重庆玉峡天青石矿床矿石结构构造特征及成因意义

2018-12-04宋文琪毛晓冬徐翠微

成都理工大学学报（自然科学版） 2018年6期

宋文琪, 毛晓冬, 徐翠微

(成都理工大学地球科学学院，成都 610059)

重庆铜梁县玉峡天青石矿床是一个超大型天青石矿床，其大地构造位置属扬子陆块→四川前陆盆地→川东南隔挡式褶皱西缘的华蓥山复式背斜。川东南隔挡式褶皱带[1]经喜马拉雅期构造地质作用最终形成，是四川前陆盆地内的一个主要构造类型，受四川前陆褶皱-冲断带的上冲推覆构造控制。其中华蓥山断裂发育在华蓥山背斜的轴部，或倒转翼，控制着华蓥山背斜的发育与展布。区域内地层从寒武系到第四系均有较完整出露。玉峡天青石矿床含矿段位于华蓥山断裂带东缘复式背斜带下三叠统嘉陵江组第二段(简称“嘉二段”，T1j2)地层之中(图1)。

图1 玉峡天青石矿床地质简图Fig.1 The simplified geological map of Yuxia celestite deposit

1 矿床基本地质特征

1.1 控矿构造与地层围岩

玉峡天青石矿床位于华蓥山大背斜西南的西山背斜北端，隶属华蓥山NE-NNE向锶矿控矿构造带[2]，属于川东褶皱带西沿前缘的复式背斜带。西山背斜东翼产状平缓，西翼较陡，嘉二段第1亚段(含矿段)发育在背斜轴部附近，层间剥离滑脱空间构造发育，是后期热卤水改造成矿作用的必备地质条件[3]。

玉峡天青石矿床出露的地层为三叠系和第四系。三叠系分布于背斜区，背斜轴部发育较老的嘉陵江组(图1)，两翼出露中三叠统雷口坡组(T2l)和上三叠统须家河组(T3x)；在地貌沟谷区有第四系出露。其中与锶矿化有关的地层主要为三叠系下统飞仙关组、嘉陵江组及中统雷口坡组。

雷口坡组主要由微晶灰岩、生物碎屑灰岩、微晶白云岩和底部的黏土岩组成，与下伏嘉陵江组为整合接触。

嘉一段灰岩含锶(质量分数)0.1%～0.15%，但未形成厚层天青石矿层；嘉二段为玉峡天青石矿床的含矿段，由微晶灰岩、白云岩、矿化白云岩、天青石膏质岩石等组成；嘉三段由微晶灰岩和微晶白云岩、泥质白云岩等组成，其锶含量低于嘉一段；嘉四段由岩溶角砾岩、微晶白云岩夹灰岩、细晶白云岩组成。

飞仙关组由泥岩和灰岩组成，泥岩含锶(质量分数)0.1%～0.15%，灰岩含锶(质量分数)0.2%～0.25%。

1.2 赋矿层位及含矿层划分

玉峡天青石矿床的矿体赋存在嘉二段第1亚段(含矿段)，为一套海相碳酸盐-硫酸盐沉积组合。根据矿化特征、矿体的产出层位将含矿段分为3个含矿层(图2)。

第一含矿层：位于含矿段下部，厚3～15 m。下部为灰色中厚层状微晶白云岩，见瓣鳃类化石；顶部常见富含有机质的叠层石，偶见硬石膏透镜体；上部为条带状、层状天青石矿层和白云质天青石矿层。

图2 玉峡天青石矿床含矿层位柱状图Fig.2 The column showing the ore-bearing layers of Yuxia celestite deposit

第二含矿层：位于含矿段中下部，厚2～7 m。下部为灰绿色水云母泥岩和微晶白云岩互层，泥岩中含有生物碎屑和小壳体瓣鳃化石；中部为亮晶球粒白云岩；上部为条纹条带状天青石矿层。

第三含矿层：位于含矿段中上部，厚1～7 m。下部为亮晶球粒白云岩、藻纹层白云岩；上部为浅灰色条带状天青石、块状天青石。其中矿层顶部可见去白云石化灰岩透镜体。

1.3 矿体产状、数量及规模

矿区面积约6 km2，共圈定10个矿体。其中在矿区的北段和南段东翼各有3个叠置产出的天青石矿体，这6个矿体占矿区储量的94%；矿区中段西翼有3个天青石-菱锶矿矿体叠置产出，东翼1个菱锶矿-天青石矿体，占矿区总储量的6%。矿体的形态为层状-似层状、透镜状、长扁豆状，矿体产状与地层产状基本一致，受地层控制，呈北东-南西向，倾向南东，倾角较小，为5°～15°。上述矿体原来可能为3个叠置的矿体，因剥蚀、溶蚀仅残留下4个地段，形成10个矿体[4]。

2 矿石的矿物组成及类型

2.1 矿石的矿物组成

玉峡天青石矿石中的矿石矿物主要为天青石和少量菱锶矿，脉石矿物有白云石、方解石、石英、黏土矿物、石膏等。

天青石矿石在野外呈条带状、层状、巨晶状构造，在手标本上天青石呈白色、灰白色、浅蓝色、灰黑色等，粒径在0.5～10 mm，其中巨晶天青石粒径可超过20 mm；薄片中呈无色，主要呈自形-半自形晶粒状、他形晶粒状、板条状，部分可见2组解理；矿石结构可见自形-半自形结构、交代残余结构、交代穿孔结构等；薄片中可见天青石晶粒间充填大量自形程度较好的白云石或方解石脉，部分天青石被白云石、方解石及表生期的菱锶矿交代呈残余孤岛状(图3-E)。

菱锶矿出现在玉峡天青石矿床的浅表部，多为表生期表生淋滤作用的结果；矿石呈网脉状、皮壳状、条纹条带状构造；手标本上菱锶矿呈白色、浅灰色，粒径通常在0.5 mm以下，在薄片中呈放射状、纤维状、针状集合体(图3-E,图4-A)；交代早期形成的天青石呈不规则他形粒状。

白云石是天青石矿石中最主要的脉石矿物，常充填在天青石或菱锶矿的晶间空洞中，呈脉状、团块状。手标本中白云石呈浅灰色、灰白色、灰黑色等，薄片中无色，自形程度较好，一般为自形-半自形，常见自形的菱形切面，发育斜交的2组解理，一部分呈集群状分布在天青石晶粒缝隙中(图4-E)，或嵌布在大颗粒天青石矿物中，也有一些嵌布在方解石中(图3-H)。

方解石常与白云石共生，手标本上呈灰白色、浅灰色，常充填在天青石、菱锶矿颗粒间，多呈他形结构、不规则粒状或脉状分布在天青石颗粒缝隙或交代天青石(图3-D、图4-D)，并保留天青石假象(图3-G)，少量可见两组斜交的菱形解理。

矿石中可见呈零星分布的他形粒状石英(图3-H)，与方解石脉伴生；在表生的菱锶矿中可见少量呈自形-半自形粒状的表生石英与之共生。

2.2 矿石类型

根据天青石和菱锶矿的含量可分为贫矿石和富矿石，二者质量分数>60%的为富矿石，在20%～60%的为贫矿石。根据菱锶矿和天青石的相对含量又可分为4类矿石：天青石矿石、天青石-菱锶矿矿石、菱锶矿-天青石矿石和菱锶矿矿石。根据构造特征又可分为：条纹条带状天青石矿石、层状天青石矿石、脉状天青石矿石和团块状天青石矿石。重庆玉峡条带状天青石高钙、高镁，且BaO含量低，有利于锶的提取[6]。

自然界含Sr的矿物大概有25种，其中天青石(SrSO4)和菱锶矿(SrCO3)是主要的可采工业矿物[7]。工业上Sr必须通过碳酸盐形式才可以利用，但自然界中菱锶矿很少，矿床储量不多，所以菱锶矿是很重要的Sr矿床类型，工业上主要以天青石精矿来生产碳酸锶[8]。

图3 玉峡天青石矿石显微镜下特征Fig.3 Microphotographs showing celestite ore characters of the Yuxia celestite deposit

图4 玉峡天青石矿石显微镜下特征Fig.4 Microphotographs showing celestite ore characters of the Yuxia celestite deposit

3 矿石结构与构造

3.1 矿石结构

根据手标本和显微镜下薄片观察，玉峡天青石矿石结构主要有自形-半自形粒状结构、他形粒状结构、交代残余结构等。

自形-半自形晶粒结构(图3-A、D,图4-D)：该结构是天青石矿石的主要结构，粒径在0.4～10 mm，镜下可见条状、粒状、短柱状的天青石，晶体发育较好，不同成矿阶段的天青石呈穿插状；方解石呈脉状沿粒间贯入并交代穿切天青石。

他形粒状结构(图3-B、图4-C)：该结构中天青石矿物粒径较小；可见方解石细脉穿插其中。

交代残余结构(图3-C、E、F、G、H,图4-A、B、E)：早期形成的天青石矿物颗粒被后期的碳酸盐矿物交代蚕蚀；在表生期又被菱锶矿交代，残留个别的晶面，呈孤岛状分布。

交代穿孔结构：沉积阶段形成的天青石，被后期形成的天青石、半自形白云石或他形方解石交代穿孔或交代残余(图3-C,图4-B、E)；在表生阶段，部分天青石被纤维状菱锶矿交代穿孔或穿切(图4-F)。

早期沉积形成的天青石呈自形-半自形晶粒结构，在后期覆盖地层的压力下，被含矿热液交代，形成交代穿孔、蚕蚀或残余结构。经过后期地壳运动，天青石含矿层被抬升至地表附近，经过空气中的水与CO2等作用，形成纤维状或放射状集合体的菱锶矿交代早阶段天青石，形成交代穿切、穿孔或残余结构。

3.2 矿石构造

矿物集合体的不同造成了矿石构造的千变万化，不同的成矿期与成矿作用也造就了不同的构造。玉峡矿区的矿石构造类型主要有条纹条带状构造、脉状构造、角砾状构造、次生淋滤构造、团块状构造[9]等。

条纹条带状构造：在玉峡天青石矿区，条纹条带状构造是矿石最主要的构造类型，可分为粗条带和细条带2种。其暗色条带和白色条带相间分布，条带间近于平行。暗色条带呈灰色，粒度较细，由颗粒状天青石、白云石、黏土矿物、有机质等组成；白色条带由粗晶天青石组成，晶粒纯净。条纹条带状构造的矿石大致平行于白云岩层理，并且暗色条带被白色条带穿切。镜下还可见显微条带状构造(图4-C)，其中细条带中天青石颗粒较细，多呈不规则粒状；粗条带中的天青石颗粒大，呈板条状、条状。

脉状构造：该构造主要在主成矿期后，沿节理和裂隙贯入围岩中，整体分为2类:一类脉壁规整且脉体部位高，与围岩的界线清楚，无明显交代蚀变现象，脉壁边缘粒度较细，中部粒度较粗；另一类脉壁不规整且脉体部位较低，含矿流体交代矿化白云岩，其中天青石出现次生加大的现象，交代和重结晶程度比第一类矿体要高，这种构造的天青石多不具开采价值。

角砾状构造：在第二、第三含矿层，可见一些呈角砾状分布的天青石，天青石呈灰白色。其成因可能是在主沉积成矿期后，埋藏蚀变的过程中成矿流体溶蚀部分天青石，沿构造裂隙在裂隙交叉部位就位，结晶沉淀，并交代围岩，形成角砾状构造的矿石，此类矿石具有工业价值。

团块状构造：该构造的形成可能是含矿流体交代早期形成的角砾状构造矿石，或是在重结晶作用下几个角砾状构造矿石叠加而成的；也可能是在准同生-同生成岩阶段，条带状构造矿石受不均匀重结晶作用演化为团块状构造的矿石。这类矿石主要赋存在矿化白云岩中，且品位较高。

4 矿物生成顺序、成矿期及成矿阶段

根据玉峡天青石矿床产出的地质背景分析、矿床宏观基本地质特征野外调查与研究，结合矿石的典型矿物组合、矿石结构构造、矿物之间的交生关系，推断矿物的生成顺序及成矿期、成矿阶段划分如图5所示。

图5 玉峡天青石矿床矿物生成顺序及成矿期、成矿阶段划分Fig.5 Mineral forming sequence and division of metallogenetic period and stage for Yuxia celestite deposit

4.1 沉积成矿期

该成矿期指海水锶元素初步富集、沉淀的过程，也是玉峡天青石矿层形成的主成矿期，主要受早三叠世川东地区古地理环境的影响，即嘉二段沉积时的岩性、岩相古地理是天青石矿层形成的主控因素。

图6 四川盆地早三叠世晚期古地理略图Fig.6 The simplified paleogeographic map of the late stage of early Triassic in Sichuan Basin

4.2 成岩改造成矿期

成岩改造成矿作用是原生沉积天青石矿层在埋藏、压实的成岩变化过程中发生的，主要受矿区断裂构造、节理、岩石裂隙控制。原生天青石矿层在嘉二段沉积作用过程中形成，绝大部分矿石中具有典型的沉积作用形成的沉积层理构造，证明了主要天青石矿层的主成矿作用是蒸发沉积作用，天青石矿层是蒸发盐类矿床的产物。嘉二段沉积之后，又在其上沉积覆盖了嘉三段、嘉四段，以及侏罗纪以来巨厚的地层。天青石矿层经受着上覆地层的压力以及地温梯度造成的温压变化。对所采集的样品进行包裹体均一温度的测试证实了矿床在成岩改造阶段所发生的变化，矿体是在一个较低温的环境中形成的(138～191℃)，这与地温梯度对矿床在成岩阶段的改造有着密切联系。在成岩改造阶段，由于地表水或者地下水的渗流，以及一些晶间水的析出，在地温梯度的热力作用和构造动力的驱动下，流体被活化，形成具有一定Sr2+浓度的成岩流体，流经含矿层或矿化层时，这种流体或多或少都会与先期形成的天青石矿层、石膏层之间发生水-岩交换反应，形成花朵状、纤维状、放射状、晶洞状天青石。这类天青石与原生沉积的天青石明显不同，纤维状、放射状的天青石集合体充填在先期形成的自形-半自形天青石晶粒之间，充分证明了玉峡天青石矿床的形成经历了原生沉积作用和成岩改造成矿作用。

成岩流体中介质水主要来自大气降水、地表水、地下水及晶间析出水，在地温梯度、华蓥山断裂的多期活动、上覆地层压力等驱动下，活化形成成岩流体。华蓥山断裂的再活动和地热体系为后期含Sr2+卤水的运移提供了能量和热。其中华蓥山断裂也为热卤水的运移提供了通道，并扩大了含矿流体与早期天青石矿石的接触带，有利于成岩流体的运移，对先期沉积形成的天青石矿层进行交代、改造，主要沿断裂带充填形成高品位锶矿石。这个阶段以重结晶、交代、充填为主要方式，或充填在先形成的天青石矿物颗粒间。镜下可见大量成岩改造成矿期形成的天青石穿插先期沉积形成的天青石。

成岩改造成矿作用形成的天青石矿体主要发育在西山背斜轴部或近轴部、层间剥离构造带，叠加并穿插早期天青石矿层和白云岩层。成岩改造成矿期形成的天青石的颜色随着矿体出露位置的不同而有所差异，有白色→乳白色→灰白色→浅蓝色→天蓝色的变化。矿石构造为条纹-条带状、角砾状，主要呈透镜状、脉状、块状产出；矿石结构主要为自形-半自形晶粒结构，晶体往往是粗大的巨晶天青石，基本上穿插了条纹状-条带状构造的天青石矿石，中细晶粒的天青石条纹、条带构成沉积层理(水平层理、平行层理、板状交错层理)，而粗晶天青石叠加或穿插细粒天青石条带。

成岩改造成矿期矿体随深度的增加而增大，矿石中天青石晶体也逐渐加大，主要矿物天青石的颜色也有规律地呈现从白色到浅蓝色、天蓝色的变化。成岩改造成矿期一定程度上受构造控制，因此在矿区内的断裂中基本都有该期矿体的延伸。

4.3 表生期

在表生期，被抬升到地表浅部的天青石矿体，经过大气降水的渗透、淋滤、溶蚀等作用，在地表浅部或构造破碎较强烈的地带形成碳酸锶矿(菱锶矿)，主要附着在天青石和白云石的表面。

地表浅部的菱锶矿主要呈针状、毛发状细-中粒结构、疏松状结构；镜下呈放射状、纤维状、针状结构，可见呈交代残余结构的天青石；呈网脉状、团块状、斑点状构造；主要矿物为菱锶矿、天青石、方解石，镜下可见少量泥质矿物充填。

5 矿床成因

通过上述对天青石矿体宏观地质特征、矿石结构构造、矿物组合特点的研究，认为玉峡天青石矿床是非常典型的海相碳酸盐-硫酸盐蒸发沉积(盐类)矿床，其沉积成矿模式大致可以描述如下。

玉峡天青石矿床的主要控制因素是四川盆地早三叠世奥伦尼克期的古气候条件、古地理条件。晚二叠世川滇黔地区的大规模玄武岩喷发，将大量的地幔锶带入四川盆地。在早三叠世四川盆地古地理环境为碳酸盐台地(塞卜哈环境)，随海水不断蒸发，盆地内Ca2+、Mg2+离子浓度不断提高，首先沉积了嘉一段碳酸盐沉积(白云岩)，进而水体内Sr2+浓度不断增加，达到天青石结晶沉淀的条件，即在嘉二段形成天青石沉积矿层和白云岩层；海水蒸发强度远大于海水补给量，如此往复，形成了3层天青石矿层。

在沉积形成天青石矿层之后，在成岩压实阶段又覆盖了嘉三段、嘉四段，以及中-上三叠统、侏罗系。在上覆地层的压力、地温梯度等因素影响下，地下水、晶间水被活化演变为成岩流体，与先期形成的天青石矿层发生水-岩交换反应，为成岩改造期对原有沉积天青石矿层进行了改造。