甘肅金塔大紅山石英巖礦地質(zhì)特征及成因淺析

周定飛，張 亮，任長旭

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000)

石英巖礦是除水晶之外提取高純石英砂的重要原料。高純石英砂在航空、航天、電子、機械以及IT產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，特別是在石英玻璃行業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、電光源產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)等許多高新技術(shù)產(chǎn)品中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。

甘肅省建材非金屬礦總體地質(zhì)勘查程度很低，極大地影響著省內(nèi)建材工業(yè)的發(fā)展[4]。截至2019年底，省內(nèi)共發(fā)現(xiàn)和評價石英巖礦產(chǎn)地18處，其中大型礦床2處[5],分布于永登和武都，在金塔大紅山所處的北山尚未發(fā)現(xiàn)大型石英巖礦。金塔大紅山石英巖礦賦存于薊縣系平頭山組下段石英巖層中，共圈定石英巖礦體26條，其中冶金熔劑用石英礦體17條，平板玻璃用石英巖礦體9條。估算推斷石英巖礦石量9 238.90萬t，潛在石英巖礦石量27 023萬t，規(guī)模屬大型。礦石類型為石英巖型，為沉積變質(zhì)型礦床?？偨Y(jié)研究大紅山石英巖礦地質(zhì)特征及礦床成因，有助于分析其礦床遠(yuǎn)景，指導(dǎo)區(qū)域上同類礦產(chǎn)的找礦工作。

1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)地層隸屬塔里木地層大區(qū)，敦煌地層區(qū)，羅雅楚山—柳園地層分區(qū)[6]。區(qū)域上出露地層主要為長城系古硐井群、薊縣系平頭山組、志留系公婆泉群、石炭系紅柳園組、芨芨臺子組、白堊系新民堡群、第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)[7]。其中，薊縣系平頭山組為研究區(qū)重要的銅、鐵、鉛、石英巖含礦層位。

區(qū)域內(nèi)巖漿活動頻繁，主要為二疊紀(jì)、石炭紀(jì)和志留紀(jì)侵入巖，基性—中酸性巖體均有分布，為各種元素富集成礦提供了物源及熱源[8]。巖體規(guī)模及形態(tài)各有差異，受深大斷裂控制，呈巖基、巖株或巖枝狀侵入，走向以北西向為主。后期斷層對巖體存在一定破壞作用。脈巖亦較發(fā)育且種類繁多，有輝長輝綠巖脈、閃長巖脈、花崗閃長巖脈、花崗巖脈、煌斑巖脈及石英脈等。

研究區(qū)地處塔里木陸塊區(qū)，敦煌陸塊，柳園裂谷[9](圖1)。構(gòu)造形跡主要由北西向褶皺和壓性逆沖斷層組成。褶皺多被斷裂切割或巖體侵入破壞，形態(tài)不全；斷裂構(gòu)造可分為北西—近東西向、北東向兩組，以北西—近東西向規(guī)模最大。

1 區(qū)域大地構(gòu)造位置圖

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 地層

研究區(qū)出露地層主要為薊縣系平頭山組下段(Jxp1)、白堊系新民堡群(K1X)、上更新統(tǒng)(Qp3

pl)、全新統(tǒng)(Qhpl)。

(1)薊縣系平頭山組下段(Jxp1)。

該套地層出露面積大，為石英巖礦含礦層位。呈帶狀分布，走向125°～155°，傾角60°～80°，與平頭山組上段呈斷層接觸，北側(cè)與白堊系新民堡群不整合接觸，向東延伸厚度穩(wěn)定，后被巖體吞噬。該巖段主要為石英巖、粉砂質(zhì)板巖、綠泥石英千枚巖，夾有灰黑色變石英砂巖、煙灰色硅質(zhì)巖、灰黑色粉晶灰?guī)r、大理巖及淺灰綠色英安巖。主要層位沿走向連續(xù)出露，北西端和南東段被第四系所覆蓋，長度超過10km，但厚度變化較大，在200～750m之間。由于石英巖與粉砂質(zhì)板巖、綠泥石英千枚巖之間能干性存在較大差異，受區(qū)域構(gòu)造運動影響，石英巖表現(xiàn)為斷裂和破碎，淺變質(zhì)碎屑巖則表現(xiàn)為褶皺變形。

在石英巖與圍巖的界面存在明顯的位移，構(gòu)成斷層接觸。接觸部位發(fā)育明顯的斷層角礫巖，且褐鐵礦化、高嶺土化等蝕變強烈。局部地段石英巖呈透鏡狀分布于板巖及千枚巖之中，一般長220～830m，厚5～65m，與圍巖呈斷層接觸。

(2)白堊系新民堡群(K1X)。

出露于研究區(qū)東部，不整合于薊縣系平頭山組千枚巖之上，且多被第四系掩蓋，出露較差。巖性組合為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、細(xì)粒雜砂巖、粗砂巖、含礫粗粒石英長石砂巖、細(xì)礫巖等。

(3)第四系上更新統(tǒng)(Qp3

pl)。分布于研究區(qū)南部石英巖西側(cè)，主要為現(xiàn)代沖洪積亞黏土、亞砂土及砂等，厚度一般為數(shù)厘米至數(shù)米。

(4)第四系全新統(tǒng)(Qhpl)。

分布于研究區(qū)西側(cè)溝谷及河床，主要為松散—半膠結(jié)砂礫石層。

2.2 構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造形跡主要為北西西向斷裂構(gòu)造。主要斷層為F1、F2，發(fā)育于薊縣系平頭山組石英巖與板巖、千枚巖接觸部位，走向140°～150°，控制著石英巖的展布，兩側(cè)巖石較破碎，巖石具褐鐵礦化等特征，影響礦石質(zhì)量。

2.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)侵入巖為中生代巖漿活動形成的鉀長花崗巖、輝長巖和石英閃長巖。鉀長花崗巖分布于研究區(qū)東南側(cè)，呈巖株狀產(chǎn)出，北側(cè)侵入于薊縣系平頭山組下段粉砂質(zhì)板巖中，內(nèi)部有北西、近東西輝綠巖脈、花崗斑巖脈侵入，南側(cè)被第四系更新統(tǒng)砂礫石掩蓋，東側(cè)延伸至研究區(qū)外。輝長巖分布于研究區(qū)中部，呈脈狀產(chǎn)出，長軸長1 040m，短軸長20～106m，呈北西—南東向展布，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致。侵入于薊縣系平頭山組下段粉砂質(zhì)板巖中。石英閃長巖分布于研究區(qū)東部，呈巖株狀產(chǎn)出。

研究區(qū)內(nèi)脈巖較為發(fā)育，脈巖大部分呈北西向展布，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，部分脈巖呈近東西向、南北向展布。主要有花崗斑巖脈、閃長巖脈、輝綠巖脈、輝綠玢巖脈等。在研究區(qū)多數(shù)地段均出現(xiàn)巖脈穿插石英巖礦體的現(xiàn)象，對礦體的空間展布起到一定的破壞作用[10]，且?guī)r脈與石英巖接觸部位，發(fā)生強烈的接觸交代作用，造成石英巖礦石有害組分含量增高，影響礦石質(zhì)量。其中輝綠巖脈在研究區(qū)最為常見，是破壞礦體的主要因素。

2.4 變質(zhì)作用

研究區(qū)內(nèi)變質(zhì)作用主要為區(qū)域變質(zhì)和熱接觸變作用。

(1)區(qū)域變質(zhì)作用。

區(qū)內(nèi)沉積固結(jié)成巖后，在漫長的前中元古代時期可能發(fā)生多次地殼運動，使先成巖石普遍遭受不同程度的區(qū)域性動力熱流變質(zhì)作用，形成了一套中低變質(zhì)的區(qū)域變質(zhì)巖[8]。研究區(qū)內(nèi)區(qū)域變質(zhì)巖為薊縣系平頭山組下段的千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、變砂巖及石英巖，整體為一套淺變質(zhì)碎屑巖和石英巖組合。原巖分別為泥巖、含粉砂泥巖、砂巖及石英砂巖、硅質(zhì)巖，為碎屑巖沉積建造。石英巖礦賦存于石英巖層中，為硅質(zhì)含量較高的碎屑巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)所形成，規(guī)模較大。

(2)熱接觸變質(zhì)作用。

熱接觸變質(zhì)作用出現(xiàn)于區(qū)內(nèi)石英巖礦體中，且鉆孔證明深部有巖體侵入。礦化層整體分布于侵入巖體的外接觸帶中，由于巖漿侵入，圍巖溫度急劇升高而發(fā)生發(fā)生強烈的接觸交代作用[11]，主要表現(xiàn)為石英巖高嶺土化和赤褐鐵礦化，導(dǎo)致石英巖礦石有害組分中Al2O3、Fe2O3含量增高，影響礦石質(zhì)量。

3 礦體地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

石英巖礦體賦存于薊縣系平頭山組下段石英巖層中，含礦層圍巖均為千枚巖、粉砂質(zhì)板巖。共圈定石英巖礦體26條，其中冶金熔劑用石英巖礦體17條，分別為Q1-R1～Q1-R17；平板玻璃用石英巖礦體9條：Q1-B1～Q1-B8及Q2-B1(圖2)。

研究區(qū)內(nèi)主要礦體特征如表1所示。

表1 研究區(qū)主要礦體特征一覽表

其 中，Q1-R2礦 體 展 布 于33線～0線 之間，賦存標(biāo)高1 730～1 535m，長度約5 155m，傾斜深度124～254m，傾向222°～243°，傾角36°～57°，呈似層狀產(chǎn)出。礦體平均厚度69.0m，厚度變化系數(shù)97.54%，屬不穩(wěn)定型。礦體有用組分SiO2品位沿走向變化甚微，品 位93.41%～95.38%，平 均 品 位94.96%，品位變化系數(shù)0.75%，屬穩(wěn)定型。礦體有害組 分 為Al2O3、Fe2O3和CaO，其 中Al2O3單 工程 含 量2.57%～3.44%，平 均 含 量2.82%，變 化 系 數(shù)10.48%，屬 穩(wěn) 定 型；Fe2O3單 工 程含 量0.14%～0.49%，平 均 含 量0.58%，變化系數(shù)18.58%，屬穩(wěn)定型；CaO單工程含量0.35%～0.68%，平均含量0.20%，變化系數(shù)52.92%，屬較穩(wěn)定型(圖3)。深部由ZK1101、ZK2701等2個鉆孔進行控制，其中ZK1101揭穿了該礦體，厚度7.68m，鉆孔內(nèi)礦體厚度略有減薄趨勢，有用組分SiO2品位94.87%，品位略有降低；有害組分Al2O3、Fe2O3、CaO含量分別為3.45%、0.40%、0.41%，較地表TC1101內(nèi)含量均呈現(xiàn)升高趨勢；ZK2701未揭穿該礦體，據(jù)現(xiàn)有樣品分析結(jié)果，鉆孔內(nèi)有用組分SiO2品位93.45%，品位略有降低；有害組分Al2O3、Fe2O3、CaO含量分別為3.61%、0.87%、0.14%，除CaO含量較地表TC2701內(nèi)含量降低外，Al2O3、Fe2O3含量均呈升高趨勢。

圖3 Q1-R2礦體單工程厚度、品位、有害組分含量變化曲線圖

3.2 礦石特征

3.2.1 礦物組成

石英巖礦石原巖可劃分為兩類，主要為石英砂巖，少數(shù)為硅質(zhì)巖。礦石礦物為石英。

原巖為石英砂巖者，石英顆粒含量＞94%，主要呈等軸粒狀，少量呈他形粒狀，粒徑集中于0.11～0.4mm。石英顆粒內(nèi)部光性均勻，純凈部分呈“次圓狀”，邊緣含有微量塵點雜質(zhì)。晶形趨向或達到近平直鑲嵌。石英變晶顆粒整體均勻消光，但由于微量雜質(zhì)分布，仍顯示出明顯的次生加大現(xiàn)象，加大邊寬約0.005～0.06mm。

原巖為硅質(zhì)巖者，石英顆粒含量91%～95%，呈細(xì)小他形粒狀，致密、均勻不規(guī)則鑲嵌，粒度0.08～0.2mm，少量石英粒度偏大，呈半定向分布于礦石微裂隙區(qū)。

脈石礦物主要有絹云母、綠泥石、透閃石、方解石等。

3.2.2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

(1)礦石結(jié)構(gòu)。

礦石結(jié)構(gòu)主要有細(xì)粒近等軸粒狀近平直鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)、細(xì)粒粒狀鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)、顯微—細(xì)粒他形粒狀不規(guī)則鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 石英巖礦石鏡下特征(正交偏光)

細(xì)粒近等軸粒狀近平直鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)：礦石中礦石礦物石英顆粒晶形主要為等軸粒狀，少量為他形粒狀。晶形趨向或達到近等軸粒狀近平直鑲嵌，構(gòu)成礦石整體構(gòu)架。脈石礦物中細(xì)小絹云母及綠泥石等集合體分布于石英顆粒間隙中，共同形成細(xì)粒近等軸粒狀近平直鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)。

細(xì)粒粒狀鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)：絕大部分石英顆粒呈他形粒狀，細(xì)小致密，不規(guī)則鑲嵌。石英間隙中，少量短柱狀、近長柱狀透閃石呈半定向分布。

顯微—細(xì)粒他形粒狀不規(guī)則鑲嵌變晶結(jié)構(gòu)：石英主要呈他形粒狀，不規(guī)則鑲嵌，邊界清楚，但不平整，局部少數(shù)粒度偏大者晶形趨于近等軸粒狀近平直鑲嵌。在石英間隙中，零星可見細(xì)小鱗片狀絹云母、細(xì)小他形粒狀不規(guī)則鑲嵌碳酸鹽集合體、少量塵點狀雜質(zhì)聚集狀填充分布。

(2)礦石構(gòu)造。

礦石構(gòu)造主要為塊狀構(gòu)造，少數(shù)為板狀構(gòu)造。

塊狀構(gòu)造：礦石主要由等軸粒狀近平直鑲嵌、少量他形粒狀不規(guī)則鑲嵌的石英變晶組成，粒度均勻，變晶均勻消光，形成塊狀構(gòu)造，原巖為石英砂巖(圖5)。

圖5 石英巖礦石標(biāo)本

板狀構(gòu)造：礦石主要由近等軸粒狀石英近平直鑲嵌或他形粒狀石英不規(guī)則鑲嵌組成，整體上石英相對長軸方向有半定向特征，形成板狀構(gòu)造，原巖為板狀硅質(zhì)巖。

3.2.3 礦物粒度

礦石粒度主要分布在-0.5～0.1mm，占比 為62.27%～77.94%，平 均69.61%；粒 度在-1～0.8mm，占比為0%～0.54%，平均占比達0.34%；粒度在-0.1mm占比為15.64～30%，平 均24.14%；粒 度 在-0.8～0.71mm占 比 為0%～3.98%，平均2.06%；粒度在-0.71～0.5mm占比為1.71%～6.54%，平均3.84%。滿足平板玻璃用硅質(zhì)原料質(zhì)量要求。

3.2.4 化學(xué)成分

礦石有用組分為SiO2，有害組分為Fe2O3、Al2O3、CaO。有用組分SiO2品位92.67%～97.89%，平均品位95.90%。有害組分Fe2O3含量0.12%～0.35%，平 均 含 量2.30%；Al2O3含量0.11%～4.74%，平均含量為2.64%；CaO含量0.02%～0.17%，平均含量為0.08%。TiO2含量0.04%～0.19%，平均含量為0.08%；Cr2O3含量極低，均＜0.01%，對礦石質(zhì)量基本無影響。另據(jù)薄片鑒定報告，所有石英巖礦石在鏡下均未發(fā)現(xiàn)含鉻鐵礦、鉻尖晶石、鋯英石、矽線石等難熔礦物。

3.2.5 礦石類型

據(jù)礦石中礦石礦物成分及礦床成因分析，研究區(qū)礦石自然類型為石英巖型。

據(jù)礦石工業(yè)用途，研究區(qū)礦石工業(yè)類型劃分為冶金溶劑用硅質(zhì)原料和平板玻璃用硅質(zhì)原料。

3.2.6 圍巖及夾石

礦體均賦存于石英巖層中，含礦層上下盤圍巖主要為千枚巖和粉砂質(zhì)板巖，局部發(fā)育有花崗斑巖脈和輝綠巖脈與含礦層直接接觸，構(gòu)成礦體圍巖，與礦體界線清晰。

礦體內(nèi)存在的千枚巖、板巖、輝綠巖脈、花崗巖脈、閃長巖脈等非石英巖類均為夾石。此外，石英巖層中有用組分SiO2及有害組分Al2O3、Fe2O3、CaO不滿足一般工業(yè)指標(biāo)或其厚度達到夾石剔除厚度者均視作礦體夾石。

研究區(qū)共圈定夾石9條，各礦體夾石特征見表2。

表2 礦體夾石特征一覽表

4 礦床成因及找礦標(biāo)志

4.1 礦床成因

薊縣紀(jì)成礦期是區(qū)域礦產(chǎn)的重要成礦期之一，沉積環(huán)境穩(wěn)定，形成巨厚層陸源碎屑巖，為內(nèi)生礦產(chǎn)的形成提供豐富的物源。后期構(gòu)造運動強烈，熱液活動頻繁，為形成沉積變質(zhì)型礦產(chǎn)提供了良好的地質(zhì)條件，加之區(qū)域低溫變質(zhì)作用，最終形成沉積變質(zhì)型礦床[5]。

研究區(qū)內(nèi)石英巖賦礦地層為薊縣系平頭山組下段，由深灰綠色板巖構(gòu)造巖片構(gòu)成[12]，為一套變質(zhì)碎屑巖建造，含礦巖系為青灰色、灰白色石英巖，礦石類型為石英巖型。石英巖呈層狀、似層狀分布于淺變質(zhì)碎屑巖之中，與兩側(cè)圍巖產(chǎn)狀一致，為原始沉積產(chǎn)物。

鏡下薄片鑒定結(jié)果表明，石英巖礦石的原巖主要為石英砂巖，少部分為硅質(zhì)巖，屬沉積巖。石英砂巖及硅質(zhì)巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用形成石英巖礦石，屬沉積變質(zhì)型礦床。

甘肅北山紅山鐵礦賦礦地層主要為薊縣系平頭山組的一套淺變質(zhì)碎屑巖—碳酸鹽巖建造[13]，紅山鐵礦賦礦巖石中稀土元素具有明顯的Eu正異常，Ce異常不明顯，Y/Ho平均值為31.5，與海底噴氣沉積產(chǎn)物特征一致，同時，微量元素Th/U、V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)等比值判別得出其形成古環(huán)境為海相氧化環(huán)境，認(rèn)為紅山鐵礦為熱鹵水噴流沉積—變質(zhì)型鐵礦床[13]。通過類比認(rèn)為，金塔大紅山石英巖礦賦礦地層與紅山鐵礦一致，為薊縣系平頭山組，且均分布于甘肅北山一帶。因此，金塔縣大紅山石英巖礦沉積環(huán)境為海相沉積，巨厚層的石英砂巖及硅質(zhì)巖，為石英巖礦的形成提供了物源基礎(chǔ)。綜上述所，金塔大紅山石英巖礦礦床成因為沉積變質(zhì)型[14]。

4.2 找礦標(biāo)志

研究區(qū)石英巖礦床賦存于薊縣系平頭山組下段，該巖段為尋找石英礦最理想的層位[15]；厚層、巨厚層的青灰色—灰白色石英巖是直接的找礦標(biāo)志；石英巖屬強硬巖層，抗風(fēng)化能力明顯區(qū)別于千枚巖等軟弱巖層組成的圍巖，地形地貌上由石英巖層形成的丘垅狀隆起是間接的找礦標(biāo)志；薊縣系平頭山組為區(qū)域低溫動力變質(zhì)作用形成的低綠片巖相的變質(zhì)地層[16]，石英巖礦石變質(zhì)程度明顯高于圍巖千枚巖。因此，在淺變質(zhì)碎屑巖尋找高變質(zhì)石英巖也是找礦方法之一。

5 找礦前景

通過概略研究，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)石英巖礦石可滿足玻璃用石英砂精礦。初步估算推斷石英巖礦石量9 238.90萬t，潛在石英巖礦石量27 023萬t，礦床規(guī)模屬大型。此外，研究區(qū)周邊紅山井、大紅山南工作區(qū)石英礦床亦均屬大型。甘肅北山地區(qū)變質(zhì)巖區(qū)廣泛分布，尤其是晚前寒武紀(jì)地層主要為一套輕變質(zhì)巖、石英巖及大理巖[17]，且大多變質(zhì)巖地層都含石英巖。因此，在甘肅北山地區(qū)尋找變質(zhì)型石英巖礦床具有很好的前景。