北京房山大石窩地區(qū)漢白玉特征及成因探討

孟冬青，葛長峰，李懷永

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500)

北京房山大石窩地區(qū)漢白玉特征及成因探討

孟冬青，葛長峰，李懷永

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500)

北京市房山區(qū)大石窩地區(qū)盛產(chǎn)漢白玉資源，巖石呈純白色，結(jié)構(gòu)細膩，其主要礦物為白云石，成分純凈。礦體賦存于薊縣系霧迷山組一段地層，呈穩(wěn)定層狀產(chǎn)出，節(jié)理、裂隙發(fā)育較弱，巖石物理性能良好，荒料率高。文章在綜合研究高莊、石窩、巖上—黃元井三個漢白玉礦區(qū)地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出了漢白玉的成因模式，并指出了漢白玉找礦方向。

大石窩；漢白玉；地質(zhì)特征；成因

大理巖是一種重要的石材礦產(chǎn)，常用于雕刻，亦可作為飾面石材使用[1-2]。大石窩鎮(zhèn)以大理石礦藏聞名于世，總儲量2 450萬m3，漢白玉、明柳、磚碴、大六面、小六面、芝麻花、大弦、小弦、黑大石、黃大石、青白石、艾葉青、螺絲轉(zhuǎn)等構(gòu)成著名的“13弦”，更因其獨特產(chǎn)物漢白玉而名揚中外，被譽為“漢白玉的故鄉(xiāng)”[3-4]。

漢白玉是一種純白色大理巖。國內(nèi)白色大理巖品種有數(shù)十種之多，如房山漢白玉、寶興白、東方白、河南白、川白玉等，有的是白云質(zhì)，有的是方解石質(zhì)，產(chǎn)自北京房山大石窩地區(qū)的漢白玉主要由白云石組成，是一種沉積變質(zhì)型白云石大理巖，潔白無瑕、質(zhì)地細膩，品質(zhì)最佳[4-8]。

目前對飾面石材大理巖已有較為廣泛的研究[9-13]，而關(guān)于漢白玉，國內(nèi)外尚缺少專業(yè)的地質(zhì)學(xué)術(shù)研究，主要是一些應(yīng)用領(lǐng)域的研究，如漢白玉文物的考古研究[1，14-15]、漢白玉資源的開發(fā)利用[2]、漢白玉產(chǎn)品品質(zhì)的評價[6，16]等。本文主要依據(jù)2015～2016年在大石窩地區(qū)巖上—黃元井礦區(qū)的普查工作及前人相關(guān)研究成果，分析本區(qū)漢白玉的成礦地質(zhì)特征，并對其成因進行初步探討。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)，大地構(gòu)造位置位于中朝準地臺燕山臺褶帶(Ⅱ級)西山疊坳褶(Ⅲ級)十渡—房山中穹褶(Ⅳ級)的西南部[17]。構(gòu)造形態(tài)簡單，出露地層以薊縣系霧迷山組為主，局部出露楊莊組及長城系高于莊組，巖漿活動微弱(見圖1)。

1.1 地層

區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋較廣，出露基巖地層主要為中元古界長城系、薊縣系地層。其中長城系出露的地層為高于莊組、薊縣系出露的地層為楊莊組和霧迷山組。其巖性特征分述如下：

長城系高于莊組四段(Chg4)：出露于區(qū)域的中西部，高莊礦區(qū)北側(cè)，北東—南西向展布，主要巖性為含石英條帶、石英團塊大理巖化白云巖，受石門短軸背斜控制。

薊縣系楊莊組(Jxy)：主要出露于區(qū)域的中西部，高于莊組地層南北兩側(cè)，與高于莊組地層呈平行不整合接觸，巖性以石英砂巖為主，出露面積較小。

薊縣系霧迷山組一段(Jxw1)：主要巖性為各種大理巖，白色、青白色、青灰色及灰色，可見大量石英條帶、石英團塊，出露廣泛。為漢白玉賦礦層位。

圖1 大石窩地區(qū)地質(zhì)簡圖

第四系(Q)：為黃土、紅粘土、殘坡積物及人工堆積物等，不整合覆蓋于不同時代地層之上，主要分布于山前平原地帶及溝谷內(nèi)，厚度普遍在2～15m不等。

1.2 構(gòu)造

構(gòu)造主要為石門短軸背斜，位于本區(qū)中部，軸部在石門村西，軸向NE70～80°，核部出露地層為長城系高于莊組白云巖，兩翼地層為薊縣系楊莊組石英砂巖及薊縣系霧迷山組大理巖，南東翼較陡，產(chǎn)狀為150～160°∠15～20°，北西翼較平緩，傾角一般在10°左右。斷裂構(gòu)造在本區(qū)不發(fā)育，僅在局部地區(qū)見到若干小斷層，規(guī)模一般僅幾十米。

1.3 巖漿巖

區(qū)域巖漿活動發(fā)育較弱，主要是燕山晚期侵入的石門花崗巖體，巖性為灰白色中細粒黑云母花崗巖，侵入于中元古界長城系高于莊組、薊縣系楊莊組和霧迷山組地層中，出露于區(qū)域中西部石門村附近，出露面積約1km2。

呂金波等[18]研究認為該巖體為深成侵入體，巖體上拱形成穹隆(石門背斜)，其受剝蝕程度較淺，出露面積小而隱伏面積大。并通過K-Ar法測定巖體年齡為(114.98±1.87)Ma B.P.，為早白堊世侵入體，燕山晚期第2次巖漿旋回。

1.4 變質(zhì)作用和蝕變特征

本區(qū)地層以強烈的大理巖化為主，長城系高于莊組地層可見明顯的大理巖化，霧迷山組一段地層基本上已全部變質(zhì)為大理巖；金云母化亦很普遍，形成較厚的片理化金云母大理巖，亦可呈紋層、紋帶狀出現(xiàn)。此外，區(qū)內(nèi)還見有硅化、透閃石化、陽起石化、黃鐵礦化等中低溫?zé)嵋何g變，其分布愈靠近石門花崗巖體，蝕變現(xiàn)象愈明顯，反映了本區(qū)變質(zhì)作用主要是區(qū)域熱變質(zhì)作用的結(jié)果。

2 漢白玉特征

2.1 礦體特征

本區(qū)共發(fā)現(xiàn)14條有一定規(guī)模的漢白玉礦體，其中高莊礦區(qū)7條，石窩礦區(qū)1條，巖上—黃元井礦區(qū)2條，石門地區(qū)4條，均賦存于薊縣系霧迷山組一段。礦體形態(tài)簡單，除高莊礦區(qū)K7礦體呈似層狀或似扁豆狀，厚度變化較大不穩(wěn)定外，其余均為穩(wěn)定的層狀，礦體產(chǎn)狀與圍巖一致，界限清楚，少數(shù)為過渡狀態(tài)，圍巖巖性均為青白—灰色含石英條帶、石英團塊或其他雜質(zhì)的白云石大理巖(圖2a，圖2b)。礦體均呈雪白色，僅局部微帶淺黃色和淺青白色。經(jīng)長期民采，地表及淺部礦體大多已被采空，留下廢棄采硐，故本次研究未對GK1、GK2、GK3和GK4礦體作詳細調(diào)查。礦體特征詳見表1。

圖2 漢白玉照片

表1 大石窩地區(qū)漢白玉礦體特征

2.2 礦石組構(gòu)

漢白玉礦石為純白色，細粒變晶結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造。礦物成分主要為白云石(Dol)，他形、粒狀，閃突起、高級白干涉色，顆粒間呈三邊鑲嵌結(jié)構(gòu)，主要粒徑為0.05～0.3mm，含量約占巖石總量97%～98%；石英(Qtz)呈他形粒狀，充填白云石顆粒間，主要粒徑0.05～0.5mm，含量約1%(見圖3)；局部見少量云母、方解石，極少量黃鐵礦、褐鐵礦、石榴子石。

圖3 漢白玉鏡下顯微照片

2.3 化學(xué)成分

對15件漢白玉礦石樣品主要化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表2，平均質(zhì)量分數(shù)(%)為：SiO22.75、Al2O30.207、TFe 0.19、CaO 29.22、MgO 21.06，礦石具富鈣鎂的特點。白云石的分子式為CaMg[CO3]2，理論上白云石中應(yīng)含有30.43%的CaO和21.74%的MgO，這與本區(qū)漢白玉中CaO和MgO的含量相當接近，說明本區(qū)漢白玉成分純凈，幾乎全部為白云石，除局部富集石英條帶或團塊外，其他雜質(zhì)含量極少。

表2 化學(xué)分析結(jié)果(%)

2.4 物理性質(zhì)

在研究區(qū)共采取9套漢白玉礦石樣品對其物理性能進行測試，由于地表礦石大多已被采空及鉆孔中礦石長度有限等因素，部分樣品未能完成全部項目的測試。測試結(jié)果見表3。測試結(jié)果滿足國家對大理石建筑板材的指標要求，礦石質(zhì)量良好[21]。

2.5 飾面石材荒料率

飾面石材的荒料率是衡量飾面石材礦石質(zhì)量的重要指標，直接關(guān)系到飾面石材礦體開采經(jīng)濟價值，荒料率的高低主要受礦石節(jié)理裂隙發(fā)育程度的影響[22]。由于礦體形態(tài)和質(zhì)量穩(wěn)定，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，本區(qū)礦石利用率較高，據(jù)調(diào)查，高莊礦區(qū)實際生產(chǎn)荒料率高達50%。

表3 物理性能測試結(jié)果

3 漢白玉成因探討

當前關(guān)于漢白玉的成因研究較淺，國內(nèi)學(xué)者普遍認為大石窩地區(qū)的漢白玉是動熱變質(zhì)成因，石門花崗巖體是變質(zhì)作用的熱力來源[1，4-5，7，17-18]，巖石在高溫烘烤下發(fā)生退色變白而形成漢白玉[19]。但縱觀大石窩地區(qū)的漢白玉分布，乃是與地層產(chǎn)狀一致的順層礦體，且具有多層性，其分布范圍與巖體并無直接聯(lián)系，同一巖性的地層在高溫下發(fā)生選擇性退色的可能性不大。苗運法等[23]研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代地表沉積物的顏色指標與溫度之間沒有必然聯(lián)系，而與降水量之間具有較好的相關(guān)性。將今論古，本區(qū)大理巖的顏色特征可能亦與地質(zhì)歷史時期降雨量的變化有關(guān)。Papageorgakis[24]指出，灰色大理巖的顏色與礦物含量是由原巖的物質(zhì)組成決定的。因此，筆者認為本區(qū)大理巖的顏色應(yīng)為變質(zhì)前的顏色，其差異可能是受降雨量影響，石門花崗巖體的熱力使白云巖變質(zhì)成為大理巖。

影響巖石顏色的因素有很多，如巖石組構(gòu)、巖石濕度、形成環(huán)境、致色礦物、有機質(zhì)、后期改造等[25-26]。Schmid等[27]研究了意大利北部與Adamello巖體有關(guān)的白色方解石大理巖，認為原巖中有機碳含量的降低是巖石顏色由灰變白的主要原因，二氧化硅、礦石礦物及流體不會引起顏色的改變。同時指出，礦物粒徑大小與巖石的亮度相關(guān)。本區(qū)漢白玉礦石及其圍巖均為粒狀變晶結(jié)構(gòu)，巖石較純凈，礦物成分以白云石為主，部分石英，二者含量一般占巖石總量的98%以上，其他礦物包括少量金云母、方解石以及極少量的金屬礦物，除局部偶見少量黃鐵礦、褐鐵礦等蝕變礦物外，未發(fā)現(xiàn)致色礦物。據(jù)曹琦等[25]研究發(fā)現(xiàn)，淺色的巖石含有機質(zhì)低，多形成于淺水、動蕩和氧化條件下，因此，本區(qū)大理巖的形成環(huán)境可能與此相似，巖石顏色很可能受巖石中有機質(zhì)含量的控制，為同沉積期—成巖早期的顏色。漢白玉礦石的礦物主要粒徑0.05～0.3mm，淺灰—灰色大理巖主要粒徑0.1～1mm，由于光在粗晶礦物中路徑較細晶中長，增加了對光的吸收，因此漢白玉具有比灰色大理巖更高的亮度。

綜合上述分析，大石窩地區(qū)漢白玉的形成模式為：中元古代，北京西山地區(qū)發(fā)育一套濱—淺海相富鎂碳酸鹽沉積。該時期海水中藻類等生物活動頻繁，有機質(zhì)含量高，沉積物顏色以灰色為主，其中某個(某幾個)地質(zhì)歷史時期降雨量豐富，在特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下，沉積物中的有機質(zhì)被帶走，沉積物成分純凈，因而呈現(xiàn)白色。沉積物壓實逐漸形成白云巖。至早白堊紀，距今大約115Ma，燕山晚期第2次巖漿旋回，巖體侵入霧迷山組第一段地層中，即石門花崗巖體，由于巖漿的熱力作用，使巖體周圍白云巖普遍大理巖化、重結(jié)晶，從而形成潔白、細膩的白云石大理巖，即漢白玉。

4 找礦方向

漢白玉是我國非常缺乏的礦藏，目前保有資源量很少，除北京外我國僅少數(shù)幾個省有漢白玉資源。鑒于漢白玉重要的應(yīng)用價值，其市場需求持續(xù)增長。綜合前文，漢白玉的找礦方向主要有以下幾點：

(1) 地層標志：薊縣系霧迷山組一段地層是本區(qū)唯一的賦礦層位，是重要的找礦方向。

(2) 巖性、構(gòu)造標志：在碳酸鹽地區(qū)的巖體侵入部位，常發(fā)生變質(zhì)作用形成大理巖，可作為漢白玉的找礦標志；有時背斜構(gòu)造的形成與其下隱伏巖體有關(guān)，亦不容忽視。

(3) 就礦找礦：在已知漢白玉礦區(qū)深部及外圍找礦，是最直接且行之有效的找礦方法。

5 結(jié)論

(1) 大石窩地區(qū)漢白玉礦賦存于薊縣系霧迷山組一段地層，礦體主要呈穩(wěn)定的層狀，構(gòu)造裂隙不發(fā)育。巖石質(zhì)地潔白、結(jié)構(gòu)細膩、透光感強，具粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成分純凈，白云石含量高達97%～98%。

(2) 大石窩地區(qū)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育較弱，所產(chǎn)漢白玉加工性能良好，生產(chǎn)荒料率高達50%。

(3) 大石窩地區(qū)白云石大理巖為濱—淺海相富鎂碳酸鹽沉積經(jīng)區(qū)域熱變質(zhì)作用形成，漢白玉礦層為降雨量充沛時期沉積的產(chǎn)物，由于其中有機質(zhì)含量低而呈現(xiàn)白色。燕山晚期侵入的石門花崗巖體是變質(zhì)作用的熱力來源。

(4) 薊縣系霧迷山組一段地層、背斜構(gòu)造或巖體侵入部位以及已知漢白玉礦區(qū)深部及外圍地區(qū)，是尋找漢白玉的重要方向。

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Characteristics and Genesis of the White Marbles in the Dashiwo Area, Fangshan, Beijing

MENG Dong-qing, GE Chang-feng, LI Huai-yong
(Beijing Institute of Geological Engineering Design, Beijing 101500, China)

The white marbles are rich in the Dashiwo town of Fangshan district in Beijing.The composition of the rocks are mainly dolomites, with pure white color and fine structure. The ore beds are stratiform and hosted in the first Member of Wumishan formation, Jixian system. The rocks have little joints and fractures, thus lead to good physical property and high waste rate. The article proposed the origin model and prospecting direction of White marbles on the basis of the geological characteristics study on this district.

Dashiwo; white marble; geological characteristics; origin

P619.223

A

1007-9386(2017)04-0033-05

2017-01-04