遼東南地區(qū)菱鎂礦礦床成因研究

藍海洋

遼寧省冶金地質(zhì)勘查研究院有限責(zé)任公司， 遼寧 鞍山 114038

遼東南地區(qū)菱鎂礦主要分布在遼寧省海城至大石橋一帶，在長達 60km的范圍內(nèi)有下房身、金家堡子、王家堡子、青山懷、樺子峪、圣水寺等大型至特大型優(yōu)質(zhì)菱鎂礦床[1]（圖1），此外，在岫巖縣偏嶺等地分布有中小型菱鎂礦床。

圖1 遼寧省大石橋至塔子嶺一帶菱鎂礦分布圖Fig.1 The distribution map of magnesite in Dashiqiao-Taziling area, Liaoning province

1 地質(zhì)背景

1.1 地層層序

遼東南地區(qū)沉積建造組成的遼河群地層最底部為浪子山巖組，主要由含石墨藍晶十字柘榴二云片巖和十字柘榴黑云變粒巖等組成，主要分布在北部遼河群內(nèi)，成角度不整合覆蓋于鞍山群地層之上，南部遼河群中缺失此層；南、北里爾峪巖組主要由淺粒巖、黑云變粒巖和鈣硅酸鹽變粒巖組成；北部高家峪組為石榴二云片巖、碳質(zhì)板巖組成，南部高家峪巖組則以斜長角閃巖及鈣硅酸變粒巖組成，而呈薄層狀的含石墨二云片巖與北部碳質(zhì)板巖可相互對應(yīng)；北部大石橋巖組為含石墨條帶大理巖、藍晶十字石榴二云片巖、菱鎂大理巖、白云石大理巖、絹云千枚巖組合，南部大石橋巖組自下而上亦為條帶狀白云石大理巖、方解石大理巖、菱鎂大理巖、透閃透輝大理巖、十字二云片巖、矽線二云片巖組合，南北可相互對比；蓋縣巖組主要為含藍晶十字柘榴二云片巖、變粒巖、絹云千枚巖等組成。盡管這些巖石組合因不同空間部位受后期不同程度的變質(zhì)變形作用，在區(qū)域上遼河群南、北部都具有可對比性，空間上總體有序（表1）。

表1 遼東南地區(qū)元古代變質(zhì)巖系地層劃分與對比表Table.1 Stratigraphic division and correlation table of Proterozoic metamorphic rock series in southeastern Liaoning

1.2 區(qū)域構(gòu)造

該區(qū)處于華北地臺東北部邊緣遼南裂谷帶內(nèi)，其邊界范圍分布若干深大斷層，北部以大石橋-上英-連山關(guān)大型多世代復(fù)合型韌性滑脫帶界限與北部太古宙龍崗微地塊相鄰；南部以遼吉太古宙灰色片麻巖的北界斷裂為界限與狼林微地塊相隔，但該斷裂已被中生代花崗巖破壞；西部被郯廬斷裂所截。在遼南地區(qū)古元古代地層分布區(qū)中部，發(fā)育有青龍山-隆昌大型構(gòu)造帶，使遼南地區(qū)古元古代變質(zhì)巖系被其分割成為差異明顯的南北兩部分，南部稱為南遼河群，北部稱為北遼河群，南、北遼河群地層中均有菱鎂礦資源產(chǎn)出。

遼南裂谷帶古元古代遼河群變形變質(zhì)巖系，經(jīng)歷了沉積變質(zhì)、構(gòu)造變形、多期次巖漿侵入等不同時期的構(gòu)造歷史演化過程。在2500～2400Ma期間地幔上涌或軟流圈底辟引起地殼持續(xù)伸展，太古宙龍崗微地塊與狼林微地塊之間發(fā)生裂解、巖漿底侵引起被動擴張，沉積環(huán)境經(jīng)歷了箕狀斷陷盆地、裂谷盆地向被動大陸邊緣的演化。其中里爾峪巖組代表陸殼裂開向洋殼轉(zhuǎn)化但還沒有形成洋殼的構(gòu)造環(huán)境下，由地幔巖漿上涌經(jīng)多次分異、混染、間歇噴發(fā)等作用先后形成了基性---酸性雙峰式海底火山巖及少量的陸源物質(zhì)混入的火山-沉積巖建造；上復(fù)蓋有高家峪組以富含碳質(zhì)為特征的陸源碎屑-粘土巖建造；大石橋組為碳酸鹽巖夾粘土巖建造；蓋縣組為粘土巖及半粘土巖為主，夾少量的陸源碎屑巖建造，從2500～1900Ma期間沉積形成了遼河群地層。

1.3 區(qū)域巖漿活動

區(qū)域巖漿活動呈現(xiàn)出不同性質(zhì)、不同方式、不同期次噴發(fā)和侵入等特點。銅匠峪條痕狀花崗巖沿著太古宙基底與遼河群里爾峪組蓋層之間的接合面多次脈動侵位；元古代中期隆昌片麻狀花崗巖明顯的侵入早期元古代條痕狀花崗巖及遼河群大石橋組地層；在元古代晚期新開嶺塊狀花崗巖呈巖株侵入了全部遼河群地層。

早期花崗巖在遼南基本上都位于遼河群里爾峪組地層之下部，但在北部局部可見小角度侵入里爾峪組地層，區(qū)域上總體介于太古代基底與遼河群浪子山巖組或里爾峪組之間。受底侵式花崗巖巖漿增溫作用控制，使遼河群地層以中壓中高溫變質(zhì)作用為主，垂直變質(zhì)帶方向出現(xiàn)了重復(fù)分層。變質(zhì)與變形的跡象表明中期花崗巖的侵位發(fā)生在中深部地殼內(nèi)，受花崗巖漿上升產(chǎn)生熱隆起作用，引起地層重力失穩(wěn)順層滑脫。決定了遼南地區(qū)菱鎂礦及其它控礦圍巖的重新定位和空間分布規(guī)律。

1.4 礦體和礦石特征

菱鎂礦層嚴格受大石橋組地層控制，礦體有固定層位，呈層狀及似層狀，與容礦圍巖產(chǎn)狀一致，礦層沿走向和傾向穩(wěn)定，與圍巖呈互層。礦體規(guī)模巨大，礦層延長3000m左右，延深300m左右，厚度100～300m。

礦石礦物成分中工業(yè)可利用礦物主要為菱鎂礦，含有少量其它礦物成分：水鎂石、滑石、透閃石、透輝石、方柱石、斜綠泥石、石英、蛇紋石、橄欖石、硅鎂石、磷灰石、海泡石、菱鐵礦、菱鐵鎂礦、含鐵菱鎂礦、白云石、鐵白云石、菱錳礦，黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦等。

礦石中菱鎂礦均為晶質(zhì)菱鎂礦。按菱鎂礦晶體大小不同，分為細粒、中粒、粗粒和巨粒四種結(jié)構(gòu)類型。礦石構(gòu)造可分為薄層狀，致密塊狀，放射狀和條帶狀等。

2 成礦條件分析

2.1 礦床產(chǎn)出的空間位置與大地構(gòu)造的關(guān)系

遼東南地區(qū)是我國主要盛產(chǎn)菱鎂礦產(chǎn)品基地之一，據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)出有大型菱鎂礦床十幾處，中小型礦床及礦點有幾十處，探明資源量有34億t。菱鎂礦床主要分布在遼東裂谷帶古元古代遼河群變形變質(zhì)巖系中，菱鎂礦體受遼南裂谷帶斷陷海盆地控制，形成時間限定在古元古代遼河群地層沉積時期，經(jīng)歷了沉積、變質(zhì)、構(gòu)造變形、多期次巖漿侵入等不同時期的構(gòu)造歷史演化過程[4]。沉積環(huán)境經(jīng)歷了箕狀斷陷盆地、裂谷盆地向被動大陸邊緣的演化時期，其中遼河群里爾峪組地層代表陸殼裂開向洋殼轉(zhuǎn)化但還沒有形成洋殼的構(gòu)造環(huán)境下，由地幔巖漿上涌經(jīng)多次分異、混染、間歇噴發(fā)等作用先后形成了基性—酸性雙峰式海底火山巖及少量的陸源物質(zhì)混入的火山-沉積巖建造；覆蓋有遼河群高家峪組地層以富含碳質(zhì)為特征的陸源碎屑—粘土巖建造；遼河群大石橋組地層沉積了巨厚的鎂質(zhì)碳酸鹽巖及富鎂碳酸鹽（菱鎂礦層）夾粘土巖建造；上覆蓋有遼河群蓋縣組地層為粘土巖及半粘土巖為主，夾少量的陸源碎屑巖建造。從2420～1900Ma期間沉積形成了遼河群地層[5]。

2.2 礦床受古地理沉積環(huán)境控制

菱鎂礦層具有原生的沉積特征。菱鎂礦層上、下盤圍巖或礦層內(nèi)的夾層呈相間互層展現(xiàn)，菱鎂礦層中有紋層理、斜層理、波痕、豆狀構(gòu)造等的存在，在礦層底板白云石大理巖中有泥裂、雹痕、結(jié)核等，并含有很多藻疊層石，表現(xiàn)出正常沉積的海相沉積巖。因此，可以確認層狀菱鎂礦也是正常沉積環(huán)境中形成的，從菱鎂礦層中紋層理、斜層理、波痕、豆狀構(gòu)造等的存在，說明水體流動、流向、速度的交換條件是高能量的；在礦層底板的白云石大理巖中泥裂、雹痕、結(jié)核的存在說明海水很淺，時而露出水面，含有很多藻疊層石，處于水淺而溫暖，清澈的潮間帶環(huán)境。各種地質(zhì)現(xiàn)象表明菱鎂礦層的形成受特定古沉積環(huán)境控制。

2.3 礦床受地層及巖性控制

菱鎂礦層主要集中賦存在古元古代遼河群大石橋組三段厚層狀大理巖地層中，尤其是間夾在白云石大理巖層內(nèi)菱鎂礦極為常見，菱鎂礦呈層狀、似層狀，具有受一定層位及特殊巖性控制特點。根據(jù)大石橋組三段賦礦碳酸鹽巖層內(nèi)的巖性特點，大致可劃分為三層：下部巖層為白云質(zhì)同生礫巖，條帶狀白云石大理巖夾千枚巖，含有扁豆狀，透鏡狀菱鎂礦層；中部為菱鎂礦層，白云石大理巖夾有千枚巖；上部層為硅質(zhì)白云石大理巖夾菱鎂礦層。上述特點從下房身到青山懷都十分相似，不同之處僅在于東部下房身一帶底部富含有碳質(zhì)，而西部青山懷一帶則含有鐵質(zhì)。各礦層之間具有一定的層位，沿走向延伸穩(wěn)定，有時可過渡到白云質(zhì)巖層。礦體與容礦圍巖沒有明顯的界線，沿傾斜方向與圍巖界線清晰明顯。根據(jù)下房身、金家堡子、樺子峪、青山懷等礦區(qū)內(nèi)礦體的空間分布特點，大致可將其分為三部分：下部礦體主要特點是條帶狀菱鎂礦與白云石大理巖互層夾白云質(zhì)千枚巖，含碳質(zhì)較高，只有青山懷地區(qū)含鐵質(zhì)較高，巖石呈紅褐色；中部礦體，以質(zhì)純的菱鎂礦為主，品位高，厚度大。菱鎂礦以粗粒為主，重結(jié)晶明顯。夾有一層幾米厚含碳較高的礦層，其中保存有微層理與斜層理等原生沉積構(gòu)造和藻類化石，分布較穩(wěn)定，產(chǎn)狀較陡；上部礦體含硅質(zhì)成分較高，經(jīng)?？梢娏怄V礦與白云石大理巖在橫向上的相變。除了上述三部分主要礦體外，在礦體的頂?shù)装逵谐释哥R狀、扁豆狀、似層狀小礦體分布，在白云石大理巖、硅質(zhì)白云石大理巖中其規(guī)模較小，一般長為50～250m，厚度為5～10m，產(chǎn)狀與圍巖一致。此外，在礦體中經(jīng)?？梢娗稁r，碳質(zhì)板巖的夾層，其產(chǎn)狀與菱鎂礦層一致，接觸界線明顯。菱鎂礦體嚴格受古元古代遼河群大石橋組白云石大理巖層控制，具有層控和巖控作用。

2.4 礦床和圍巖呈整合沉積接觸關(guān)系

在下房身、金家堡子、王家堡子、青山懷、樺子峪、圣水寺等地產(chǎn)出的大型至特大型優(yōu)質(zhì)菱鎂礦床中，除了有后期疊加的變質(zhì)熱液活動形成的脈狀礦體外，其余礦體均呈層狀，似層狀，透鏡狀，與圍巖呈整合沉積接觸關(guān)系，界線一般平直清楚，與層理平行，礦層延伸穩(wěn)定。說明礦體和圍巖是共同連續(xù)沉積形成的。如王家堡-金家堡子-下房身菱鎂礦床，走向呈北東-南西向延伸，傾向南東，傾角70°～85°，它的東面與揚家甸子菱鎂礦毗鄰，西面與樺子峪連接。菱鎂礦層延長可達幾公里，各礦層之間具有一定的層位，沿走向延伸穩(wěn)定，有時可過渡到白云質(zhì)大理巖層。沿傾斜方向與圍巖界線清晰，寬度達數(shù)百米。主要特點是菱鎂礦層多呈厚層狀產(chǎn)出，局部與白云石大理巖互層夾白云質(zhì)千枚巖，其中保存有微層理與斜層理等原生沉積構(gòu)造和藻類化石，分布較穩(wěn)定，產(chǎn)狀較陡，經(jīng)?？梢娏怄V礦與白云石大理巖在橫向上的相變特征。

2.5 菱鎂礦體受擠壓伸展塑性變形褶皺構(gòu)造控制

菱鎂礦層經(jīng)受了區(qū)域變質(zhì)及塑性變形作用，使菱鎂礦層及其圍巖一起遭受了強烈的改造，礦層與地層發(fā)生了褶皺與柔曲構(gòu)造。從菱鎂礦層的空間分布特征看，沿著塑性變形相互疊加厚層狀白云石大理巖層的向形褶皺構(gòu)造核部展布，受擠壓伸展呈塑性變形及半原地塑性流動狀態(tài)，重新定位。

2.6 菱鎂礦石受變質(zhì)重結(jié)晶改造特征

菱鎂礦發(fā)生了變質(zhì)重結(jié)晶及變質(zhì)熱液作用，形成各種變質(zhì)重結(jié)晶組構(gòu)，這是本礦帶最常見的組構(gòu)類型。菱鎂礦的重結(jié)晶現(xiàn)象十分明顯，多數(shù)呈半自形粒狀，大小相近，晶粒之間界線平直。由于受塑性變形作用產(chǎn)生各種形態(tài)褶皺，有同斜緊閉褶皺、疊瓦褶皺等，在破劈理形成同時或稍晚，由破劈理面向中心菱鎂礦對稱生長形成梳狀組構(gòu)。在菱鎂礦石中經(jīng)常可見菱鎂礦呈自形板狀晶體組合成菊花瓣狀構(gòu)造，板狀晶體沿一個方向分布，則形成所謂的“放射狀”構(gòu)造和束狀構(gòu)造。菱鎂礦呈脈狀展布，一般均由粉紅色粗晶菱鎂礦構(gòu)成，在礦層的底板與上盤較多，紅色礦脈可以穿切層理進入白云石大理巖，也可以穿切早期的白色菱鎂礦層。

2.7 菱鎂礦體內(nèi)保留有沉積組構(gòu)特征

在菱鎂礦層雖然經(jīng)受了區(qū)域變質(zhì)與多期變形作用，原生沉積組構(gòu)還保留著比較完整。變余層面組構(gòu)：在楊家甸子西山菱鎂礦層中可見有淺海相沉積水流動過程中產(chǎn)生的波痕現(xiàn)象。在青山環(huán)礦區(qū)內(nèi)，礦層底部白云石大理巖層面上分布大量圓形的雹痕凹坑，每個坑直徑 20～30mm，形態(tài)相似，緊密分布，深淺不一，一般深度為 10～20mm。另外在含有雹痕的白云石大理巖下面的紅色層內(nèi)見有泥裂現(xiàn)象。變余層理組構(gòu)：菱鎂礦層的原始層理構(gòu)造很清楚。礦層與圍巖以及礦層間的夾層產(chǎn)狀一致，與上、下盤圍巖界線平直清晰。由于原始沉積成分，組構(gòu)的差異，雖經(jīng)多次變質(zhì)重結(jié)晶作用，上、下層的菱鎂礦分層清晰，沿走向變化穩(wěn)定。變余層理構(gòu)造有三種：水平層理：細粒菱鎂礦薄層與微晶白云石大理巖互層組成水平層理，灰白色細粒菱鎂礦與青灰色細粒菱鎂礦，黑色含碳質(zhì)細粒菱鎂礦互層（每單層 1～2mm）組成水平層理，淡黃白色菱鎂礦層與白色白云石大理巖、富鎂質(zhì)千枚巖互層形成層理。斜層理：富含碳質(zhì)較高的菱鎂礦薄層在細粒菱鎂礦層中保留著原始沉積的斜層理；還可見到由細粒碳質(zhì)菱鎂礦條帶與中粒白色菱鎂礦條帶相間分布，并有方向性的相互交錯形成交錯層?；訝顦?gòu)造：在菱鎂礦層中可見白云石大理巖、鎂質(zhì)千枚巖，粉砂巖及薄層菱鎂礦呈互層狀產(chǎn)出，沿走向分布穩(wěn)定。變余成巖組構(gòu)：在菱鎂礦層中可見到平行層面的鋸齒狀縫合線。在菱鎂礦層的底部層位可見到菱鎂礦層中有同生礫巖層。礫石全由菱鎂礦組成，為扁平透鏡狀或長條狀，長軸平行層理，膠結(jié)物為菱鎂礦，并含有少量的碳質(zhì)物，此種礫巖是在成巖過程中形成的。在菱鎂礦層與白云石大理巖層成巖過程中受重力作用產(chǎn)生層間滑動，使巖層中出現(xiàn)具有不同方向，不同形態(tài)的褶曲。

2.8 鎂質(zhì)的來源

種種地質(zhì)跡象說明區(qū)內(nèi)除了具備菱鎂礦層的沉積條件，還需要有二氧化碳及鎂質(zhì)的物質(zhì)來源。如此巨量的鎂質(zhì)來源，仍然是一個值得討論的問題。本區(qū)規(guī)模巨大的優(yōu)質(zhì)菱鎂礦，在全球其它地區(qū)是罕見的，這就是說它是特定地質(zhì)環(huán)境中的產(chǎn)物。早前寒武紀時期的缺氧環(huán)境和二氧化碳分壓大已被證實，而且地質(zhì)歷史中時代越老，碳酸鹽中Mg／Ca值越高。在含菱鎂礦層的下部地層位于優(yōu)地槽與冒地槽的接觸帶附近，分布著火山巖系，揭示了區(qū)域性的大規(guī)模的鎂質(zhì)可能來源與火山活動有關(guān)。菱鎂礦、藻類菱鎂礦和藻類白云石大理巖共生是討論本區(qū)鎂質(zhì)來源的另一個值得考慮的方面。藻類在菱鎂礦形成過程中起到了重要的積極作用，由藻類死亡和腐爛發(fā)出氨，出現(xiàn)高pH值的環(huán)境，從而導(dǎo)致菱鎂礦的形成[6-8]。藻類中含碳酸鎂25%～30%以上，它們的死亡和堆積可能增加水盆地中的鎂的含量，區(qū)內(nèi)不僅白云石大理巖中藻類發(fā)育，菱鎂礦中藻類化石也較多，所以這可能是本區(qū)優(yōu)質(zhì)菱鎂礦床鎂質(zhì)豐富來源的原因之一。

3 礦床形成與演化認識

本區(qū)菱鎂礦礦床為沉積變質(zhì)作用產(chǎn)物，它發(fā)生在遼南古裂谷拉張?zhí)妓猁}巖建造階段，是在海灣潮間帶這樣一個特殊的古地質(zhì)環(huán)境中，經(jīng)沉積成巖作用形成菱鎂礦層[9-11]。在裂谷盆地進入擠壓造山作用階段，原始沉積菱鎂礦層遭受了區(qū)域性變質(zhì)、變形作用的改造，發(fā)生重結(jié)晶形成了晶質(zhì)菱鎂礦層、白云石大理巖層。變形作用使含礦層產(chǎn)生褶皺，并在褶皺轉(zhuǎn)折部位造成礦層加厚，礦石變富。受花崗質(zhì)巖漿侵入活動在區(qū)域性熱動力變質(zhì)作用下，菱鎂礦體發(fā)生塑性變形及半原地塑性流動狀態(tài)，重新定位，沿著塑性變形相互疊加厚層狀白云石大理巖層的褶皺構(gòu)造核部展布。并再次重結(jié)晶，形成粗晶、巨晶、菊花狀構(gòu)造、梳狀構(gòu)造。上述各種地質(zhì)作用造成菱鎂礦層直立、加厚，以致最終形成厚層巨晶優(yōu)質(zhì)菱鎂礦床，同時產(chǎn)生一些富鎂質(zhì)變質(zhì)溶液在局部地段形成肉紅色菱鎂礦細脈?？傊緟^(qū)菱鎂礦的形成是原生沉積與變質(zhì)和變形作用的綜合產(chǎn)物。

4 結(jié)論

遼東南地區(qū)菱鎂礦應(yīng)屬淺海相化學(xué)沉積碳酸鹽巖建造，菱鎂礦層的形成受特定古沉積環(huán)境控制，經(jīng)區(qū)域變質(zhì)重結(jié)晶作用或熱力變質(zhì)作用再次重結(jié)晶形成菱鎂礦層。菱鎂礦的形成是原生沉積與變質(zhì)和變形作用的綜合產(chǎn)物，礦床成因類型應(yīng)屬于沉積變質(zhì)礦床。