鄂西地區(qū)南莊坪重晶石礦地質(zhì)特征及成礦模式

何 欽, 張 揚(yáng)

(湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),湖北 宜昌 443100)

鄂西的五峰、宜都、松滋等地,屬武陵—苗嶺重晶石成礦帶[1]的北緣,分布有眾多的脈狀重晶石礦床(點(diǎn)),因礦石品質(zhì)好、埋藏淺、易于開采和選礦,依托資源優(yōu)勢,形成了宜都、五峰等建材非金屬深加工基地[2],促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂西地區(qū)大地構(gòu)造屬上揚(yáng)子古陸塊(Ⅱ)北部,上揚(yáng)子南部被動(dòng)邊緣褶沖帶(Ⅲ)之八面山臺坪褶皺帶(Ⅳ)。區(qū)內(nèi)主要出露南華紀(jì)—三疊紀(jì)的沉積地層以及零星分布的古近紀(jì)沉積物。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡宏觀上表現(xiàn)為褶皺和斷裂(圖1),主要由印支期和燕山期的構(gòu)造活動(dòng)所致,均屬淺表構(gòu)造相條件下的產(chǎn)物。

印支時(shí)期,受到南北向擠壓,區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)以前的地層發(fā)生大規(guī)模的褶斷變形,構(gòu)造形跡以褶皺為主、斷裂為輔,規(guī)模較大,延伸穩(wěn)定。褶皺構(gòu)造多為發(fā)生于沉積蓋層中的薄皮式褶皺,形成多種形態(tài)的褶皺體系,構(gòu)成復(fù)式背、向斜及一系列次級褶皺,軸向?yàn)榻鼥|西向。主要包括長陽背斜①、獅子垴向斜⑨、后河背斜、梁山背斜、仁和坪向斜、子良坪背斜、西齋向斜。褶皺構(gòu)造控制了礦源層的展布,間接控制了重晶石礦床的區(qū)域分布。

區(qū)內(nèi)斷裂以脆性斷裂為主,主要形成于印支期和燕山期,印支期斷裂發(fā)生于褶皺變形的晚期,總體延展方向?yàn)楸蔽魑飨蚣敖鼥|西向,傾角較陡,多具逆沖性質(zhì)。區(qū)域上規(guī)模較大的有西灣斷裂(F1)、漁洋關(guān)斷裂(F2)、曲尺河斷裂(F3)等。燕山期斷裂以北北西向?yàn)橹?規(guī)模較大的有仙女山斷裂(F4)、松園坪斷裂(F5)、大風(fēng)口斷裂(F6),次為北北西及近南北向。其中F2斷裂及其次級斷裂是區(qū)域主要控礦、容礦構(gòu)造。

2 重晶石礦區(qū)域分布特征

區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)重晶石礦床(點(diǎn))41處(見圖1、表1),多為小型規(guī)模,主要分布于梁山背斜、子良坪背斜、西齋向斜翼部的奧陶紀(jì)地層出露區(qū)域,區(qū)域性斷裂為導(dǎo)礦構(gòu)造,重晶石礦床常沿區(qū)域性斷裂帶兩側(cè)及次級斷裂分布。

表1 重晶石礦點(diǎn)與構(gòu)造關(guān)系對比表Table 1 Comparison table between barite ore and structure

3 礦床地質(zhì)特征

圖1 五峰—宜都地區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological map of Wufeng-Yidou area1.南華系;2.震旦系;3.寒武系下—中統(tǒng);4.寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組;5.奧陶系下—中統(tǒng):南津關(guān)+紅花園+大灣+牯牛潭組;6.奧陶系中—上統(tǒng):廟坡組+寶塔組;7.志留系;8.泥盆系—二疊系;9.三疊系;10.侏羅系;11.古近系;12.第四系;13.褶皺軸線;14.區(qū)域控礦斷裂;15.成礦斷裂;16.斷裂;17.重晶石礦脈;18.重晶石礦床(點(diǎn))。

3.1 礦體特征

本區(qū)重晶石礦體產(chǎn)出表現(xiàn)為以下基本特征:

(1) 礦體嚴(yán)格受斷裂(或裂隙)控制,產(chǎn)于斷裂的擴(kuò)張部位,呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出。走向以北北西、北西向?yàn)橹?長度為數(shù)十～3 000 m,多為200～800 m,厚度一般1～6 m。

(2) 平面上常見平行或斜列的礦脈呈帶狀分布;垂向上多呈上寬下窄的楔形,延深多為數(shù)十米,最深可達(dá)200余米(圖2)。

(3) 礦石類型自地表向深部多出現(xiàn)重晶石→螢石重晶石→方解石的垂向分帶。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石礦物成分

礦石的礦物成分以重晶石為主,少量螢石、方解石及微量白云石、石英、綠泥石、高嶺石、黃鐵礦、粘土、有機(jī)質(zhì)等[3]。

重晶石:呈自形、半自形的粗—巨晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)出,定向排列,組成柱狀、纖柱狀、帚狀、板狀晶形。部分呈壓碎的角礫狀結(jié)構(gòu)、糜棱結(jié)構(gòu),晶隙間常被其它礦物(如螢石等)充填。

螢石:為自形—半自形的細(xì)—巨晶結(jié)構(gòu),呈等軸的粒狀晶形,或充填于重晶石的晶隙、裂隙間,或呈微細(xì)脈狀穿插于重晶石礦石中,或以交代的形式取代圍巖或脈巖中的灰質(zhì)角礫而保留其角礫狀外觀,或與重晶石一起構(gòu)成嵌晶狀產(chǎn)出。

方解石:一般呈粗細(xì)不等的半自形、自形的斜方晶形,脈狀或膠結(jié)物狀產(chǎn)出,局部呈團(tuán)塊狀或殘余角礫狀。

以上三種礦物在礦脈中的含量不同,常影響礦石的質(zhì)量,亦是劃分礦石自然類型的主要依據(jù)。

3.2.2 礦石化學(xué)成分及伴生元素

礦石的主要化學(xué)成分有BaSO4、CaF2、SrSO4、CaO、Fe2O3、Al2O3、SiO2等,其含量隨礦石類型不同而有所差異。

圖2 南莊坪重晶石礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.2 Geological map of Nanzhuangping barite mining area1.第四系;2.志留系下統(tǒng)龍馬溪組;3.奧陶系中—上統(tǒng)寶塔組;4.奧陶系中統(tǒng)廟坡組;5.奧陶系中統(tǒng)牯牛潭組;6.奧陶系中統(tǒng)大灣組;7.奧陶系下統(tǒng)紅花園組;8.奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組;9.寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組;10.平行不整合地質(zhì)界線;11.實(shí)測、推測地質(zhì)界線;12.正斷層及編號;13.逆斷層及編號;14.性質(zhì)不明斷層;15.地層產(chǎn)狀;16.瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖;17.亮晶砂屑灰?guī)r;18.亮晶砂屑、生物屑灰?guī)r;19.亮晶砂礫屑生物屑灰?guī)r;20.亮晶生物屑灰?guī)r;21.亮晶鮞粒、生物屑灰?guī)r;22.亮晶砂礫屑球?；?guī)r;23.泥晶砂礫屑灰?guī)r;24.殘、坡積物;25.鉆孔及編號;26.重晶石礦脈及編號。

BaSO4平均含量為50.27%～99.11%,一般在60%～90%,在縱向上,地表含量高于深部;礦石中的SrSO4含量為0.05%～3.5%,與BaSO4含量呈正相關(guān)關(guān)系,Sr以類質(zhì)同象賦存于重晶石中。CaF2含量為0.02%～86.72%,一般在10%～20%間,與BaSO4含量互為消長,以螢石的形式存在于礦石中。

3.2.3 礦石自然類型

按照礦物成分含量不同,礦石主要有以下四種自然類型:

重晶石型礦石礦物成分以重晶石為主,其它礦物少量。重晶石呈巨晶板狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。BaSO4含量在90%以上。

螢石重晶石型礦石礦物成分主要為重晶石、螢石,其它礦物少量。重晶石呈纖柱狀、帚狀、板狀集合體;螢石含量在10%～50%間。BaSO4含量在50%～90%。

重晶石螢石型礦石礦物成分主要是螢石和重晶石,其它礦物少量,螢石含量在50%～90%,重晶石含量10%～50%。

混合型重晶石礦物成分中除重晶石外,尚含有其它礦物雜質(zhì),如方解石、螢石以及灰質(zhì)角礫等。

礦石自然類型的分布,似與其所賦存的層位有一定的關(guān)系,南津關(guān)組中部以純重晶石型礦石、螢石重晶石型礦石兩種類型為主;南津關(guān)組下部則以方解石重晶石型礦石為主。礦石的顏色受雜質(zhì)所影響,與圍巖的巖性也顯示一定的關(guān)系,當(dāng)圍巖為泥巖、生物屑灰?guī)r或含有機(jī)質(zhì)的灰?guī)r時(shí),礦石顏色較深。

3.2.4 礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造

礦石為中—巨晶結(jié)構(gòu),條帶狀、塊狀、角礫狀構(gòu)造。

3.3 圍巖特征

重晶石礦脈產(chǎn)出的圍巖大多為奧陶紀(jì)孔隙度較大的碳酸鹽巖。礦化作用發(fā)育在切割礦源層(主要是奧陶系下—中統(tǒng)部位)的斷裂中,當(dāng)同一斷裂穿過礦源層進(jìn)入其它地層后,則基本未見礦化。

3.4 蝕變特征

重晶石礦脈兩側(cè)圍巖蝕變有硅化、螢石化、方解石化等[4],普遍可見但一般較微弱。

硅化:表現(xiàn)為SiO2對碳酸鹽巖的交代作用。碳酸鹽巖保存原有結(jié)構(gòu)(礫屑、砂屑等),而成分則為SiO2。

螢石化:表現(xiàn)為CaF2對碳酸鹽巖的交代作用。碳酸鹽巖中的生物屑、粒屑中的方解石為螢石所替代。

方解石化:表現(xiàn)為方解石充填、穿插在圍巖或礦體中,或膠結(jié)角礫狀礦石。

在礦體的不同部位蝕變種類不同,礦體中部常為硅化、螢石化,礦體兩端尖滅、變窄處常為方解石化。另外,以上幾種蝕變現(xiàn)象的出現(xiàn),常常和礦脈的圍巖有一定的關(guān)系。如螢石化常出現(xiàn)在亮晶粒屑結(jié)構(gòu)的灰?guī)r中;硅化常出現(xiàn)在泥質(zhì)含量較高的碳酸鹽巖中;而方解石化則常出現(xiàn)在泥晶結(jié)構(gòu)的灰質(zhì)—云質(zhì)層位。

4 成礦模式

4.1 成礦要素

重晶石充填于切割礦源層(奧陶系下—中統(tǒng))的斷裂帶中,其成礦作用受沉積建造(礦源層)、變形構(gòu)造(斷裂)、含礦熱液(或熱鹵水)“三要素”控制。

4.1.1 礦源層

從區(qū)內(nèi)各地層Ba元素含量看(表2),豐度較高的地層為寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組,奧陶系南津關(guān)組、紅花園組、大灣組、牯牛潭組。Ba元素平均含量356×10-6～1 296×10-6,濃集克拉克值35.6～94.1,是礦床Ba元素的主要礦源層。

表2 各地層中Ba元素濃集克拉克值表Table 2 Concentration Clark(K.K)table of Ba elements in different strata

注:1) 巖石克拉克采用1962年K·圖爾基安和K·魏德波爾數(shù)據(jù),其中S1取頁巖數(shù)據(jù),D2+3取砂巖數(shù)據(jù),其余取碳酸鹽巖數(shù)據(jù);2) 資料來源于湖北省鄂西地質(zhì)大隊(duì),1983年,《1∶5萬漁洋關(guān)南半幅、王家畈南半幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》;Ba在統(tǒng)計(jì)時(shí)刪去>8 000×10-6的樣品數(shù)據(jù)。

寒武紀(jì)晚期—奧陶紀(jì)地層中Ba元素豐富,是揚(yáng)子碳酸鹽巖臺地重要的地球化學(xué)特征[5],其原因與早寒武世揚(yáng)子陸塊北緣陸塊邊緣裂谷帶以及陸塊內(nèi)同生斷裂中海相熱噴流作用有關(guān)。而重晶石的δ34S為+23‰～+36‰(CDT),與區(qū)域上寒武統(tǒng)石膏的硫同位素組成(δ34S +23.1‰～+29.7‰)相似,表明S的來源與這一區(qū)域寒武紀(jì)晚期廣泛發(fā)育的白云巖(婁山關(guān)組)有關(guān)[6]。

4.1.2 構(gòu)造條件

區(qū)內(nèi)現(xiàn)在展現(xiàn)的構(gòu)造面貌主要為印支期的褶皺和燕山期的斷裂,燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成了北北西、北西向脆性斷裂,并導(dǎo)致印支期東西向斷裂再次活動(dòng),這些斷裂共同構(gòu)成區(qū)內(nèi)重晶石礦產(chǎn)的控礦、容礦構(gòu)造體系,即區(qū)域性東西向、北西向斷裂是熱液運(yùn)移的通道,控制礦床的區(qū)域分布[7];次級的北西向、北北西向斷裂(或裂隙)是容礦構(gòu)造,為礦液的運(yùn)移、充填提供有利空間。同時(shí),由于成礦物質(zhì)來源于地層,因此,當(dāng)容礦斷裂通過礦源層孔隙度較大的碳酸鹽巖地層時(shí),有利于含礦熱液的流動(dòng),是形成礦體的有利部位。

4.1.3 含礦熱液及成礦物、化條件

區(qū)內(nèi)重晶石中包裹體均一溫度主要集中在155～260 ℃。據(jù)鄰區(qū)同類礦床資料研究,成礦流體為Cl--Na+(Ca2+)型溶液,密度較高,其Na+/K+比值為14～100,流體氣相成分主要為H2O(XH2O為91.33%～99.17%),其它氣體主要為CO2及CH4,而N2、O2、H2的含量甚微;流體pH值、Eh值共同反映成礦處于弱酸性、弱還原環(huán)境。

成礦流體的類型、包裹體的均一溫度以及包裹體的氣相成分表明,區(qū)內(nèi)重晶石的成礦流體類似于密西西比河谷型鉛鋅礦床的成礦熱鹵水(表3),成礦介質(zhì)水主要來源于地表水(如封存的海水、盆地壓實(shí)脫水等)及大氣降水,礦床的形成主要是由成礦介質(zhì)水溶濾區(qū)內(nèi)寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)礦源層中有效的成礦元素所致。

表3 南莊坪重晶石熱鹵水與密西西比河谷型鉛鋅礦熱鹵水對比表Table 3 Contrast table of barite hot brine and Mississippi Valley lead-zinc ore in Nanzhuangping

4.2 成礦模式

從上述分析可看出,本區(qū)層控?zé)嵋褐鼐V床的成礦作用和過程,可歸納為由礦源層(寒武系婁山關(guān)組、奧陶系下統(tǒng))、含礦熱液(或熱鹵水)、容礦位(切割礦源層的斷裂空間)和遮擋層(志留系泥質(zhì)巖石)構(gòu)成一個(gè)生、儲(chǔ)、蓋組合系統(tǒng)。當(dāng)成礦介質(zhì)(大氣降水)滲入地下礦源層時(shí),不斷溶濾出成礦元素,隨著向下地溫增高,成礦物質(zhì)濃度不斷增大,逐漸轉(zhuǎn)變成為含礦熱鹵水,在深部上升熱水(或構(gòu)造熱液等)及動(dòng)力熱源的共同作用下,含礦熱鹵水沿巖石孔隙、斷裂或裂隙向上運(yùn)移,致使物化條件改變(溫、壓下降,Eh升高,pH降低),成礦元素則在斷裂或裂隙的擴(kuò)張部位不斷沉淀、富集成礦[8]。當(dāng)含礦熱水上升過程中,在上覆泥質(zhì)類巖層的屏蔽下,再與下滲的地下水匯合共同下移,構(gòu)成循環(huán)運(yùn)移體系。礦床形成于低溫、低壓、具相對封閉的弱還原環(huán)境的淺表,成礦模式見圖3。

5 結(jié)論

鄂西地區(qū)分布的脈狀重晶石礦,其成礦作用主要受沉積建造(礦源層)、變形構(gòu)造(控礦斷裂、容礦斷裂)以及含礦熱液(或熱鹵水)三要素控制,礦床類型屬層控?zé)嵋盒?。根?jù)現(xiàn)有工作程度,成果總結(jié)如下:

(1) 鄂西地區(qū)產(chǎn)出的重晶石其礦物成分以重晶石為主,少量螢石、方解石及微量白云石、石英、綠泥石、高嶺石等;礦石的自然類型可分為重晶石型、螢石重晶石型、重晶石螢石型及混合重晶石型三種;礦石的結(jié)構(gòu)以中—巨晶結(jié)構(gòu)為主,多呈塊狀、條帶狀、角礫狀構(gòu)造發(fā)育。圍巖蝕變較弱,常見硅化、螢石化和方解石化等。

(2) Ba、S元素主要來源于寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組及奧陶系南津關(guān)組、紅花園組、大灣組、牯牛潭組地層;燕山期北北西、北西向的斷裂構(gòu)造為重晶石成礦提供了運(yùn)移通道及容礦空間;含礦熱液及成礦物、化條件反映本區(qū)重晶石礦床為中、低溫?zé)嵋盒偷V床。

(3) 成礦模式:成礦介質(zhì)下滲溶濾出礦源層的成礦元素,下滲過程中隨著溫度增高,成礦物質(zhì)含量增大,轉(zhuǎn)變成為含礦熱鹵水。在深部上升熱水及動(dòng)力熱源的共同作用下,含礦溶液沿?cái)嗔?、裂隙或巖石孔隙向上運(yùn)移,溫、壓環(huán)境變化(降低),成礦元素結(jié)晶析出,在斷裂或裂隙的擴(kuò)張部位富集成礦。

(4) 據(jù)目前已發(fā)現(xiàn)的重晶石礦床(點(diǎn))分布特點(diǎn),主要結(jié)合成礦模式及鄂西地區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征,下步可選擇五峰漁洋關(guān)—宜都王家畈、水田沖以及松滋卸甲坪一帶等地開展重晶石的找礦工作,上述地區(qū)大多有民采痕跡,進(jìn)一步部署地質(zhì)工作有望擴(kuò)大重晶石的資源遠(yuǎn)景。