根据地质产状不同,刚玉矿床可分为原生矿床和次生矿床两大类。当刚玉赋存于变质岩石或将其从地壳或地幔结晶区带到地表的岩浆岩中时,这类矿床称为原生矿床。次生矿床指偏离原生矿区在沉积岩和土壤岩屑层形成的矿床,通常需经历从原生矿风化剥离、搬运、磨蚀等地表地质作用后,在有利的地理环境下沉积成矿。
刚玉原生矿床依据围岩种类及结晶化作用不同分为岩浆岩型矿床(图4-19)和变质岩型矿床(图4-20)两大类。
岩浆岩型矿床根据围岩类型不同又可细分为碱性玄武岩型、煌斑岩型、正长岩型和斑岩型矿床。其中,以碱性玄武岩型刚玉矿床为最多,如我国山东昌乐玄武岩型蓝宝石矿床及越南多农省玄武岩型刚玉矿床等。这类刚玉矿床中刚玉晶体通常为蓝色、黄色和绿色。
图4-19 岩浆岩型刚玉原生矿床分类
图4-20 变质岩型刚玉原生矿床分类
变质岩型矿床根据变质作用及围岩类型不同,可细分为酸性岩浆侵入到基性—超基性岩中而形成的矿床,流纹岩交代作用形成的贫硅伟晶岩中的矿床[如坦桑尼亚翁巴(Umba)矿床],矽卡岩型矿床[如马达加斯加安德拉努丹布(Andranandambo)矿床],黑云母岩型矿床(如马达加斯加萨汉巴努矿床),堇青石型矿床[如马达加斯加兰卡罗卡(Lankaroka)矿床]。除此之外,还有混合岩型矿床(如坦桑尼亚莫罗戈洛矿床)、片麻岩型矿床(如印度迈索尔矿床)、麻粒岩型矿床(如斯里兰卡的拉特纳普勒矿床)、大理岩型矿床(如缅甸抹谷矿床)、基性—超基性岩矿床等。
(一)岩浆岩型刚玉矿床地质特征与成因
关于刚玉的矿床学研究,人们研究最多的是亚洲和大洋洲的岩浆岩型矿床,尤其是玄武岩型矿床的地质条件、形成机理及年龄,并提出了一些可能的成矿模型。然而许多著名的红宝石、蓝宝石矿床由于各种原因(例如政府政策或军事冲突),既没有进行系统的地质找矿活动,也没有相应矿床的系统研究。
岩浆岩型刚玉矿床可出现在深成岩和浅成岩中。在深成岩中,刚玉与贫硅的岩石及伟晶岩(尤其是正长岩和霞石正长岩)有关。刚玉可从岩浆熔体中直接结晶形成,也可以捕虏晶的形式存在,或可作为附属矿物在斑岩铜矿矿床中出现。
在浅成岩中,蓝宝石和偶尔出现的红宝石通常以捕虏晶的形式赋存于大陆碱性玄武岩喷出体中。图4-21示意了新生代碱性玄武岩型刚玉成矿模式。这类矿床具有重要经济价值,蓝宝石的颜色主要为蓝色、绿色和黄色。图4-22为世界新近纪—古近纪玄武岩刚玉矿床分布图。
图4-21 玄武岩型刚玉成矿模式示意图
图4-22 世界新近纪—古近纪碱性玄武岩型刚玉矿床分布图
碱性玄武岩型蓝宝石晶体的共同特征为内部可见铁、钛氧化物的“丝状物”包体和明显的颜色色带。根据刚玉晶体中锆石的Pb-U同位素年龄,发现刚玉形成的年代与区域内玄武岩岩浆作用的年代相关。刚玉中的微量元素铁(Fe)和钛(Ti)的含量最高,镓(Ga)轻微富集,铬(Cr)含量低。Cr2O3/Ga2O3比率通常低于1,而Fe2O3/TiO2比率大多在4~800之间。紫外—可见光吸收光谱中呈现与Fe2+/Fe3+的电荷转移相关的吸收峰。
1.碱性玄武岩型刚玉矿床
最具经济价值的是蓝—绿—黄色蓝宝石矿床,且砂矿的经济价值更大。这些矿床主要分布在以下地区:
(1)大洋洲:澳大利亚东部的刚玉带,从北部的昆士兰州延伸至南部的塔斯马尼亚。
(2)亚洲:中国的福建、山东和海南;越南南部的平顺省、同奈省和安达叻;泰国和柬埔寨边境的拜林、尖竹汶—达叻省和北碧府省、帕府省(Denchai)。
(3)非洲:卢旺达的尚谷谷,刚果民主共和国基伍地区,肯尼亚图尔卡纳地区,尼日利亚卡杜纳省,喀麦隆曼菲(Mamfe)地区,阿尔及利亚阿塔科拉(Atakor)山区,尼泊尔的艾尔(Air)山区,马达加斯加安齐拉纳纳省艾姆波德罗迈非(Ambondromifehy)地区。
(4)欧洲:法国的埃斯帕利(Espaly),德国的艾费尔高原,捷克共和国的伊泽拉(Jizerská)卢卡,波兰的华沙波伦巴(Wilcza Poreba)。
(5)哥伦比亚梅卡德雷斯—里奥梅奥地区。
上述矿床的共有特征是与板块内部碱性玄武岩的超基性捕虏体有关。刚玉一般与磁黄铁矿、斜顽辉石、锆石及富铁尖晶石共生。刚玉晶体内的矿物包体主要有含铌(Nb)金红石、钛铁矿、铌铁矿、铌钙矿、铌钇矿和磷灰石等。这些矿物包体通常富含锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钽(Ta)、铀(U)、钍(Th)等微量元素。
前人对玄武岩型刚玉矿床的形成机理进行过研究,认为刚玉及一些固态包体(锆石、钽铁矿、烧绿石等)不能从玄武岩岩浆中结晶;蓝宝石的晶体生长需要有富钍、锆、铌、钽、钒,及钠、钾、铁、铝和易挥发组分加入的地球化学环境存在方可。他们认为刚玉形成于上地幔,当寄主岩石被碱性玄武岩岩浆侵入,矿化的捕虏体或蓝宝石捕虏晶被玄武岩岩浆运移至地表。
2.煌斑岩矿脉中的刚玉矿床
典型的煌斑岩型刚玉矿床为美国蒙大拿州的蓝宝石矿床。其次生矿床的出现与密苏里河、干卡顿伍德湾、罗克湾、约戈(Yogo)峡谷有关。形成于始新世的超基性煌斑岩和角砾岩是蓝宝石的寄主岩石。含蓝宝石岩脉长8km,厚2m,围岩是石灰岩和页岩。寄主岩的主要组成矿物为粗晶的金云母、辉石、方解石、沸石、磁铁矿、磷灰石和透辉石。宝石矿物作为副矿物产出,主要有尖晶石和蓝宝石。目前普遍认为煌斑岩中刚玉的成因与岩浆入侵变质岩有关,但具体成因模式仍无定论。
3.正长岩和二长岩中的刚玉矿床
正长岩中的刚玉主要为蓝宝石,是典型的伟晶岩矿物,其他伟晶岩矿物还包括长石、榍石、铌—钽(Nb-a)矿物。蓝宝石晶体颗粒大,且大多不透明,具有明显的蓝色调。正长岩中蓝宝石仅在几个矿区产出且产量小,如俄罗斯乌拉尔山脉矿区。二长岩中发现的刚玉矿床仅有肯尼亚杜思(Dusi)矿区。杜思矿区位于肯尼亚中部,是一个水平延伸数千米、厚数米的由钾长石和钠长石组成的二长岩体。长石和刚玉中均可见到锆石包体。根据锆石的U-Pb地球年代学测试结果,二长岩的形成大约在5.8亿年左右。
有关岩浆岩型刚玉的形成模式,前人提出了几种假设和推断,普遍认为刚玉是在高温不饱和的碱性岩浆中结晶而成,但具体刚玉的形成模式依矿区地质条件而异,复杂多变。表4-4列出了岩浆岩型刚玉矿体的主要矿床类型、典型矿床和共生矿物组合。
表4-4 岩浆岩型刚玉主要矿床类型、典型矿床及共生矿物组合
(二)变质岩型刚玉矿床的地质特征与成因
刚玉晶体存在于众多的变质岩中,虽然具体的形成机理众说纷纭,但变质岩成因说已普遍被接受。形成刚玉矿床的变质作用既可为区域变质作用,也可为矽卡岩型接触交代变质作用。依刚玉围岩的种类,变质岩型刚玉矿床可按照表4-5进行划分。
表4-5 世界主要变质岩型刚玉矿床类型、典型矿床及矿物组合
1.大理岩中的刚玉矿床
宝石级红宝石主要产自大理岩型刚玉矿床,经济价值较高的矿床主要分布于亚洲的中部和东南部。东南亚大理岩型红宝石矿床主要有阿富汗的扎达莱卡,克什米尔的娜捷玛丽,巴基斯坦的罕萨,塔吉克斯坦的库库特和杜拉考鲁玛,尼泊尔的处玛和鲁依,缅甸的抹谷—孟速—纳姆亚塞克(NamyiaSeik),越南的陆安和中国的云南。
大理岩型红宝石矿床具有以下几个共有的特征:
(1)寄主于碳酸岩类变质岩石组合中,矿体围岩常伴有蓝晶石片岩或片麻岩。
(2)大理岩层走向与新生代喜马拉雅造山运动所造成的剪切带平行,岩层厚度通常有300m左右,岩层中有时含由中酸性岩浆侵入而形成的火成岩脉。
(3)红宝石矿床多呈层状,与大理岩的层状结构一致。矿层厚度通常在0.5~10m之间,常呈细矿脉状沿大理岩的裂隙分布。红宝石的共生矿物有尖晶石、刚玉、透辉石、金云母、石榴子石、绿泥石、珍珠云母、透闪石、韭闪石、浅闪石、钙镁电气石和镁橄榄石。阿富汗、巴基斯坦、缅甸、尼泊尔、越南等地的此类矿床中还可见到石墨、方柱石、钙长石、榍石、石榴子石、铬云母、黝帘石、钾长石、绿帘石、黄铁矿、磁黄铁矿等。周围的片麻岩或片岩的主要组成矿物有黑云母、石榴子石、矽线石、方柱石、蓝晶石、角闪石、斜顽辉石等。
大理岩中的红宝石晶体通常具有以下产出特征:①散布于大理石中,共生矿物有金云母、白云母、方柱石,珍珠云母、尖晶石、榍石、黄铁矿和石墨。典型例子是阿富汗的扎达莱卡、巴基斯坦的罕萨、缅甸的抹谷和孟速矿区。②以矿脉形式出现,共生矿物有金云母、珍珠云母、榍石、石墨和黄铁矿等,越南北部红宝石矿区多以矿脉形式出现。③在矿囊中出现,共生矿物有正长石、金云母、珍珠云母、石墨和黄铁矿等,如越南北部矿区。
东南亚和中亚的大理岩型红宝石常具有以下特征:
(1)红宝石中常见石盐、黄铁矿和硫酸盐包体。
(2)与红宝石相关的矿物常富含Mg、Al、F(有时是Cl),说明红宝石形成的过程中有挥发性的物质参与。
(3)红宝石中有时可见组成为CO2-H2S-S8-AlO(OH)的流体包体和自然硫、水铝矿包体等。
针对这类矿床的红宝石形成机理,前人做了不少地球化学成矿条件的分析和推理,提出了铝的迁移富集、红宝石结晶等一系列理论推测,但这方面的研究还需进一步深入。
2.与脱硅伟晶岩和花岗岩有关的变质岩型刚玉矿床
世界上一些刚玉矿床与脱硅伟晶岩和花岗岩关系密切,如坦桑尼亚翁巴河矿(Umba)、克什米尔的萨佳姆矿(Sumjam)、肯尼亚的曼加里矿(Mangari)和俄罗斯的乌拉尔山脉矿等。刚玉赋存于贫硅伟晶岩或花岗岩中。当酸性岩浆或热液侵入到超基性岩中时,由于岩性的差异,致使在接触交代部位发生脱硅富铝交代作用,形成刚玉晶体。
3.片麻岩中的刚玉矿床
这类矿床是近20年在马达加斯加新发现的一种矿床类型,它分布于长石片麻岩与堇青石片麻岩中。典型例子为马达加斯加萨汉巴努(Sahambano)和扎扎富齐(Zazafotsy)刚玉矿床;红宝石和彩色蓝宝石产于堇青石片麻岩中。萨汉巴努产出五彩缤纷的蓝宝石晶体,但宝石级的少见;扎扎富齐蓝宝石(蓝色、紫红色、橙色、粉色、紫罗兰色、淡紫色和棕色)中的大部分需要通过热处理改善透明度和颜色才能达到宝石级;依安卡拉卡(Iankaroka)蓝宝石颜色丰富多彩并具有明显色带;艾姆巴特梅纳(Ambatomena)红宝石矿中有优质红宝石产出。
4.麻粒岩中的刚玉矿床
麻粒岩是高温高压条件下形成的变质岩,纹理细腻,常含有石英、长石、紫苏辉石、石榴子石、矽线石、蓝晶石、金红石、堇青石和尖晶石。前寒武纪岩层中,麻粒岩常与紫苏花岗岩和片麻岩等共存。刚玉矿床赋存于前寒武纪麻粒岩及其共存岩石中。属于这类矿床的有斯里兰卡、印度和马达加斯加的部分原生矿床。
5.混合岩中的刚玉矿床
混合岩是花岗岩和片麻岩的混合产物,刚玉矿床赋存于这些成因复杂的岩石中。属于这类矿床的典型例子有坦桑尼亚中部的莫罗戈罗刚玉矿区。
6.超基性变质岩中的刚玉矿床
南非、津巴布韦和新西兰的部分红宝石矿床主要分布于超基性的“铬云母”岩中。铬云母岩是富含铝、铬、硼、钒、砷,以及钾、铷、镍、锑、铋和碲的变质岩。在津巴布韦,铬云母岩中常见的矿物有红柱石、绿泥石、珍珠云母、电气石、水铝矿、金红石、辉砷镍矿和金属铋等矿物。在南非德兰士瓦省的铬云母岩中常含有Cr-Fe-Al氧化物、黑云母、斜长石、蓝晶石和金红石,一般不含水铝矿、电气石、珍珠云母。通常这类刚玉品质较差,达不到宝石级,主要用于工艺雕刻。
(三)刚玉的次生矿床
刚玉的次生矿床(砂矿)是商业价值最高的宝石矿床,据统计大部分宝石级的刚玉产自于砂矿。原生矿中的刚玉晶体在风化剥蚀、地震等地质作用下从母岩中剥蚀出来,并在流水地质作用下发生搬运和沉积,在山坡或远离原生矿的河床等地形成次生矿床(图4-23)。刚玉常以河卵石或被磨蚀的晶体的形态分布于沉积砾岩中。
风化是形成次生矿床的最主要因素。热带地区,由于温差等地表地球化学环境变化致使岩石发生风化作用,形成一系列粘土矿物,铁、锰的氧化物,氢氧化物等。由于刚玉化学性质稳定,耐风化,所以常见于土壤、沉积砾岩中(图42-4)。在缅甸,这些含宝石的沉积物被称为“含宝石的黄褐色土壤”。通常原生矿与次生矿在地理分布上存在一些联系,但有时这种关联不太明显。1979年在巴基斯坦南基马里(Nangimali)的一条小溪中发现了一颗红宝石的巨粒卵石,1988年发现其相关的原生矿。
次生矿床按产状可分为残积—崩积矿床与冲积砂矿两类。残积—崩积矿床是指从原生矿剥离的矿石在山脉斜坡、岩溶空洞等处残留所形成的矿床。冲积砂矿是指从原生矿剥离的矿石在流水地质作用下发生搬运、冲刷,在水流速率下降地带沉积而成的矿床。冲积砂矿多与河流有关,沿海地带的次生矿床极为稀少,法国旺代(Vendee)地区发现的蓝色蓝宝石可能属于海相冲积砂矿。
冲积砂矿按形成年代又可分为古老的冲积砂矿与现代冲积砂矿两种类型。
古老的冲积砂矿形成于古近纪、新近纪和第四纪沉积岩相中。岩相多数与碳酸盐或富含硅的岩石有关。马达加斯加的碱性玄武岩型刚玉砂矿是一个代表的例子。在马达加斯加安齐拉纳纳省,古老的冲积砂矿与侏罗纪石灰岩岩溶空洞中的碳酸盐—岩溶角砾岩相关,而在伊拉卡卡地区,刚玉砂矿则主要产出于伊萨鲁砂岩冲积阶地中的三种不同的砾石地层中。古老冲积砂矿的再次搬运沉积也可形成现代冲积砂矿。
在发展中国家,一个新的砂矿的发现可能会为很多当地人创造工作机会。矿工们采用铁铲和劈斧等原始工具进行开采(图4-25)。矿工们将含有宝石的卵石等从坑中挖掘出来,在河流中进行冲洗、分选,挑选出宝石级刚玉。这种砂矿开采的方式几百年延续不变。
图4-23 分别位于山坡和河床的刚玉次生矿床分布示意图
图4-24 斯里兰卡含刚玉宝石的黄褐色土壤
图4-25 矿工们河流中分选宝石级的刚玉
重要的次生宝石级的刚玉矿床主要分布于澳大利亚、马达加斯加、坦桑尼亚、缅甸、越南、美国和斯里兰卡。缅甸的抹谷、孟速,以及越南陆安地区的次生矿与喀斯特地形的形成以及大理岩的地球化学环境有很大的联系。马达加斯加各地分布的次生矿床类型较复杂,许多与原生矿的关联未明。