河北阜平北辛莊脈石英地質特征及成因淺析

譚 均，王立考，孫寶臣，王 政，焦曉東

(中國建筑材料工業地質勘查中心河北總隊，河北 保定 071051)

高純石英是一種重要的綠色戰略礦產資源，天然的已基本枯竭，我國高純石英供不應求，絕大部分依賴于進口[1-4]。脈石英由于其礦物成分單一,加工提純效果較好,已經有多個國家用來加工高純石英[5-7]。河北省北辛莊脈石英礦位于太行山區阜平西北部，此區域龍王莊一帶開采過一個小型水晶礦，脈石英與水晶共生，但之前未作過脈石英找礦及勘查工作。

20世紀90年代初，曾在河北贊皇縣上麻和東大峪等地發現脈石英產于太古代王家崇片麻巖斷裂構造帶內，多條脈斷續相連延伸可達2km，沿走向具膨脹窄縮現象，平面上呈雁行狀斜列，單脈規模大小不一，長幾十至上百米。2014年在灤平縣石門溝至黑石頭溝一帶，太古界單塔子巖群白廟巖組斷裂破碎帶內找到一處脈石英礦床[8]，主要并行分布有兩條礦脈，產狀傾向197°傾角80°。礦脈1，沿走向長500m，厚2.1～2.5m，礦石品位：SiO296%～96.2%，Fe2O30.14%～0.18%, Al2O30.19%～0.24%；礦脈2：沿走向長1 300m，厚1.47～1.92m，礦石品位：SiO296%～98.2%，Fe2O30.11%～0.15%。脈石英成因類型為充填在斷裂帶的巖漿熱液型。2006年12月地質出版社出版的《河北省非金屬礦產資源》一書中粗略統計了河北省內的脈石英分布情況，但對脈石英礦特征未做過系統研究工作。本次北辛莊脈石英與以往找到的脈石英不同，屬于變質熱液型，其形成與變質巖建造、混合巖化變質作用及韌性剪切構造關系密切。

1 成礦地質背景

脈石英找礦靶區內主要有新太古代阜平巖群、五臺巖群變質巖、變質深成巖、變質侵入巖、變質基性、超基性巖，經歷了高角閃巖相至角閃巖相區域變質混合巖化，早期以區域鈉質混合巖化為主，晚期廣泛疊加鉀質混合巖化。受構造帶控制，晚期沿阜平、五臺兩群接觸帶附近及五臺群內巖石局部花崗偉晶質混合巖化。主體巖性下部(包括元坊巖組和黃州巖組)為淺灰白、淡肉紅色中—厚層狀石英淺粒巖夾石英巖、綠簾斜長角閃巖、透輝淺粒巖、變粒巖；上部(包括板峪口巖組和金剛庫巖組)為黑云斜長變粒巖(局部含藍晶石)，黑云片巖(局部含矽線石、石榴子)，角閃片巖夾金云母大理巖、條帶狀磁鐵石英巖。巖漿巖主要包括新太古代五臺期青羊口基性—超基性巖和古元古代呂梁期扣子頭輝綠巖墻，后期巖漿巖不發育(圖1)。

圖1 河北省阜平縣北辛莊脈石英礦礦化點地質簡圖

區內斷裂構造以北西向占絕對優勢，為規模較大的高角度張性斷裂，傾角65°～85°，延伸長達十幾到幾十千米。呂梁運動后期，這些斷裂多為輝綠巖脈所充填，形成規模宏大的輝綠巖墻群。有少量北東向正斷層，規模較小。

巖層變形十分強烈，同時產生了強烈的構造置換，靶區內變質巖層片麻理等面狀構造主要傾向西南，位于羊馬樓向形構造南西翼，巖層內見有小尺度的無根褶皺、片內褶皺。

區內韌性剪切構造發育，規模大，宏觀上表現為巖石的高塑性流變，形成于較深層次，與深部熱流上升有關，分為阜平、五臺兩期：阜平期，呈小型露頭尺度，長一般不超過4km，寬300～500m；五臺期，規模大,一般長＜20km，寬200～500m。呈北東向或北北西向的平行帶狀展布，傾向北西或南西，傾角 25°～40°，由于構造剪切，不同層位不同巖性直接接觸。剪切帶內不對稱性平臥褶皺、剪切鞘褶皺、S-C組構、巖石殘塊、交代斑晶和變斑晶旋轉組構、小型剪切帶以及拉伸線理等構造普遍可見。卷入韌性剪切帶的巖石單位都被構造平行化。而且自剪切帶邊部至中心變形程度趨于增強，從片麻巖構造透鏡體化帶→重結晶的糜棱化片麻巖帶→眼球狀重結晶的糜棱片麻巖＋角閃片巖帶。構造剪切作用使背景巖石強烈變形改造的同時，發生了明顯的退變質。

2 脈石英地質特征

2.1 脈石英產出特征

靶區范圍內見脈石英20條，主要分布在韌性剪切帶附近的片麻理滑動面或裂隙面間，多數走向為北西—南東向，傾向南西或北西，部分走向為北東向—南西向，傾向南西，傾角38°～70°。露頭呈正凸起，發育縱橫交錯的裂紋，附近有崩塌的石英巖碎石塊，圍巖無明顯蝕變。根據脈石英與其圍巖的接觸關系，有兩種產出形態：①脈狀(圖2a)：與圍巖產狀不協調，呈交叉狀，此種規模相對較大，脈長57～212m, 脈厚0.77～13.41m；②似層狀、透鏡狀(圖2c)：與圍巖片麻理產狀協調一致，此種脈規模小，脈長15～91m, 脈厚0.45～1.21m。一般脈長與脈寬成正比，前者脈傾角相對較陡，后者傾角相對較緩。規模相對較大的脈16條，其中“脈狀”8條，“透鏡狀”12條(表1)。

表1 北辛莊脈石英特征一覽表

圖2 脈石英標本和露頭形態野外照片

2.2 礦石類型及質量

在“脈狀”和“透鏡狀”兩種形態脈上分別取了化學分析樣、巖礦鑒定、包裹體測試樣(編號b2、b5)，由華北有色地質勘查局燕郊中心實驗室做了分析測試。

2.2.1 礦物成分

樣品b2呈乳白色或淺粉色、淺黃色，中粗變晶結構，粒徑1～18mm，致密塊狀構造。主要礦物石英含量一般95%～99%，石英呈半自形粒狀—自形六方柱狀，含少量(1%～2%)粘土礦物、絹云母和鐵質礦物，多數充填于石英脈節理裂隙中，或附著在裂隙面上，少數呈塵點狀，被石英晶體包裹(圖2b)。

樣品b5呈白色，半自形—他形粒狀不等粒變晶結構，粒徑0.1～＜1mm，塊狀構造，主要礦物成分為石英，含量97%～100%，雜亂分布，顆粒接觸邊緣不規則，粒徑小者集合體呈填隙狀分布在較大粒徑石英間，石英表面干凈，粒內可見波狀消光、斑塊狀消光、帶狀消光現象，可見膨凸重結晶亞晶粒、顆粒邊界遷移及殘留顆粒等現象。巖石中可見穿晶裂隙和碳酸鹽充填的微細裂隙(圖2c)。

2.2.2 基本化學成分

SiO298.15%～99.86%、Al2O30.011%～0.014%、Fe2O30.01%～ 0.04%、TiO20.012%～ 0.138%、CaO 0.01%～0.4%。

2.2.3 包裹體特征

石英顆粒中包裹體普遍較發育，包裹體與主礦物的界限明顯，透明度較好。次生包裹體為主，原生包裹體少，以液相為主，氣液兩相居次，三相極少。原生包裹體主要包括三類。

(1)液體包裹體。普遍發育，大小一般為4～18μm，氣液比一般2%～15%。形態以不規則狀為主，多數單獨成行產出，少數呈孤立狀分布。均一方式為L+V→L,說明包裹體內原先捕獲的是較高密度的流體相。

(2)含子礦物包裹體。大小一般為10～12μm，發育較差。形態為橢圓形、不規則狀，多與液體包裹體共存，單獨成行產出。子晶多呈立方體狀，透明度較好，推測為NaCl晶體。

(3)含CO2包裹體。發育極差，見于樣品b2中。大小為10μm，相比為5%。形態呈不規則狀，與液體包裹體一起，單獨成行產出。

由脈石英礦物成分、化學成分看，可以歸為較純石英原料，僅個別樣SiO2含量略低于98.8%[9]。由包裹體特征看符合熱水溶液階段脈石英的特點。不利因素是規模較小、且非常分散，包裹體發育。

3 成因淺析及找礦方向

3.1 成因淺析

根據包裹體測試，液體包裹體顯微測溫：b2均一溫度范圍146.4～289.7℃，均值207.6℃，峰值溫度150～180℃，鹽度范圍3.12%～12.17%，均值為8.2%，均一壓力范圍0.5～7.0MPa，平均2.3MPa。對均一溫度須通過壓力校正，使之更趨于接近被捕獲時形成包裹體的溫度[10-11]，校正后溫度168.5～200℃(由于鹽度均值介于5%～10%之間，校正值取鹽度5%和10%兩圖解△T的平均值)，見圖3、圖4。特點是低溫、低鹽、低密度，含CO2包裹體。綜合其產出形態，與湖北麻城陳家洼脈石英類似[12]，具有變質熱液成因的特點,混合巖化作用為Si元素的聚集創造了條件[13]。b5均一溫度范圍185.5～276.9℃，均值248℃，峰值溫度240～260℃，鹽度范圍3.28%～8.1%，均值為7.1%，均一壓力范圍0.9～5.7MPa，平均3.65MPa。校正溫度219.7～313.4℃。特點是發育水溶液包裹體，缺乏H2O-CO2包裹體，鹽度低于10%，溫度大部分在100～280℃范圍內，符合淺層低溫熱液礦脈特征，但含子晶，部分溫度高于280℃，又符合漿控型高溫熱液礦床特點。綜合其產狀和賦存圍巖有的為基性巖，且產狀與圍巖片麻理不協調，應當屬于中低溫變質巖漿熱液成因。

圖3 流體包裹體均一溫度(a)及鹽度(b)分布直方圖

圖4 壓力對均一溫度(TH)校正值(△T)圖解

綜上認為：在韌性剪切帶分布區，強烈的變形改造的同時，富硅質成分的片麻巖建造巖石局部重熔[14]，發生了明顯的角閃巖相退變質，產生了富硅質成分的熱液，由韌性剪切帶高壓區向邊部松弛帶、裂隙、滑動面等低壓區遷移，在近地表快速冷凝結晶形成脈石英。部分富Si的巖漿熱液來自深部熱流，因有脈石英賦存在基性巖中，顯然非同建造層產物。似層狀、透鏡狀脈石英，其硅質來自原地或半原地，一般規模小，部分難以利用，而與圍巖產狀不十分協調的脈石英規模相對較大，硅質來源于異地或深部，其地質條件與水晶形成地質條件類似，至少有溝通富硅熱液的通道和賦存空間，有富硅物源(如分布較多的淺粒巖、花崗巖等)，有驅動硅質活化遷移的熱事件(如構造運動、韌性剪切、混合巖化變質作用和巖漿侵入等)。脈石英常與水晶共生，只是水晶形成條件更加苛刻，還需要SiO2能結晶生長的寬松而封閉空間。由本區域阜平巖群中的龍王莊水晶礦的形成過程看[15]，脈石英的形成是其先期階段，因此水晶礦會有脈石英伴隨，脈石英中常見水晶蹤跡。

3.2 找礦方向探討

工藝礦物學所決定的雜質可選性是高純石英原料的至關因素[16]，由于晶格缺陷形成的晶格雜質極難除去，后期的動力擾動和熱擾動會使石英晶格恢復，驅除石英中的某些雜質[17-18]。太行山區巖石遭受過擠壓造山的洗禮[19]，太古代等老變質巖經歷過區域變質混合巖化等構造變形和熱事件，有利于石英巖雜質的去除。結合北辛莊脈石英包裹體特征，以氣、液相為主，認為石英顆粒中雜質易于去除[20]。北辛莊脈石英規模小、分散，部分達不到露天開采規定指標要求[9]，但圍巖堅硬穩固，大部分脈傾角較大，采取硐采、分散開采集中加工提純，可使有限資源得以充分利用。

河北省石英成因類型較全，但高純石英原料有限，由可提純性看，一般脈石英明顯優于石英巖和石英砂巖，國內曾有人研究利用石英砂巖提純高純石英，難度極大，成本高，還有污染[21]。

4 結論

(1)阜平北辛莊脈石英礦成礦流體主要來源于片麻巖建造，混合巖化變質作用、韌性剪切構造、深部熱流上升為脈石英形成創造了條件。

(2)除變質熱液型脈石英外，本區還有巖漿熱液型脈石英，脈石英是高純石英原料的主要找礦方向。

(3)燕山臺褶帶上灤平一帶、太行山南段贊皇隆起石家莊至邢臺西部山區具有脈石英的形成地質環境；太行山北段阜平隆起淶源、易縣一帶，分布有系列富硅酸性巖脈、巖珠和巖體(窯溝、王安鎮和紫荊關超單元)，斷裂、裂隙構造發育，有與龍王莊水晶礦、北辛莊脈石英類似的地質環境，是尋找脈石英等較純凈石英原料礦的有利地帶。