遼寧北部菱鎂礦床地質(zhì)特征及成因分析

王希軍，任立國(guó)，徐靜，劉鳴鈺，孟璐

（遼寧省第十地質(zhì)大隊(duì)，遼寧撫順113004）

遼寧北部菱鎂礦床地質(zhì)特征及成因分析

王希軍，任立國(guó)，徐靜，劉鳴鈺，孟璐

（遼寧省第十地質(zhì)大隊(duì)，遼寧撫順113004）

遼北地區(qū)菱鎂礦床位于中新元古代凡河裂谷東南邊緣及太古宙撫順-清原克拉通北部邊緣，由4個(gè)獨(dú)立礦體組成，東西向展布，尤以佟家街礦體規(guī)模最大.礦床賦存于中元古界長(zhǎng)城系高于莊組四段細(xì)晶白云巖中.在對(duì)佟家街菱鎂礦床的補(bǔ)充普查工作中，通過(guò)對(duì)成礦地質(zhì)背景、礦體地質(zhì)特征及古海水、古氣候、古地理位置的研究分析，提出以沉積為主，變質(zhì)重結(jié)晶、變生熱液改造為輔的礦床成因模式.

菱鎂礦礦床；礦床成因；沉積變質(zhì)；遼寧北部

Abstract：The magnesite deposit in Liaoning Province,tectonically located in the southeast margin of the Meso-Neoproterozoic Fanhe rift and the north margin of Archean Fushun-Qingyuan craton,is composed of four individual ore bodies trending east-west,among which the Tongjiajie orebody is the largest.The deposit occurs in the aplite-dolomite of the 4th member of Gaoyuzhuang formation,Changcheng system,Mesoproterozoic.In the geological survey to the Tongjiajie magnesite deposit,the metallogenic background and geologic characteristics of the orebody,as well as the ancient sea water,paleoclimate and paleogeography,are studied and analyzed.The genesis of the deposit is considered to be of sedimentation,with the reformation by metamorphic recrystallization and metamorphic hydrothermal fluid.

Key words：magnesite deposit;genesis;sedimentary metamorphism;Northern Liaoning

遼寧北部菱鎂礦礦床于1958年發(fā)現(xiàn)，分布于撫順縣北部與鐵嶺交界地帶的三沖村-青石嶺村-佟家街村-上年馬村一帶，呈東西向展布，由4個(gè)礦體組成，礦體均呈紡錘狀、橢圓狀.本文以規(guī)模最大的佟家街礦體為例，探討菱鎂礦床成因.

1 成礦地質(zhì)背景

遼北地區(qū)菱鎂礦床所處的大地構(gòu)造位置為中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）膠遼臺(tái)隆（Ⅰ1）鐵嶺-靖宇臺(tái)拱（）凡河凹陷（）東南邊緣.結(jié)晶基底由太古宙花崗片麻巖組成，蓋層為中新元古界、中生界，缺失古元古代沉積.區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖漿活動(dòng)微弱（圖1）.

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)地層屬華北地層區(qū)遼東地層分區(qū)凡河小區(qū).地層呈向北傾斜的單斜狀產(chǎn)出.礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中元古界長(zhǎng)城系大紅峪組、高于莊組、薊縣系楊莊組、霧迷山組，各組之間為連續(xù)沉積，整合接觸（詳見(jiàn)表1、圖1）.

表1 佟家街礦區(qū)中元古界地層簡(jiǎn)表Table1 Mesoproterozoic statigraphy of Tongjiajie orefield

圖1 遼北佟家街地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geologic map of Tongjiajie area,Northern Liaoning

1.2 構(gòu)造

礦床位于遼北元古宙凡河裂谷東南邊緣，其南側(cè)、東側(cè)均為太古宙克拉通，礦區(qū)地層構(gòu)成大甸子向斜南翼，地層呈向北或北東傾斜的單斜構(gòu)造，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單.

1.3 巖漿巖

礦區(qū)巖漿巖不發(fā)育，僅見(jiàn)幾處閃長(zhǎng)巖呈小規(guī)模的巖株?duì)町a(chǎn)出.

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 含礦巖系

礦床產(chǎn)出于中元古界長(zhǎng)城系高于莊組四段，為一套厚層、巨厚層的粉細(xì)晶白云巖，局部夾少量粉砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖、薄層炭質(zhì)白云巖.粉細(xì)晶白云巖以塊狀構(gòu)造為主，礦體嚴(yán)格受控于高于莊組四段白云巖.

2.2 礦體形態(tài)、產(chǎn)狀及其圍巖

礦體長(zhǎng)1200 m，延深大于300 m，走向近東西向，傾向北，傾角50～60°，礦體平均厚度較大.礦體總體形態(tài)呈紡錘狀，向西凸出，向東作分支狀.礦體在橫剖面上形態(tài)似臉盆狀，向深部呈弧形尖滅.礦體中白云巖夾石較多，均呈透鏡狀，延長(zhǎng)、延深均較小.

礦石主要礦物成分為菱鎂礦，礦物集合體常呈菊花狀、放射狀產(chǎn)出.其次為白云石、方解石、滑石、蛋白石等.菱鎂礦呈灰白色、粉紅色，粒度一般3～20 mm，多呈自形—半自形晶型，礦物晶體中菱面體解理發(fā)育.礦石結(jié)構(gòu)主要為中粗晶、巨晶結(jié)構(gòu)，礦石構(gòu)造以塊狀構(gòu)造為主，局部為菊花狀、放射狀構(gòu)造.

礦體含礦層位穩(wěn)定.礦體走向、傾向上界線(xiàn)清晰，礦體圍巖為粉細(xì)晶白云巖，礦體與圍巖呈整合接觸.圍巖蝕變極弱.礦體邊部常見(jiàn)菱鎂礦礦體呈脈狀穿插于圍巖之中.

2.3 礦石化學(xué)成分

礦石中有益組分為MgO，有害組分為CaO、SiO2.MgO含量一般為42%～47%，MgO含量變化呈現(xiàn)地表偏低，深部增高趨勢(shì).礦石中有益組分與有害組分的含量呈反比關(guān)系.礦石中有害組分SiO2含量在地表與地下深部呈規(guī)律性變化，地表礦石中SiO2含量普遍較高，隨著深度的增加，礦石中SiO2含量逐漸降低.

整個(gè)礦床有益組分MgO含量均大于38%，就其單一指標(biāo)而言，礦石均達(dá)到礦床最低工業(yè)品位.因其SiO2含量超標(biāo)，將很大一部分菱鎂礦礦石降為菱鎂巖作為非工業(yè)礦體單獨(dú)圈出.

3 礦床成因分析

現(xiàn)代海洋白云巖沉積曾在哈薩克斯坦巴爾喀什湖東部阿拉庫(kù)斯灣的淺水沉積物里發(fā)現(xiàn)，在澳大利亞南部庫(kù)隆湖、波斯灣中也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代白云巖的生成.其海水的共同特點(diǎn)是：海水的鹽度、鎂的含量及溫度均比別處高（鹽度大于5.0，溫度28～35℃），氣候干燥，海水清潔，pH值高達(dá)9以上［1］.證明白云巖雖然不能從正常的海水中直接沉淀，但可在富鎂并具有高鹽度、高pH值和溫度較高的海水中沉淀.而沉積菱鎂礦的形成環(huán)境是在高鹽、低氧、高pH值的條件下，經(jīng)過(guò)生物化學(xué)沉積作用形成.

3.1 古海水環(huán)境

從全球看，沉積白云巖與菱鎂礦的時(shí)空分布具有明顯的規(guī)律性，在時(shí)間上主要集中在古-中元古代，在空間上菱鎂礦床與鎂質(zhì)碳酸鹽巖建造密切相關(guān)［2］.

從中朝準(zhǔn)地臺(tái)元古宙地層巖性分析，古-中元古界地層是白云巖分布最廣泛的層位.各地元古宇地層中均有白云巖分布，灰?guī)r分布則較少，而在元古宇之上的地層中少有白云巖分布.這充分說(shuō)明元古宙的海洋中海水的化學(xué)成分與其他時(shí)期不同，元古宙的海水中富含鎂元素，海水中Mg2+濃度比Ca2+濃度高得多.現(xiàn)代海洋研究證明，鹽湖水中鎂離子濃度比海水中更高.以東以色列、約旦之間的死海為例，受到干旱氣候的影響，湖水極濃，含鎂竟高達(dá)4%，而普通海水中含鎂一般為0.128%.由于元古宙大氣圈成分以CO2為主，海水中溶解的CO2也較多.因此元古宙時(shí)期海水的化學(xué)成分最適合白云巖的形成，這就為菱鎂礦的形成提供了有利的物質(zhì)來(lái)源.

3.2 古氣候環(huán)境

根據(jù)穩(wěn)定同位素地溫計(jì)研究，元古宙地球表面溫度可能達(dá)到52℃［3］，地表平均氣溫在25～50℃之間.根據(jù)古地磁研究，元古宙地層都處于中緯度—低緯度范圍內(nèi).由于太古宙時(shí)期火山作用釋放出的CO2都富集在大氣中，形成稠密的CO2大氣圈，因此元古宙大氣圈中CO2含量依然較高，造成氣候炎熱、干旱.高溫加劇了海水蒸發(fā)，使海水鹽度增高.由于溫度較高，元古宙海洋中廣泛繁榮的藻類(lèi)生物，在光合作用下，消耗大量的CO2，生產(chǎn)有機(jī)物和氧，使海水中的CO2含量和氫離子濃度逐漸降低，于是海水的堿性不斷增強(qiáng)，海水的pH值不斷上升，為白云石-菱鎂礦的形成提供了有利的化學(xué)條件.

3.3 古地理環(huán)境

遼北地區(qū)菱鎂礦床分布于元古宙凡河裂谷東南邊緣.凡河裂谷為薊縣裂谷系的北東分支，呈近東西向展布，海侵方向?yàn)橛晌飨驏|［4］.

從長(zhǎng)城系高于莊組巖石組合及地層層序看，高于莊中晚期由于地殼上升，發(fā)生海退，海退的方向?yàn)橛蓶|向西，海水變淺，陸地增大，首先脫離廣海的是古陸邊緣附近的濱海地帶，因此沿凡河裂谷東南邊緣的濱海一帶出現(xiàn)了多個(gè)呈半封閉的不連續(xù)的海盆地.海盆地內(nèi)水體與外海存在循環(huán)，在特大潮期間，外海海水可經(jīng)常越過(guò)沿岸沙壩補(bǔ)充海盆地內(nèi)水體，為白云石-菱鎂礦的形成提供了有利的地理?xiàng)l件.

3.4 成因分析

Sr、Ba元素的化學(xué)性質(zhì)十分相似，它們均可以形成可溶性重碳酸鹽、氧化物和硫酸鹽進(jìn)入溶液.在近岸沉積物中富含Ba元素，而Sr元素的遷移能力高于Ba元素，可以遷移到大洋深處.碳酸鹽礦物對(duì)Sr元素有捕獲作用，Sr/Ba比值在淡水沉積物中常小于1，而海水沉積物中常大于1［5］.通過(guò)對(duì)佟家街菱鎂礦床的礦石采樣分析其Sr、Ba元素的含量，Sr/Ba比值（0.0043/0.0024）大于1，該礦具有海相沉積的特點(diǎn).

由于鹽類(lèi)礦物的溶解度、溶度積不同，在水中CO2含量、壓力、溫度相同條件下，海水蒸發(fā)濃縮時(shí)，總是溶解度小的先沉淀，溶解度大的后沉淀［6］.就碳酸鹽巖礦物而言，鎂元素含量越高，其溶解度越大，因此菱鎂礦的溶解度大于白云石，白云石的溶解度大于方解石.一般海水蒸發(fā)濃縮礦物沉淀的先后順序?yàn)椋悍浇馐自剖怄V礦.海水受蒸發(fā)濃縮鹽度增高時(shí)，依次出現(xiàn)灰?guī)r—白云巖—菱鎂礦.

在高于莊中晚期，由于地殼上升，海水變淺，沿凡河裂谷東南邊緣出現(xiàn)了多個(gè)呈半封閉的不連續(xù)的濱海盆地，并且海水清澈，海水較淺，水深約10～15 m.在當(dāng)時(shí)炎熱、干旱氣候條件下，水體的蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于注入量，海水不斷蒸發(fā)、濃縮，使原本富含鎂元素的海水含鹽度不斷增高.在這種情況下，海盆地中表層水因蒸發(fā)而濃縮咸化，密度增高，表層水因密度大而逐漸下沉至水底，鹽度小而密度小的水逐漸升至表層，再接受蒸發(fā)濃縮.長(zhǎng)此以往，形成上咸而重，下更咸而更重，水體深部壓力增大，造成水體底部缺氧，由于元古宙時(shí)期海水pH值本來(lái)就較高，蒸發(fā)作用使海盆地內(nèi)水體pH值更高，并且Mg2+濃度更高，于是形成菱鎂礦沉積.

3.5 成礦階段

該礦床形成大致可分為3期.第一期沉積成巖階段，濱海盆地內(nèi)海水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、濃縮及內(nèi)源化學(xué)沉積作用，形成菱鎂礦或菱鎂巖.由于當(dāng)時(shí)濱海盆地中的海水經(jīng)常有外海水補(bǔ)給，稀釋了盆地中已經(jīng)濃縮的高鹽度、高pH值的海水，此時(shí)形成白云巖沉積，這也是菱鎂礦床中普遍存在透鏡狀白云巖夾石的原因.第二期為重結(jié)晶階段，菱鎂礦沉積成巖后，元古宙末的燕遼運(yùn)動(dòng)使整個(gè)區(qū)域發(fā)生了綠片巖相的區(qū)域變質(zhì)作用，使菱鎂礦或菱鎂巖發(fā)生重結(jié)晶，并富集形成中細(xì)晶的晶質(zhì)菱鎂礦.第三期為變生熱液交代改造階段，在元古宙末在區(qū)域變質(zhì)作用下形成的變生熱液交代菱鎂礦，產(chǎn)生富鎂熱液，形成粗晶、巨晶菱鎂礦，其集合體呈菊花狀、放射狀，富鎂熱液貫入到圍巖裂隙中，形成的菱鎂礦呈脈狀穿插于圍巖中.

4 結(jié)論

遼寧省北部的菱鎂礦分布于撫順縣與鐵嶺縣交界的三沖村-青石嶺村-佟家街村-上年馬村一帶，礦床規(guī)模為中型，形成于中元古宙高于莊期，形成時(shí)間顯著晚于遼寧省南部的海城-大石橋-帶的超大型菱鎂礦床.遼南地區(qū)超大型菱鎂礦床形成于古元古代大石橋時(shí)期，礦床賦存于古元古界上遼河群大石橋組中，構(gòu)造環(huán)境為營(yíng)口-寬甸遼東元古宙裂谷海槽之北緣，圍巖為條帶狀白云石大理巖和硅質(zhì)白云石大理巖，其變質(zhì)程度略高于遼北地區(qū)菱鎂礦含礦圍巖.遼北地區(qū)與遼南地區(qū)菱鎂礦床在成礦環(huán)境、構(gòu)造位置及成因上都具有相同或相近的成礦背景，只是由于當(dāng)時(shí)海侵方向先由西南的下遼河凹陷開(kāi)始，古元古代時(shí)期發(fā)展到營(yíng)口-寬甸海槽，最后于中元古代時(shí)期在遼北地區(qū)凡河海槽發(fā)生了大面積海侵.

綜上所述，遼北地區(qū)菱鎂礦床的成因應(yīng)屬于沉積變質(zhì)型層控晶質(zhì)菱鎂礦，中元古代高于莊期沉積成巖后，后期經(jīng)受了變質(zhì)重結(jié)晶作用和變生熱液交代作用的改造.

［2］馮本智，朱國(guó)林，等.遼東海城-大石橋超大型菱鎂礦礦床的地質(zhì)特點(diǎn)及成因［J］.長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995（2）:121—124.

［3］李東濤，孫鵬慧，等.遼寧省菱鎂礦床成因探討［A］//曲亞軍，楊占興，等編.遼寧地質(zhì)礦產(chǎn)與環(huán)境.北京：地震出版社，2008:40—49.

［4］王長(zhǎng)青，張林，等.遼北凡河裂谷發(fā)展與演化特征［A］//曲亞軍，楊占興，等編.遼寧地質(zhì)礦產(chǎn)與環(huán)境.北京：地震出版社，2008:55—64.

［5］陳建強(qiáng)，周洪瑞，等.沉積學(xué)及古地理學(xué)教程［M］.北京：地質(zhì)出版社，2004.

［6］袁見(jiàn)齊，朱上慶，等.礦床學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1985.

ANALYSIS ON THE GEOLOGY AND GENESIS OF THE MAGNESITE DEPOSIT IN NORTHERN LIAONING PROVINCE

WANG Xi-jun,REN Li-guo,XU Jing,LIU Ming-yu,MENG Lu
（No.10 Geologic Brigade of Liaoning,Fushun 113004,Liaoning Province,China）

1671-1947（2012）04-0376-04

P619.23

A

2012－02－08；

2012-05-18.編輯：張哲.

王希軍（1971—），男，地質(zhì)礦產(chǎn)工程師，從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查、環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)估工作，通信地址撫順市東洲區(qū)綏化路東段133號(hào)，E-mail//WXJ18811992@163.com