辽东南地区菱镁矿矿床成因研究

2020-05-16蓝海洋

化工矿产地质 2020年1期

关键词：白云石层理大理岩

蓝海洋

辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司，辽宁鞍山 114038

辽东南地区菱镁矿主要分布在辽宁省海城至大石桥一带，在长达 60km的范围内有下房身、金家堡子、王家堡子、青山怀、桦子峪、圣水寺等大型至特大型优质菱镁矿床[1]（图1），此外，在岫岩县偏岭等地分布有中小型菱镁矿床。

图1 辽宁省大石桥至塔子岭一带菱镁矿分布图Fig.1 The distribution map of magnesite in Dashiqiao-Taziling area, Liaoning province

1 地质背景

1.1 地层层序

辽东南地区沉积建造组成的辽河群地层最底部为浪子山岩组，主要由含石墨蓝晶十字柘榴二云片岩和十字柘榴黑云变粒岩等组成，主要分布在北部辽河群内，成角度不整合覆盖于鞍山群地层之上，南部辽河群中缺失此层；南、北里尔峪岩组主要由浅粒岩、黑云变粒岩和钙硅酸盐变粒岩组成；北部高家峪组为石榴二云片岩、碳质板岩组成，南部高家峪岩组则以斜长角闪岩及钙硅酸变粒岩组成，而呈薄层状的含石墨二云片岩与北部碳质板岩可相互对应；北部大石桥岩组为含石墨条带大理岩、蓝晶十字石榴二云片岩、菱镁大理岩、白云石大理岩、绢云千枚岩组合，南部大石桥岩组自下而上亦为条带状白云石大理岩、方解石大理岩、菱镁大理岩、透闪透辉大理岩、十字二云片岩、矽线二云片岩组合，南北可相互对比；盖县岩组主要为含蓝晶十字柘榴二云片岩、变粒岩、绢云千枚岩等组成。尽管这些岩石组合因不同空间部位受后期不同程度的变质变形作用，在区域上辽河群南、北部都具有可对比性，空间上总体有序（表1）。

表1 辽东南地区元古代变质岩系地层划分与对比表Table.1 Stratigraphic division and correlation table of Proterozoic metamorphic rock series in southeastern Liaoning

1.2 区域构造

该区处于华北地台东北部边缘辽南裂谷带内，其边界范围分布若干深大断层，北部以大石桥-上英-连山关大型多世代复合型韧性滑脱带界限与北部太古宙龙岗微地块相邻；南部以辽吉太古宙灰色片麻岩的北界断裂为界限与狼林微地块相隔，但该断裂已被中生代花岗岩破坏；西部被郯庐断裂所截。在辽南地区古元古代地层分布区中部，发育有青龙山-隆昌大型构造带，使辽南地区古元古代变质岩系被其分割成为差异明显的南北两部分，南部称为南辽河群，北部称为北辽河群，南、北辽河群地层中均有菱镁矿资源产出。

辽南裂谷带古元古代辽河群变形变质岩系，经历了沉积变质、构造变形、多期次岩浆侵入等不同时期的构造历史演化过程。在2500～2400Ma期间地幔上涌或软流圈底辟引起地壳持续伸展，太古宙龙岗微地块与狼林微地块之间发生裂解、岩浆底侵引起被动扩张，沉积环境经历了箕状断陷盆地、裂谷盆地向被动大陆边缘的演化。其中里尔峪岩组代表陆壳裂开向洋壳转化但还没有形成洋壳的构造环境下，由地幔岩浆上涌经多次分异、混染、间歇喷发等作用先后形成了基性---酸性双峰式海底火山岩及少量的陆源物质混入的火山-沉积岩建造；上复盖有高家峪组以富含碳质为特征的陆源碎屑-粘土岩建造；大石桥组为碳酸盐岩夹粘土岩建造；盖县组为粘土岩及半粘土岩为主，夹少量的陆源碎屑岩建造，从2500～1900Ma期间沉积形成了辽河群地层。

1.3 区域岩浆活动

区域岩浆活动呈现出不同性质、不同方式、不同期次喷发和侵入等特点。铜匠峪条痕状花岗岩沿着太古宙基底与辽河群里尔峪组盖层之间的接合面多次脉动侵位；元古代中期隆昌片麻状花岗岩明显的侵入早期元古代条痕状花岗岩及辽河群大石桥组地层；在元古代晚期新开岭块状花岗岩呈岩株侵入了全部辽河群地层。

早期花岗岩在辽南基本上都位于辽河群里尔峪组地层之下部，但在北部局部可见小角度侵入里尔峪组地层，区域上总体介于太古代基底与辽河群浪子山岩组或里尔峪组之间。受底侵式花岗岩岩浆增温作用控制，使辽河群地层以中压中高温变质作用为主，垂直变质带方向出现了重复分层。变质与变形的迹象表明中期花岗岩的侵位发生在中深部地壳内，受花岗岩浆上升产生热隆起作用，引起地层重力失稳顺层滑脱。决定了辽南地区菱镁矿及其它控矿围岩的重新定位和空间分布规律。

1.4 矿体和矿石特征

菱镁矿层严格受大石桥组地层控制，矿体有固定层位，呈层状及似层状，与容矿围岩产状一致，矿层沿走向和倾向稳定，与围岩呈互层。矿体规模巨大，矿层延长3000m左右，延深300m左右，厚度100～300m。

矿石矿物成分中工业可利用矿物主要为菱镁矿，含有少量其它矿物成分：水镁石、滑石、透闪石、透辉石、方柱石、斜绿泥石、石英、蛇纹石、橄榄石、硅镁石、磷灰石、海泡石、菱铁矿、菱铁镁矿、含铁菱镁矿、白云石、铁白云石、菱锰矿，黄铁矿、磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿等。

矿石中菱镁矿均为晶质菱镁矿。按菱镁矿晶体大小不同，分为细粒、中粒、粗粒和巨粒四种结构类型。矿石构造可分为薄层状，致密块状，放射状和条带状等。

2 成矿条件分析

2.1 矿床产出的空间位置与大地构造的关系

辽东南地区是我国主要盛产菱镁矿产品基地之一，据统计产出有大型菱镁矿床十几处，中小型矿床及矿点有几十处，探明资源量有34亿t。菱镁矿床主要分布在辽东裂谷带古元古代辽河群变形变质岩系中，菱镁矿体受辽南裂谷带断陷海盆地控制，形成时间限定在古元古代辽河群地层沉积时期，经历了沉积、变质、构造变形、多期次岩浆侵入等不同时期的构造历史演化过程[4]。沉积环境经历了箕状断陷盆地、裂谷盆地向被动大陆边缘的演化时期，其中辽河群里尔峪组地层代表陆壳裂开向洋壳转化但还没有形成洋壳的构造环境下，由地幔岩浆上涌经多次分异、混染、间歇喷发等作用先后形成了基性—酸性双峰式海底火山岩及少量的陆源物质混入的火山-沉积岩建造；覆盖有辽河群高家峪组地层以富含碳质为特征的陆源碎屑—粘土岩建造；辽河群大石桥组地层沉积了巨厚的镁质碳酸盐岩及富镁碳酸盐（菱镁矿层）夹粘土岩建造；上覆盖有辽河群盖县组地层为粘土岩及半粘土岩为主，夹少量的陆源碎屑岩建造。从2420～1900Ma期间沉积形成了辽河群地层[5]。

2.2 矿床受古地理沉积环境控制

菱镁矿层具有原生的沉积特征。菱镁矿层上、下盘围岩或矿层内的夹层呈相间互层展现，菱镁矿层中有纹层理、斜层理、波痕、豆状构造等的存在，在矿层底板白云石大理岩中有泥裂、雹痕、结核等，并含有很多藻叠层石，表现出正常沉积的海相沉积岩。因此，可以确认层状菱镁矿也是正常沉积环境中形成的，从菱镁矿层中纹层理、斜层理、波痕、豆状构造等的存在，说明水体流动、流向、速度的交换条件是高能量的；在矿层底板的白云石大理岩中泥裂、雹痕、结核的存在说明海水很浅，时而露出水面，含有很多藻叠层石，处于水浅而温暖，清澈的潮间带环境。各种地质现象表明菱镁矿层的形成受特定古沉积环境控制。

2.3 矿床受地层及岩性控制

菱镁矿层主要集中赋存在古元古代辽河群大石桥组三段厚层状大理岩地层中，尤其是间夹在白云石大理岩层内菱镁矿极为常见，菱镁矿呈层状、似层状，具有受一定层位及特殊岩性控制特点。根据大石桥组三段赋矿碳酸盐岩层内的岩性特点，大致可划分为三层：下部岩层为白云质同生砾岩，条带状白云石大理岩夹千枚岩，含有扁豆状，透镜状菱镁矿层；中部为菱镁矿层，白云石大理岩夹有千枚岩；上部层为硅质白云石大理岩夹菱镁矿层。上述特点从下房身到青山怀都十分相似，不同之处仅在于东部下房身一带底部富含有碳质，而西部青山怀一带则含有铁质。各矿层之间具有一定的层位，沿走向延伸稳定，有时可过渡到白云质岩层。矿体与容矿围岩没有明显的界线，沿倾斜方向与围岩界线清晰明显。根据下房身、金家堡子、桦子峪、青山怀等矿区内矿体的空间分布特点，大致可将其分为三部分：下部矿体主要特点是条带状菱镁矿与白云石大理岩互层夹白云质千枚岩，含碳质较高，只有青山怀地区含铁质较高，岩石呈红褐色；中部矿体，以质纯的菱镁矿为主，品位高，厚度大。菱镁矿以粗粒为主，重结晶明显。夹有一层几米厚含碳较高的矿层，其中保存有微层理与斜层理等原生沉积构造和藻类化石，分布较稳定，产状较陡；上部矿体含硅质成分较高，经常可见菱镁矿与白云石大理岩在横向上的相变。除了上述三部分主要矿体外，在矿体的顶底板有呈透镜状、扁豆状、似层状小矿体分布，在白云石大理岩、硅质白云石大理岩中其规模较小，一般长为50～250m，厚度为5～10m，产状与围岩一致。此外，在矿体中经常可见千枚岩，碳质板岩的夹层，其产状与菱镁矿层一致，接触界线明显。菱镁矿体严格受古元古代辽河群大石桥组白云石大理岩层控制，具有层控和岩控作用。

2.4 矿床和围岩呈整合沉积接触关系

在下房身、金家堡子、王家堡子、青山怀、桦子峪、圣水寺等地产出的大型至特大型优质菱镁矿床中，除了有后期叠加的变质热液活动形成的脉状矿体外，其余矿体均呈层状，似层状，透镜状，与围岩呈整合沉积接触关系，界线一般平直清楚，与层理平行，矿层延伸稳定。说明矿体和围岩是共同连续沉积形成的。如王家堡-金家堡子-下房身菱镁矿床，走向呈北东-南西向延伸，倾向南东，倾角70°～85°，它的东面与扬家甸子菱镁矿毗邻，西面与桦子峪连接。菱镁矿层延长可达几公里，各矿层之间具有一定的层位，沿走向延伸稳定，有时可过渡到白云质大理岩层。沿倾斜方向与围岩界线清晰，宽度达数百米。主要特点是菱镁矿层多呈厚层状产出，局部与白云石大理岩互层夹白云质千枚岩，其中保存有微层理与斜层理等原生沉积构造和藻类化石，分布较稳定，产状较陡，经常可见菱镁矿与白云石大理岩在横向上的相变特征。

2.5 菱镁矿体受挤压伸展塑性变形褶皱构造控制

菱镁矿层经受了区域变质及塑性变形作用，使菱镁矿层及其围岩一起遭受了强烈的改造，矿层与地层发生了褶皱与柔曲构造。从菱镁矿层的空间分布特征看，沿着塑性变形相互叠加厚层状白云石大理岩层的向形褶皱构造核部展布，受挤压伸展呈塑性变形及半原地塑性流动状态，重新定位。

2.6 菱镁矿石受变质重结晶改造特征

菱镁矿发生了变质重结晶及变质热液作用，形成各种变质重结晶组构，这是本矿带最常见的组构类型。菱镁矿的重结晶现象十分明显，多数呈半自形粒状，大小相近，晶粒之间界线平直。由于受塑性变形作用产生各种形态褶皱，有同斜紧闭褶皱、叠瓦褶皱等，在破劈理形成同时或稍晚，由破劈理面向中心菱镁矿对称生长形成梳状组构。在菱镁矿石中经常可见菱镁矿呈自形板状晶体组合成菊花瓣状构造，板状晶体沿一个方向分布，则形成所谓的“放射状”构造和束状构造。菱镁矿呈脉状展布，一般均由粉红色粗晶菱镁矿构成，在矿层的底板与上盘较多，红色矿脉可以穿切层理进入白云石大理岩，也可以穿切早期的白色菱镁矿层。

2.7 菱镁矿体内保留有沉积组构特征

在菱镁矿层虽然经受了区域变质与多期变形作用，原生沉积组构还保留着比较完整。变余层面组构：在杨家甸子西山菱镁矿层中可见有浅海相沉积水流动过程中产生的波痕现象。在青山环矿区内，矿层底部白云石大理岩层面上分布大量圆形的雹痕凹坑，每个坑直径 20～30mm，形态相似，紧密分布，深浅不一，一般深度为 10～20mm。另外在含有雹痕的白云石大理岩下面的红色层内见有泥裂现象。变余层理组构：菱镁矿层的原始层理构造很清楚。矿层与围岩以及矿层间的夹层产状一致，与上、下盘围岩界线平直清晰。由于原始沉积成分，组构的差异，虽经多次变质重结晶作用，上、下层的菱镁矿分层清晰，沿走向变化稳定。变余层理构造有三种：水平层理：细粒菱镁矿薄层与微晶白云石大理岩互层组成水平层理，灰白色细粒菱镁矿与青灰色细粒菱镁矿，黑色含碳质细粒菱镁矿互层（每单层 1～2mm）组成水平层理，淡黄白色菱镁矿层与白色白云石大理岩、富镁质千枚岩互层形成层理。斜层理：富含碳质较高的菱镁矿薄层在细粒菱镁矿层中保留着原始沉积的斜层理；还可见到由细粒碳质菱镁矿条带与中粒白色菱镁矿条带相间分布，并有方向性的相互交错形成交错层。互层状构造：在菱镁矿层中可见白云石大理岩、镁质千枚岩，粉砂岩及薄层菱镁矿呈互层状产出，沿走向分布稳定。变余成岩组构：在菱镁矿层中可见到平行层面的锯齿状缝合线。在菱镁矿层的底部层位可见到菱镁矿层中有同生砾岩层。砾石全由菱镁矿组成，为扁平透镜状或长条状，长轴平行层理，胶结物为菱镁矿，并含有少量的碳质物，此种砾岩是在成岩过程中形成的。在菱镁矿层与白云石大理岩层成岩过程中受重力作用产生层间滑动，使岩层中出现具有不同方向，不同形态的褶曲。

2.8 镁质的来源

种种地质迹象说明区内除了具备菱镁矿层的沉积条件，还需要有二氧化碳及镁质的物质来源。如此巨量的镁质来源，仍然是一个值得讨论的问题。本区规模巨大的优质菱镁矿，在全球其它地区是罕见的，这就是说它是特定地质环境中的产物。早前寒武纪时期的缺氧环境和二氧化碳分压大已被证实，而且地质历史中时代越老，碳酸盐中Mg／Ca值越高。在含菱镁矿层的下部地层位于优地槽与冒地槽的接触带附近，分布着火山岩系，揭示了区域性的大规模的镁质可能来源与火山活动有关。菱镁矿、藻类菱镁矿和藻类白云石大理岩共生是讨论本区镁质来源的另一个值得考虑的方面。藻类在菱镁矿形成过程中起到了重要的积极作用，由藻类死亡和腐烂发出氨，出现高pH值的环境，从而导致菱镁矿的形成[6-8]。藻类中含碳酸镁25%～30%以上，它们的死亡和堆积可能增加水盆地中的镁的含量，区内不仅白云石大理岩中藻类发育，菱镁矿中藻类化石也较多，所以这可能是本区优质菱镁矿床镁质丰富来源的原因之一。

3 矿床形成与演化认识

本区菱镁矿矿床为沉积变质作用产物，它发生在辽南古裂谷拉张碳酸盐岩建造阶段，是在海湾潮间带这样一个特殊的古地质环境中，经沉积成岩作用形成菱镁矿层[9-11]。在裂谷盆地进入挤压造山作用阶段，原始沉积菱镁矿层遭受了区域性变质、变形作用的改造，发生重结晶形成了晶质菱镁矿层、白云石大理岩层。变形作用使含矿层产生褶皱，并在褶皱转折部位造成矿层加厚，矿石变富。受花岗质岩浆侵入活动在区域性热动力变质作用下，菱镁矿体发生塑性变形及半原地塑性流动状态，重新定位，沿着塑性变形相互叠加厚层状白云石大理岩层的褶皱构造核部展布。并再次重结晶，形成粗晶、巨晶、菊花状构造、梳状构造。上述各种地质作用造成菱镁矿层直立、加厚，以致最终形成厚层巨晶优质菱镁矿床，同时产生一些富镁质变质溶液在局部地段形成肉红色菱镁矿细脉。总之，本区菱镁矿的形成是原生沉积与变质和变形作用的综合产物。