辽宁北部菱镁矿床地质特征及成因分析

2012-10-10王希军任立国徐静刘鸣钰孟璐

地质与资源 2012年4期

关键词：菱镁矿白云岩矿床

王希军，任立国，徐静，刘鸣钰，孟璐

（辽宁省第十地质大队，辽宁抚顺113004）

辽宁北部菱镁矿床地质特征及成因分析

王希军，任立国，徐静，刘鸣钰，孟璐

（辽宁省第十地质大队，辽宁抚顺113004）

辽北地区菱镁矿床位于中新元古代凡河裂谷东南边缘及太古宙抚顺-清原克拉通北部边缘，由4个独立矿体组成，东西向展布，尤以佟家街矿体规模最大.矿床赋存于中元古界长城系高于庄组四段细晶白云岩中.在对佟家街菱镁矿床的补充普查工作中，通过对成矿地质背景、矿体地质特征及古海水、古气候、古地理位置的研究分析，提出以沉积为主，变质重结晶、变生热液改造为辅的矿床成因模式.

菱镁矿矿床；矿床成因；沉积变质；辽宁北部

Abstract：The magnesite deposit in Liaoning Province,tectonically located in the southeast margin of the Meso-Neoproterozoic Fanhe rift and the north margin of Archean Fushun-Qingyuan craton,is composed of four individual ore bodies trending east-west,among which the Tongjiajie orebody is the largest.The deposit occurs in the aplite-dolomite of the 4th member of Gaoyuzhuang formation,Changcheng system,Mesoproterozoic.In the geological survey to the Tongjiajie magnesite deposit,the metallogenic background and geologic characteristics of the orebody,as well as the ancient sea water,paleoclimate and paleogeography,are studied and analyzed.The genesis of the deposit is considered to be of sedimentation,with the reformation by metamorphic recrystallization and metamorphic hydrothermal fluid.

Key words：magnesite deposit;genesis;sedimentary metamorphism;Northern Liaoning

辽宁北部菱镁矿矿床于1958年发现，分布于抚顺县北部与铁岭交界地带的三冲村-青石岭村-佟家街村-上年马村一带，呈东西向展布，由4个矿体组成，矿体均呈纺锤状、椭圆状.本文以规模最大的佟家街矿体为例，探讨菱镁矿床成因.

1 成矿地质背景

辽北地区菱镁矿床所处的大地构造位置为中朝准地台（Ⅰ）胶辽台隆（Ⅰ1）铁岭-靖宇台拱（）凡河凹陷（）东南边缘.结晶基底由太古宙花岗片麻岩组成，盖层为中新元古界、中生界，缺失古元古代沉积.区内地质构造简单，岩浆活动微弱（图1）.

1.1 地层

矿区内地层属华北地层区辽东地层分区凡河小区.地层呈向北倾斜的单斜状产出.矿区内出露地层主要为中元古界长城系大红峪组、高于庄组、蓟县系杨庄组、雾迷山组，各组之间为连续沉积，整合接触（详见表1、图1）.

表1 佟家街矿区中元古界地层简表Table1 Mesoproterozoic statigraphy of Tongjiajie orefield

图1 辽北佟家街地区地质简图Fig.1 Geologic map of Tongjiajie area,Northern Liaoning

1.2 构造

矿床位于辽北元古宙凡河裂谷东南边缘，其南侧、东侧均为太古宙克拉通，矿区地层构成大甸子向斜南翼，地层呈向北或北东倾斜的单斜构造，矿区地质构造简单.

1.3 岩浆岩

矿区岩浆岩不发育，仅见几处闪长岩呈小规模的岩株状产出.

2 矿床地质特征

2.1 含矿岩系

矿床产出于中元古界长城系高于庄组四段，为一套厚层、巨厚层的粉细晶白云岩，局部夹少量粉砂质、泥质板岩、薄层炭质白云岩.粉细晶白云岩以块状构造为主，矿体严格受控于高于庄组四段白云岩.

2.2 矿体形态、产状及其围岩

矿体长1200 m，延深大于300 m，走向近东西向，倾向北，倾角50～60°，矿体平均厚度较大.矿体总体形态呈纺锤状，向西凸出，向东作分支状.矿体在横剖面上形态似脸盆状，向深部呈弧形尖灭.矿体中白云岩夹石较多，均呈透镜状，延长、延深均较小.

矿石主要矿物成分为菱镁矿，矿物集合体常呈菊花状、放射状产出.其次为白云石、方解石、滑石、蛋白石等.菱镁矿呈灰白色、粉红色，粒度一般3～20 mm，多呈自形—半自形晶型，矿物晶体中菱面体解理发育.矿石结构主要为中粗晶、巨晶结构，矿石构造以块状构造为主，局部为菊花状、放射状构造.

矿体含矿层位稳定.矿体走向、倾向上界线清晰，矿体围岩为粉细晶白云岩，矿体与围岩呈整合接触.围岩蚀变极弱.矿体边部常见菱镁矿矿体呈脉状穿插于围岩之中.

2.3 矿石化学成分

矿石中有益组分为MgO，有害组分为CaO、SiO2.MgO含量一般为42%～47%，MgO含量变化呈现地表偏低，深部增高趋势.矿石中有益组分与有害组分的含量呈反比关系.矿石中有害组分SiO2含量在地表与地下深部呈规律性变化，地表矿石中SiO2含量普遍较高，随着深度的增加，矿石中SiO2含量逐渐降低.

整个矿床有益组分MgO含量均大于38%，就其单一指标而言，矿石均达到矿床最低工业品位.因其SiO2含量超标，将很大一部分菱镁矿矿石降为菱镁岩作为非工业矿体单独圈出.

3 矿床成因分析

现代海洋白云岩沉积曾在哈萨克斯坦巴尔喀什湖东部阿拉库斯湾的浅水沉积物里发现，在澳大利亚南部库隆湖、波斯湾中也发现现代白云岩的生成.其海水的共同特点是：海水的盐度、镁的含量及温度均比别处高（盐度大于5.0，温度28～35℃），气候干燥，海水清洁，pH值高达9以上［1］.证明白云岩虽然不能从正常的海水中直接沉淀，但可在富镁并具有高盐度、高pH值和温度较高的海水中沉淀.而沉积菱镁矿的形成环境是在高盐、低氧、高pH值的条件下，经过生物化学沉积作用形成.

3.1 古海水环境

从全球看，沉积白云岩与菱镁矿的时空分布具有明显的规律性，在时间上主要集中在古-中元古代，在空间上菱镁矿床与镁质碳酸盐岩建造密切相关［2］.

从中朝准地台元古宙地层岩性分析，古-中元古界地层是白云岩分布最广泛的层位.各地元古宇地层中均有白云岩分布，灰岩分布则较少，而在元古宇之上的地层中少有白云岩分布.这充分说明元古宙的海洋中海水的化学成分与其他时期不同，元古宙的海水中富含镁元素，海水中Mg2+浓度比Ca2+浓度高得多.现代海洋研究证明，盐湖水中镁离子浓度比海水中更高.以东以色列、约旦之间的死海为例，受到干旱气候的影响，湖水极浓，含镁竟高达4%，而普通海水中含镁一般为0.128%.由于元古宙大气圈成分以CO2为主，海水中溶解的CO2也较多.因此元古宙时期海水的化学成分最适合白云岩的形成，这就为菱镁矿的形成提供了有利的物质来源.

3.2 古气候环境

根据稳定同位素地温计研究，元古宙地球表面温度可能达到52℃［3］，地表平均气温在25～50℃之间.根据古地磁研究，元古宙地层都处于中纬度—低纬度范围内.由于太古宙时期火山作用释放出的CO2都富集在大气中，形成稠密的CO2大气圈，因此元古宙大气圈中CO2含量依然较高，造成气候炎热、干旱.高温加剧了海水蒸发，使海水盐度增高.由于温度较高，元古宙海洋中广泛繁荣的藻类生物，在光合作用下，消耗大量的CO2，生产有机物和氧，使海水中的CO2含量和氢离子浓度逐渐降低，于是海水的碱性不断增强，海水的pH值不断上升，为白云石-菱镁矿的形成提供了有利的化学条件.

3.3 古地理环境

辽北地区菱镁矿床分布于元古宙凡河裂谷东南边缘.凡河裂谷为蓟县裂谷系的北东分支，呈近东西向展布，海侵方向为由西向东［4］.

从长城系高于庄组岩石组合及地层层序看，高于庄中晚期由于地壳上升，发生海退，海退的方向为由东向西，海水变浅，陆地增大，首先脱离广海的是古陆边缘附近的滨海地带，因此沿凡河裂谷东南边缘的滨海一带出现了多个呈半封闭的不连续的海盆地.海盆地内水体与外海存在循环，在特大潮期间，外海海水可经常越过沿岸沙坝补充海盆地内水体，为白云石-菱镁矿的形成提供了有利的地理条件.

3.4 成因分析

Sr、Ba元素的化学性质十分相似，它们均可以形成可溶性重碳酸盐、氧化物和硫酸盐进入溶液.在近岸沉积物中富含Ba元素，而Sr元素的迁移能力高于Ba元素，可以迁移到大洋深处.碳酸盐矿物对Sr元素有捕获作用，Sr/Ba比值在淡水沉积物中常小于1，而海水沉积物中常大于1［5］.通过对佟家街菱镁矿床的矿石采样分析其Sr、Ba元素的含量，Sr/Ba比值（0.0043/0.0024）大于1，该矿具有海相沉积的特点.

由于盐类矿物的溶解度、溶度积不同，在水中CO2含量、压力、温度相同条件下，海水蒸发浓缩时，总是溶解度小的先沉淀，溶解度大的后沉淀［6］.就碳酸盐岩矿物而言，镁元素含量越高，其溶解度越大，因此菱镁矿的溶解度大于白云石，白云石的溶解度大于方解石.一般海水蒸发浓缩矿物沉淀的先后顺序为：方解石—白云石—菱镁矿.海水受蒸发浓缩盐度增高时，依次出现灰岩—白云岩—菱镁矿.

在高于庄中晚期，由于地壳上升，海水变浅，沿凡河裂谷东南边缘出现了多个呈半封闭的不连续的滨海盆地，并且海水清澈，海水较浅，水深约10～15 m.在当时炎热、干旱气候条件下，水体的蒸发量远大于注入量，海水不断蒸发、浓缩，使原本富含镁元素的海水含盐度不断增高.在这种情况下，海盆地中表层水因蒸发而浓缩咸化，密度增高，表层水因密度大而逐渐下沉至水底，盐度小而密度小的水逐渐升至表层，再接受蒸发浓缩.长此以往，形成上咸而重，下更咸而更重，水体深部压力增大，造成水体底部缺氧，由于元古宙时期海水pH值本来就较高，蒸发作用使海盆地内水体pH值更高，并且Mg2+浓度更高，于是形成菱镁矿沉积.

3.5 成矿阶段

该矿床形成大致可分为3期.第一期沉积成岩阶段，滨海盆地内海水经过蒸发、浓缩及内源化学沉积作用，形成菱镁矿或菱镁岩.由于当时滨海盆地中的海水经常有外海水补给，稀释了盆地中已经浓缩的高盐度、高pH值的海水，此时形成白云岩沉积，这也是菱镁矿床中普遍存在透镜状白云岩夹石的原因.第二期为重结晶阶段，菱镁矿沉积成岩后，元古宙末的燕辽运动使整个区域发生了绿片岩相的区域变质作用，使菱镁矿或菱镁岩发生重结晶，并富集形成中细晶的晶质菱镁矿.第三期为变生热液交代改造阶段，在元古宙末在区域变质作用下形成的变生热液交代菱镁矿，产生富镁热液，形成粗晶、巨晶菱镁矿，其集合体呈菊花状、放射状，富镁热液贯入到围岩裂隙中，形成的菱镁矿呈脉状穿插于围岩中.

4 结论

辽宁省北部的菱镁矿分布于抚顺县与铁岭县交界的三冲村-青石岭村-佟家街村-上年马村一带，矿床规模为中型，形成于中元古宙高于庄期，形成时间显著晚于辽宁省南部的海城-大石桥-带的超大型菱镁矿床.辽南地区超大型菱镁矿床形成于古元古代大石桥时期，矿床赋存于古元古界上辽河群大石桥组中，构造环境为营口-宽甸辽东元古宙裂谷海槽之北缘，围岩为条带状白云石大理岩和硅质白云石大理岩，其变质程度略高于辽北地区菱镁矿含矿围岩.辽北地区与辽南地区菱镁矿床在成矿环境、构造位置及成因上都具有相同或相近的成矿背景，只是由于当时海侵方向先由西南的下辽河凹陷开始，古元古代时期发展到营口-宽甸海槽，最后于中元古代时期在辽北地区凡河海槽发生了大面积海侵.

综上所述，辽北地区菱镁矿床的成因应属于沉积变质型层控晶质菱镁矿，中元古代高于庄期沉积成岩后，后期经受了变质重结晶作用和变生热液交代作用的改造.

［2］冯本智，朱国林，等.辽东海城-大石桥超大型菱镁矿矿床的地质特点及成因［J］.长春地质学院学报，1995（2）:121—124.

［3］李东涛，孙鹏慧，等.辽宁省菱镁矿床成因探讨［A］//曲亚军，杨占兴，等编.辽宁地质矿产与环境.北京：地震出版社，2008:40—49.

［4］王长青，张林，等.辽北凡河裂谷发展与演化特征［A］//曲亚军，杨占兴，等编.辽宁地质矿产与环境.北京：地震出版社，2008:55—64.

［5］陈建强，周洪瑞，等.沉积学及古地理学教程［M］.北京：地质出版社，2004.

［6］袁见齐，朱上庆，等.矿床学［M］.北京：地质出版社，1985.

ANALYSIS ON THE GEOLOGY AND GENESIS OF THE MAGNESITE DEPOSIT IN NORTHERN LIAONING PROVINCE

WANG Xi-jun,REN Li-guo,XU Jing,LIU Ming-yu,MENG Lu
（No.10 Geologic Brigade of Liaoning,Fushun 113004,Liaoning Province,China）

1671-1947（2012）04-0376-04

P619.23

2012－02－08；

2012-05-18.编辑：张哲.