河南省方城縣青山透輝石礦床地質(zhì)特征及開(kāi)發(fā)利用前景

姬 果 王永輝 姬清海 羅 雪 許國(guó)麗 黃 斐

(1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院)

方城縣青山透輝石礦是河南省唯一的透輝石礦床，具有規(guī)模大、礦體形態(tài)簡(jiǎn)單、礦石類(lèi)型單一、礦物成分簡(jiǎn)單、礦石品位高和有害組分低等優(yōu)點(diǎn)。本研究結(jié)合相關(guān)地質(zhì)工作成果，對(duì)該礦床地質(zhì)特征及開(kāi)發(fā)利用前景進(jìn)行探討。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

青山透輝石礦位于方城縣四里店鄉(xiāng)青山一帶，礦區(qū)面積0.80 km2，距焦枝鐵路皇后站18 km，有簡(jiǎn)易公路相通，交通方便。礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北陸塊南緣崤山—魯山拱褶斷束東端，拐河斷裂北側(cè)。區(qū)域地層除新生界第四系外，基巖地層為中元古界熊耳群和汝陽(yáng)群。熊耳群(Pt2xn)為一套中(偏)基性?shī)A酸性陸相火山巖組合，厚度為3 027～7 171 m，與下伏地層太華巖群呈不整合接觸。地層巖性主要為安山巖、杏仁狀安山巖、流紋質(zhì)安山巖、流紋巖等，夾凝灰?guī)r、火山碎屑巖等。根據(jù)巖石組合和火山噴發(fā)韻律，自下而上可劃分為大古石組、許山組、雞蛋坪組和馬家河組，各組之間為整合接觸。汝陽(yáng)群(Pt2ry)為一套輕微變質(zhì)的海相碎屑巖-碳酸鹽巖組合，厚度為1 000～1 600 m，呈角度不整合于熊耳群之上。地層巖性主要為礫巖、石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、頁(yè)巖、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖等[1]。根據(jù)巖石組合、化石特征，自下而上分為云夢(mèng)山組、白草坪組和北大尖組。

區(qū)域上發(fā)育有NW向和NE向斷裂，前者規(guī)模較大，多具有韌—脆性特征；后者規(guī)模較小，具有左行走滑特征。2組斷裂在燕山晚期對(duì)內(nèi)生熱液礦產(chǎn)的形成具有重要的控制作用。區(qū)域上巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈：一是中元古代熊耳期大規(guī)模的陸相火山噴發(fā)，形成了一套中(偏)基性?shī)A酸性陸相火山巖系；二是燕山晚期大規(guī)模酸性巖漿侵入，細(xì)粒鉀長(zhǎng)花崗巖、細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、白云二長(zhǎng)花崗斑巖、黑云二長(zhǎng)花崗巖、角閃黑云石英二長(zhǎng)巖等廣泛分布，其中燕山晚期大規(guī)模酸性巖漿侵入活動(dòng)對(duì)內(nèi)生熱液礦產(chǎn)的形成具有重要的控制作用。

區(qū)域礦產(chǎn)主要有金、銀、鉛、鋅、鐵，次有錳、滑石、鉀長(zhǎng)石和透閃石等。礦床成因類(lèi)型主要為巖漿熱液充填交代型，其次為矽卡巖型、斑巖型和沉積型。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)基巖裸露好，除少量第四系松散沉積物外，基巖地層為中元古界熊耳群馬家河組、汝陽(yáng)群云夢(mèng)山組和北大尖組(圖1)[1]。馬家河組(Pt2m)分布于礦區(qū)西南角及外圍，巖性主要為片理化杏仁狀安山巖、氣孔狀安山巖，夾少量變砂巖、變粉砂巖和絹云片巖等，氣孔、杏仁及斑晶拉長(zhǎng)定向排列，構(gòu)造片理明顯。云夢(mèng)山組(Pt2y)分布于礦區(qū)東北角及外圍，角度不整合于馬家河組之上，與北大尖組為斷層接觸，巖性主要為礫巖、紫紅色石英砂巖、頁(yè)巖，夾赤鐵礦層等。北大尖組(Pt2bd)在礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，與熊耳群馬家河組、汝陽(yáng)群云夢(mèng)山組均為斷層接觸，區(qū)域上巖性主要為灰白色—黃褐色石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖，夾少量灰綠色砂質(zhì)頁(yè)巖和海綠石石英砂巖，頂部為白云石(質(zhì))大理巖。礦區(qū)內(nèi)北大尖組發(fā)育不全，自下而上可劃分為4層：①石英砂巖，厚度大于100 m；②透輝石化白云質(zhì)大理巖，厚度為70～150 m；③透輝石(矽卡)巖(礦體)，為白云石大理巖(原巖)經(jīng)矽卡巖化作用后形成，厚度為20～30 m；④透輝石化白云質(zhì)大理巖，厚度為80～150 m。

圖1 方城縣青山透輝石礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)為一單斜構(gòu)造層，地層產(chǎn)狀為35°∠75°，有F2、F32條NW向斷層從礦區(qū)西南部和東北部通過(guò)。F2斷層產(chǎn)狀為215°∠80°，F(xiàn)3斷層產(chǎn)狀為215°∠70°，2條斷層破碎帶內(nèi)均有斷層巖發(fā)育，均屬成礦后斷裂，構(gòu)成了礦床西南部和東北部邊界。

礦區(qū)內(nèi)未見(jiàn)巖漿巖。礦區(qū)西北部和東部外圍均有大面積燕山晚期黑云母花崗巖侵入于熊耳群馬家河組、汝陽(yáng)群云夢(mèng)山組和北大尖組中。黑云母花崗巖具有似斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。似斑晶為鉀長(zhǎng)石，基質(zhì)為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黑云母等，具有殼源S型花崗巖特征，為透輝石礦的重要控礦因素。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

該透輝石礦屬矽卡巖型礦床，受礦區(qū)外圍西北部和東部黑云母花崗巖體與汝陽(yáng)群北大尖組中的白云質(zhì)大理巖夾白云石大理巖層矽卡巖化作用形成的矽卡巖(化)帶控制。矽卡巖(化)帶，也可稱(chēng)為透輝石礦帶，由北大尖組中透輝石化白云質(zhì)大理巖夾透輝石(矽卡)巖組成，礦帶東西兩端延伸至礦區(qū)以外，總長(zhǎng)約4 300 m，厚度為175～300 m，走向NW，傾向30°～40°，傾角70°～85°。礦區(qū)圈出了1個(gè)透輝石礦體(K1)，呈穩(wěn)定的厚板狀賦存于矽卡巖(化)帶中部。K1礦體長(zhǎng)度大于1 400 m，兩端均延伸至礦區(qū)以外，由3條勘查線剖面控制，控制長(zhǎng)800 m，厚度為19～30 m，平均為24 m，厚度變化系數(shù)為23.2%，產(chǎn)狀與矽卡巖(化)帶基本一致。礦體直接頂、底板均為透輝石化白云質(zhì)大理巖。礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，未見(jiàn)夾石。圍巖蝕變以透輝石化為主，可見(jiàn)弱透閃石化、弱硅化、弱蛇紋石化等。透輝石化白云質(zhì)大理巖可作為直接找礦標(biāo)志。

3.2 礦石特征

礦石自然類(lèi)型簡(jiǎn)單，為單一的透輝石(矽卡)巖，呈白色—灰白色，具有粒柱狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬。礦物成分主要為透輝石(80%～90%)、透閃石(7%～9%)、蛇紋石(4%～6%)和少量方解石(1%～3%)，石英和白云石等微量。透輝石無(wú)色透明，半自形—自形晶粒柱狀，粒徑2～7 mm，個(gè)別達(dá)10 mm，集合體為束狀和放射狀，分布均勻，顆粒間緊密鑲嵌，少部分被蛇紋石和透閃石交代。透閃石無(wú)色透明，單晶為長(zhǎng)柱狀和針狀，多呈放射狀、束狀集合體，略顯紋層狀分布。方解石無(wú)色透明，半自形晶粒狀，不均勻分布于透輝石顆粒之間。蛇紋石蛇綠色，細(xì)鱗片狀集合體，不均勻分布于透輝石顆粒之間，少量呈脈狀分布于透輝石的裂隙中。白云石無(wú)色透明，被透輝石交代呈他形粒狀，不均勻分布于透輝石顆粒之中。石英呈他形粒狀不均勻分布于透輝石顆粒之中。礦石化學(xué)成分主要為SiO2、MgO和CaO，其次為CO2、FeO、Fe2O3和Al2O3，K2O、Na2O和TiO2微量，其中SiO2、MgO、CaO含量均與透輝石理論值接近，且含量變化區(qū)間均小(表1)。礦石中透輝石含量為83.33%～89.45%，平均87.52%，變化系數(shù)為1.81%；透閃石含量約8%；透閃石+透輝石含量約95%。礦區(qū)提交的(333)透輝石礦物資源儲(chǔ)量為197.28萬(wàn)t，屬大型礦床。

表1 透輝石礦石化學(xué)成分 %

3.3 礦床成因

透輝石礦床成因類(lèi)型有矽卡巖型和區(qū)域變質(zhì)型2種。根據(jù)控礦條件、礦床特征的分析，矽卡巖礦床的形成過(guò)程包括矽卡巖期和石英—硫化物期、矽卡巖期可進(jìn)一步劃分為早期矽卡巖階段、晚期矽卡巖階段和氧化階段。該礦床成礦作用主要集中于矽卡巖期的早期階段和晚期階段。早期矽卡巖階段，又稱(chēng)干矽卡巖階段。該階段是在超高溫條件下，燕山晚期花崗巖漿熱液與汝陽(yáng)群北大尖組白云質(zhì)大理巖夾白云石大理巖中的白云石發(fā)生交代作用形成透輝石，化學(xué)反應(yīng)為

CaMg(CO3)2+SiO2→CaMg[Si2O6]+CO2↑ .

(1)

(白云石)(透輝石)

晚期矽卡巖階段，又稱(chēng)濕矽卡巖階段。該階段是在超臨界點(diǎn)左右的氣化高溫條件下進(jìn)行的，燕山晚期巖漿氣化—高溫?zé)嵋号c早期形成的透輝石作用，同時(shí)與北大尖組的白云質(zhì)大理巖夾白云石大理巖中的白云石發(fā)生交代作用形成透閃石，化學(xué)反應(yīng)為

CaMg[Si2O6]+Mg2++H2+→Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2+2Ca2+.

(2)

(透輝石)(透閃石)

CaMg(CO3)2+SiO2+H2O→Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2+CO2↑.

(3)

(白云石)(透閃石)

總體上，該礦床控礦因素和形成過(guò)程簡(jiǎn)單，是保障礦石類(lèi)型單一和礦物成分簡(jiǎn)單的先決條件，同時(shí)質(zhì)純的白云石大理巖是形成透輝石富礦的必備條件。

3.4 找礦方向

青山礦區(qū)東部(5～12 m)的方城縣拐河鎮(zhèn)一帶出露的基巖地層為大面積的中元古界汝陽(yáng)群云夢(mèng)山組和北大尖組，在拐河鎮(zhèn)西(2～5 km)有大面積燕山晚期黑云母花崗巖侵入于云夢(mèng)山組和北大尖組之中，北大尖組中的白云質(zhì)大理巖和白云石大理巖層具有透輝石化、透閃石化，可見(jiàn)金、鉬和鉛鋅礦化、硅化和絹云母化等矽卡巖化現(xiàn)象，成礦地質(zhì)背景與青山礦區(qū)相近，為十分有利的找礦靶區(qū)。

4 開(kāi)發(fā)利用前景

透輝石是含鈣鎂具有鏈狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，化學(xué)式為CaMg[Si2O6]，其中，w(SiO2)為55.6%，w(MgO)為18.5%，w(CaO)為25.9%，屬單斜晶系，晶體為柱狀，橫切面為正方形，集合體呈粒狀、棒狀或放射狀，具有淺綠—淺灰—灰白色，玻璃光澤，硬度為5～6，密度為3.3～3.4 g/cm3，熔點(diǎn)為1 391 ℃。透輝石因不含有結(jié)構(gòu)水和吸附水，在加熱時(shí)晶體—鈣鎂偏硅酸鹽固溶體非常穩(wěn)定，直至其熔點(diǎn)既無(wú)燒失又不出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變。透輝石作為陶瓷原料，具有坯體易干燥、燒成溫度低、燒成時(shí)間短和燒成范圍寬、產(chǎn)品熱膨脹率和吸水率低、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低溫快燒和節(jié)能降耗，是一種較好的新型陶瓷節(jié)能原料[2]。透輝石在日用陶瓷中用量一般為20%～50%，在電瓷中用量為60%～70%，燒成溫度較傳統(tǒng)配方一般低100～250 ℃，燒成時(shí)間更短，可節(jié)能20%～40%。

硅灰石是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最佳低溫快燒節(jié)能陶瓷原料，透輝石的節(jié)能降耗效果優(yōu)于硅灰石。吉林集安透輝石用于生產(chǎn)釉面磚，素?zé)郎囟缺葌鹘y(tǒng)配方低240～270 ℃，比硅灰石配方低60～90 ℃；釉燒溫度比傳統(tǒng)配方低170～190 ℃，比硅灰石配方低60～80 ℃；燒成時(shí)間由傳統(tǒng)配方的60 h縮短為1 h[3]。

透輝石陶瓷技術(shù)工藝成熟，陶瓷生產(chǎn)商僅需調(diào)整原料配方、降低燒成溫度和縮短燒成時(shí)間，無(wú)需更新生產(chǎn)設(shè)備，便可進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益。透輝石不限于生產(chǎn)日用陶瓷，也可以生產(chǎn)精瓷和高頻電瓷[4]。目前，陜西、甘肅、山東、福建、遼寧等省份的透輝石礦已被規(guī)模化開(kāi)發(fā)，用于生產(chǎn)透輝石陶瓷。寶雞西山透輝石礦年產(chǎn)量近百萬(wàn)噸，被當(dāng)?shù)厥嗉姨沾蓮S和河北、山西等鄰近省份的部分陶瓷廠用于生產(chǎn)透輝石陶瓷，透輝石用量為20%～30%，產(chǎn)品性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷，實(shí)現(xiàn)了低溫快燒，節(jié)約了能源，降低了成本[5]。

透輝石不僅可用于生產(chǎn)陶瓷，也可用于生產(chǎn)微晶玻璃、冶金保護(hù)渣、有色金屬的鑄型用砂、鑄石和電焊條[6]以及橡膠、塑料和油漆的填料[7]，改性的透輝石還可用于吸附飲用水中余氯[8]，總體上，透輝石的應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷拓寬之中，具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。

5 結(jié)論與建議

(1)青山透輝石礦的形成受燕山晚期黑云母花崗巖和汝陽(yáng)群北大尖組中的白云質(zhì)大理巖夾白云石大理巖的雙重控制，屬矽卡巖型礦床，成礦時(shí)代為燕山晚期。矽卡巖期早期階段為透輝石形成的主要階段。

(2)青山透輝石礦具規(guī)模大、礦石類(lèi)型單一、礦物成分簡(jiǎn)單、礦石品位高，有害組分低等優(yōu)點(diǎn)，可大規(guī)模用于生產(chǎn)陶瓷，也可用于生產(chǎn)微晶玻璃、冶金保護(hù)渣、有色金屬的鑄型用砂、鑄石和電焊條以及橡膠、塑料、油漆的填料等，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，市?chǎng)需求量大，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。

(3)目前，青山透輝石礦地質(zhì)工作程度較低，建議進(jìn)一步開(kāi)展勘查工作，以期早日實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)利用。透閃石與透輝石性質(zhì)相似，用途基本相同，屬有用礦物，在進(jìn)一步勘查時(shí)，應(yīng)精確計(jì)算透閃石含量，一并參加儲(chǔ)量計(jì)算。

(4)方城縣拐河鎮(zhèn)一帶與青山礦區(qū)的成礦地質(zhì)背景相近，為尋找透輝石礦的有利靶區(qū)，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展勘查工作。