河南省南召五峰頂方解石礦床地質特征及找礦標志

劉坤，黃丹峰，柴建玉，李開文,2

(1.河南省地質調查院，鄭州 450001；2.河南省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，鄭州 450001)

0 引言

方解石(CaCO3)是一種碳酸鹽礦物，多用于制造重質碳酸鈣，由于其色純白、硬度低、無毒無味，被廣泛應用于塑料、橡膠、油漆、造紙、食品等行業(yè)中[1]。

東秦嶺造山帶是揚子陸塊與華北陸塊的重要拼合帶，其巖漿活動、變形變質十分強烈[2]。許多學者對東秦嶺成礦帶上金屬礦產成礦地質特征與基礎地質演化方面進行了大量的研究工作[3-4]，但對非金屬礦產，如螢石、石墨、方解石等方面的研究相對薄弱。近年在豫西東秦嶺造山帶發(fā)現了五峰頂方解石礦，經勘查評價，該礦床方解石礦資源量(控制+推斷)達3200×104t，礦床規(guī)模為大型。本文基于五峰頂方解石礦床地質勘查成果，對礦區(qū)地質特征、控礦因素、礦床成因以及找礦標志等方面進行分析探討，以期為該地區(qū)后續(xù)找礦工作提供幫助。

1 區(qū)域地質概況

河南省南召五峰頂方解石礦床位于瓦穴子斷裂帶以南、朱夏斷裂帶以北地區(qū)，屬于秦祁昆地層區(qū)北秦嶺地層分區(qū)，加里東期巖漿活動較為強烈，成礦條件較好(圖1)。

圖1 五峰頂方解石礦區(qū)域地質簡圖(據文獻[5]，修改)Fig.1 Regional geological sketch of Wufengding calcite deposit1.中元古界寬坪巖群；2.下古生界二郎坪群；3.中.新元古界秦嶺巖群；4.閃長巖體；5.花崗巖體；6.地質界線；7.斷裂；8.礦區(qū)位置F1.商丹斷裂；F2.朱夏斷裂；F3.瓦穴子斷裂；F4.欒川斷裂(圖中年齡據文獻[5,8,14]、《河南省區(qū)域地質志》(待出版))

區(qū)域上出露地層單元主要有中元古界寬坪巖群，中-新元古界秦嶺巖群以及下古生界二郎坪群。寬坪巖群位于秦嶺造山帶北側，為中淺變質巖系，變質程度達高綠片巖相-角閃巖相，原巖主要為基性火山巖、陸源碎屑巖等。秦嶺巖群為秦嶺造山帶的古老結晶基底，形成于早-中元古代，為中深變質雜巖系，主要巖石類型為含石墨大理巖、片麻巖。二郎坪群主體為海相火山-沉積建造，其主要巖石組合為鎂鐵-超鎂鐵質雜巖、層狀鎂鐵質熔巖與枕狀熔巖、石英角斑巖與凝灰?guī)r、放射蟲硅質巖以及巨厚復理石層[6]。其自下而上劃分為大廟組、火神廟組、小寨組、抱樹坪組。其中，大廟組主要由碎屑巖和碳酸鹽巖組成，為火山沉積向正常沉積過渡的變質沉積巖系；火神廟組以基性火山巖為主，夾少量硅質巖及砂巖層，為弧后盆地型蛇綠巖組合；小寨組以泥質碎屑巖為主，夾基性火山巖，為盆地邊緣沉積的類復理石建造；抱樹坪組原巖以砂泥巖與沉凝灰?guī)r互層為主，組成深水復理石建造夾細碧質巖石[7]。

區(qū)域上脆性斷裂整體呈NW向展布，少量NE向和近EW向，斷層傾角多在40°～80°。區(qū)域上由于五垛山二長花崗巖體和板山坪閃長巖體的侵入，構造形態(tài)復雜，但總體構造形態(tài)仍表現為以大廟組為核、火神廟組為兩翼、軸面北傾的復式背斜構造。

區(qū)域上出露板山坪閃長巖體和五垛山二長花崗巖體。板山坪閃長巖體主要巖石為閃長巖、輝石閃長巖等，其形成時代為486 Ma—496 Ma[8]。五垛山二長花崗巖體主要巖石為黑云母二長花崗巖，其形成時代為432 Ma—448 Ma[9-10]。區(qū)域上出露二郎坪群火山巖，呈NW向展布，以細碧巖為主，夾有角斑巖、石英角斑巖以及少量碳硅質巖、斜長角閃巖(次火山巖)，其形成時代為463 Ma—475 Ma[7]。

2 礦區(qū)地質特征

2.1 地層

五峰頂方解石礦區(qū)內主要地層單元為下古生界二郎坪群大廟組(Pz1d)，沿溝谷分布有少量第四系殘坡積物。大廟組(Pz1d)是含礦層位，為碳酸鹽巖沉積建造，巖層單斜產出，呈NW向展布，與區(qū)域構造線方向一致，傾向為200°～240°，傾角較陡，局部近直立，傾角為60°～80°。自下而上(自北向南)劃分為4個巖性段(圖2)。

圖2 五峰頂方解石礦區(qū)地質簡圖Fig.2 Geological sketch of Wufengding calcite deposit1.大廟組第一巖性段；2.大廟組第二巖性段；3.大廟組第三巖性段；4.大廟組第四巖性段；5.方解石礦體；6.青灰色大理巖；7.淺灰紅色大理巖與灰白色大理巖互層；8.變石英角斑巖；9.地質界線；10.斷裂；11.層理產狀；12.勘探線；13.圖切剖面；14.斷裂編號；15.探槽；16.鉆孔；17.鉆孔編號/孔深；18.礦區(qū)范圍

大廟組第一巖性段(Pz1d1)分布于礦區(qū)北部，主要巖石為(劈理化)青灰色條紋狀中細粒石英大理巖。大廟組第二巖性段(Pz1d2)分布于礦區(qū)中部，主要巖石為淺灰黃色變石英角斑巖夾少量灰色變細碧巖，其與大理巖之間為韌性剪切接觸關系，接觸面向SW方向陡傾，其附近變石英角斑巖拉長現象明顯。大廟組第三巖性段(Pz1d3)分布于礦區(qū)南部，主要巖石類型為(劈理化)淺灰紅色條紋條帶狀中細粒含石英大理巖與淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖互層，夾少量灰色中厚層狀中粒含石英大理巖，該巖性段為方解石礦含礦層位，淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖為方解石礦賦礦巖石。大廟組第四巖性段(Pz1d4)分布于礦區(qū)南側，主要巖石為淺灰黃色變石英角斑巖夾少量灰色變細碧巖，其與大理巖之間為整合接觸關系。

2.2 構造

礦區(qū)內可識別出兩期韌性剪切變形，第一期表現為自南向北的逆沖特征，第二期表現為右行走滑剪切略帶滑覆的特征。脆性斷裂不發(fā)育，規(guī)模較大的脆性斷裂F1，長約1.3 km，斷裂走向175°，產狀近直立，貫穿礦區(qū)，將方解石礦體截切。斷層破碎帶寬約1～2 m，斷裂帶內呈褐紅色，主要巖石類型為碎裂巖化大理巖，發(fā)育褐鐵礦化，存在擠壓透鏡，斷裂東盤存在拖曳褶皺，西盤發(fā)育羽狀剪節(jié)理，指示該斷層為右行走滑斷層。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)內巖漿巖整體不發(fā)育，僅在礦區(qū)中部大理巖中可見集中發(fā)育的輝綠巖脈，偶見花崗斑巖脈、石英脈以及閃長巖脈。輝綠巖脈寬約1～2 m，多順層產出，產狀整體向SW方向陡傾，其與大理巖發(fā)生同期變形。

3 礦床地質特征

3.1 含礦層位特征

礦區(qū)內方解石礦含礦層位分布嚴格受地層控制，產出于下古生界二郎坪群大廟組第三巖性段(Pz1d3)淺灰白色大理巖中。含礦層位呈NW向展布，走向長約4 km，整體為向SW方向陡傾的單斜構造，局部產狀略有變化，產狀約為223°∠75°。方解石礦體沿走向呈層狀連續(xù)分布，與圍巖為整合接觸，礦石為淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖，w(CaO)平均為54.96%，平均白度89.8%。

3.2 礦體特征

礦區(qū)內共圈定出方解石礦體2個，均賦存于下古生界二郎坪群大廟組第三巖性段(Pz1d3)大理巖中，主要巖石為淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖。礦體內局部節(jié)理發(fā)育，巖石相對破碎，偶見輝綠巖脈穿插。該礦體礦物成分以方解石為主，礦石顏色為淺灰白色、純白色，礦體圍巖主要為淺灰紅色條紋條帶狀細中粒含石英大理巖，顏色以淺灰紅色為主，圍巖CaO含量和白度不達標(圖3)。

圖3 五峰頂方解石礦區(qū)Ⅱ01勘探線剖面示意圖Fig.3 Sketch of section of exploration line II01 of the deposit1.方解石礦體；2.灰白色大理巖；3.灰紅色大理巖；4.大理巖；5.孔深；6.鉆孔編號/開孔標高；7.探槽編號/真厚度；8.鉆孔平面位置；9.探槽平面位置；10.層理產狀

方解石礦體形態(tài)相對規(guī)則，整體呈似層狀產出，形態(tài)簡單，連續(xù)性好，厚度穩(wěn)定。礦體整體向SW方向陡傾，傾向217°～237°，傾角70°～81°，平均產狀為223°∠76°。

ⅡF2礦體：沿走向長約2.0 km，最大垂深為203.61 m，最大斜深為231.46 m。礦體厚度13.33～84.16 m，平均厚度32.61 m，厚度變化系數60.53%，厚度總體變化不大，局部變化較大。礦石品位w(CaO)=52.20%～56.25%，平均54.77%，品位變化系數0.77%；白度85.0%～93.4%，平均89.3%，品位變化系數1.78%。該礦體資源量(控制+推斷)為1092.42×104t。

ⅡF3礦體：沿走向長約3.2 km，最大垂深154.63 m，最大斜深165.77 m。礦體厚度11.91～85.22 m，平均厚度34.71 m，厚度變化系數40.14%，屬厚度變化較穩(wěn)定型，厚度總體變化不大，局部變化較大。礦石w(CaO)=52.21%～55.99%，平均54.04%，品位變化系數0.33%；白度85.0%～93.9%，平均90.1%，品位變化系數0.81%。該礦體資源量(控制+推斷)為2096.57×104t。

3.3 礦石特征

(1)礦石物質組成

方解石礦石主要巖石類型為淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖。礦石礦物基本全為方解石，含量為100%，遇稀鹽酸劇烈起泡，茜素紅染色顯紅色。礦石中不存在次要礦物與微量礦物。礦石具粒狀變晶結構、碎斑結構，厚層狀構造、定向構造。方解石呈變晶粒狀，晶體因應力作用雙晶彎曲變形，并且邊部?；?，形成碎斑及碎基，碎斑含量在65%左右，粒徑1.2～3.6 mm，長軸大致定向分布；碎基變質重結晶呈變晶粒狀，粒徑0.02～0.05 mm，大致定向分布在碎斑周邊(圖4)。

圖4 五峰頂礦區(qū)方解石礦石照片Fig.4 Photos of the calcite ore of Wufengding calcite deposita.巖芯礦石特征照片；b.野外礦石特征照片；c.礦石鏡下特征照片(+)；d.礦石鏡下特征照片(-)

(2)礦石化學成分

礦石主要化學成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、MnO。其中，礦石w(CaO)=53.07%～56.13%，平均55.37%；w(SiO2)=0.09%～3.27%，平均0.75%；w(MgO)=0.30%～0.49%，平均0.42%；w(Al2O3)=0.07%～1.17%，平均0.31%；w(Fe2O3)=0.05%～0.13%，平均0.08%；w(MnO)=0.003%～0.036%，平均0.02%(表1)。整體表明礦石主量元素變化不大，相對穩(wěn)定，與圍巖相比較，礦石CaO含量較高，其余元素含量較低，尤其是SiO2相差較大。

表1 五峰頂礦區(qū)方解石礦化學分析結果Table 1 Chemical analysis of the ore of Wufengding calcite deposit

從表1、表2不難看出，礦石中CaO與SiO2、Al2O3、K具有負相關性，這與潘明等對栗柴壩組碳酸鹽巖主量元素的研究成果具有一致性[15]，說明SiO2、Al2O3、K會抑制方解石礦物的沉淀。此外，礦石中MgO含量較低，前人研究認為方解石生產受Mg含量影響較大，Mg的存在會抑制方解石生長[16]，且Mg對溫度的變化較為靈敏，其含量與溫度呈正相關[17]，由此推測五峰頂方解石礦屬于低鎂方解石，且在成礦過程中存在溫度驟降的過程，致使Mg含量劇減。

表2 五峰頂礦區(qū)方解石礦石多項分析結果Table 2 Multiple items analysis of the ore of Wufengding calcite deposit

3.4 圍巖特征

方解石礦體圍巖主要為淺灰紅色條紋條帶狀細中粒含石英大理巖。礦體與圍巖呈整合關系，接觸面較為平直，與礦體產狀一致，整體向SW方向陡傾。

圍巖較礦石顏色明顯變深，且CaO含量相對降低，其w(CaO)平均為46.48%，白度平均為73.28%。

此外，圍巖體積密度為2.70 g/cm3，吸水率為0.09%，干燥壓縮強度為79 MPa，水飽和壓縮強度為74 MPa，干燥彎曲強度為13.0 MPa，水飽和彎曲強度為12.6 MPa，耐磨性為12 l/cm3，達到了方解石大理石類飾面石材物理性能一般要求，可用于飾面石材。

4 礦床成因及找礦標志

4.1 礦床成因

(1)礦床類型

方解石在自然界中廣泛分布，已知的成因類型主要有5種：①海水中CaCO3達到過飽和時可沉積塊狀方解石；②中低溫熱液脈或晶洞中存在粒狀、晶簇狀方解石；③巖漿成因的碳酸鹽和碳酸熔巖中，方解石為主要造巖礦物，常與金云母、白云石共生；④河流、湖泊中風化沉積CaCO3可形成方解石；⑤生物介殼中部分CaCO3也可形成方解石[18]。作為重質碳酸鈣原料的方解石礦床，其礦床類型主要分為2種：區(qū)域變質型；接觸變質型[1]。

二郎坪群大廟組大理巖為五峰頂方解石礦含礦母巖，礦體產出嚴格受到大廟組大理巖控制，礦體產狀與地層產狀一致。其與貴州省黔西南地區(qū)低溫熱液充填型方解石礦床不同[16]，五峰頂方解石礦床為區(qū)域變質型礦床。

(2)成礦時代

前人對二郎坪群構造屬性、形成時代等方面進行了大量的研究工作，取得了較多認識。二郎坪群形成時代從火山巖同位素年齡與沉積巖層中生物化石兩方面進行限定，主要有5種觀點：①二郎坪群底部細碧角斑巖中獲得708 Ma±63 Ma和822 Ma±80 Ma的Sm-Nd年齡[19]；②利用侵位于二郎坪群火山巖中的西莊河花崗巖體U-Pb年齡，限定其形成時代為480 Ma[20]；③二郎坪群基性火山巖形成年齡475 Ma—463 Ma[4,7]；④二郎坪群玄武巖夾層硅質巖中存在早中奧陶世的放射蟲和牙形石[21]；⑤二郎坪群變泥質碎屑巖沉積時代為500 Ma—475 Ma，火山巖形成時代為475 Ma—463 Ma[22]。

整體而言，二郎坪群形成于早古生代的認識目前已趨于一致[23]。由此，推測五峰頂方解石礦床成礦時代應為早古生代，約500 Ma—475 Ma。

(3)成礦模式

二郎坪群構造屬性一直存在爭議，前人在此方面進行了深入研究，代表性觀點主要有3種：二郎坪群海相火山-沉積巖系為秦嶺造山帶內蛇綠巖雜巖之一；根據二郎坪群火山巖的地球化學特征，認為其形成于島弧環(huán)境；根據二郎坪群鎂鐵質火山巖具有N-MORB、E-MORB的特征，認為其形成于弧后盆地[6,23-25]。

圖5 五峰頂方解石礦床成礦模式圖(據文獻[24]，修改)Fig.5 Metallogenic model of Wufengding calcite deposit1.二郎坪群；2.其它地質體；3.洋；4.斷裂；5.地質界限

綜上，五峰頂方解石礦成礦模式：490 Ma之前秦嶺巖群向北增生過程中形成了島弧火山巖及其沉積蓋層，為二郎坪群的基底；450 Ma—400 Ma商丹洋向北俯沖演化為弧后盆地；320 Ma—300 Ma發(fā)生弧-陸碰撞事件，洋殼玄武巖與沉積物拼貼到商丹縫合帶南緣；240 Ma—200 Ma揚子陸塊與華北陸塊拼合，該時期五峰頂方解石礦最終形成(圖5)。

4.2 找礦標志

(1)方解石礦體位于二郎坪群大廟組第三巖性段(Pz1d3)淺灰白色大理巖中，礦區(qū)內淺灰白色大理巖為直接找礦標志。

(2)方解石礦石類型為淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖，礦石新鮮面呈淺灰白色、灰白色，方解石含量近100%，礦石顏色與礦物成分為重要找礦標志。

(3)方解石礦體內輝綠巖脈不發(fā)育，局部節(jié)理發(fā)育，但層理產狀穩(wěn)定，均向SW方向陡傾。因此，輝綠巖脈不發(fā)育、層理產狀穩(wěn)定的大理巖可作為間接找礦標志。

5 結語

五峰頂方解石礦床為區(qū)域變質型礦床，大廟組中淺灰白色大理巖為直接找礦標志。

(1)五峰頂方解石礦床產于二郎坪群大廟組第三巖性段大理巖中，含礦巖石為淺灰白色厚層狀中粗粒大理巖。

(2)礦區(qū)內初步圈定方解石礦體2個，結合礦區(qū)地質條件與礦體特征，其深部成礦潛力巨大，具有良好的找礦前景。

(3)五峰頂方解石礦床為區(qū)域變質型礦床，其產出嚴格受大廟組控制，該礦床的發(fā)現對今后豫西東秦嶺造山帶尋找方解石礦床具有重要的借鑒意義。

(4)地質找礦標志：大廟組淺灰白色大理巖為直接找礦標志，大廟組中輝綠巖脈不發(fā)育地段可作為間接找礦標志。