沉積建造在遼東半島古元古代楊木桿硼礦富集成礦過程中的重要作用

趙 巖，張 朋，畢中偉，寇林林，楊宏智，陳 江

(中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

0 引 言

硼礦作為中國新確定的一種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，尤其是電子、原子能等高新技術(shù)領(lǐng)域。中國硼礦資源種類豐富，近年來第四紀(jì)鹽湖型硼礦、地下鹵水型硼礦勘查與研究都取得了很大進(jìn)展，但儲量和產(chǎn)量最大的還是產(chǎn)在遼吉地區(qū)古元古代造山帶內(nèi)的硼礦。

遼東半島的硼礦是遼東—吉南成礦帶的重要組成部分，呈近SW—NE向分布，與遼吉古元古代造山帶關(guān)系密切。遼東半島的硼礦主要有硼鎂石型(含遂安石)和硼鎂鐵礦型兩種礦石類型。長期以來關(guān)于硼礦成因爭議較大，從早期認(rèn)為的矽卡巖型、混合巖化熱液交代型，到火山沉積-變質(zhì)型、熱水沉積-變質(zhì)型、蒸發(fā)沉積-變質(zhì)型。近年來，隨著對遼吉古元古代造山帶演化研究的深入，有研究者傾向于將硼礦作為古元古代蛇綠巖套或大陸裂谷產(chǎn)出證據(jù)，陸續(xù)開展的同位素等研究似乎也支持這一結(jié)論。但遼東半島還產(chǎn)出一類以硼鎂石為主要礦石類型的硼礦，礦區(qū)很少出露基性、超基性巖，弄清楚其成因?qū)τ谕暾斫膺|東—吉南地區(qū)硼礦成礦作用具有重要意義。

本文選取遼東半島寬甸縣楊木桿硼礦為研究對象，基于詳細(xì)的野外考察與室內(nèi)顯微觀察，詳細(xì)研究不同種類、不同品位的礦石特征，發(fā)現(xiàn)變余結(jié)構(gòu)與交代結(jié)構(gòu)反映了明顯的后期成礦熱液交代過程；針對礦石與不同圍巖開展硫同位素和硼同位素研究，均反映出富鎂碳酸鹽巖建造對成礦元素的礦化富集具有重要貢獻(xiàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遼東半島產(chǎn)出有古老的龍崗地塊和遼南地塊結(jié)晶基底，以及挾持于二者之間呈近SW—NE向展布的膠遼吉造山帶。膠遼吉造山帶的發(fā)育(尤其是晚期造山作用)與遼東—吉南金、銀、鉛鋅、硼、菱鎂、石墨成礦帶有著密切關(guān)系。膠遼吉造山帶卷入巨量沉積物，傳統(tǒng)研究將其劃分為早期的火山建造夾少量碎屑建造、中部淺海相沉積建造及晚期的陸源碎屑沉積建造，并認(rèn)為沉積時限大致在2.2～2.0 Ga。伴隨早期火山-沉積建造，有一套片麻狀花崗巖(也稱遼吉花崗巖、條痕狀花崗巖)侵位，LA-ICP-MS和SHRIMP鋯石定年結(jié)果顯示其侵位時代為2.2～2.1 Ga。盡管對于造山作用起始時間存在一定爭議，但基本達(dá)成共識的是強(qiáng)烈造山作用在1.90～1.85 Ga。伴隨強(qiáng)烈的地殼收縮加厚，早期沉積物發(fā)生變形、變質(zhì)作用，達(dá)到角閃巖相變質(zhì)程度，局部甚至存在麻粒巖相變質(zhì)作用。伴隨強(qiáng)烈的造山作用，同時侵位同造山花崗巖，以花崗閃長巖、黑云母花崗閃長巖為主，局部存在埃達(dá)克質(zhì)花崗巖；相比早期片麻狀花崗巖，該期花崗巖變形較弱，利用LA-ICP-MS鋯石定年確認(rèn)其侵位年齡在1.885 Ga左右。 造山后巖漿活動以發(fā)育正長巖脈、偉晶巖脈為特征，標(biāo)志著膠遼吉古元古代造山作用的結(jié)束。

遼東—吉南成礦帶內(nèi)多種金屬、非金屬礦產(chǎn)資源的產(chǎn)出與膠遼吉古元古代造山帶的演化密切相關(guān)。早期菱鎂礦、銅、鈷等通常認(rèn)為與早期火山-沉積作用相關(guān)；而伴隨強(qiáng)烈的造山作用，早期火山巖和沉積物已發(fā)生強(qiáng)烈變質(zhì)變形，變質(zhì)作用過程中礦物發(fā)生脫水、變質(zhì)，與此過程相關(guān)的礦產(chǎn)包括硼、金、富鐵礦、鉛鋅、石墨、玉石礦等。作為其中典型的礦產(chǎn)之一，硼礦后期發(fā)生的富集和就位與遼河群變質(zhì)巖系的變質(zhì)變形具有更密切的關(guān)系(圖1)。硼礦幾乎均產(chǎn)出在含硼建造變質(zhì)變形強(qiáng)烈部位，如遼寧大石橋地區(qū)后仙峪硼礦產(chǎn)于遼河群里爾峪組內(nèi)蛇紋石化白云石質(zhì)大理巖中，與著名的虎皮峪背斜產(chǎn)出關(guān)系密切；以硼鎂鐵礦型礦石為主的遼寧丹東地區(qū)鳳城翁泉溝硼礦，與劉家河復(fù)式褶皺產(chǎn)出關(guān)系密切(圖1)。曾有研究者利用后仙峪硼礦體圍巖電氣變粒巖和電氣石巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年研究，認(rèn)為鋯石變質(zhì)邊部1 900～1 890 Ma的加權(quán)平均年齡可以代表硼礦的形成時代。

圖件引自文獻(xiàn)[14]，有所修改圖1 遼東半島古元古代遼河巖群與主要硼礦分布Fig.1 Location of Paleoproterozoic Liaohe Group and Boron Deposits in Liaodong Peninsula

2 礦床地質(zhì)與樣品描述

楊木桿硼礦是遼東半島寬甸縣大西岔鄉(xiāng)境內(nèi)的一處中型硼礦床，也是遼東半島唯一沒有硼鎂鐵礦型礦石的硼礦床，以較高的硼礦石品位著名。該礦床礦石是容易工業(yè)利用的硼鎂石型礦石，BO平均品位約10.3%。

楊木桿礦區(qū)出露地層主要為古元古界遼河群里爾峪組和高家峪組，以及少量第四系沉積物。里爾峪組是礦區(qū)主要的賦礦圍巖，分為兩個巖性段：一是黑云母二長變粒巖夾薄層角閃電氣變粒巖；二是電氣鉀長變粒巖夾薄層黑云母變粒巖、電英巖，含蛇紋石化大理巖、金云母巖及含硼蛇紋巖。高家峪組出露面積少，局部見與里爾峪組電氣變粒巖呈不整合產(chǎn)出，未見明顯接觸界限，推測為構(gòu)造接觸。主要巖性為含墨夕線石榴黑云變粒巖、黑云母變粒巖。礦區(qū)范圍內(nèi)楊木桿褶皺是主要構(gòu)造，呈近EW向展布，卷入的地層主要為電氣鉀長變粒巖夾蛇紋石化大理巖、含硼蛇紋巖等(圖2)。從區(qū)域范圍來看，褶皺產(chǎn)狀與南遼河群深變質(zhì)巖產(chǎn)狀吻合，并卷入了大量呈巖株狀、透鏡狀古元古代片麻狀花崗巖(圖1)。其中，在楊木桿褶皺轉(zhuǎn)折端加厚部位產(chǎn)出有楊木桿硼礦的主礦體。礦區(qū)還發(fā)育后期NW向斷裂，局部錯斷早期古元古代地層及后期脈巖，該斷裂體系與區(qū)域范圍內(nèi)中生代NW向斷裂一致。礦區(qū)東側(cè)出露變形的古元古代片麻狀二長花崗巖，其變形特征與周圍里爾峪組變粒巖特征接近；同時還發(fā)育多種脈巖，包括斜長角閃巖、煌斑巖、偉晶巖、正長斑巖脈等，規(guī)模不大，通常切穿礦體與圍巖，推測多是古元古代膠遼吉造山作用之后侵位。礦區(qū)常發(fā)生的蝕變包括蛇紋石化、水鎂石化、透閃石化、絹云母化、滑石化等。

圖件引自文獻(xiàn)[19]，有所修改圖2 遼東半島楊木桿硼礦床地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological Map of Yangmugan Boron Deposit in Liaodong Peninsula

楊木桿硼礦BO最高品位為31.38%，平均品位超過10.00%。已發(fā)現(xiàn)的Ⅰ號至Ⅴ號礦體，經(jīng)后期工程揭露和分析認(rèn)為原為同一條礦體。本次研究采集了不同品位的硼鎂石礦石，以及包括電氣鉀長變粒巖、蛇紋石化大理巖、金云母巖在內(nèi)的不同類型圍巖和蝕變圍巖等樣品。通過詳細(xì)的顯微鏡下觀察，對礦石礦物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造有了更全面的認(rèn)識。礦石礦物硼鎂石的產(chǎn)出形式主要有纖維狀硼鎂石和少量板狀硼鎂石兩種，與之相關(guān)的脈石礦物有鎂橄欖石、鉻白云母、水鎂石、電氣石、白云石、蛇紋石等(圖3)。礦石主要發(fā)育變晶和交代殘余結(jié)構(gòu)，此外脈石中還發(fā)育變余結(jié)構(gòu)等。 變余層狀結(jié)構(gòu)主要發(fā)育在圍巖鎂質(zhì)大理巖內(nèi)，局部可見暗色團(tuán)塊，蛇紋巖與圍巖同步褶曲，被后期構(gòu)造切穿[圖3(g)～(i)]，顯微鏡下多見蛇紋石變晶。變晶結(jié)構(gòu)包括粒狀變晶、鱗片狀變晶、纖維狀變晶結(jié)構(gòu)，廣泛發(fā)育在圍巖與硼礦石中。包括電氣鉀長變粒巖、金云母巖等的圍巖內(nèi)常見電氣石、鉻白云母等新生變質(zhì)礦物呈變晶產(chǎn)出[圖3 (a)～(f)]，硼礦石中也見有板狀硼鎂石呈變晶產(chǎn)出[圖4(a)、(b)]。交代殘余結(jié)構(gòu)是硼礦石中最多的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。不管是貧礦石[圖4(c)、(d)]，還是富礦石[圖4 (e)、(f)]，手標(biāo)本和顯微鏡下均可以看到后期纖維狀硼鎂石交代早期富鎂的蛇紋石等礦物，被交代的蛇紋石呈孤島狀、骸晶狀產(chǎn)出在礦石中。

Cc為方解石；Fuc為鉻白云母；Pl為斜長石；Srp為蛇紋石；Tou為電氣石；Tr為透閃石圖3 楊木桿硼礦主要圍巖與礦石礦物手標(biāo)本、野外照片和顯微照片F(xiàn)ig.3 Hand Specimen, Field Photos and Photomicrographs of Main Surrounding Rocks and Ore Minerals from Yangmugan Boron Deposit

Fuc為鉻白云母；Srp為蛇紋石；Sz為硼鎂石圖4 楊木桿硼礦主要礦石礦物組成與顯微構(gòu)造Fig.4 Compositions and Photomicrograph Textures of Main Ore Minerals from Yangmugan Boron Deposit

3 分析方法與結(jié)果分析

本次工作采集的10件巖礦石硫同位素測試結(jié)果列于表1。其中，采集自西部露天采坑的6件樣品自西向東依次編號為S-18YM1～S-18YM6，如圖2所示；東部井下開采礦石樣品僅在圖中標(biāo)注了坑口位置，編號S-18YM7～S-18YM10。從表1可以看出：采自不同礦體的硼鎂石礦石具有較為接近的δS值(14.2‰～19.5‰)，而蛇紋石化大理巖、白云石大理巖和金云母巖等圍巖的δS值則較高(15.6‰～23.1‰)；與前人在遼東半島典型硼礦床內(nèi)獲得的圍巖及硼礦石硫同位素研究結(jié)果對比，可以看出不同地區(qū)的硼鎂礦和本次研究的楊木桿硼礦內(nèi)硼鎂礦具有基本一致的δS值。

4 討 論

4.1 穩(wěn)定同位素特征對硼礦床成因的指示

巖礦石中的硫同位素通常會在后期熱液和變質(zhì)作用過程中再分配，從而趨向均一。本次研究獲得了遼東半島楊木桿硼礦的硼礦石δS值(14.2‰～19.5‰)，平均值為17.7‰；而不同類型的圍巖(尤其是蛇紋石化大理巖)δS值較高(15.6‰～23.1‰)。有研究者認(rèn)為古元古代沉積建造中較重的硫同位素代表了當(dāng)時海水硫酸鹽的硫組成，進(jìn)而將古元古代全球大氧化事件與海水硫同位素儲庫絕對值升高相關(guān)聯(lián)。本次研究同時收集了前人已發(fā)表的遼東半島硼礦床硫同位素研究結(jié)果(表1)。整體來看，硼鎂石型和硼鎂鐵礦型礦石的硫同位素與圍巖硫同位素組成均與本次研究結(jié)果類似，礦石硫同位素特征反映了硼礦成礦過程中賦礦圍巖的貢獻(xiàn)，在含礦熱液和變質(zhì)作用下圍巖硫同位素含量明顯降低。礦石顯微照片觀察也支持以上研究結(jié)果：不管是貧礦石，還是富礦石，均能看到后期纖維狀硼鎂石交代早期蛇紋石化大理巖和蛇紋巖，構(gòu)成典型的交代溶蝕結(jié)構(gòu)[圖4(c)～(f)]。從硼鎂石化學(xué)式(Mg[BO(OH)](OH))來看，活潑的元素B進(jìn)入成礦熱液后還需要圍巖等提供大量的Mg才能沉淀成礦。楊木桿硼礦最終就位成礦過程中，離不開賦礦圍巖富鎂碳酸鹽巖建造的重要貢獻(xiàn)，前寒武紀(jì)碳酸鹽巖沉積建造是世界范圍內(nèi)富鎂含礦建造。早期研究曾認(rèn)為遼東地區(qū)硼礦分布與火山建造有關(guān)，主要將與片麻狀二長花崗巖體產(chǎn)出關(guān)系密切的遼河群里爾峪組劃為火山機(jī)構(gòu)，認(rèn)為硼礦產(chǎn)出與之相關(guān)。但從遼東寬甸地區(qū)遼河群碳酸鹽巖沉積建造和硼礦床的分布來看，硼礦不僅與里爾峪組含硼火山巖建造有關(guān)，還同時受到古元古代鎂質(zhì)碳酸鹽巖建造(主要是大石橋組、高家峪組)分布的控制。在碳酸鹽巖建造厚度較大及受到后期區(qū)域變形作用的加厚部位常是硼礦產(chǎn)出的有利部位(圖1)。

表1 遼東半島典型硼礦床礦石與圍巖硫同位素分析結(jié)果Table 1 Analysis Results of Sulfur Isotope Composition of Ores and Surrounding Rocks from Typical Boron Deposits in Liaodong Peninsula

硼同位素研究也得出了相似的結(jié)論。前人總結(jié)估算的2.0 Ga地殼中δB值為-13‰～-8‰，此外還有集中在-12‰～-8‰的原始地幔硼礦儲庫、集中在21‰～ 29‰的海相蒸發(fā)硼礦床和-17‰～3‰的非海相蒸發(fā)硼礦床。本次研究收集了前人研究的遼東半島典型硼礦床硼同位素研究結(jié)果(表2)。從表2可以看出，硼鎂石型礦石中δB值為7.4‰～13.9‰，平均值為10.8‰，落在海相蒸發(fā)硼礦床和非海相蒸發(fā)硼礦床之間，有研究者據(jù)此將遼東硼礦床解釋為海相蒸發(fā)沉積環(huán)境，但也有研究認(rèn)為其明顯不同于現(xiàn)代海相蒸發(fā)，而是代表了富鎂鐵的古洋殼殘留。整體來看，硼鎂鐵礦型礦石的δB值更低(6.9‰～8.2‰)，平均值為7.5‰。參考硼同位素的分餾研究成果，可能引起同位素分餾過程中δB值降低的情況有變質(zhì)過程中的殘余相、硅化交代、熱水沉積作用、熱蒸餾過程中的殘余相。綜合地幔硼儲庫(δB值為-12‰～-8‰)和礦床地質(zhì)特征，富鎂鐵的硼鎂石型礦石可能代表了變質(zhì)殘留洋殼。硼鎂石型礦石具有較高的δB值，卻又低于海相蒸發(fā)硼礦床的硼儲庫，反映了除變質(zhì)作用外，可能有部分來自蒸發(fā)沉積環(huán)境的特征。

表2 遼東半島典型硼礦床礦石及圍巖硼同位素分析結(jié)果Table 2 Analysis Results of Boron Isotope Composition of Ores and Surrounding Rocks from Typical Boron Deposits in Liaodong Peninsula

4.2 硼礦與膠遼吉造山帶演化

膠遼吉造山帶是華北克拉通東部一條重要的古元古代造山帶，關(guān)于其早期演化模式歷來爭議頗多，有弧陸碰撞、裂谷演化、陸陸碰撞、主動大陸邊緣和弧后盆地閉合、先裂谷后碰撞等模式。雖然硼礦和金礦、石墨、銅鈷礦等一樣都是產(chǎn)出在膠遼吉造山帶內(nèi)的礦產(chǎn)資源，但不同研究者卻有著截然相反的觀點(diǎn)：堅持膠遼吉造山帶是弧陸碰撞觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為世界范圍內(nèi)硼礦均產(chǎn)出在俯沖帶之內(nèi)，進(jìn)而是支持弧陸碰撞模式的證據(jù)之一；而持裂谷演化觀點(diǎn)的學(xué)者則認(rèn)為似層狀產(chǎn)出的硼礦與裂谷早期發(fā)育火山活動有關(guān)。

從本次研究結(jié)果來看，與硼礦的最終就位相關(guān)的是一期強(qiáng)烈變質(zhì)作用，導(dǎo)致了蛇紋石等早期變質(zhì)礦物的蝕變分解，同時成礦元素進(jìn)入變質(zhì)流體中形成含礦流體并最終沉淀成礦。結(jié)合遼河巖群的演化背景來看，這期強(qiáng)烈的變質(zhì)作用最可能是由膠遼吉造山帶最終在1.90～1.85 Ga的造山過程中導(dǎo)致的。前人對硼礦的成礦時代研究也有類似的結(jié)論，但早期通常利用硼礦區(qū)產(chǎn)出的片麻狀二長花崗巖限定硼礦成礦時代下限在2.17 Ga左右，或者利用賦礦的電氣變粒巖中具有核幔結(jié)構(gòu)的鋯石U-Pb定年，直至利用瀝青鈾礦直接進(jìn)行U-Pb定年，確認(rèn)硼礦成礦發(fā)生在古元古代晚期。雖然主成礦作用與古元古代造山相關(guān)，但要確認(rèn)具體產(chǎn)自何種地質(zhì)構(gòu)造背景之下仍需進(jìn)一步研究。似層狀的硼礦體不足以限定早期B的來源是與裂谷活動相關(guān)的火山活動，也不是每個硼礦床都產(chǎn)出超鎂鐵質(zhì)巖，進(jìn)而能代表洋殼的存在。究其原因，B屬于化學(xué)性質(zhì)活潑的元素，多種地質(zhì)過程均可能造成其遷移和重新分布，單純利用硼礦的產(chǎn)出仍不足以限定其產(chǎn)出的大地構(gòu)造背景，比如后期中生代構(gòu)造活動就對礦體起到了破壞作用(圖2)，局部甚至發(fā)生了新的礦化。

5 結(jié) 語

(1)遼東半島古元古代楊木桿硼礦發(fā)育蛇紋石化、水鎂石化等蝕變影響礦化的特征，礦石顯微觀察顯示交代殘余結(jié)構(gòu)是最主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

(2)楊木桿硼礦硫、硼等穩(wěn)定同位素分布與遼東典型硼礦基本一致，具有與蛇紋石化大理巖等圍巖穩(wěn)定同位素相近的特征，反映了硼礦成礦過程在富鎂大理巖等沉積建造的重要貢獻(xiàn)。

(3)雖然楊木桿硼礦的產(chǎn)出與膠遼吉古元古代造山帶的演化密切相關(guān)，但活潑的B元素在多種地質(zhì)過程中均可能遷移和重新分布，難以單純從硼礦的產(chǎn)出來限定膠遼吉造山帶早期演化模型。

謹(jǐn)以此文慶祝西安地質(zhì)調(diào)查中心組建六十周年，祝愿西安地質(zhì)調(diào)查中心未來取得更大的成就！西安地質(zhì)調(diào)查中心長期與筆者所在的沈陽地質(zhì)調(diào)查中心保持著良好的業(yè)務(wù)交流關(guān)系，特別是李志忠研究員長期關(guān)懷東北地區(qū)青年地質(zhì)工作者成長！成文過程中，與沈陽地質(zhì)調(diào)查中心東北大陸邊緣研究中心陳井勝博士進(jìn)行了諸多有益探討，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實驗室對實驗樣品進(jìn)行了及時準(zhǔn)確的測試分析，在此一并表示感謝！