鄂西龙家沟地区脉石英成矿特征及成因分析

李赵阳，周文文，苗智聪，李伟文

(中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北 武汉 430034)

高纯石英是世界稀缺和我国短缺的高技术战略资源，是制造高技术石英玻璃不可替代的矿物原料和战略新兴产业需求的稀缺类高增值矿物资源。高纯石英原料短缺、核心技术受制于人，是我国集成电路的最大隐患[1-6]。

此次工作主要调查并分析了区内脉石英的分布特征及规律，总结了脉体与围岩及构造的相对关系，对比现有脉石英矿山，总结了该地区脉石英成矿特征，并对其成因进行了简要分析。相比以往脉石英成矿特征[3]，该地区脉石英矿石质量受围岩岩性及构造控制明显，背斜核部及中厚层白云岩成为该种类型脉石英的典型找矿标志。

1 成矿地质背景

区内大地构造位置一级构造单元属秦岭褶皱系Ⅰ，二级构造单元属南秦岭冒地槽褶皱带Ⅰ1，三级构造单元属金鸡岭复向斜Ⅰ11，四级构造单元为庙川褶皱束Ⅰ11-1。区域构造上以褶皱构造为主，断层及断裂带多集中于岩体发育地区。地层划分方案沿用1996年西安地质学院区域地质调查队四分队1/50000赵川幅划分方案[7-8]。

1.1 地层

石瓮子组(∈3-O1s)大面积出露在扁担山向斜两翼，是区内出露范围和厚度最大的组级单元，基本岩性为厚层白云岩，上部含燧石团块，因此根据燧石团块将石瓮子组分为两个岩段[7]。

石瓮子组一段(∈3-O1s1)：为灰色、浅灰色、灰白色中—厚层砂屑白云岩、泥—粉晶白云岩，偶夹砾屑白云岩，岩石重结晶普遍较强，沿走向岩石组合类型无明显变化[3]。石瓮子组二段(∈3-O1s2)：主要为深灰、灰、浅灰色白色厚层白云岩、中—薄层白云岩，白云岩组合与一段基本相同，区别主要为本岩段含燧石团块，团块呈饼状、豆荚状或不规则状，长轴平行岩层面，偶见穿层。燧石团块一般为黑色，偶见淡粉色，大小为1～15cm2，该段顶部可见硅结壳，厚约十几米，燧石含量高。

白龙洞组(O2b)：出露在扁担山向斜核部及三官洞—小白岩河一带，以灰岩为主，可划分为2个岩性段和一个特殊岩性层。与下伏石瓮子组为不整合接触，前人在该组中发现大量珊瑚及腕足类化石，因此将其归为中奥陶统。

白龙洞组一段(O2b1)：底部为灰色厚层生物碎屑灰岩，生物碎屑含量最高可达60%以上，主要为腕足类和海百合茎化石碎片，偶见珊瑚碎屑。上部为灰色含泥质条纹粉晶灰岩与灰色厚层粉晶白云岩互层，白云岩中有时含形态不规则的灰岩块，可能为白云岩化过程中的交代残留体。白龙洞组二段(O2b2)：为灰色厚层豹皮状灰岩与灰色中—薄层泥质条纹灰岩互层，常含黑色燧石团块，但相比石瓮子组二段中燧石团块小而少。顶部可见硅结壳，厚约20m，结壳内燧石呈似层状或网脉状产出，燧石条带密集，最高含量可达30%以上。硅结壳之上为钙结壳，厚度在5～10m，由土黄色薄层瘤状灰岩和蜂窝状灰岩组成，硅结壳和钙结壳为不整合面标志。

马家坪千枚岩(Mph)：主要为灰色—土黄色千枚岩，钙质千枚岩夹灰色—土黄色薄层泥晶灰岩、薄层泥质灰岩。底部为灰岩与千枚岩互层，向上灰岩减少，千枚岩增多。马家坪千枚岩与白龙洞组二段为渐变过渡关系，属沉积相变产物。

两岔口组(Ol)：与下伏白龙洞组呈不整合接触，可划分为两个岩性段。两岔口组一段(Ol1)：下部为土黄色钙质千枚岩夹土黄色泥质灰岩，上部为灰色千枚岩夹灰色薄层灰岩。该段内地层变形强烈，层间褶皱及膝折构造发育，岩石浅变质。两岔口组二段(Ol2)：为深灰色泥质条纹泥—粉晶灰岩，豹皮灰岩，内可见自形黄铁矿矿物，该岩段变形强烈，普遍糜棱岩化及劈理化，劈理中发育微晶绢云母线理。

1.2 构造

区内主要控矿构造主要为庙川褶皱束中的阎家沟—陶家院背斜(图1)，该背斜为直立背斜，紧闭程度中等，轴面近乎直立，枢纽走向北西—南东[3]。核部出露最老地层为石瓮子组一段(∈3-O1s1)，向两翼依次出现是石瓮子组二段(∈3-O1s2)、白龙洞组(O2b)和两岔口组(Ol)(图2)，其北翼受大西沟—关帝庙—小白沿河断裂破坏和影响，缺失部分地层，在断层附近北翼中的次级褶皱带发育，表现为在主背斜之上叠加一期左行剪切褶皱，轴面走向北北西，形态较为复杂[9-11]。区内主要构造变形除与区域及局部的应力场有关外，还与岩层能干性呈正相干，区内主要为上震旦统—古生界主要为碳酸盐地层，白云岩，特别是厚层白云岩，能干性比较大，层间褶皱不发育。

图1 鄂西地区构造及地质简图

图2 区内地质剖面图

1.3 岩浆岩

区内岩浆岩主要表现为侵入型脉岩，其侵入期次均属燕山期，燕山期岩浆活动为脉石英矿形成提供了丰富的物质来源[6-10]。石英脉侵入主要集中在石瓮子组(∈3-O1s)白云岩中，脉宽几公分至上十米，脉体纯净。脉体沿节理或断层带侵入，构造控矿方向性明显，碎裂岩化普遍，未见褶皱变形。

区内西北侧出露一条煌斑岩，属闪斜煌斑岩，侵入在石瓮子组白云岩中，主要矿物为角闪石、斜长石、黑云母，其次有钛铁矿、金红石、榍石、磷灰石等。岩石为煌斑结构、片状构造。

2 成矿特征

鄂西龙家沟地区高纯石英成矿区带划分，属Ⅲ-66东秦岭Au-Ag-Mo-Cu-Pb-Zn-Sb-非金属成矿带[4]，南秦岭Au-Pb-Zn-Fe-Hg-Sb-RM-REE-V-蓝石棉-重晶石成矿亚带，该区内矿床成因属低温热液充填型。

2.1 地质特征

区内发育7处脉石英，分别为q1～q7，脉石英围岩均为石瓮子组中—厚层白云岩，脉体与围岩接触处可见大块方解石，围岩具硅化特征，物质交换现象明显；推测为燕山期富硅热液沿背斜张性裂隙充填，同时富硅热液与中—厚层白云岩中钙质成分发生交代，物质交换后的钙质重新结晶富集生成方解石，同时围岩测试显示硅质含量比一般白云岩偏高。

2.2 脉体形态及分布特征

脉石英脉体呈透镜状、脉状、板状构造，规模较大的主矿体之间可见呈网状分布的细脉。矿体产状受阎家沟—陶家院背斜张性裂隙控制明显，走向北东东或近东西，倾向南南西、正南或近直立产出，倾角在71～83°，矿脉厚度0.2～8.5m。沿走向延伸210～860m，沿倾向方向延伸可达百米，各矿体特征见表1。

2.3 矿石分析测试

经过对区内石英脉进行捡块取样测试发现，区内脉石英的SiO2平均含量在99.51%～99.92%，有害组分Fe2O3平均含量在0.002%～0.01%，Al2O3含量在0.031%～0.087%。

表1 龙家沟地区高纯石英脉体特征统计

2.4 矿石矿物特征

矿石主要类型为脉石英，矿物组成主要为石英集合体，粒状变晶结构，新鲜面呈白色、乳白色、烟色至无色，透明至半透明，油脂光泽显著，具贝壳状断口，性脆，无解理。仅在局部可见少量水晶晶簇，多为无色透明状，占比较少。

同时对部分样品进行了镜下观察(图3)，观察显示，石英(Qtz)多呈半自形—他形粒柱状变晶结构，部分可见柱状晶体截面，表面光滑，波状消光，一级灰白干涉色，可见石英重结晶作用形成的生长环带结构，局部受构造应力作用较为破碎，粒径为0.01～6.0mm。少量方解石(Cal)呈不规则粒状，部分可见解理，高级白干涉色，零星分布于石英等粒间或裂隙中，粒径为0.01～0.2mm。

图3 单偏光镜及正交镜下矿物特征

2.5 包裹体特征

本次采集的样品中主要观察到的为富液相两相包裹体。该类包裹体主要包含盐水及其蒸汽。包裹体中汽包与溶液界线明显，粒度变化较大，一般集中在5～25μm，多孤立状随机保存于矿物中(图4a、b)，少部分或次生包裹体呈群状、带状分布在矿物生长环带内(图4c、d)。以图4a为例，视域内仅见一处粒度15μm左右的包裹体，为原生包裹体。

图4 脉石英样品流体包裹体镜下特征

根据均一温度分布特征可以看出，所有样品所测得的包裹体均一温度为167～265℃，少数样品温度范围＜200℃，可以判断脉石英的成矿过程具有多期次脉动的成矿特点。均一温度平均值204～219℃，表明在该温度范围内发生了大规模的成矿作用(表2)。该地区的脉石英成矿温度＜300℃，属于低温热液型。

表2 矿床不同脉体包裹体均一温度

2.6 加工技术性能

我单位委托苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，对矿区内的脉石英样品进行了磨矿、磁选、浮选、酸处理、洗涤、干燥等工艺试验，确定了利用脉石英制备高纯石英砂及高纯硅微粉的加工工艺方案，并对产品指标进行了检测，通过试验得出如下结论。

(1)原矿SiO2含量为99.8%，主要杂质元素Al含量为 250.7μm/g、K 为50.8μm/g、Na为39.4μm/g，镜下观察未发现杂质矿物，但有部分流体包裹体，属于较优质的脉石英。

(2)针对石英玻璃用高纯石英砂产品，将原矿经过磨矿、筛分、磁选、酸处理、洗涤、干燥可得到SiO2含量为99.97%的高纯石英砂产品。此类产品还可用作超白玻璃的原料，市场需求量较大。

(3)针对电子工业用高纯硅微粉产品，经过加工处理后，将原矿经过磨矿、筛分、磁选、浮选、酸处理、洗涤、干燥可得到SiO2含量为99.99%的高纯石英砂产品。

3 矿床成因分析

根据包裹体测温可知鄂西龙家沟地区脉石英属于低温热液充填型，该种类型脉体受构造及时代控矿，同时经与其他地区脉石英矿石质量相比，该区内脉石英杂质含量明显偏低，推断主要与脉石英围岩有关，脉石英主要出露于寒武—奥陶统石瓮子组(∈3-O1s)的中—厚层白云岩中，岩浆中的富硅热液沿背斜轴部张性裂隙向上侵入过程中，受水平方向中厚层白云岩阻拦，使得富硅热液沿裂隙向上侵入，较少发生横向分支，同时由于围岩为中厚层白云岩，交代作用微弱，热液中物质仅少部分与白云岩中的钙质成分交代，使得脉体中杂质成分极少，富硅热液沿裂隙向上侵入过程中在较短时间内迅速冷却，减少了后期热液流动分支的可能，这与野外观察该地区脉体呈板状侵入一致，由于热液迅速冷却的原因使得石英结晶程度较差，这也是较少看到石英晶簇的原因。因此，在南秦岭地区，西起山阳五条沟，东至丹凤、商南一线东西向的褶皱带中背斜核部，是找寻同类型矿床的目标区域，寒武—奥陶统白云岩组是寻找高纯石英的目标层位。

4 结论

(1)调查区内脉石英属燕山期低温热液矿床，脉石英受褶皱构造中的背斜轴部控矿作用明显。

(2)脉石英围岩为中厚层白云岩，很大程度上减少热液期富硅热液在围岩中的分支现象，同时能迅速将热液冷却，交代作用弱，减小后期杂质混入可能。

(3)经与陕西商南下小川地区脉石英矿成矿特征对比，发现其成矿特征与本地区具备高度相似性，因此可推测在本地区找矿方向总结为：在背斜轴部，围岩为中厚层白云岩的地区，同时在该地区燕山期有岩浆活动迹象，则该地区可成为高纯石英的成矿靶区，后期经深部工程验证，有望总结出脉石英矿新的成矿模式，为后期同类型矿床找矿提供指导及理论支持。