辽宁彰武大四家子珍珠岩矿区沸石矿地质特征及成因分析❶

董军

辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013

大四家子珍珠岩矿区及周边地质工作始于20 世纪70 年代，先后有辽宁省地矿局第一区调队、辽宁省第四地质大队、辽宁省有色地质局勘察研究院对该地区进行区域调查和勘查，相续发现了瓷土矿、沸石矿及珍珠岩矿[1-3]。大四家子珍珠岩矿区原为寻找珍珠岩矿体，但在勘查过程中发现珍珠岩矿伴生沸石矿，故对区内沸石矿也进行了一定的研究工作，并获得一些成果。本文旨在研究该区内沸石矿床地质特征，探讨沸石矿成因及找矿方向，对今后寻找和评价此类矿床有一定指导意义。

1 地质背景

大四家子珍珠岩矿区大地构造位置处于中朝准地台（Ⅰ）华北断坳（Ⅱ）下辽河断陷（Ⅲ）法库断凸（Ⅳ）西部，矿体产于NE 向展布的中生代彰武-黑山断陷盆地内。

区域地层主要为中生代白垩系义县组（K1y）火山熔岩及火山碎屑岩和孙家湾组（K2s）砂岩、砾岩夹砂页岩。其中沸石的矿化与下白垩统义县组（K1y）酸性火山熔岩和火山碎屑熔岩，特别是珍珠岩、黑耀岩、球泡流纹岩和酸性火山碎屑熔岩类有着极密切的关系。

区域内褶皱构造呈缓倾斜的向斜盆地，在这向斜盆地中还有着次一级的向斜盆地，沸石矿的赋存与褶皱构造，有着极密切的关系。断裂以北北西向压扭性断裂构造为主，北东向压扭性断裂构造次之，均为成矿后构造，与沸石矿化无明显的关系。

区域内岩浆活动不发育，局部有花岗岩和与次火山岩出露。

区域上矿产资源丰富，特别是与火山岩有关的珍珠岩、黑曜岩、膨润土、瓷土矿、沸石矿等非金属矿。膨润土、沸石、珍珠岩等矿主要分布在中生代彰武-黑山断陷盆地东部和东北部，如：东六家子膨润土矿、罗锅沟沸石矿、土城子珍珠岩矿、苇子沟沸石矿等。

2 矿区地质

矿区内主要出露地层为下白垩统义县组（K1y）和第四系（Q4）（图1），下白垩统义县组（K1y）岩性主要为火山熔岩相的流纹岩、安山岩、黑耀岩及火山碎屑岩相的流纹质凝灰角砾岩、蒙脱石化角砾凝灰岩、流纹质角砾集块熔岩、蒙脱石化流纹质角砾凝灰岩等。第四系（Q4）主要由灰褐色粘土、砂质粘土、亚砂土、砂和砾石组成，山间谷地较发育。区内沸石矿主要赋存于珍珠岩矿的下盘及下白垩统义县组（K1y）酸性火山碎屑岩中。

矿区处于一缓倾斜向斜盆地NE 翼，断裂构造活动表现不明显。岩石流动构造较发育，尤其是流纹岩、珍珠岩的流线、流面构造，其产状和地层产状一致。

矿区内以中生代中酸性火山喷发为主，无侵入岩体存在，局部可见与火山岩同源异相的超浅成的安山玢岩脉（αμ）和石英脉（q）。

3 矿体地质特征

3.1 矿体特征

矿区内发现3 个规模不等矿体，其中规模最大的是Ⅲze 号沸石矿体，为隐伏矿体，由钻孔ZK7-1、ZK3-1 和ZK0-1 控制，矿体呈扁豆状、似层状，与围岩产状基本一致，但其接触面凹凸不平，矿石保留珍珠岩矿和流纹岩的结构、构造特征。矿体局部见细脉状或网脉状石英（玉髓）和蒙脱石。该矿体延长230m，延深65m，矿体赋存标高198.75～221.00m，总体产状240°∠52°，其中ZK0-1 孔内见矿厚度为10.15m，上盘围岩为流纹岩、下盘围岩为流纹质角砾凝灰岩，在ZK7-1孔中见矿厚度为6.35m，位于珍珠岩矿下盘围岩。

其它两条沸石矿体，呈扁豆状或透镜状发育于流纹质凝灰角砾岩中，沸石中保留有流纹质凝灰角砾岩变余结构，矿体延长分别40m 和120m，延深30～40m，厚度4～6m。

3.2 矿石矿物成分及结构构造

3.2.1 矿石矿物成分

样品X 射线衍射图谱（图2）经过寻峰后产生的所有峰都找到了与其相匹配的标准卡片，沸石矿的矿物成分主要为斜发沸石（65%～75%）、蒙脱石（5%～10%），可见少量的丝光沸石、石英、长石、伊利石等矿物。

3.2.2 矿石结构构造

沸石矿呈浅黄灰色、淡绿色、灰白色及浅紫色等，矿石比重2.12kg/cm2，硬度3.5～4.5、贝壳状断口、新鲜面蜡状光泽，风化后易呈棱角状碎块和片状。镜下沸石单矿物的粒度一般＜0.03mm，呈显微变晶结构（图3a）。矿石由原珍珠岩或酸性角砾凝灰岩经沸石化形成，沸石化程度强弱不一，均保持原岩结构和构造。矿石类型主要为致密块状矿石和角砾状块状矿石。

图2沸石矿X 射线衍射图谱 Fig.2X-ray diffraction pattern of zeolite deposit

Fig.3Zeolite ore of Dasijiazi deposit

致密块状构造矿石（图3b）：保留珍珠岩和流纹岩结构构造特征和未蚀变的石英、钠长石、透长石斑晶，普遍有蒙脱石化，这种类型的矿石质量好，沸石含量高，杂质含量少。

凝灰角砾构造矿石：可见角砾，角砾大小一般2～5mm，个别可达2cm，角砾成分主要为流纹岩，胶结物为流纹质，胶结物与角砾间的界线明显。沸石化发生在胶结物及火山玻璃角砾中，与围岩常呈相变关系，沸石含量50%～55%，蒙脱石含5%～10%。

3.2.3 矿石中有益组分的变化规律

在ZK0-1 孔内（图4）矿石沸石含量一般在50%以上，平均含量56.23%，最高含量62.35%。有害组分蒙脱石含量一般均在10%以下。

图4 ZK0-1 钻孔沸石和蒙脱石含量变化曲线 Fig.4Variation of the content of zeolite and montmorillonite in ZK0-1 hole

有益组分和有害组分的含量，从地表到深部沿倾向两者有负相关关系，但是有害组分蒙脱石的含量在局部地段有富集现象，含量剧增至15%，造成此种现象，可能是蒙脱石沿裂隙富集所致。

另外，在沸石矿与围岩接触部附近，从矿体到围岩沸石含量逐渐变低，距离矿体越远含量越低。

3.3 矿石化学成分

沸石矿主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、K2O、Na2O、H2O+，其次为TiO2、MgO、CaO、P2O5等（表1）。SiO2/A12O3在10.30～10.90，属高硅沸石。碱金属与碱土金属种类主要为K、Na、Ca、Mg，ω（K2O+CaO）均高于ω（Na2O+MgO），属于富钾钙沸石[4]。

表1大四家子沸石矿及围岩化学全分析结果 Table 1Chemical analysis results of Dasijiazi zeolite mine and surrounding rock

从表1 结果看，沸石中SiO2的含量与成矿原岩的SiO2含量低2%～5%，可能是成矿过程中有明显脱硅作用。沸石岩中K2O 和Na2O 含量为比成矿原岩的K2O 和Na2O 含量低，显示了成矿过程中碱质参加了成矿过程，部分碱质转移到水介质中，增加了介质的碱性程度，这与沸石生成化学反应条件是完全一致[5]。

大四家子斜发沸石与国内外有关矿区对比（表2），其化学成分比较接近，如SiO2、Fe2O3、TiO2、K2O、CaO、H2O 的数据均在国外斜发沸石化学成分变化范围之内，为高硅富钾钙型沸石矿。

表2大四家子沸石矿与国内外沸石矿化学成分对比 Table 2Comparison of chemical composition between Dasijiazi zeolite ore and zeolite ore at home and abroad

4 沸石物理化学性能

4.1 吸氨量和吸钾量

吸氨量和吸钾量测试由中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁测试研究所完成，吸氨量测定采用纳氏试剂比色法，吸钾量测定利用火焰光度法测定。大四家子沸石矿吸氨量101.78mmol/100g～183.85mmol/100g，平均为143.38mmol/100g，吸钾量6.43mg/g～20.08mg/g，平均为13.87mg/g，沸石矿吸氨量与吸钾量具有相关性（图5）。根据沸石吸氨量以纯斜发沸石理论吸氨量（218mmol/100g 或219mmol/L）[6]计算，沸石含量在46.5%～83.9%。

图5沸石矿中K+与NH4+交换容量相关图 Fig.5Correlation diagram of exchange capacity between K+ and NH4+ in zeolite minerals

4.2 吸蓝量

吸蓝量的测试由辽宁有色勘察研究院实验室完成，采用的分析方法为玻璃棒滤纸法，沸石中伴生有蒙脱石，蒙脱石含量为3%～15%，从钻孔ZK0-1（见图4）可见沸石矿体中的蒙脱石含量与沸石含量略具负相关性。

4.3 K+、Na+、Ca2+、Mg2+交换量

K+、Na+、Ca2+、Mg2+交换量测试方法含量采用原子吸收法进行侧量。从表3 可见Ca2+的交换量皆大于其他阳离子交换量，Ca2+>Na+>K+、Mg2+，K+与Mg2+的交换量基本接近。总阳离子交换量大于阳离子交换容量，原因为沸石矿伴生蒙脱石化和高岭土化[7]。

表3 沸石矿石阳离子交换容量 Table 3Cation exchange capacity of zeolite ores

4.4 酸碱度（pH 值）

pH 值测试由辽宁有色勘察研究院实验室分析结果表明，沸石岩的pH 值平均为8.42（8.78～8.16），属偏碱性类型。

5 矿床成因探讨

大四家子矿区沸石矿受地层岩性控制，产状与围岩一致，矿体沿倾向有明显的分带现象，从上到下依次为：①未蚀变的珍珠岩带或酸性火山碎屑岩带；②过渡带（蚀变珍珠岩或酸性火山碎屑岩带及沸石）；③沸石带；④沸石及蒙脱石带。同时，矿体与围岩的接触界面凸凹不平，在围岩处有沸石脉穿入围岩及有网脉状石英脉的出现。矿体中沸石的含量虽然通常在50%以上，但其变化范围在40%～60%，而围岩的沸石含量变化为0～39%，且有从矿体到围岩沸石含量逐渐变低的趋势。

根据哈依与久岛提出的反应式[8]：

火山玻璃+H2O→K,Na 斜发沸石+SiO2+Fe2+

火山玻璃+H2O→丝光沸石+SiO2+Fe2+

从反应式可以看出，斜发沸石、丝光沸石与方石英或石英是紧密共生的，这些从X 射线衍射图谱中可以证实。从结晶学观点看，是酸性火山玻璃水化后，扩大了四面体体积，增大阳离子充填率的结果所致[9]。从化学成分变化上看，沸石的生成是SiO2、Na2O、FeO 脱玻化带出的结果，CaO、MgO、H2O 带入及挥发分增加的过程[10]。

火山喷发提供了大量成矿物质和热量，含有玻璃质的火山碎屑进入淡水湖盆中，使湖水温度迅速升高，加速了火山玻璃的水化作用和蒙脱石的早期形成，使其中的碱金属钾、钠等不断得到释放，从而提高了水溶液的pH 值，构成了沸石形成所必须的碱性-弱碱性的水化学条件。在温度较高条件下，处于氧化环境，Mg2+、Fe3+浓度较高，利于形成丝光沸石；在火山活动晚期，处于低温、低压条件下，在热气水溶液里，SiO2活度增加，K+、Ca2+离子浓度增高，大量斜发沸石结晶，同时有方英石及长石共生，未喷出地表的珍珠岩在地下水作用下原地发生水化、水解，玻璃质转变成斜发沸石。

从沸石矿体上部有球泡流纹岩及其球泡构造的存在，反映了火山活动晚期热气水溶液作用的结果。大四家子矿区沸石矿是酸性火山玻璃在低温、低压条件下受火山活动晚期的热气液作用形成的，属于火山热水溶液型沸石矿床。

6 找矿方向

中生代彰武-黑山断陷盆地内是寻找沸石岩的最主要地区，同时也是形成粘土矿、膨润土、珍珠岩、黑耀岩等非金属矿产最有意义的地区；构造控制了火山盆地的形成，盆地继承了成矿物质的堆积，在水介质条件下，促成了沸石矿床的形成；最有利的成矿时代为白垩纪；下白垩统义县组（K1y）酸性火山熔岩与火山碎屑岩是较理想的成矿岩系，特别是珍珠岩、黑耀岩、球泡流纹岩发育地带。通过上述成矿环境、构造、时代和地层岩性的分析：位于矿区内新窝堡、罗锅沟下白垩统义县组（K1y）黑耀岩、珍珠岩、流纹岩发育，局部有沸石岩出露，是下一步工作方向；中生代断陷盆地彰武-黑山盆地、阜新-义县盆地、紫（紫都台）于（于寺）盆地，下白垩统义县组（K1y）酸性火山熔岩与火山碎屑岩发育，是较好的找矿远景区（图6）；中生代彰武-黑山断陷盆地内的胡家沟、屈家沟，敖户起、孤树子、苇子沟、东六家、苏宝地等位于大四家子矿区周边，具有和矿区相同的地层、构造、岩浆岩及成矿条件，圈定了东六家-孤树子和苏宝地-敖户起两个找矿靶区（图6）。

图6沸石找矿远景区及靶区示意图 Fig.6Schematic diagram of zeolite ore prospecting prospect and metallogenic target area

7 结论

（1）大四家子珍珠岩矿区内沸石矿赋存于下白垩统义县组（K1y）酸性火山熔岩或火山碎屑岩中，矿石矿物主要为斜发沸石，矿石结构构造保留成矿母岩特征，成矿母岩化学成分与沸石矿物一致，属高硅沸石。

（2）火山玻璃脱玻化是形成沸石矿物的主要原因，矿床属于火山热水溶液型沸石矿床。

（3）根据成矿地质条件，圈定彰武-黑山盆地、阜新-义县盆地、紫（紫都台）于（于寺）盆地3 个找矿远景区；进一步圈定了东六家-孤树子和苏宝地-敖户起2 个找矿靶区。