北京房山大石窝地区汉白玉特征及成因探讨

孟冬青，葛长峰，李怀永

(北京市地质工程设计研究院，北京 101500)

北京房山大石窝地区汉白玉特征及成因探讨

孟冬青，葛长峰，李怀永

(北京市地质工程设计研究院，北京 101500)

北京市房山区大石窝地区盛产汉白玉资源，岩石呈纯白色，结构细腻，其主要矿物为白云石，成分纯净。矿体赋存于蓟县系雾迷山组一段地层，呈稳定层状产出，节理、裂隙发育较弱，岩石物理性能良好，荒料率高。文章在综合研究高庄、石窝、岩上—黄元井三个汉白玉矿区地质特征的基础上，提出了汉白玉的成因模式，并指出了汉白玉找矿方向。

大石窝；汉白玉；地质特征；成因

大理岩是一种重要的石材矿产，常用于雕刻，亦可作为饰面石材使用[1-2]。大石窝镇以大理石矿藏闻名于世，总储量2 450万m3，汉白玉、明柳、砖碴、大六面、小六面、芝麻花、大弦、小弦、黑大石、黄大石、青白石、艾叶青、螺丝转等构成著名的“13弦”，更因其独特产物汉白玉而名扬中外，被誉为“汉白玉的故乡”[3-4]。

汉白玉是一种纯白色大理岩。国内白色大理岩品种有数十种之多，如房山汉白玉、宝兴白、东方白、河南白、川白玉等，有的是白云质，有的是方解石质，产自北京房山大石窝地区的汉白玉主要由白云石组成，是一种沉积变质型白云石大理岩，洁白无瑕、质地细腻，品质最佳[4-8]。

目前对饰面石材大理岩已有较为广泛的研究[9-13]，而关于汉白玉，国内外尚缺少专业的地质学术研究，主要是一些应用领域的研究，如汉白玉文物的考古研究[1，14-15]、汉白玉资源的开发利用[2]、汉白玉产品品质的评价[6，16]等。本文主要依据2015～2016年在大石窝地区岩上—黄元井矿区的普查工作及前人相关研究成果，分析本区汉白玉的成矿地质特征，并对其成因进行初步探讨。

1 地质概况

研究区位于北京市房山区大石窝镇，大地构造位置位于中朝准地台燕山台褶带(Ⅱ级)西山叠坳褶(Ⅲ级)十渡—房山中穹褶(Ⅳ级)的西南部[17]。构造形态简单，出露地层以蓟县系雾迷山组为主，局部出露杨庄组及长城系高于庄组，岩浆活动微弱(见图1)。

1.1 地层

区域内第四系覆盖较广，出露基岩地层主要为中元古界长城系、蓟县系地层。其中长城系出露的地层为高于庄组、蓟县系出露的地层为杨庄组和雾迷山组。其岩性特征分述如下：

长城系高于庄组四段(Chg4)：出露于区域的中西部，高庄矿区北侧，北东—南西向展布，主要岩性为含石英条带、石英团块大理岩化白云岩，受石门短轴背斜控制。

蓟县系杨庄组(Jxy)：主要出露于区域的中西部，高于庄组地层南北两侧，与高于庄组地层呈平行不整合接触，岩性以石英砂岩为主，出露面积较小。

蓟县系雾迷山组一段(Jxw1)：主要岩性为各种大理岩，白色、青白色、青灰色及灰色，可见大量石英条带、石英团块，出露广泛。为汉白玉赋矿层位。

图1 大石窝地区地质简图

第四系(Q)：为黄土、红粘土、残坡积物及人工堆积物等，不整合覆盖于不同时代地层之上，主要分布于山前平原地带及沟谷内，厚度普遍在2～15m不等。

1.2 构造

构造主要为石门短轴背斜，位于本区中部，轴部在石门村西，轴向NE70～80°，核部出露地层为长城系高于庄组白云岩，两翼地层为蓟县系杨庄组石英砂岩及蓟县系雾迷山组大理岩，南东翼较陡，产状为150～160°∠15～20°，北西翼较平缓，倾角一般在10°左右。断裂构造在本区不发育，仅在局部地区见到若干小断层，规模一般仅几十米。

1.3 岩浆岩

区域岩浆活动发育较弱，主要是燕山晚期侵入的石门花岗岩体，岩性为灰白色中细粒黑云母花岗岩，侵入于中元古界长城系高于庄组、蓟县系杨庄组和雾迷山组地层中，出露于区域中西部石门村附近，出露面积约1km2。

吕金波等[18]研究认为该岩体为深成侵入体，岩体上拱形成穹隆(石门背斜)，其受剥蚀程度较浅，出露面积小而隐伏面积大。并通过K-Ar法测定岩体年龄为(114.98±1.87)Ma B.P.，为早白垩世侵入体，燕山晚期第2次岩浆旋回。

1.4 变质作用和蚀变特征

本区地层以强烈的大理岩化为主，长城系高于庄组地层可见明显的大理岩化，雾迷山组一段地层基本上已全部变质为大理岩；金云母化亦很普遍，形成较厚的片理化金云母大理岩，亦可呈纹层、纹带状出现。此外，区内还见有硅化、透闪石化、阳起石化、黄铁矿化等中低温热液蚀变，其分布愈靠近石门花岗岩体，蚀变现象愈明显，反映了本区变质作用主要是区域热变质作用的结果。

2 汉白玉特征

2.1 矿体特征

本区共发现14条有一定规模的汉白玉矿体，其中高庄矿区7条，石窝矿区1条，岩上—黄元井矿区2条，石门地区4条，均赋存于蓟县系雾迷山组一段。矿体形态简单，除高庄矿区K7矿体呈似层状或似扁豆状，厚度变化较大不稳定外，其余均为稳定的层状，矿体产状与围岩一致，界限清楚，少数为过渡状态，围岩岩性均为青白—灰色含石英条带、石英团块或其他杂质的白云石大理岩(图2a，图2b)。矿体均呈雪白色，仅局部微带浅黄色和浅青白色。经长期民采，地表及浅部矿体大多已被采空，留下废弃采硐，故本次研究未对GK1、GK2、GK3和GK4矿体作详细调查。矿体特征详见表1。

图2 汉白玉照片

表1 大石窝地区汉白玉矿体特征

2.2 矿石组构

汉白玉矿石为纯白色，细粒变晶结构，致密块状构造。矿物成分主要为白云石(Dol)，他形、粒状，闪突起、高级白干涉色，颗粒间呈三边镶嵌结构，主要粒径为0.05～0.3mm，含量约占岩石总量97%～98%；石英(Qtz)呈他形粒状，充填白云石颗粒间，主要粒径0.05～0.5mm，含量约1%(见图3)；局部见少量云母、方解石，极少量黄铁矿、褐铁矿、石榴子石。

图3 汉白玉镜下显微照片

2.3 化学成分

对15件汉白玉矿石样品主要化学成分进行分析，结果见表2，平均质量分数(%)为：SiO22.75、Al2O30.207、TFe 0.19、CaO 29.22、MgO 21.06，矿石具富钙镁的特点。白云石的分子式为CaMg[CO3]2，理论上白云石中应含有30.43%的CaO和21.74%的MgO，这与本区汉白玉中CaO和MgO的含量相当接近，说明本区汉白玉成分纯净，几乎全部为白云石，除局部富集石英条带或团块外，其他杂质含量极少。

表2 化学分析结果(%)

2.4 物理性质

在研究区共采取9套汉白玉矿石样品对其物理性能进行测试，由于地表矿石大多已被采空及钻孔中矿石长度有限等因素，部分样品未能完成全部项目的测试。测试结果见表3。测试结果满足国家对大理石建筑板材的指标要求，矿石质量良好[21]。

2.5 饰面石材荒料率

饰面石材的荒料率是衡量饰面石材矿石质量的重要指标，直接关系到饰面石材矿体开采经济价值，荒料率的高低主要受矿石节理裂隙发育程度的影响[22]。由于矿体形态和质量稳定，构造裂隙不发育，本区矿石利用率较高，据调查，高庄矿区实际生产荒料率高达50%。

表3 物理性能测试结果

3 汉白玉成因探讨

当前关于汉白玉的成因研究较浅，国内学者普遍认为大石窝地区的汉白玉是动热变质成因，石门花岗岩体是变质作用的热力来源[1，4-5，7，17-18]，岩石在高温烘烤下发生退色变白而形成汉白玉[19]。但纵观大石窝地区的汉白玉分布，乃是与地层产状一致的顺层矿体，且具有多层性，其分布范围与岩体并无直接联系，同一岩性的地层在高温下发生选择性退色的可能性不大。苗运法等[23]研究发现，现代地表沉积物的颜色指标与温度之间没有必然联系，而与降水量之间具有较好的相关性。将今论古，本区大理岩的颜色特征可能亦与地质历史时期降雨量的变化有关。Papageorgakis[24]指出，灰色大理岩的颜色与矿物含量是由原岩的物质组成决定的。因此，笔者认为本区大理岩的颜色应为变质前的颜色，其差异可能是受降雨量影响，石门花岗岩体的热力使白云岩变质成为大理岩。

影响岩石颜色的因素有很多，如岩石组构、岩石湿度、形成环境、致色矿物、有机质、后期改造等[25-26]。Schmid等[27]研究了意大利北部与Adamello岩体有关的白色方解石大理岩，认为原岩中有机碳含量的降低是岩石颜色由灰变白的主要原因，二氧化硅、矿石矿物及流体不会引起颜色的改变。同时指出，矿物粒径大小与岩石的亮度相关。本区汉白玉矿石及其围岩均为粒状变晶结构，岩石较纯净，矿物成分以白云石为主，部分石英，二者含量一般占岩石总量的98%以上，其他矿物包括少量金云母、方解石以及极少量的金属矿物，除局部偶见少量黄铁矿、褐铁矿等蚀变矿物外，未发现致色矿物。据曹琦等[25]研究发现，浅色的岩石含有机质低，多形成于浅水、动荡和氧化条件下，因此，本区大理岩的形成环境可能与此相似，岩石颜色很可能受岩石中有机质含量的控制，为同沉积期—成岩早期的颜色。汉白玉矿石的矿物主要粒径0.05～0.3mm，浅灰—灰色大理岩主要粒径0.1～1mm，由于光在粗晶矿物中路径较细晶中长，增加了对光的吸收，因此汉白玉具有比灰色大理岩更高的亮度。

综合上述分析，大石窝地区汉白玉的形成模式为：中元古代，北京西山地区发育一套滨—浅海相富镁碳酸盐沉积。该时期海水中藻类等生物活动频繁，有机质含量高，沉积物颜色以灰色为主，其中某个(某几个)地质历史时期降雨量丰富，在特定的地质构造环境下，沉积物中的有机质被带走，沉积物成分纯净，因而呈现白色。沉积物压实逐渐形成白云岩。至早白垩纪，距今大约115Ma，燕山晚期第2次岩浆旋回，岩体侵入雾迷山组第一段地层中，即石门花岗岩体，由于岩浆的热力作用，使岩体周围白云岩普遍大理岩化、重结晶，从而形成洁白、细腻的白云石大理岩，即汉白玉。

4 找矿方向

汉白玉是我国非常缺乏的矿藏，目前保有资源量很少，除北京外我国仅少数几个省有汉白玉资源。鉴于汉白玉重要的应用价值，其市场需求持续增长。综合前文，汉白玉的找矿方向主要有以下几点：

(1) 地层标志：蓟县系雾迷山组一段地层是本区唯一的赋矿层位，是重要的找矿方向。

(2) 岩性、构造标志：在碳酸盐地区的岩体侵入部位，常发生变质作用形成大理岩，可作为汉白玉的找矿标志；有时背斜构造的形成与其下隐伏岩体有关，亦不容忽视。

(3) 就矿找矿：在已知汉白玉矿区深部及外围找矿，是最直接且行之有效的找矿方法。

5 结论

(1) 大石窝地区汉白玉矿赋存于蓟县系雾迷山组一段地层，矿体主要呈稳定的层状，构造裂隙不发育。岩石质地洁白、结构细腻、透光感强，具粒状变晶结构，块状构造，成分纯净，白云石含量高达97%～98%。

(2) 大石窝地区岩石节理裂隙发育较弱，所产汉白玉加工性能良好，生产荒料率高达50%。

(3) 大石窝地区白云石大理岩为滨—浅海相富镁碳酸盐沉积经区域热变质作用形成，汉白玉矿层为降雨量充沛时期沉积的产物，由于其中有机质含量低而呈现白色。燕山晚期侵入的石门花岗岩体是变质作用的热力来源。

(4) 蓟县系雾迷山组一段地层、背斜构造或岩体侵入部位以及已知汉白玉矿区深部及外围地区，是寻找汉白玉的重要方向。

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Characteristics and Genesis of the White Marbles in the Dashiwo Area, Fangshan, Beijing

MENG Dong-qing, GE Chang-feng, LI Huai-yong
(Beijing Institute of Geological Engineering Design, Beijing 101500, China)

The white marbles are rich in the Dashiwo town of Fangshan district in Beijing.The composition of the rocks are mainly dolomites, with pure white color and fine structure. The ore beds are stratiform and hosted in the first Member of Wumishan formation, Jixian system. The rocks have little joints and fractures, thus lead to good physical property and high waste rate. The article proposed the origin model and prospecting direction of White marbles on the basis of the geological characteristics study on this district.

Dashiwo; white marble; geological characteristics; origin

P619.223

A

1007-9386(2017)04-0033-05

2017-01-04