华北地区菱镁矿成矿规律初探

2021-11-09赵泽霖李俊建倪振平张彤宋立军

华北地质 2021年3期

赵泽霖，李俊建*，倪振平，张彤，宋立军

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.华北地质科技创新中心，天津 300170；3.山东省地质调查院，济南 250013；4.内蒙古自治区地质调查院，呼和浩特 010020；5.河北省地质调查院，石家庄 050081）

菱镁矿主要化学成分为碳酸镁（MgCO3），主要用于工业高温炉窑及设备耐高温、抗侵蚀等方面的耐火材料等[1]。菱镁矿是我国优势矿产，据国家统计局数据，我国菱镁矿2010年储量为36.4亿吨，而截止2017年累计探明储量降为31.2亿吨，呈下降趋势。但我国对菱镁矿的需求却处于高位[2]，因此需要加大对我国菱镁矿的勘查和研究工作。由于我国菱镁矿资源基地具高度富集于辽宁且成矿类型单一等特征[3，4]，前人研究相对集中于我国菱镁矿的资源特征和开发利用情况[1，3，5-9]以及单个矿床的地质特征[10-13]和矿床成因[4，10，14]等工作，对华北地区的菱镁矿资源状况及区域成矿规律的研究较少。

华北地区菱镁矿成矿地质条件优越、资源丰富、成矿类型较为齐全，在山东莱州、河北邢台及内蒙古察汉奴鲁等地产出大中型菱镁矿床6处，菱镁矿资源储量约占全国总储量的15%，仅次于辽宁辽阳菱镁矿区。本文在总结华北地区菱镁矿资源分布状况及矿床产出规律基础上，梳理区内菱镁矿成矿类型，并建立华北地区菱镁矿预测类型，为进一步勘探部署和成矿规律研究提供支撑。

1 华北菱镁矿资源概况

目前全国共有菱镁矿60余处，其中华北地区发现菱镁矿6处，包括山东省4处，河北省、内蒙古自治区各1处（图1）。

图1 华北地区菱镁矿分布图（据文献[17]及脚注①李俊建主编.华北地区重要矿种区域成矿规律研究成果报告[R].天津:天津地质调查中心，2013，1-742.）Fig.1 Map showing the distribution of magnesite in North China

山东省是华北地区菱镁矿主要产区，矿床集中分布在莱州市[15]，包括粉子山矿区外围菱镁矿床和优游山菱镁矿床两处大型矿床、粉子山滑石矿大原家-山刘家菱镁矿床和莱州粉子山菱镁矿矿床两处中型矿床。山东省菱镁矿累计查明资源储量占全国资源储量9.46%，仅次于辽宁省位居全国第二位。

河北省菱镁矿资源相对稀少，质量也不高，主要在邢台地区发现一处大河菱镁矿床，规模为小型。矿山生产的矿产品经过手选、破碎销售到邯邢地区的钢铁厂做冶金熔剂。

内蒙古自治区菱镁矿资源也相对稀少，已发现矿床呈带状分布，矿床品位较低、规模较小。内蒙古地区的菱镁矿载体为兴蒙造山带内部发育的多条蛇绿岩，因此其分布沿着索伦山-西拉木伦蛇绿混杂岩带、贺根山蛇绿混杂岩带展布[16]。目前能达到工业品位的矿床为察汗奴鲁小型菱镁矿。

2 华北菱镁矿成因类型及典型矿床特征

2.1 华北菱镁矿成因类型

我国菱镁矿床成因类型可划分为沉积变质-热液交代型、热液型、风化残积型和沉积型[8]。在前人文献中提及超基性岩中风化淋滤菱镁矿多指隐晶质菱镁矿[3，9]，但笔者野外工作实践中发现，由超基性岩蚀变而成菱镁矿也可以显晶质状态存在。因此将华北地区菱镁矿床类型划分为沉积变质型、沉积变质-热液交代型和超基性岩风化残积型，其中后者进一步划分为超基性岩风化淋滤隐晶质型菱镁矿和显晶质菱镁矿2个亚类。沉积变质型主要包括山东省掖县粉子山矿区外围大型菱镁矿床、优游山大型矿、粉子山滑石矿大原家-山刘家中型菱镁矿和莱州粉子山中型菱镁矿区。沉积变质-热液交代型以河北邢台大河小型菱镁矿床为代表。风化残积隐晶质型菱镁矿床在兴蒙造山带内蛇绿岩中蚀变超基性岩的风化壳内产出，典型矿床为内蒙古察汗奴鲁小型菱镁矿。超基性岩风化残积显晶质菱镁矿为笔者发现于额济纳旗洗肠井蛇绿岩内，菱镁矿以显晶质存在，菱镁矿化超基性岩以透镜状“岩块”产于由强变形细碎屑岩形成的“基质”内，为新发现矿点。

华北地区沉积变质型菱镁矿床主要产于山东莱州粉子山地区，矿床产于粉子山群张格庄组镁质碳酸盐岩地层内。含矿岩系形成于华北陆块相对稳定期，多为浅海-陆缘相沉积[18]。含矿围岩包括绢云绿泥片岩、滑石片岩、菱镁岩和白云山大理岩等，矿体由结晶较好、富含MgO的岩性层位构成。矿体呈层状，与围岩产状一致。矿体可与白云石大理岩、菱镁岩等围岩呈渐变过渡关系，局部矿体与白云山大理岩呈互层。矿石中有用矿物菱镁矿以显晶质状态产出，具不等粒变晶结构、中厚层状构造和条带状、菊花状、粒状、斑纹状、纹理和帚状等构造，镜下可见粗粒菱镁矿在早期结晶细粒菱镁矿基础上生长或在粗大晶体的边缘分布着菊花状、帚状的菱镁矿[11]。沉积变质型菱镁矿源层形成于富含CO2和Mg2+的海水中，沉积而成巨厚的富镁碳酸盐岩，经过成岩作用形成原生菱镁矿层[19]。在区域变质-变形过程中，原生菱镁矿层经过褶皱变形和矿物重结晶，完成形态方面的最终定型。粉子山菱镁矿的工业矿化主要在古元古代粉子山群沉积成岩后期，在区域性变质事件下经过多阶段的变质重结晶而成。

沉积变质-热液交代型菱镁矿主要在河北省邢台县枣园乡大河-前补透一带零星分布，矿床产于赞皇岩群立洋河岩组镁质大理岩（原红鹤组）内。矿体原岩为立洋河岩组下段第一、三、五带白云岩，其顶底与白云岩或透辉长英变粒岩接触平直明晰，边缘与白云岩呈渐变过渡关系或呈锯齿状交错接触，且有分枝变薄逐步尖灭的现象。矿体产状与围岩基本一致，发生同步的弧形转折构造。形成工业品位的菱镁矿化形成于造岩矿物白云石经过变质热液作用重结晶而成，菱镁矿呈浅黄色或白色，具叶片状或粒状镶嵌结构，它形粒状结构和块状构造。

华北地区风化残积型隐晶质菱镁矿为强蛇纹石化超基性岩经风化淋滤而成，因此区内该型菱镁矿的分布沿着兴蒙造山带显生宙增生混杂岩带内超基性岩展布。内蒙古地区共发育两条蛇绿构造混杂岩带，即索伦-西拉木伦蛇绿构造混杂岩带和二连-贺根山蛇绿构造混杂岩带，二者带内均发育带状分布的洋壳残片，其中超基性岩组分多为强蛇纹石化菱镁蚀变岩。主要发育菱镁矿化两处，包括察汗奴鲁小型菱镁矿床和贺根山菱镁矿点。与菱镁矿成矿有关的超基性岩岩性多为纯橄榄岩-斜辉辉橄岩-橄长岩-辉长岩，岩石地表风化残积面貌呈土黄色网状、壳状断续分布。蛇绿构造混杂岩带内蛇纹石化超基性岩经历深俯冲及折返过程，在地表风化淋滤作用及化学交代作用[20]下主要成分被水解带出，而残积以硅质和铬、镍等成分为主。作为洋壳残留或洋壳俯冲上盘形成的蛇绿岩组合，菱镁矿原岩超基性岩与辉长岩、玄武岩具相同的形成时代，在蛇绿岩带的研究中，也通常以辉长岩和玄武岩的高精度锆石年龄来限定蛇绿岩的形成年代，也即超基性岩的形成年代。索伦蛇绿岩辉长岩、玄武岩LA-ICP MS锆石U-Pb年龄为260～290 Ma之间[21-24]，虽然年龄差异较大，但总体为早中二叠世。

超基性岩风化残积型显晶质菱镁矿的原岩为蛇绿岩带内的超基性岩，其分布特征、产出环境及外貌特征与隐晶质菱镁矿相似。显晶质菱镁矿化超基性岩发现于内蒙古西部北山造山带南带（洗肠井蛇绿岩段），该蛇绿混杂岩带呈近东西向展布，南北宽约1.5 km。蛇绿混杂岩带具良好的分带性，自北而南依次为增生混杂岩带、玄武岩、辉长岩和超基性岩组合，与经典俯冲型造山带结构一致。增生混杂岩带由强劈理化砂板岩基质和由菱镁矿化超基性岩、灰岩、硅质岩、玄武岩等构成的岩块组成。增生混杂岩带内的超基性岩与该蛇绿混杂岩带最南端蛇绿岩套内超基性岩在外貌上明显不同，蛇绿混杂岩带南端超基性岩组合内超基性岩原岩新鲜，呈墨绿色或黑色，略蛇纹石化。而增生混杂岩带内超基性岩多为土黄色，呈透镜状岩块产出，走向上连续性差，反映后者经历不同于前者的应力变形、热液蚀变和外生风化淋滤作用过程，多数具菱镁矿化。增生混杂岩带内超基性岩菱镁矿显晶质与隐晶质型共生，多呈过渡渐变关系。

2.2 典型矿床特征

2.2.1 粉子山菱镁矿床

位于华北陆块区、渤海陆块、莱州古弧盆系粉子山古弧后盆地，行政隶属于山东省鲁东莱州粉子山地区。矿区出露新太古代胶东群片麻岩、古元古代粉子山群和新生代地层[25]。粉子山群包括朱家夼组、张格庄组、巨屯组、岗嵛组，其中张格庄组是主要的含矿地层。区内张格庄组自下而上分为三个岩性段[26]，其岩石组合特征见表1。区内岩浆活动微弱，主要为燕山期花岗岩和煌斑岩脉。区域变质普遍发育绿片岩相-铁铝榴石角闪岩相的中低级变质作用。

表1 粉子山群地层划分及特征Table1 Stratigraphic classification scheme of Fenzishan formation and its characteristic

矿区与成矿有关的地质体为粉子山群张格庄组大理岩-透闪片岩组合，原岩为富镁质碳酸盐岩，形成于古弧后盆地沉积环境。矿体赋存于张格庄组上部岩性段（三段），包括白云石大理岩、疙瘩状二云母片岩、黑云斜长片岩、滑石菱镁岩和菱镁矿。可进一步划分为五个岩性层[22]（表2），其中白-灰白色菱镁矿、绢云绿泥片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、菱镁岩和白云山大理岩等岩层构成含矿带（张格庄组三段第二岩性层），菱镁矿体以矿体呈层状、似层状稳定的展布其中。在张格庄组三段第四、第五岩性层也发育薄层菱镁矿层，但品质较低。矿体与顶底板岩性无明显界线，同一岩性根据菱镁矿品位不同而圈定矿体。

表2 张格庄组三段岩性层划分及岩性特征Table 2 stratigraphic classification scheme of 3th segment of Zhanggezhuang formation and its characteristic

矿体受近东西向的粉子山-优游山倒转向斜控制。该向斜走向80°左右，轴面倾角80°左右，倾向SE，两翼岩层产状与向斜轴面基本一致，北翼较南翼缓，北翼倾角40°～60°，局部直立或倒转；南翼倾角60°～80°，东部有转折收敛的趋势。矿体形态呈层状，似层状和透镜状，呈多层分布，产状与围岩基本一致。

矿层矿物组成包括菱镁矿、滑石、斜绿泥石、石英、白云石、绢云母、黑云母和金云母等，黄铁矿、磷灰石和白钛矿等少量发育。矿石结构主要由变质重结晶形成的变晶结构，构造主要为中厚层状构造、条带状、菊花状、粒状、斑纹状、纹理和帚状构造。矿石品位MgO 45.13%。

菱镁矿的形成与区域变质作用关系密切，粉子山群张格庄组于吕梁期沉积形成原始菱镁矿层，后经区域变质作用形成白云石大理岩，在富镁的变质热液交代作用形成菱镁矿。

2.2.2 大河菱镁矿床

位于太行隆起中段赞皇隆起南部。行政隶属于河北省邢台县。

赋矿地层为赞皇岩群立洋河岩组镁质大理岩（原红鹤组）。区内见有角闪岩脉、辉绿岩脉、伟晶岩脉、石英脉等岩浆岩脉。区内普遍发育的斜长石方柱石化、绢云母化，帘石化，暗色矿物的闪石化、绿泥石化、方解石化等，均为气热溶液引起的退化变质作用。

矿区地层受区域构造控制，总体为一走向近东西，倾向北的单斜构造，局部造成产状变化较大。

矿床共有工业矿体2～6层，矿体呈似层状、透镜状，局部呈不规则团块状，不同程度地取代原红鹤组下段第一、三、五带的白云岩位置，矿体产状与围岩基本一致，受弧形转折构造控制，前补透矿区矿体产状倾向335°左右，倾角15°左右；大河矿区矿体产状倾向北，倾角8°～22°。矿体顶底与白云岩或透辉长英变粒岩接触平直明晰，边缘与白云岩呈锯齿状交错接触，且有分枝变薄逐步尖灭的现象。矿体长350～1 000 m±,延伸550～900 m，厚度2～23.87 m。菱镁矿石多呈浅黄色，少量白色，叶片状或粒状镶嵌结构，它形粒状结构，块状构造。矿石矿物成分以菱镁矿为主，脉石主要为白云石，少量石英、长石，偶见黄铜矿、黄铁矿、赤铁矿、孔雀石等矿物。白云石与菱镁矿含量互为消长、矿石中随白云石比例增高而变为镁质白云岩、白云岩。

2.2.3 察汗奴鲁菱镁矿床

察汗奴鲁菱镁矿大地构造位置分布在天山-兴蒙造山系、索伦山-西拉木伦结合带、索伦山蛇绿混杂岩带。该矿床位于内蒙古高原北缘，邻近中蒙国境。行政隶属于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗管辖。

含矿侵入岩主要是早二叠世纯橄榄岩和斜方辉橄岩岩体，矿区蚀变以蛇纹石化为主。

菱镁矿体分布在碳酸盐化淋滤蛇纹岩带所形成的风化壳中，大致位于海拔1 280至1 395 m之间。上部及下部菱镁矿所占比例均不大，一般不超过10%～20%。菱镁矿占25%～50%或以上的富集带大致位于海拔1 325至1 375 m之间。富集带的埋藏深度各地不一，或直接暴露地表或位于地面下10～30 m间。在侵蚀切割剧烈处，富集带均被侵蚀失去而未保留。

菱镁矿呈不规则透镜状及层状,水平或按近水平产于纯橄榄岩硅质的菱镁矿富集带中，走向东西向,长440 m，宽50～60 m，最宽200 m。经钻探验证，菱镁矿系由许多大小不等、形状极为复杂的矿体组成。一般厚度2～5 m，最厚度12 m。由于矿体与围岩互相交错产出，没有明显界线，矿体内夹有大量围岩，矿体的形态、产状变化很大，且无规律可循，故难以准确圈出单独矿体。

矿石主要由非晶质菱镁矿组成，按物理性质的不同可分两种，一种为块状非晶质菱镁矿，硬度5.5，土状断口；另一种为块状纯菱镁矿，雪白色，风化表面呈乳黄色。外观细致光滑，质纯，吸水性强，硬度4，贝壳状断口。

2.2.4 洗肠井菱镁矿床

该矿点大地构造位置位于红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿构造混杂岩带内，产于洗肠井蛇绿混杂岩段。洗肠井蛇绿构造混杂岩内部结构分带特征明显，由北部的增生混杂岩带和南部的蛇绿岩套组成。矿床由增生混杂岩带内超基性岩蚀变和风化淋滤而成，围岩为增生混杂岩带内的砂板岩，局部可与玄武岩岩块直接接触，不同地质体之间均为构造接触关系。矿体呈透镜状、似层状产于增生混杂岩带内，走向近东西向、南东东向，长多为数米至百米不等，宽多为数米或十数米，向深部往往延伸不长，呈无根状态。

矿石具交代结构、变晶结构，块状构造。矿石主要由菱镁矿、次闪石和硅质组成，含量分别约为80%～85%、3%～5%、10%～15%。菱镁矿呈它形粒状、半自形菱形晶，粒度一般小于0.2 mm，少数0.2～0.5 mm，杂乱分布，接触边缘较平直、圆滑，沿裂隙及边缘细粒化作用明显。次闪石呈纤状，粒度一般小于0.2 mm，杂乱分布，部分相对聚集呈堆状分布。硅质主为隐晶状玉髓，粒度一般小于0.01 mm，少数0.01～0.1 mm为次生石英，杂乱分布并不均匀交代岩石，粒内具波状消光现象（图2）。

图2 洗肠井增生杂岩带内超基性岩风化残积型显晶质菱镁矿Fig.2 Field occurrence and microphotos of residual magnesite from ultramafic rocks

3 华北菱镁矿矿产预测类型

华北地区菱镁矿床的形成与特定岩石类型和后期地质作用改造成矿密切相关，成矿岩石专属性较强，岩相控制明显，矿床多经特定的地质改造过程而形成。沉积变质型和沉积变质-热液交代型菱镁矿床的形成与沉积层位、成岩时代、区域变质作用等密切相关，成矿大地构造多处稳定浅海-陆缘相沉积环境。风化残积型菱镁矿与超基性岩、构造变形及表生淋滤等地质作用密切相关，成矿大地构造背景为俯冲增生造山带内。

结合各类典型矿床的矿床成因及成矿时代等特征，将华北地区菱镁矿的矿产预测类型分为沉积变质型和与超基性岩有关的风化林滤型2种，并根据各预测类型矿床的控矿因素、成矿时代及矿体特征等因素，进一步提出沉积变质型预测类型包括粉子山式和大河式两种矿床式，与超基性岩有关的风化林滤预测类型包括察汗奴鲁式矿床式（表3）[26-27],①，②许立权，张彤，张明，等.内蒙古自治区重要矿产区域成矿规律研究报告[R].呼和浩特:内蒙古自治区地质调查院，2013，1-654.。

表3 华北地区菱镁矿预测区一览表Table 3 List of magnesite prediction areas in North China

粉子山式菱镁矿床大地构造位置处于华北陆块区（Ⅰ）渤海陆块（Ⅱ）莱州古弧盆系（Ⅲ）粉子山古弧后盆地（Pt1）（Ⅳ）内，成矿预测类型均为沉积变质型，形成于古元古代。该成矿式典型矿床包括山东省掖县菱镁矿粉子山矿区外围、掖县菱镁矿区优游山、掖县粉子山滑石矿大原家-山刘家矿区、莱州市菱镁矿粉子山中心矿区。矿床产于粉子山群张格庄组上部（三段）的大理岩-透闪片岩组合内，其中白-灰白色菱镁矿、绢云绿泥片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、菱镁岩和白云山大理岩构成的岩性层是主要的含矿岩层。

大河式菱镁矿床大地构造位置处于太行隆起中段赞皇隆起南部，成矿预测类型为沉积变质-热液交代型，成矿时代为新太古代。该成矿式典型矿床为大河菱镁矿，赋矿地层为赞皇岩群立洋河岩组镁质大理岩（原红鹤组），矿体由原红鹤组下段第一、三、五带的白云岩经变质热液交代作用而成。

察汗奴鲁式菱镁矿床大地构造位置处于天山-兴蒙造山系（Ⅰ）、索伦山-西拉木伦结合带（Ⅰ-7）、索伦山蛇绿混杂岩带（P2）内，成矿预测类型为风化残积型，含矿岩石形成于二叠纪。该矿床式发育察汗奴鲁小型菱镁矿床，矿体为造山带内部增生混杂岩带内部的超基性岩，岩石地表呈土黄色，透镜状或板状产出。蚀变风化残积的超基性岩即是矿体，出露于地表或低下10～30 m范围内。成矿作用过程一般经历的超基性岩岩浆成岩期-超基性岩蛇纹石化期-蛇纹岩风化淋滤期。

4 华北菱镁矿成矿规律

华北地区菱镁矿主要矿产地为山东莱州优游山-粉子山一带和河北邢台大河菱镁矿床，此外内蒙古北部边境地区察汗奴鲁发育规模为小型菱镁矿。按徐志刚等[17]全国成矿带划分方案，山东莱州优游山-粉子山一带菱镁矿位于华北成矿省胶东（次级隆起)Au-Fe-Mo-菱镁矿-滑石-石墨成矿带（Ⅲ-65），河北邢台大河菱镁矿位于华北成矿省山西（断隆）Fe-铝土矿-石膏-煤-煤层气成矿带（Ⅲ-61），察汗奴鲁小型菱镁矿及洗肠井菱镁矿化分别产于兴蒙造山带和北山造山带蛇绿构造混杂岩内，白乃庙-锡林浩特Fe-Cu-Mo-Pb-Zn-Mn-Cr-Au-Ge-煤-天然碱-芒硝成矿带（Ⅲ-49）。

华北地区沉积变质型、变质-热液交代型菱镁矿主要产于华北陆块内部稳定沉积环境，原岩多形成于陆缘滨浅海环境，碳酸岩沉积相环境为白云岩的形成及变质成矿提供了有利物质条件[28]。如山东胶东菱镁矿带构造位置隶属于华北陆块区-渤海陆块-莱州古弧盆系，菱镁矿含矿岩石成岩构造环境为早元古代粉子山古弧后盆地[29]；河北邢台大河菱镁矿大地构造位于太行隆起中段赞皇隆起南部。华北地区超基性岩风化残积型菱镁矿形成于造山带内俯冲-增生杂岩内部[30]，此类矿床所赋存的蚀变超基性岩在造山带内部结构中属于增生杂岩部分，而非蛇绿岩套内，也即产于增生楔。蛇绿岩套内部的超基性岩风化程度及变质过程不利于形成菱镁矿。

华北地区沉积变质和变质热液-交代型菱镁矿的含矿岩系主要为华北陆块内部前寒武纪古老含镁碳酸岩沉积岩系，受古老沉积相控制明显。其中山东莱州一带的菱镁矿床形成于粉子山群张格庄组大理岩-透闪片岩组合内，河北大河菱镁矿产于赞皇岩群立洋河岩组镁质大理岩（原红鹤组）内。而超基性岩风化残积型菱镁矿有关的岩石类型为增生混杂岩带内的超基性岩，原岩主要为辉石橄榄岩-橄榄岩等。

华北地区不同菱镁矿化类型的形成时代各具特征。沉积变质型和变质热液-交代型菱镁矿形成于前寒武纪。其中山东莱州菱镁矿带矿床形成于古元古代，河北邢台大河菱镁矿形成于新太古代。此外，前寒武纪为生物大爆发前期，海水中Mg/Ca比值相对显生宙高，由藻类生物化学作用或海水直接化学沉淀形成的碳酸岩地层中更富镁[3]。关于超基性岩风化残积型菱镁矿原岩形成时代，其中洗肠井蛇绿岩形成于寒武纪（540～520 Ma），索伦山蛇绿岩形成于早二叠世。但是菱镁矿的蚀变-风化矿化蚀变过程是自超基性岩形成到俯冲增生，从造山带形成至现今，都在持续进行的过程，从现今所见风化残积型菱镁矿石局部尚残余有透绿色超基性岩原岩面貌的特征得以证明。