遼西地區(qū)珍珠巖礦床成因及成礦模式探討

魏 強(qiáng)

(遼寧省有色地質(zhì)局一○九隊(duì)，朝陽 122000)

0 引言

隨著在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中對環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，作為新型環(huán)保材料的膨脹珍珠巖越來越受到人們的重視[1]。遼西地區(qū)作為珍珠巖礦的重要產(chǎn)地之一，其礦床成因研究程度不深，涉及成礦模式的研究也較少。基于遼寧省實(shí)施的“突破遼西北戰(zhàn)略”，通過收集研究遼西地區(qū)典型的珍珠巖礦床地質(zhì)資料，結(jié)合長期的野外實(shí)踐，總結(jié)該區(qū)珍珠巖礦床規(guī)律，進(jìn)一步分析礦床成因，并構(gòu)建成礦模式，為該區(qū)珍珠巖找礦工作提供思路。

1 成礦地質(zhì)背景

中生代時(shí)期，遼西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，即燕山運(yùn)動。在此期間，庫拉板塊向NW向運(yùn)動，與歐亞板塊俯沖碰撞，最終消失于亞歐板塊之下。日本島南西部發(fā)現(xiàn)的高壓低溫變質(zhì)帶、中國東部大陸邊緣形成的與日本領(lǐng)家組相對應(yīng)的高溫低壓變質(zhì)帶，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明此消亡帶的存在。由于庫拉板塊俯沖擠壓，使得該地區(qū)地殼運(yùn)動加劇、火山活動活躍，導(dǎo)致大量的中酸性向地表噴溢或侵入，隨著溫度、壓力驟降，在水的參與下，熾熱酸性火山熔巖經(jīng)分異、塑化、固結(jié)等一些列復(fù)雜的地質(zhì)作用，最終形成珍珠巖礦床(點(diǎn))。遼西地區(qū)珍珠巖的賦存層位主要為中生代侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的酸性火山巖，成礦地質(zhì)背景為大陸邊緣島弧型，礦床類型為酸性火山熔巖流型礦床，礦體形態(tài)多為似層狀、條帶狀，珍珠巖礦床常與膨潤土礦、沸石礦共生，構(gòu)成同一成礦系列。

2 珍珠巖礦床地質(zhì)特征

遼西地區(qū)位于華北陸塊北部，屬燕遼構(gòu)造帶，具有穩(wěn)定型陸塊與活動造山帶之間的過渡型特征[2]。同時(shí)，華北地臺北緣是重要的多金屬成礦帶[3]。中生代侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)酸性火山巖的產(chǎn)出嚴(yán)格受燕山臺褶帶、遼西臺陷控制，主要分布于遼西坳陷內(nèi)段盆地中，呈層狀、似層狀產(chǎn)出。該區(qū)珍珠巖礦產(chǎn)主要賦存于此中生代侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)酸性火山巖及火山碎屑-沉積巖內(nèi)(圖1)。

圖1 遼西地區(qū)主要構(gòu)造體系及侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)中酸性巖分布示意圖

以4個(gè)礦床實(shí)例對遼西珍珠巖礦床特征進(jìn)行闡述如下。

2.1 遼寧喀左官大海珍珠巖礦床

礦區(qū)位于華北地臺北緣，燕山臺褶帶，遼西臺陷朝陽穹褶斷束中段大城子盆地南西側(cè)，該盆地沉積了厚度巨大的中生代地層。礦區(qū)出露地層主要為白堊紀(jì)義縣組(K1y)酸性噴出巖，呈似層狀分布，含礦巖石組合為義縣組的酸性火山巖。

礦體呈似層狀、透鏡狀出露于礦區(qū)中部，賦存于白堊系義縣組二段凝灰質(zhì)火山角礫巖中，長700 m，一般厚度為15～20 m，最大厚度為25 m，礦石為黑綠色，礦層層位穩(wěn)定，頂?shù)装鍨槿饧t色凝灰質(zhì)火山角礫巖。

2.2 遼寧凌源牛營子—北爐珍珠巖礦床

礦區(qū)處于華北地臺北緣中東段，燕山臺褶帶西部，四官營子—三十家子盆地西部，太平溝—刀爾登褶皺帶的中部東緣。區(qū)內(nèi)出露地層主要為中生代侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)(李伍平等[4]認(rèn)為髫髻山組應(yīng)屬于晚侏羅世)，巖性由一套酸性的多旋回噴發(fā)的火山熔巖、碎屑巖組成，礦區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定。

主要巖性自下而上為淺灰色流紋質(zhì)凝灰角礫巖、灰黑色珍珠巖和灰色、肉紅色流紋巖。地層總體走向NE，傾向NW，傾角52°～75°。區(qū)內(nèi)礦體賦存于侏羅系中統(tǒng)髫髻山組(J2t)，呈似層狀大致平行產(chǎn)出，礦與非礦易于簽別，界線清楚。地表斷續(xù)出露長度663 m，水平厚度48～93 m，總體走向35°，傾向NW，傾角80°。

2.3 遼寧建平雙廟珍珠巖礦床

礦區(qū)處于華北地臺—燕山臺褶帶—遼西臺陷—朝陽穹褶斷束的建昌—喀左盆地內(nèi)，礦區(qū)出露地層單一，均為早白堊世的凝灰?guī)r、珍珠巖和流紋巖。由上而下為礫巖、珍珠巖、凝灰?guī)r、流紋巖、珍珠巖、膨潤土和角礫凝灰?guī)r。南端流紋巖與珍珠巖接觸部位珍珠巖發(fā)生蒙脫石化，含礦巖石組合為義縣組(K1y)的酸性火山巖。

礦體呈似層狀，礦體總體走向17°，寬度變化大并有尖滅現(xiàn)象，礦層中夾有薄層凝灰?guī)r，說明火山噴發(fā)為間歇式噴發(fā)。礦石主要為黑綠色珍珠巖，質(zhì)優(yōu)； 青色含棕褐色珍珠巖，質(zhì)中劣； 灰黃、灰綠色脫玻珍珠巖，質(zhì)劣。

2.4 遼寧彰武土城子珍珠巖礦床

礦區(qū)位于新華夏系第二沉降帶與第三隆起帶接觸部位，即松遼沉降帶與大興安嶺太行山隆起帶結(jié)合帶底部，松遼盆地東部邊緣，四愣子山背斜東側(cè)。

區(qū)內(nèi)中生代地層發(fā)育，其中以下白堊統(tǒng)最發(fā)育，主要分布于新華夏系構(gòu)造所控制的構(gòu)造盆地內(nèi)，下白堊統(tǒng)共分3組： 義縣組(K1y)、九佛堂組(K1j)和孫家灣組(K1s)。礦區(qū)出露地層主要為義縣組(K1y)酸性噴出巖，呈似層狀分布。

礦體呈似層狀出露于礦區(qū)西部，南窄北寬，長800 m，最厚21 m，最薄1 m，一般厚5～10 m。礦石為灰綠色珍珠巖。礦層層位穩(wěn)定，底部為紫色—灰紫色球泡流紋巖、氣孔流紋巖，頂部為灰綠色流紋巖，它與礦體接觸部分可見玻璃質(zhì)。礦體與球泡流紋巖界限清楚。脫?；饕獮槊擅撌?。

根據(jù)以上4個(gè)礦床實(shí)例的地質(zhì)特征，歸納遼西地區(qū)珍珠巖礦床地質(zhì)特征如下：

(1)成礦時(shí)代。遼西地區(qū)珍珠巖的成礦期主要發(fā)生在中生代侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)時(shí)期。

(2)空間分布。礦床主要賦存于中生代的陸相盆地中，這些盆地均受新華夏系構(gòu)造所控制[5]，珍珠巖礦明顯受新華夏系構(gòu)造的次級區(qū)域構(gòu)造控制，主要有NE向的北爐—雙廟成礦帶、建昌—北票成礦帶。

(3)礦體形態(tài)特征。礦體形態(tài)多為似層狀或透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，厚度幾米到幾十米不等，礦與非礦界限易于區(qū)分。

(4)礦床指示標(biāo)志。珍珠巖礦床常與膨潤土礦、沸石礦共生，構(gòu)成了礦床成礦系列[6]，因此發(fā)現(xiàn)有膨潤土、沸石礦的地方，就可能會有珍珠巖礦的存在。

3 珍珠巖巖石學(xué)特征

珍珠巖為火山噴發(fā)的酸性熔巖經(jīng)急速冷卻而形成的玻璃質(zhì)巖石，含結(jié)合水2%～6%，野外觀察為灰綠色、灰黑色和黑色，斷口呈參差狀，全玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造，珍珠光澤，風(fēng)化后為油脂光澤，表面常具有弧形冷凝裂紋。

區(qū)內(nèi)珍珠巖巖石化學(xué)特征詳見表1。經(jīng)初步研究，K2O+Na2O含量與膨脹性能呈正相關(guān)關(guān)系，K2O+Na2O含量大于6.5%，K<7(K為膨脹倍數(shù))，膨脹不佳，不符合工業(yè)指標(biāo)要求； K2O+ Na2O含量在5%～8%之間，K≥7時(shí)，膨脹性能最佳。研究區(qū)的K2O+Na2O含量在5%～8%區(qū)間，屬佳值范圍內(nèi)。據(jù)趙禮等[5]認(rèn)為，K2O/Na2O≈1，膨脹性能好，研究區(qū)的K2O/Na2O近似1，表明遼西地區(qū)珍珠巖的膨脹性能較好。

局部地區(qū)見有少量珍珠巖發(fā)生嚴(yán)重的膨潤土化及玻璃質(zhì)體脫?；F(xiàn)象，導(dǎo)致大量的沸石和蒙脫石生成。

表1 遼西珍珠巖巖石化學(xué)特征

注： SI.固結(jié)系數(shù)；f.自由度；τ.戈蒂里指數(shù)；δ.里特曼指數(shù)；k.鉀原子質(zhì)量數(shù)。

4 珍珠巖蝕變過程

酸性火山巖漿在向地表噴溢或侵入過程中，其頂部經(jīng)過水化作用的塑狀玻璃在流動過程中急劇驟冷而發(fā)生碎裂，形成具有珍珠裂隙結(jié)構(gòu)的塑狀玻璃體。伴隨著溫度、壓力的降低，巖漿大量釋放揮發(fā)組分，在巖漿固結(jié)成巖作用下，形成珍珠巖礦床； 隨著溫壓條件繼續(xù)降低，塑狀玻璃體繼續(xù)冷卻自碎，發(fā)生水解蝕變，塑狀玻璃迅速地被蝕變改造成膨潤土(圖2)。

圖2 珍珠巖蝕變過程模式圖

5 礦床成因分析

5.1 構(gòu)造環(huán)境對珍珠巖成礦的影響

遼西地區(qū)的珍珠巖主要形成于燕山期，而該期的巖漿活動較為頻繁且強(qiáng)烈。據(jù)市川浩一郎等[7]認(rèn)為,侏羅紀(jì)以前庫拉板塊與歐亞板塊相鄰，日本列島與歐亞大陸東北部相連，中生代時(shí)庫拉板塊向NW運(yùn)動，受歐亞板塊俯沖擠壓，使東北地區(qū)地殼發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，同時(shí)發(fā)生的斷裂和火山活動，使得中生代特別是晚侏羅世、早白堊世酸性火山巖噴溢或侵入到近地表，在其急劇降溫、降壓條件下，通過地下水、地表水的作用，便可形成珍珠巖礦床，同時(shí)也伴有膨潤土、沸石礦的形成。

據(jù)《遼寧省區(qū)域地質(zhì)志》[8]，中生代遼西地區(qū)經(jīng)歷了多旋回多期次的火山噴發(fā)作用，各旋回火山作用間歇期有巨厚的河流相或湖沼相沉積。依據(jù)火山巖地層層序、噴發(fā)韻律，可將遼西火山巖自下而上進(jìn)一步劃分為中生代侏羅紀(jì)興隆溝火山噴發(fā)旋回、髫髻山火山噴發(fā)旋回，白堊紀(jì)張家口火山噴發(fā)旋回、義縣火山噴發(fā)旋回、大興莊火山噴發(fā)旋回。區(qū)內(nèi)珍珠巖礦床大多賦存于白堊紀(jì)義縣火山噴發(fā)旋回的酸性火山巖中。

遼西地區(qū)珍珠巖在AMF圖中投點(diǎn)大部分落在鈣堿性范圍內(nèi)，靠近AF邊和A端，與日本的易變輝石母巖漿區(qū)相對應(yīng)[9]，可能屬于紫蘇輝石系列。通過對珍珠巖化學(xué)成分特征及形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境的研究，可以得出遼西地區(qū)的珍珠巖屬于邊緣島弧型。從圖3看出，珍珠巖投影點(diǎn)基本落入II區(qū)，總體趨勢與日本島弧型火山巖(J線)相一致，說明都屬于在同一構(gòu)造環(huán)境下形成的。

F=FeO+0.9Fe2O3; A=Na2O+K2O; M=MgO

5.2 成礦期的物理、化學(xué)環(huán)境對珍珠巖成礦的影響

珍珠巖是一種酸性玻璃質(zhì)火山巖，屬酸性巖漿鋁過飽和系列[10-11]。酸性玻璃質(zhì)是在巖漿噴溢或侵入地表過程中，與冷空氣及地表水接觸而急劇冷凝形成的。酸性巖漿在向地表噴溢或侵入的過程中，其內(nèi)部往往含有大量的氣水熱液，由于酸性巖漿黏度大，這些氣水熱液無法逸出,致使急劇凝固后的巖漿流體最終形成具有珍珠裂隙結(jié)構(gòu)的塑狀玻璃體。

塑狀玻璃具較強(qiáng)的吸水性[12](圖4)，固態(tài)玻璃、塑狀玻璃和正常黏度融體在不同的大氣壓下，其吸水量是不同的，300個(gè)大氣壓是最有利于發(fā)生火山作用。在800～1 000 ℃區(qū)間、300個(gè)大氣壓下,塑狀玻璃可吸收2%～7%的水。因此，水在珍珠巖形成的過程中起著重要作用。

P1、P2、P3.固態(tài)玻璃—塑狀玻璃線上的最大含水量點(diǎn)；

遼西珍珠巖地區(qū)的巖性一般為一套酸性的多旋回噴發(fā)的火山巖、碎屑巖、凝灰質(zhì)火山角礫巖組成，在巖石中常見有一些半磨圓的陸屑物質(zhì)的礫巖，巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定且具有明顯的層理。由此推斷，在火山活動間歇期，有河流相或湖沼相沉積。即遼西珍珠巖地層巖石是在富地表水的沉積環(huán)境中形成的。

6 成礦模式探討

遼西中生代的多期間歇性火山噴發(fā)事件，形成了典型的陸相沉積地層，具有完整的3次火山-沉積旋回[13-14]，表現(xiàn)為中侏羅世—晚侏羅世—白堊紀(jì)3次火山旋回，其中白堊紀(jì)義縣旋回又可分為上亞旋回、下亞旋回。在侏羅紀(jì)旋回初期，庫拉板塊向歐亞大陸板塊下俯沖,大陸板塊向南東推覆，酸性巖漿向地表噴溢或侵入，火山噴發(fā)類型以裂隙式噴發(fā)為主?；鹕交顒娱g歇期出現(xiàn)河流相或湖沼相沉積，在水解作用下，酸性巖漿的內(nèi)部或邊緣形成了少量珍珠巖礦床。到了侏羅紀(jì)晚期，庫拉板塊不斷地向歐亞大陸板塊下俯沖,使大陸板塊繼續(xù)向南東推覆。在白堊紀(jì)時(shí)期發(fā)生2次次級旋回，在這2次次級旋回中，由于受到NW、SE向的拉張力作用，形成斷陷盆地，導(dǎo)致火山噴發(fā)，火山噴發(fā)類型以中心式為主，巖漿活動較為強(qiáng)烈。酸性巖漿在向地表噴溢或侵入過程中，與冷空氣及地表水接觸而急劇冷凝，形成了大量的珍珠巖礦床。

圖5 珍珠巖成礦模式圖

7 結(jié)論

(1)遼西地區(qū)珍珠巖礦床主要形成于中生代侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)，常與膨潤土、沸石伴生構(gòu)成礦床系列，當(dāng)發(fā)現(xiàn)膨潤土或沸石時(shí)，就很可能找到珍珠巖。珍珠巖的賦存部位受NE向的北爐—雙廟成礦帶、建昌—北票成礦帶控制。

(2)陸相火山沉積巖系中的珍珠巖礦床為火山沉積成因，其礦質(zhì)來源于火山碎屑或酸性熔巖的造巖物質(zhì)。

(3)遼西地區(qū)的珍珠巖在形成過程中，溫度、壓力、水均起著重要的作用，酸性玻璃質(zhì)巖漿在向地表噴溢或侵入過程中，與冷空氣及地表水接觸而急劇冷凝形成珍珠巖礦床。

致謝： 本文引用了西官大海珍珠巖礦普查報(bào)告資料，審稿專家和編輯提出了寶貴的修改意見，在此深表感謝。

[1] 戚學(xué)祥.河南信陽珍珠巖礦床特征及其應(yīng)用[J].礦物巖石地球化學(xué)通報(bào),1997,16(增刊1):102-103.

[2] 陳義賢,陳文寄,周新華.遼西及鄰區(qū)中生代火山巖——年代學(xué)地球化學(xué)和構(gòu)造背景[M].北京:地震出版社,1997:1-279.

[3] 代軍治,毛景文,楊富全,等.華北地臺北緣燕遼鉬(銅)成礦帶礦床地質(zhì)特征及動力學(xué)背景[J].礦床地質(zhì),2006,25(5):598-612.

[4] 李伍平,路鳳香,李獻(xiàn)華,等.北京西山髫髻山組火山巖的地球化學(xué)特征與巖漿起源[J].巖石礦物學(xué)雜志,2001,20(2):123-133.

[5] 趙禮,高凡.我國珍珠巖及膨脹性能的研究[M].北京:地質(zhì)出版社,1975.

[6] 程裕淇,陳毓川,趙一鳴.初論礦床的成礦系列問題[J].中國地質(zhì)科學(xué)院院報(bào),1979,1(1):32-58.

[7] 市川浩一郎，藤甲至則，島津興夫.日本列島地質(zhì)構(gòu)造發(fā)達(dá)史[M].日本：筑地書館，1970：18-28.

[8] 于文禮.遼寧省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1989:467-472.

[9] 劉勁鴻.東北地區(qū)珍珠巖礦床地質(zhì)特征及成因探討[J].礦床地質(zhì),1983,2(3):60-68.

[10] 余祖球,梁愛蓮.珍珠巖的特性與應(yīng)用[J].陶瓷科學(xué)與藝術(shù),2002,36(4):28-32,36.

[11] 大連耐火材料廠.膨脹珍珠巖[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1974:1-2.

[12] 中國科學(xué)院地質(zhì)研究所.沸石礦物與應(yīng)用研究[M].北京:科學(xué)出版社,1979.

[13] 許敏,薛林福,王東坡.遼西地區(qū)中生代火山-沉積盆地群特征及成因機(jī)制[J].世界地質(zhì),1997,16(2):34-38.

[14] 楊庚,郭華,劉立.遼西地區(qū)中生代盆地構(gòu)造演化[J].鈾礦地質(zhì),2001,17(6):332-340.