遼寧北部菱鎂礦床地質特征及成因分析

王希軍，任立國，徐靜，劉鳴鈺，孟璐

（遼寧省第十地質大隊，遼寧撫順113004）

遼寧北部菱鎂礦床地質特征及成因分析

王希軍，任立國，徐靜，劉鳴鈺，孟璐

（遼寧省第十地質大隊，遼寧撫順113004）

遼北地區菱鎂礦床位于中新元古代凡河裂谷東南邊緣及太古宙撫順-清原克拉通北部邊緣，由4個獨立礦體組成，東西向展布，尤以佟家街礦體規模最大.礦床賦存于中元古界長城系高于莊組四段細晶白云巖中.在對佟家街菱鎂礦床的補充普查工作中，通過對成礦地質背景、礦體地質特征及古海水、古氣候、古地理位置的研究分析，提出以沉積為主，變質重結晶、變生熱液改造為輔的礦床成因模式.

菱鎂礦礦床；礦床成因；沉積變質；遼寧北部

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

遼寧北部菱鎂礦礦床于1958年發現，分布于撫順縣北部與鐵嶺交界地帶的三沖村-青石嶺村-佟家街村-上年馬村一帶，呈東西向展布，由4個礦體組成，礦體均呈紡錘狀、橢圓狀.本文以規模最大的佟家街礦體為例，探討菱鎂礦床成因.

1 成礦地質背景

遼北地區菱鎂礦床所處的大地構造位置為中朝準地臺（Ⅰ）膠遼臺隆（Ⅰ1）鐵嶺-靖宇臺拱（）凡河凹陷（）東南邊緣.結晶基底由太古宙花崗片麻巖組成，蓋層為中新元古界、中生界，缺失古元古代沉積.區內地質構造簡單，巖漿活動微弱（圖1）.

1.1 地層

礦區內地層屬華北地層區遼東地層分區凡河小區.地層呈向北傾斜的單斜狀產出.礦區內出露地層主要為中元古界長城系大紅峪組、高于莊組、薊縣系楊莊組、霧迷山組，各組之間為連續沉積，整合接觸（詳見表1、圖1）.

表1 佟家街礦區中元古界地層簡表Table1 Mesoproterozoic statigraphy of Tongjiajie orefield

圖1 遼北佟家街地區地質簡圖Fig.1 Geologic map of Tongjiajie area,Northern Liaoning

1.2 構造

礦床位于遼北元古宙凡河裂谷東南邊緣，其南側、東側均為太古宙克拉通，礦區地層構成大甸子向斜南翼，地層呈向北或北東傾斜的單斜構造，礦區地質構造簡單.

1.3 巖漿巖

礦區巖漿巖不發育，僅見幾處閃長巖呈小規模的巖株狀產出.

2 礦床地質特征

2.1 含礦巖系

礦床產出于中元古界長城系高于莊組四段，為一套厚層、巨厚層的粉細晶白云巖，局部夾少量粉砂質、泥質板巖、薄層炭質白云巖.粉細晶白云巖以塊狀構造為主，礦體嚴格受控于高于莊組四段白云巖.

2.2 礦體形態、產狀及其圍巖

礦體長1200 m，延深大于300 m，走向近東西向，傾向北，傾角50～60°，礦體平均厚度較大.礦體總體形態呈紡錘狀，向西凸出，向東作分支狀.礦體在橫剖面上形態似臉盆狀，向深部呈弧形尖滅.礦體中白云巖夾石較多，均呈透鏡狀，延長、延深均較小.

礦石主要礦物成分為菱鎂礦，礦物集合體常呈菊花狀、放射狀產出.其次為白云石、方解石、滑石、蛋白石等.菱鎂礦呈灰白色、粉紅色，粒度一般3～20 mm，多呈自形—半自形晶型，礦物晶體中菱面體解理發育.礦石結構主要為中粗晶、巨晶結構，礦石構造以塊狀構造為主，局部為菊花狀、放射狀構造.

礦體含礦層位穩定.礦體走向、傾向上界線清晰，礦體圍巖為粉細晶白云巖，礦體與圍巖呈整合接觸.圍巖蝕變極弱.礦體邊部常見菱鎂礦礦體呈脈狀穿插于圍巖之中.

2.3 礦石化學成分

礦石中有益組分為MgO，有害組分為CaO、SiO2.MgO含量一般為42%～47%，MgO含量變化呈現地表偏低，深部增高趨勢.礦石中有益組分與有害組分的含量呈反比關系.礦石中有害組分SiO2含量在地表與地下深部呈規律性變化，地表礦石中SiO2含量普遍較高，隨著深度的增加，礦石中SiO2含量逐漸降低.

整個礦床有益組分MgO含量均大于38%，就其單一指標而言，礦石均達到礦床最低工業品位.因其SiO2含量超標，將很大一部分菱鎂礦礦石降為菱鎂巖作為非工業礦體單獨圈出.

3 礦床成因分析

現代海洋白云巖沉積曾在哈薩克斯坦巴爾喀什湖東部阿拉庫斯灣的淺水沉積物里發現，在澳大利亞南部庫隆湖、波斯灣中也發現現代白云巖的生成.其海水的共同特點是：海水的鹽度、鎂的含量及溫度均比別處高（鹽度大于5.0，溫度28～35℃），氣候干燥，海水清潔，pH值高達9以上［1］.證明白云巖雖然不能從正常的海水中直接沉淀，但可在富鎂并具有高鹽度、高pH值和溫度較高的海水中沉淀.而沉積菱鎂礦的形成環境是在高鹽、低氧、高pH值的條件下，經過生物化學沉積作用形成.

3.1 古海水環境

從全球看，沉積白云巖與菱鎂礦的時空分布具有明顯的規律性，在時間上主要集中在古-中元古代，在空間上菱鎂礦床與鎂質碳酸鹽巖建造密切相關［2］.

從中朝準地臺元古宙地層巖性分析，古-中元古界地層是白云巖分布最廣泛的層位.各地元古宇地層中均有白云巖分布，灰巖分布則較少，而在元古宇之上的地層中少有白云巖分布.這充分說明元古宙的海洋中海水的化學成分與其他時期不同，元古宙的海水中富含鎂元素，海水中Mg2+濃度比Ca2+濃度高得多.現代海洋研究證明，鹽湖水中鎂離子濃度比海水中更高.以東以色列、約旦之間的死海為例，受到干旱氣候的影響，湖水極濃，含鎂竟高達4%，而普通海水中含鎂一般為0.128%.由于元古宙大氣圈成分以CO2為主，海水中溶解的CO2也較多.因此元古宙時期海水的化學成分最適合白云巖的形成，這就為菱鎂礦的形成提供了有利的物質來源.

3.2 古氣候環境

根據穩定同位素地溫計研究，元古宙地球表面溫度可能達到52℃［3］，地表平均氣溫在25～50℃之間.根據古地磁研究，元古宙地層都處于中緯度—低緯度范圍內.由于太古宙時期火山作用釋放出的CO2都富集在大氣中，形成稠密的CO2大氣圈，因此元古宙大氣圈中CO2含量依然較高，造成氣候炎熱、干旱.高溫加劇了海水蒸發，使海水鹽度增高.由于溫度較高，元古宙海洋中廣泛繁榮的藻類生物，在光合作用下，消耗大量的CO2，生產有機物和氧，使海水中的CO2含量和氫離子濃度逐漸降低，于是海水的堿性不斷增強，海水的pH值不斷上升，為白云石-菱鎂礦的形成提供了有利的化學條件.

3.3 古地理環境

遼北地區菱鎂礦床分布于元古宙凡河裂谷東南邊緣.凡河裂谷為薊縣裂谷系的北東分支，呈近東西向展布，海侵方向為由西向東［4］.

從長城系高于莊組巖石組合及地層層序看，高于莊中晚期由于地殼上升，發生海退，海退的方向為由東向西，海水變淺，陸地增大，首先脫離廣海的是古陸邊緣附近的濱海地帶，因此沿凡河裂谷東南邊緣的濱海一帶出現了多個呈半封閉的不連續的海盆地.海盆地內水體與外海存在循環，在特大潮期間，外海海水可經常越過沿岸沙壩補充海盆地內水體，為白云石-菱鎂礦的形成提供了有利的地理條件.

3.4 成因分析

Sr、Ba元素的化學性質十分相似，它們均可以形成可溶性重碳酸鹽、氧化物和硫酸鹽進入溶液.在近岸沉積物中富含Ba元素，而Sr元素的遷移能力高于Ba元素，可以遷移到大洋深處.碳酸鹽礦物對Sr元素有捕獲作用，Sr/Ba比值在淡水沉積物中常小于1，而海水沉積物中常大于1［5］.通過對佟家街菱鎂礦床的礦石采樣分析其Sr、Ba元素的含量，Sr/Ba比值（0.0043/0.0024）大于1，該礦具有海相沉積的特點.

由于鹽類礦物的溶解度、溶度積不同，在水中CO2含量、壓力、溫度相同條件下，海水蒸發濃縮時，總是溶解度小的先沉淀，溶解度大的后沉淀［6］.就碳酸鹽巖礦物而言，鎂元素含量越高，其溶解度越大，因此菱鎂礦的溶解度大于白云石，白云石的溶解度大于方解石.一般海水蒸發濃縮礦物沉淀的先后順序為：方解石—白云石—菱鎂礦.海水受蒸發濃縮鹽度增高時，依次出現灰巖—白云巖—菱鎂礦.

在高于莊中晚期，由于地殼上升，海水變淺，沿凡河裂谷東南邊緣出現了多個呈半封閉的不連續的濱海盆地，并且海水清澈，海水較淺，水深約10～15 m.在當時炎熱、干旱氣候條件下，水體的蒸發量遠大于注入量，海水不斷蒸發、濃縮，使原本富含鎂元素的海水含鹽度不斷增高.在這種情況下，海盆地中表層水因蒸發而濃縮咸化，密度增高，表層水因密度大而逐漸下沉至水底，鹽度小而密度小的水逐漸升至表層，再接受蒸發濃縮.長此以往，形成上咸而重，下更咸而更重，水體深部壓力增大，造成水體底部缺氧，由于元古宙時期海水pH值本來就較高，蒸發作用使海盆地內水體pH值更高，并且Mg2+濃度更高，于是形成菱鎂礦沉積.

3.5 成礦階段

該礦床形成大致可分為3期.第一期沉積成巖階段，濱海盆地內海水經過蒸發、濃縮及內源化學沉積作用，形成菱鎂礦或菱鎂巖.由于當時濱海盆地中的海水經常有外海水補給，稀釋了盆地中已經濃縮的高鹽度、高pH值的海水，此時形成白云巖沉積，這也是菱鎂礦床中普遍存在透鏡狀白云巖夾石的原因.第二期為重結晶階段，菱鎂礦沉積成巖后，元古宙末的燕遼運動使整個區域發生了綠片巖相的區域變質作用，使菱鎂礦或菱鎂巖發生重結晶，并富集形成中細晶的晶質菱鎂礦.第三期為變生熱液交代改造階段，在元古宙末在區域變質作用下形成的變生熱液交代菱鎂礦，產生富鎂熱液，形成粗晶、巨晶菱鎂礦，其集合體呈菊花狀、放射狀，富鎂熱液貫入到圍巖裂隙中，形成的菱鎂礦呈脈狀穿插于圍巖中.

4 結論

遼寧省北部的菱鎂礦分布于撫順縣與鐵嶺縣交界的三沖村-青石嶺村-佟家街村-上年馬村一帶，礦床規模為中型，形成于中元古宙高于莊期，形成時間顯著晚于遼寧省南部的海城-大石橋-帶的超大型菱鎂礦床.遼南地區超大型菱鎂礦床形成于古元古代大石橋時期，礦床賦存于古元古界上遼河群大石橋組中，構造環境為營口-寬甸遼東元古宙裂谷海槽之北緣，圍巖為條帶狀白云石大理巖和硅質白云石大理巖，其變質程度略高于遼北地區菱鎂礦含礦圍巖.遼北地區與遼南地區菱鎂礦床在成礦環境、構造位置及成因上都具有相同或相近的成礦背景，只是由于當時海侵方向先由西南的下遼河凹陷開始，古元古代時期發展到營口-寬甸海槽，最后于中元古代時期在遼北地區凡河海槽發生了大面積海侵.

綜上所述，遼北地區菱鎂礦床的成因應屬于沉積變質型層控晶質菱鎂礦，中元古代高于莊期沉積成巖后，后期經受了變質重結晶作用和變生熱液交代作用的改造.

［2］馮本智，朱國林，等.遼東海城-大石橋超大型菱鎂礦礦床的地質特點及成因［J］.長春地質學院學報，1995（2）:121—124.

［3］李東濤，孫鵬慧，等.遼寧省菱鎂礦床成因探討［A］//曲亞軍，楊占興，等編.遼寧地質礦產與環境.北京：地震出版社，2008:40—49.

［4］王長青，張林，等.遼北凡河裂谷發展與演化特征［A］//曲亞軍，楊占興，等編.遼寧地質礦產與環境.北京：地震出版社，2008:55—64.

［5］陳建強，周洪瑞，等.沉積學及古地理學教程［M］.北京：地質出版社，2004.

［6］袁見齊，朱上慶，等.礦床學［M］.北京：地質出版社，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

A

2012－02－08；

2012-05-18.編輯：張哲.

王希軍（1971—），男，地質礦產工程師，從事地質礦產勘查、環境地質勘查評估工作，通信地址撫順市東洲區綏化路東段133號，E-mail//WXJ18811992@163.com