遼東寬甸地區(qū)鎂質非金屬礦礦床成因探討

鄒洪印，朱興葛，陳志斌

（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心遼寧總隊，遼寧 沈陽 110004）

遼東地區(qū)早元古代變質巖系富鎂質碳酸鹽巖建造，是我國中大型菱鎂礦、滑石、玉石等非金屬礦床的主要含礦建造。已知有大型、超大型菱鎂礦礦床6 處,中型礦床2 處,礦點30 余處,儲量占全國總儲量的80%及世界總儲量的約30%；大型、超大型滑石礦床4處,中型礦床5處,礦點40余處，儲量占全國總儲量(不含黑滑石)的50%及世界總儲量的近20%；玉石礦體近80 余處，儲量300×104t 以上，年產(chǎn)量6000 多噸，占全國玉石總產(chǎn)量的60%以上[1]；而且具有工業(yè)價值的水鎂石礦床也主要集中于遼寧東部地區(qū)。前人關于菱鎂礦、滑石、玉石等非金屬礦床的成礦條件及成礦規(guī)律研究主要集中在礦床規(guī)模較大、分布較集中的地區(qū)，如營口大石橋—遼陽吉洞峪的菱鎂礦、滑石礦床，岫巖的玉石礦床，而對其他地區(qū)的小型礦床研究甚少。本文結合在寬甸地區(qū)的非金屬礦地質找礦工作，從大地構造背景、區(qū)域地質背景、巖相古地理、成礦物質來源、礦床成因、成礦規(guī)律等方面進一步討論遼東寬甸地區(qū)鎂質非金屬礦床的成礦要素及分布規(guī)律。

1 大地構造背景

遼東地區(qū)大地構造單元歸屬于柴達木—華北板塊、華北陸塊、遼東新元古代—古生代坳陷帶。按傳統(tǒng)大地構造理論將其劃分至膠遼臺隆的范疇[2]，也有部分研究者認為是古元古代的邊緣活動帶，形成于穩(wěn)定克拉通的邊緣海環(huán)境和巖漿弧環(huán)境[3]。20世紀80年代以來的研究表明，遼東地區(qū)的古陸核邊緣在古元古代曾發(fā)生裂谷性質的活動，稱為遼東裂谷[4]。裂谷帶由北向南分為3個構造單元，即北緣斜坡帶、中央裂陷帶和南緣淺臺帶[5]（圖1）。遼東裂谷這一特定的構造環(huán)境和演化進程既控制了遼河群的沉積和區(qū)域變質作用，又由此控制了與鎂質碳酸鹽巖成礦有關的非金屬礦床的成礦條件及分布規(guī)律。

圖1 遼東裂谷構造分布略圖

2 區(qū)域地質背景

2.1 地層

遼東寬甸地區(qū)位于遼東裂谷中央裂陷帶內(nèi)鳳城凸起的東緣，出露的地層主要為古元古界遼河群里爾峪組（Pt1lr）、高家峪組（Pt1g）、大石橋組（Pt1d）、蓋縣組（Pt1gx）（圖2）。

圖2 遼東寬甸地區(qū)區(qū)域地質及鎂質非金屬礦產(chǎn)地分布簡圖

（1）里爾峪組（Pt1lr）：呈北西西向狹長帶狀分布于區(qū)域的中、東部和南部，多以背斜核部產(chǎn)出，出露寬度200～3000m，巖性特征方面，下部以變粒巖組合為特征，上部以淺粒巖組合為特征。巖石以粒狀變晶結構為主，塊狀構造，由海底火山沉積巖系經(jīng)區(qū)域角閃巖相變質作用而成。賦存硼礦、磁鐵、黃鐵、含鈷黃鐵礦以及水鎂石、蛇紋石大理巖等。

（2）高家峪組（Pt1g）：呈北西西向狹長帶狀分布于區(qū)域的中、東部和南部，多出露于向斜、背斜的翼部，出露寬度150~2000m，巖性特征方面，下部以復雜鈣硅酸鹽巖為主，夾硅酸鹽巖，上部為黑云斜長片麻巖、二云母片巖等。巖石以粒狀、纖維狀變晶結構為主，塊狀、片麻狀構造，由陸相—湖沼—閉塞海灣相沉積巖系經(jīng)區(qū)域變質作用而成。賦存石榴石、矽線石、石墨等礦產(chǎn)。

（3）大石橋組（Pt1d）：呈北西西向狹長帶狀分布于區(qū)域的中、東部，多出露于向斜核部，出露寬度150～2500m，巖性特征方面主要為白云質大理巖、白云石大理巖、透閃白云石大理巖、菱鎂礦大理巖和含墨方解石大理巖等碳酸鹽巖，巖石以中—粗粒變晶結構為主，局部夾纖維狀、鱗片狀、針柱狀變晶結構，塊狀構造。由濱淺海—潮坪相沉積巖系經(jīng)區(qū)域變質作用而成。賦存菱鎂礦、滑石、玉石、水鎂石、飾面用大理巖、白云石、方解石等礦產(chǎn)。

（4）蓋縣組（Pt1gx）：呈北西西向帶狀分布于區(qū)域的西南角，出露于向斜核部，出露寬度800m，巖性主要為二云片巖、含墨黑云片巖、黑云斜長片麻巖等。巖石以粒狀、纖維狀變晶結構為主，塊狀、片狀、片麻狀構造，由湖沼—閉塞海灣相沉積巖系經(jīng)區(qū)域變質作用而成。賦存石墨、矽線石等礦產(chǎn)。

鎂質非金屬礦產(chǎn)主要賦存在古元古界大石橋組（Pt1d）。

2.2 構造

該地區(qū)的構造特點是以北西西向的褶皺和北北東向的斷裂為主。褶皺均由遼河群里爾峪組、高家峪組及大石橋組反復褶曲構成，背斜核部為里爾峪組，向斜核部為蓋縣組、大石橋組或高家峪組，軸向呈北西西向或近東西向延伸，褶皺形態(tài)呈緊密線狀，軸線具仰起及下伏，褶曲形態(tài)復雜，有的具有復式褶曲特點，褶曲寬一般1~5km，翼部傾角一般在40°~50°左右，局部具倒轉現(xiàn)象。

斷裂主要為北北東向壓性或壓扭性斷裂，少量的北西西向張扭性斷裂。斷裂長幾千米至十幾千米，其中太平哨斷裂自北東向南西斜貫全區(qū)，為區(qū)域性深大斷裂。該斷裂長90余千米，走向25°~40°之間。整個太平哨斷裂在地貌上的反映是明顯的溝谷，斷裂行跡突出，擠壓片理發(fā)育，斷層泥受擠壓后顯現(xiàn)為明顯的擠壓擦痕，破碎帶兩側巖石呈擠壓狀態(tài)，局部形成構造角礫巖，部分地段沿構造帶有泉水涌出。該斷裂以壓性為主兼具有扭性特征，基本控制了寬甸縣東南部地區(qū)的斷裂構造行跡，其伴生的次生斷裂也十分發(fā)育，為后期的熱液蝕變型鎂質非金屬礦床提供了良好的導熱通道和足夠的容礦空間，對于區(qū)域成礦作用影響深遠。

2.3 侵入巖

該地區(qū)侵入巖以早元古代和燕山期侵入巖為主，多呈巖株狀、席狀侵入古元古界遼河群地層之中。早元古代侵入巖多為花崗巖、花崗斑巖，均已混合巖化，呈條痕狀混合巖（M）及混合花崗巖（Mγ）。燕山期侵入巖多在白堊紀早期侵入，巖性主要為二長花崗巖（ηγK1）、花崗斑巖（γπK1）、鉀長花崗巖（ξγK1）、石英二長巖（ηοK1）和閃長巖（δK1）。其中，古元古界條痕狀混合巖（M）及混合花崗巖（Mγ）與玉石、滑石、水鎂石等熱液蝕變型礦床關系密切，既為后者提供了交代作用中的硅質來源，也提供了成礦作用中所必需的變質熱液。

3 巖相古地理

古地磁研究表明，大石橋組沉積時期，遼東裂谷處于古緯度較低(北緯17°~28°)的干旱的熱帶或亞熱帶環(huán)境[6]，北緣斜坡帶西段（大石橋—隆昌）的大石橋組中可見變余的層理、層紋、斜層理、豆狀、結核狀、波痕、雹痕、滑坡等構造[7]，說明處于海水較淺、且在沉積中時而裸露水面的陸緣環(huán)境中。此外，菱鎂礦大理巖中有大量疊層石出現(xiàn)，顯示沉積時水深不大，因為疊層石的生存多是在深度較小的水體上部透光層中[8]；同時，疊層石的生長需要溫暖、潔凈的水體環(huán)境，大理巖中能有大量疊層石出現(xiàn)，表明淺海地帶的水體溫暖、清澈透底。綜上所述，大石橋組沉積時期，遼東寬甸地區(qū)乃至整個遼東裂谷，都處于一個氣候炎熱干燥，水體較淺、水溫較暖、且水質清潔的濱淺?！逼骸獮a湖環(huán)境。

4 成礦物質來源

菱鎂礦為鎂質碳酸鹽礦物，其主要化學成分為碳酸鎂（MgCO3）；滑石、玉石（蛇紋石玉）屬含水鎂質硅酸鹽礦物，其主要化學成分為含水硅酸鎂｛Mg3[Si4O10](OH)2、Mg6[Si4O10](OH)8｝；水鎂石屬氫氧化合礦物，是自然界含鎂最高的礦物，其主要化學成分為氫氧化鎂[Mg(OH)2]。可見，Mg、Si、CO2是鎂質非金屬礦床必不可少的成礦元素。

據(jù)目前研究，鎂質主要有3 種來源，一是來源于太古宙古陸塊物質的風化、剝蝕，二是來源于古元古代深源的火山噴發(fā)和巖漿侵巖[9]，三是海相疊層石等生物來源[10]。無論哪種來源為主導，大量的Mg2+都會從礦物中解離出來進入裂谷海盆中，致使大石橋組時期海水中Mg2+濃度急劇升高，為后期形成的鎂質碳酸鹽巖沉積提供了充足的鎂質來源。

盡管現(xiàn)代沉積環(huán)境中Ca2+普遍存在，Mg2+相對匱乏，大氣中CO2含量相對稀少。但是古今對比研究表明，現(xiàn)代沉積環(huán)境與古代沉積環(huán)境是有明顯差別的，元古代早期全球海水富鎂、氣候炎熱干燥、大氣中缺氧并富集CO2[11]。這一特定的古氣候環(huán)境，以及海水中高Mg2+/Ca2+比值，構成了鎂質碳酸鹽巖沉積的有利條件。

元古代晚期，區(qū)域應力轉為擠壓為主，遼東裂谷逐漸消亡，并轉為碰撞－造山活動，全區(qū)被卷入北西西向的區(qū)域性褶皺隆起及北北東向的韌—脆性斷裂，同時伴有較大規(guī)模的中基性巖漿巖侵入，這些富含硅質的巖漿熱液既為玉石、滑石等鎂質硅酸鹽礦床提供了充足的硅質來源，也為礦物間的交代反應提供了熱水溶液。

5 礦床成因及成礦規(guī)律

遼東寬甸地區(qū)鎂質非金屬礦主要為滑石、玉石、水鎂石及菱鎂礦，賦存于古元古代大石橋組白云石大理巖中，主要分布在寬甸縣城的東部和南部。雖然礦種豐富，礦點眾多（圖2），但礦床規(guī)模較小，未見有大中型非金屬礦床，與營口大石橋—遼陽吉洞峪的菱鎂礦、滑石礦床，岫巖的玉石礦床相比，礦床規(guī)模相差很大。這與元古代早期的古地理環(huán)境關系密切。

元古代早期，中央裂陷帶內(nèi)的鳳城凸起，將遼東裂谷分割兩種沉積環(huán)境：鳳城凸起以西的大石橋—岫巖一帶為開闊海沉積環(huán)境，水體清澈、穩(wěn)定，海源物質供給充分，沉積時間長，容易形成厚層的白云石、菱鎂礦及方解石；鳳城凸起以東的寬甸地區(qū)為半封閉海灣—瀉湖沉積環(huán)境，海源物質供給受限，并伴有陸源物質加入，古地形亦相對復雜，普遍沉積了硅質含量較高、厚度不穩(wěn)定的白云石。在后期區(qū)域變質及熱液交代變質作用改造下，形成了眾多的小型鎂質非金屬礦床。

5.1 菱鎂礦

5.1.1 礦床成因

經(jīng)過多年的菱鎂礦地質勘查和研究工作，人們對遼東地區(qū)菱鎂礦的成因提出了多種觀點，先后提出了沉積期蒸發(fā)成礦[12]，成巖期富鎂鹵水交代成礦[13]，變質期鎂質熱液交代成礦[14]等觀點。但基本都承認了蒸發(fā)沉積階段是菱鎂礦床形成的主要時期。其依據(jù)主要有4 個方面：①菱鎂礦和白云石大理巖稀土元素總量相近[15]，說明在沉積作用過程中稀土元素強烈均一化，在相同的地質作用中，使它們的稀土元素相對豐度差別小，因此具有同生成因特點。②菱鎂礦和白云石大理巖δ13CPDB的平均值均趨近于零[16]，表明二者在相同環(huán)境下形成，均屬海相沉積成因。③在大石橋附近的大嶺菱鎂礦采場菱鎂礦礦層附近的灰黃綠色泥質碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)有40~50cm 厚的透鏡狀石膏夾層，石膏礦石裂隙中還有2~5cm 厚的白色纖維石膏。石膏或硬石膏均為結晶礦物，含量可達60%以上，石膏硫同位素δ34SVCDT為23.9‰~26.5‰。這些證據(jù)說明該石膏不是火山熱液成因的石膏,而是海相沉積蒸發(fā)巖系的標志[16]。④菱鎂礦晶體在顯微鏡下常常出現(xiàn)波狀消光，白云石的雙晶紋有時發(fā)生彎曲[11]，均為礦物結晶以后的應力變形現(xiàn)象，說明菱鎂礦、白云石等碳酸鹽礦物的結晶早于構造變形。依此推測，遼東裂谷發(fā)育早期，因當時氣候炎熱干燥，大氣中CO2充足，海水蒸發(fā)量較大，海水鹽度不斷提高，部分地段沉積有石膏和石鹽。蒸發(fā)環(huán)境下，疊層石吸收Ca2+、Mg2+首先形成白云石。在藍綠藻發(fā)育地段，Mg2+富集程度較高，通過蒸發(fā)作用可直接沉積或交代白云石形成菱鎂礦。這種菱鎂礦蒸發(fā)成礦作用與西藏班戈湖蒸發(fā)環(huán)境下菱鎂礦的成因類似[17]。

此外，w(CaO)/w(MgO)比值對能否形成大型菱鎂礦也起到一定的指示作用。以菱鎂礦為主(白云石5%,菱鎂礦95%)的碳酸鹽巖，w(CaO)/w(MgO)比值一般小于0.035,w(MgO)含量一般大于43%。結合本次地質找礦工作，筆者在寬甸縣城東南部中蒿子溝地區(qū)共采集了53件白云石大理巖樣品，基本化學分析結果（表1）顯示CaO 含量介于3.78%~29.68%之間，平均17.13%；MgO含量介于2.67%~22.70%之間，平均17.13%；SiO2含量普遍高于5%，平均9.88%。w(CaO)/w(MgO)比值1.55%，為高硅高鈣型白云石大理巖，不利于菱鎂礦的形成。事實也證明，該地區(qū)的菱鎂礦并不發(fā)育，僅在白云石大理巖厚度大且穩(wěn)定的地區(qū)，呈透鏡體狀少量分布，且厚度相對較薄，一般在3～10m，平均6m左右。

表1 白云石大理巖基本化學分析統(tǒng)計表

5.1.2 成礦規(guī)律

遼東寬甸地區(qū)的菱鎂礦主要分布在寬甸縣中蒿子溝和望發(fā)溝地區(qū)，賦存于古元古界大石橋組中下部，容礦圍巖為白云石大理巖。元古代早期，該地區(qū)處于遼東裂谷中央裂陷帶鳳城凸起的東緣，東側為狼林地塊，海水分布受限，屬閉塞海灣—瀉湖沉積環(huán)境，陸緣供給較充分，Mg2+供給受局限，海水中w(Ca2+)/w(Mg2+)比值相對較高，不利于菱鎂礦的形成。僅在沉積水體相對穩(wěn)定、清澈，藍綠藻較發(fā)育的地段形成少量菱鎂礦沉積。后期又經(jīng)歷了綠片巖相—角閃巖相區(qū)域變質—變形作用的改造，菱鎂礦發(fā)生了重結晶和二次聚集，形成晶質菱鎂礦。區(qū)域性構造變形使碳酸鹽巖地層產(chǎn)生較為復雜的層間褶曲，致使菱鎂礦局部富集變厚，局部變薄缺失，多以透鏡狀和連續(xù)的扁豆狀形式產(chǎn)出，規(guī)模較小。

5.2 滑石、玉石、水鎂石

5.2.1 礦床成因

與菱鎂礦蒸發(fā)沉積不同，滑石、玉石、水鎂石均屬后期變質改造作用成礦。變質成礦作用包括區(qū)域變質成礦作用和后期的熱液蝕變成礦作用，其間發(fā)生了礦質的進一步富集和新礦物的生成，即變質改造成礦作用。兩個成礦亞系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了相近的變質和變形作用過程，但因礦源層物質的差異，成礦系統(tǒng)產(chǎn)物也有所不同[18]。

根據(jù)遼東地區(qū)古元古界變質巖共生組合及其變質礦物的研究，大石橋組最初沉積的白云巖、菱鎂礦層形成后，隨著上覆沉積物的加厚和地熱梯度的增加，一些礦物重結晶，含水礦物脫水。呂梁運動使遼東裂谷閉合，遼河群褶皺變質，沉積的菱鎂礦和白云巖在區(qū)域變質—混合巖化過程中進行了第二次富集，白云巖、菱鎂礦分別被改造為白云石大理巖和晶質菱鎂礦石。同時發(fā)現(xiàn)圍巖中的硅質在區(qū)域變質、動力變質過程中有逐漸向擠壓斷裂帶集中的現(xiàn)象。表明分布在白云石大理巖、菱鎂礦大理巖中的原生硅質，在長期的區(qū)域變質和動力熱變質中，朝著斷裂帶方向遷移、集中，造成了玉石、滑石成礦前的硅化作用。這種硅化是堿性變質熱液淋濾圍巖中的硅質，并攜帶其向擠壓斷裂帶附近運移的結果[19]。而斷裂構造和褶皺構造滿足形成玉石、滑石過程中體積增加（一般情況下增加60%）的需要，同時還降低了流體與鎂質碳酸鹽巖反應生成的CO2的分壓，有利于形成玉石、滑石礦體。

水鎂石的成因則是由于碳酸鹽巖中的大氣降水遭受變質熱液的驅動形成淺成循環(huán)熱水，在極高的溫度場作用下，鎂質碳酸鹽巖中首先出現(xiàn)方鎂石、鎂橄欖石、透輝石、透閃石等變質礦物，繼而因循環(huán)熱水的作用廣泛出現(xiàn)蛇紋石化、滑石化、水鎂石化。水鎂石包體爆裂法測溫顯示，成礦溫度有兩個區(qū)間：310℃~380℃和205℃~260℃[20]。早期成礦溫度較高，形成塊狀水鎂石，并廣泛發(fā)育水鎂石交代菱鎂礦、白云石等現(xiàn)象，反映在堿性條件（pH=9~10）下水化、交代作用劇烈。后期成礦溫度較低，形成脈狀(纖維狀)水鎂石和水鎂石—水菱鎂礦—文石脈，充填于塊狀水鎂石之中。

5.2.2 成礦規(guī)律

滑石、玉石主要分布在寬甸縣中蒿子溝—二道杉松一帶，水鎂石主要分布在寬甸縣上趟子地區(qū)，賦礦層位均以古元古界大石橋組為主，容礦圍巖為白云石大理巖，成礦作用與區(qū)域變質及熱液交代變質作用關系密切。元古代晚期，伴隨著遼東裂谷的萎縮，造山運動的開啟，大量的富含硅質的中基性巖漿熱液侵入，在區(qū)域變質和混合巖化巖漿作用下，硅質熱液與裂隙水形成了淺層熱水循環(huán)，在構造有利部位，與鎂質碳酸鹽巖發(fā)生了交代作用，廣泛出現(xiàn)了蛇紋石化、滑石化、水鎂石化。這種熱液交代型鎂質非金屬礦床，其賦礦部位既受區(qū)域褶皺斷裂構造控制，又與古元古代中基性侵入巖緊密相關，一般產(chǎn)于緊密線狀向斜的核部或兩翼層間擠壓破碎帶發(fā)育部位，周圍往往有古元古界混合巖較大面積出露，多數(shù)礦體表現(xiàn)為沿層走向、陡傾斜的產(chǎn)出特點。

6 結論

通過對遼東寬甸地區(qū)的鎂質非金屬礦成礦地質背景、礦床成因及成礦規(guī)律的研究，可以得出如下結論。

（1）遼東裂谷的演化進程控制了古元古代遼河群鎂質碳酸鹽巖的的沉積，呂梁期的造山運動及區(qū)域變質作用，控制了與鎂質碳酸鹽巖成礦有關的非金屬礦床的成礦條件及分布規(guī)律。

（2）元古代早期炎熱干燥、海水富鎂、大氣中缺氧并富集CO2的古氣候環(huán)境以及遼東寬甸地區(qū)所處的閉塞海灣—瀉湖沉積環(huán)境，是鎂質碳酸鹽巖形成的先決條件。

（3）蒸發(fā)沉積階段是菱鎂礦床形成的主要時期，區(qū)域變質作用和熱液交代作用是滑石、玉石、水鎂石后期變質改造作用的主要成礦因素。

（4）區(qū)域褶皺、斷裂構造及古元古代侵入的中基性巖漿巖控制了滑石、玉石、水鎂石等熱液交代型鎂質碳酸鹽巖礦床的賦礦部位及分布規(guī)律。