧、脆性断裂。旌德断裂长>30 km，宽2～3 km，切割了前震旦系、震旦系、许村岩体和七都岩体，由多条平移正断层及复合岩墙群组成，具多期活动性。汪满田韧、脆性断裂呈北东45°走向，长约10 km，宽20～100 m，倾向东南，倾角中等—陡立。

受加里东期及印支期构造运动影响，研究区南东侧形成NE向绩溪复向斜。燕山期出现了绩溪陆相伸展盆地，堆积了白垩纪陆相红盆碎屑岩建造。西南部外围基底发育青白口纪许村黑云母花岗闪长岩，北部和东部外围发育晚侏罗世旌德花岗闪长岩体和石屋花岗斑岩。

1.白垩系；2.奥陶系；3.寒武系；4.震旦系；5.南华系；6.青白口系；7.元古界；8.黑云母花岗闪长岩；9.花岗闪长岩；10.斜长花岗斑岩；11.石英脉；12.花岗斑岩；13.辉绿岩-花岗斑岩复合岩墙群；14.断层；15.矿床及编号;①.黄山市黄山区南山钼矿；②.绩溪县大会山石英脉水晶矿；③.绩溪县上金山钨钼银多金属矿；④.黄山市黄山区箬岭金矿；⑤.绩溪县洪坑砚石板岩矿；⑥.歙县龙潭砚石矿；⑦.歙县汪满田铅锌多金属矿；16.矿区范围图1 皖南歙县砚石矿区域地质矿产图Fig. 1 Regional geological and mineral resources map of the inkstone mine in Shexian County, southen Anhui

2 矿床地质特征

歙县双河口砚石板岩矿床位于距离歙县县城(徽城镇)约35 km的大谷运村双河口村，处于旌德断裂与汪满田韧、脆性断裂之间。矿区以大谷运组浅变质碎屑岩系为主，岩浆岩不发育 (图2)。

1.休宁组；2.镇头组；3.大谷运组上段D层；4.大谷运组上段C层；5.大谷运组上段B层；6.大谷运组上段A层；7.复合岩墙群；8.砚石矿体及编号；9.龙潭矿区；10.采样位置及样品编号图2 歙县双河口砚石板岩矿区地质简图及采样位置Fig. 2 Regional geological map and sampling locations of the inkstone mine in Shuanghekou, Shexian County

图3 歙县双河口地区大谷运组上段基本层序示意图Fig. 3 Sketch sequences of the upper segment of the Daguyun Formation in Shuanghekou district, Shexian County

2.1 地层

该矿区地层由南向北主要出露新元古代大谷运组(Pt3d)、青白口纪镇头组(Qbzh)和南华纪休宁组(Nhx)。

2.1.1 大谷运组

大谷运组为安徽省地质矿产勘查局332地质队于1995年开展1∶5万七都幅区域地质调查时建立的岩石地层单位，命名层型剖面位于歙县大谷运村，穿越双河口矿区。大谷运组位于牛屋组之上、镇头组之下，由火山碎屑岩和一套陆缘海浅(滨)相韵律性砂板岩组成，大部分砂板岩不发育粒序层理，不能用鲍马序列描述[23]。张彦杰等[18]认为该套地层主体形成于820～840 Ma。

大谷运组赋存砚石板岩地层，分上、下两段。下段暗紫色沉凝灰岩与灰黑色凝灰质板岩呈韵律层，部分为中厚层凝灰质(硅化)硅质岩、条纹状硅质板岩；上段为岩屑砂岩、粉砂岩夹含粉质绢云板岩和浅灰色砂岩、板岩。双河口矿区仅出露上段，厚度>1 404 m，面积约7.7 km2，自下而上(由南向北)可分为4个岩性层。

(1)大谷运组上段A层。灰绿色砂岩夹灰黑色板岩，厚>128 m，为灰绿色、青灰绿色中厚层岩屑砂岩、灰黑色粉砂岩夹灰黑色板岩。砂岩发育递变层理，底部为砂岩(少量含细砾砂岩)，向上递变为细砂岩，再向上为板岩(图3(a))。岩性以砂岩为主，含少量板岩，分布具有规律性，垂向上每隔50～100 m有1层灰黑色板岩，单层厚10～30 cm，但做为砚石，质量不佳。

岩屑砂岩呈灰绿色-灰黑色，细粒砂状结构，颗粒支撑结构，孔隙式胶结，块状构造。主要由碎屑物和胶结物组成，碎屑物主要为石英、岩屑和长石，碎屑含量约25%；胶结物多为泥质。碎屑多呈定向排列，长轴方向与岩层面一致，单层厚10～50 cm。粉砂岩呈灰黑色，粉砂结构，块状构造，主要由粉砂碎屑和石英组成，单层厚2～10 cm。板岩呈灰黑色，变余粉砂泥质结构，板状构造，板理厚5～20 cm；主要由粉砂级碎屑、石英、绢云母和泥质组成。该层部分板岩可作为砚石板岩，颗粒较粗，质量不佳。

(2)大谷运组上段B层。青灰色中层砂岩与黑色板岩互层，厚533.6 m。砂岩单层厚10～30 cm，部分单层厚<10 cm或>50 cm，有明显砂、细砂递变层，粒序不明显，底部有时见冲刷构造。板岩厚10～20 cm。青灰色中层砂岩夹深灰色薄层砂岩、灰黑色-黑色板岩韵律等厚互层，层面平直(图3(b))，具薄层韵律砂岩与板岩互层，截面呈灰黑相间条带。该层部分区段以灰黑色板岩为主，夹少量含粉砂绢云板岩的区段可作为砚石板岩矿层，厚0.58～4.00 m。

(3)大谷运组上段C层。浅灰色中厚层砂岩夹薄层深灰色粉砂质板岩，厚311.72 m。砂岩单层厚30～40 cm，板岩厚0.5～10 cm。见单层砂岩夹板岩或数层砂岩夹1层板岩，总体砂岩含量占优势(图3(c))。该段含少量砚石板岩层。砂岩呈灰黑色，砂状结构，块状构造，主要由石英和长石组成，见少量黄铁矿化，呈星点状分布。粉砂质板岩呈灰黑色-黑色，变余粉砂结构，板状构造，主要由粉砂级长石和石英组成，多呈1～2 cm层厚夹在砂岩中。

(4)大谷运组上段D层。以粉砂质板岩为主，夹少量粉砂岩，厚430.92 m。该层为黑色薄-中层板岩、条纹状板岩夹灰色薄-厚层砂岩。深灰色薄-中层板岩、含粉砂质板岩的板理面平整，延伸长。该段主要由绢云母和绿泥石组成，细微粒砂质。单层厚10～15 cm，以12～13 cm层厚为主。粉砂岩呈灰黑色，粉砂状结构，块状构造，主要由粉砂级碎屑和石英组成，见少量石英细脉穿插其中。该段砚石板岩发育，1号主矿体即位于该层，部分地段(龙潭砚石矿)曾被开采利用。

2.1.2 镇头组

镇头组分布在矿区北西部，面积约1.3 km2。岩性为紫灰、深灰色中-厚层沉凝灰岩夹砂砾岩，底部为砾岩、含砾凝灰质砂岩、凝灰质砂岩。底部砾岩可分为粗砾和细砾，粗砾以次棱角状长条形黑色板岩为主，凝灰质粗砂胶结；细砾以凝灰色粗砂岩、板(泥)岩砾为主，明显压扁拉长。上部为灰黑色、深灰色砂岩与板岩互层，砂岩夹板岩或板岩夹砂岩，发育波状层理、透镜状层理和脉状层理。

2.1.3 休宁组

休宁组分布在矿区北西角，面积约0.26 km2。底部为一套紫红色、青灰色的杂砾岩、石英砾岩、砂砾岩和含砾砂岩，其上为紫红色砂岩、青灰绿色凝灰质砂岩、凝灰质粉砂质泥岩、鲕状凝灰岩和沉凝灰岩，发育平行层理、交错层理；下部为青灰绿色沉凝灰岩、紫红色凝灰质砂岩，单层以中厚-厚层为主，含大量火山物质；中部为紫红色凝灰质砂岩、粉砂岩夹少量浅灰色沉凝灰岩，见小型交错层理、波状层理；上部为青灰绿色中-厚层状凝灰质砂岩、含锰砂岩及粉砂质泥岩韵律层，发育平行纹理和板状交错层理。

2.2 构造

2.2.1 皱褶

矿区位于汪满田大型倒转扇形背斜倒转翼，大谷运组倒转，倒转背斜轴面倾向南东，倾角陡。岩层以折曲滑动变形为主，主构造线呈NE向，区域变质为亚-低绿片岩相。

2.2.2 断裂

矿区断裂较少，仅局部地区见断裂破碎，规模较小。

2.2.3 节理

矿区裂隙、节理发育程度一般，主要有NE向和NW向节理。沿NE向板理面发育顺层节理，常见板理错动擦痕。受汪满田大型倒转背斜影响，NE向节理为呈北东60°～70°走向的顺层节理，节理面平直，裂隙宽大多<1 mm。NE向节理十分发育，成组或平行产出，平均节理率为4条/m，形成的板理层厚分别为5～10 cm、20～30 cm和40 cm以上，以20～30 cm层厚居多，延伸长。NE向节理对砚石矿成材率影响较小，更利于砚石矿开采。NW向节理较发育，规模一般较小，延长1～3 m，节理面较平直，裂隙宽<5 mm。NW向节理斜切板岩，影响砚石矿成材率。

2.3 岩浆岩

矿区岩浆岩分布于矿区西北部，主要为由辉绿玢岩和花岗斑岩组成的许村复合岩墙群，许村复合岩墙群穿过许村岩体后侵入于大谷运组。岩墙群在矿区呈NE向展布，延长1～2 km，大致平行排列，宽一般2～7 m，少数宽10 m以上，倾向135°～150°，倾角50°～70°。岩脉为辉绿玢岩单脉和花岗斑岩单脉及由辉绿玢岩和花岗斑岩组成的复合岩脉[24]。野外调查发现，花岗斑岩侵入于辉绿玢岩中，说明辉绿玢岩形成时间早于花岗斑岩。其他脉岩多为单点或单工程所见，规模不大，多呈NE向展布。

2.4 矿体特征

砚石板岩矿体为呈深灰色薄-中层板状含粉砂质绢云板岩，板理面平整，矿体延伸长，板状构造。主要矿物为绢云母、石英、长石、绿泥石和细微粒砂质。板理单层厚10～15 cm，以12～13 cm层厚为主，倾角陡立。砚石矿体呈层状，产状与岩层产状一致。1号主矿体产状为151°∠87°，矿体主体倾向南东。此外，砚石板岩层数多、规模大。

双河口矿区共发现8个矿体，其中主要矿体1个(1号矿体)，次要矿体7个(2号—8号矿体)。矿体产于大谷运组上段，其中1号、4号、5号、6号和7号矿体赋存于大谷运组上段D层，2号、3号和8号矿体赋存于大谷运组上段B层。2号—8号矿体均为单工程控制，矿体岩石类型和结构构造与1号主矿体相同，矿体长>200 m，厚2～7 m；矿体总体倾向南东，倾角78°～90°。

1号矿体出露于矿区北东段光龙培—中部湾塘—南西端东寺地区，由深灰色、灰黑色薄-中层含粉砂质绢云板岩组成。板理单层厚10～18 cm，以12～13 cm层厚为主，由薄-中层板岩构成板岩层系。不同地段矿体厚度不同，地表沿走向矿体厚度为2.08～20.05 m，平均厚度为8.35 m，厚度变化系数为56.27%。矿体走向北东60°，倾角近直立，主体倾向南东，北东段略倾向北西(产状322°∠82°)，南西段略倾向南东(产状151°∠87°)，出露标高+760～+420 m。

2.5 矿石类型及特征

该矿区砚石的矿石类型为板岩类黑色含粉砂质绢云板岩。

2.5.1 矿物组成

砚石矿石的典型矿物组合是绢云母+石英+长石，绿泥石含量一般≤10%，其他不透明矿物(金属矿物等)含量<5%。绢云母粒径 <0.05 mm，雏晶-显微鳞片变晶定向分布，集合体呈细小团粒状，含量为40%～75%。石英含量为20%～40%，分为2种类型：一类为碎屑物石英，多呈次棱角状，粒度一般0.04 mm；另一类为微粒石英，是重结晶的产物，粒度一般0.01～0.03 mm,，呈他形粒状，分布较均匀。长石(斜长石)粒径<0.05 mm，含量20%～40%，颗粒呈压扁透镜状，具定向排列，部分重结晶或边部被绢云母交代，多散布于绢云母之间，极少量呈镶嵌状。黏土矿物含量约10%，以绢云母和绿泥石为主，粒径 <0.05 mm，分布于其它矿物之间，呈粒状或片状(图4)。金属矿物呈杂乱状分布在岩石中，含量约5%，且颗粒相对较大，粒径<0.1 mm，多数粒径<0.05 mm，含黄铁矿、黄铜矿和钛铁矿，以钛铁矿为主(图5) 。

图4 砚石扫描电镜下白云母显微照片Fig. 4 Micrograph of muscovite from the inkstone mine under scanning electron microscopy

图5 扫描电镜下砚石主要矿物组成Fig. 5 Major mineral composition of inkstone mine under scanning electron microscopy

2.5.2 矿石结构构造

矿石为变余泥质显微鳞片变晶结构、变余含粉砂质泥质结构(图6)，板状构造、显微千枚状构造。敲击后，岩石断口常呈刀锋状或贝壳状。

1.绢云母+绿泥石；2.石英粉砂图6 黑色含粉砂质绢云板岩手标本及显微照片Fig. 6 Hand specimen and microphotograph of grayish-black metamorphic silty stone (inkstone)

3 砚石化学成分

砚石化学成分分析样品主要采自1号矿体不同地段勘查工程所采标准样或试雕样，敲取小块作为分析样品。所采样品岩石均为含粉砂质绢云板岩，具体采样位置见图2。

3.1 测试方法

样品测试在澳实分析检测(广州)有限公司实验室完成。测试方法为：试料用无水四硼酸锂熔融，以硝酸铵为氧化剂，加氟化锂和少量溴化锂作助熔剂和脱模剂。在熔样机上于1 150～1 250 ℃熔融，制成玻璃样片。在X射线荧光光谱仪上进行测量，除镍、铜、锶和锆用康普顿散射线作内标校正基体效应外，其余各分析元素均用理论系数校正元素间的吸收-增强效应，根据荧光强度计算主要成分和次要成分含量。所用仪器为荷兰产PANalytical PW2424，参考《DZ/T 0130.3-2006地质矿产实验室测试质量管理规范》[25]第3部分“岩石矿物样品化学成分分析”规定的要求，具体分析方法见文献[26]。

3.2 砚石化学特征

双河口矿区砚石全岩化学成分分析结果如表1所示。岩石SiO2含量平均值为63.13%，Al2O3含量为16.98%，Fe2O3含量为6.77%，FeO含量为4.81%，K2O含量为 3.69%，Na2O含量为1.94%，CaO含量为 0.33%，MgO含量为2.22%，P2O5含量为0.13%，TiO2含量为0.86%，MnO含量为 0.11%，SO3含量为0.19%，表明砚石富硅和铝，与绩溪县洪坑砚石矿的全岩化学成分大致相当[27]。

将该矿区砚石、绩溪洪坑石、婺源大畈石和婺源龙尾石传统歙砚石与江西玉山石和九江石[27]砚石进行对比后发现，相对于江西玉山和九江砚石，该矿区砚石、绩溪洪坑石、婺源大畈石和婺源龙尾石传统歙砚石SiO2和Al2O3含量较高， CaO和MgO含量较低。

表1 皖南歙县砚石化学成分组成

Table 1 Chemical compositions of inkstone mine in Shexian, southern Anhui

矿体编号样品编号岩性化学成分/%SiO2Al2O3TFe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOP2O5TiO2MnOSO3烧失量总量QJ1-B1-1(g1)粉砂质绢云板岩61.3716.647.145.543.232.241.552.530.140.850.180.444.09100.51QJ1-B5-1(g2)粉砂质绢云板岩61.4517.607.105.593.582.190.662.460.120.880.110.323.69100.27TC1-B1-1(g3)粉砂质绢云板岩65.7216.356.254.583.451.920.192.190.110.800.100.013.08100.27TC2-1(g4)粉砂质绢云板岩65.4615.716.835.273.092.080.202.250.120.810.130.253.1299.84TC7-3(g6)粉砂质绢云板岩63.3216.836.904.493.801.780.192.180.110.810.100.013.4999.631号TC7-4(g7)粉砂质绢云板岩62.7017.076.885.413.701.920.282.410.120.840.100.163.3799.65TC7-17(g8)粉砂质绢云板岩63.2516.467.113.533.431.980.441.950.340.770.110.013.7899.74TC5-B3-1(g5)粉砂质绢云板岩63.4916.776.895.183.382.110.192.480.130.810.110.013.3799.84TC7-6(g9)粉砂质绢云板岩64.6416.826.573.873.751.970.171.940.090.790.100.013.41100.37TC7-16(g10)粉砂质绢云板岩65.6415.825.874.473.012.660.251.960.120.740.130.192.7299.20平均值63.7016.616.754.793.442.090.412.240.140.810.120.233.4199.96TC10-B1-1(g11)粉砂质绢云板岩61.8317.766.674.344.191.660.152.150.130.990.080.244.08100.04TC10-B1-2(g12)粉砂质绢云板岩61.3917.667.765.203.921.540.172.400.130.950.170.013.92100.13TC10-B4-1(g13)粉砂质绢云板岩62.4017.726.504.204.141.660.132.120.120.980.070.304.04100.286号TC10-B5-1(g14)粉砂质绢云板岩61.4517.766.984.814.071.640.152.260.110.930.110.013.6399.20TC10-B6-2(g15)粉砂质绢云板岩61.9918.036.935.324.131.800.172.340.110.950.090.223.56100.43TC10-B7-1(g16)粉砂质绢云板岩62.1617.686.334.464.171.640.132.160.120.970.070.404.11100.06平均值61.8717.776.864.724.101.660.152.240.120.960.100.203.89100.02龙潭矿段(1号)ZK7-1(g17)粉砂质绢云板岩62.5717.546.354.834.151.920.612.170.140.810.120.193.52100.22ZK7-2(g18)粉砂质绢云板岩64.9915.716.875.323.242.090.172.120.100.770.110.493.0499.79平均值63.7816.636.615.083.702.010.392.150.120.790.120.343.28100.01矿床平均值63.1316.986.774.813.691.940.332.220.130.860.110.193.5499.99

4 砚石放射性环境安全评价

通过地表剖面、工程和钻孔岩芯γ能谱测量进一步了解砚石的放射性。仪器为XTG-2000M四道γ能谱仪，板岩放射性测量结果见表2。通过系统分析，发现该区总体放射性辐射水平不超标，符合放射性安全范围。

表2 歙县双河口砚石板岩矿区板岩γ能谱测量估算及伽马吸收剂量率

Table 2 Gamma absorption dose rate of the Shuanghekou inkstone mine in Shexian

类型U/10-6Th/10-6K/%AU/(Bq·g-1)ATh/(Bq·g-1)AK/(Bq·g-1)空气吸收剂量率/(nGy·h-1)板岩3.1915.263.410.040.061.0759.18

板岩的铀含量平均值为3.19×10-6，钍含量平均值为15.26×10-6，钾含量平均值为3.41%，空气吸收剂量率为59.18 nGy/h。放射性核素(226Ra、232Th、40K)比活度平均内照射指数和外照射指数分别为0.20和0.46，均小于《GB 50325—2010民用建筑工程室内污染控制规范》[28]和《GB 6566—2010建筑材料放射性核素限量》[29]要求的限值(分别为1.0和1.3)。由放射性核素浓度推算公众照射所致居民年吸收剂量平均值为0.17 mSv，低于《GB 18871—2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准》[30]中规定的公众持续受照年剂量限值(1.0 mSv)。通过以上分析可知，该区砚石放射性辐射环境安全。