甘肃金塔大红山石英岩矿地质特征及成因浅析

周定飞，张 亮，任长旭

(甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000)

石英岩矿是除水晶之外提取高纯石英砂的重要原料。高纯石英砂在航空、航天、电子、机械以及IT产业中占有举足轻重的地位，特别是在石英玻璃行业、电子信息产业、电光源产业、光伏产业等许多高新技术产品中发挥着越来越重要的作用[1-3]。

甘肃省建材非金属矿总体地质勘查程度很低，极大地影响着省内建材工业的发展[4]。截至2019年底，省内共发现和评价石英岩矿产地18处，其中大型矿床2处[5],分布于永登和武都，在金塔大红山所处的北山尚未发现大型石英岩矿。金塔大红山石英岩矿赋存于蓟县系平头山组下段石英岩层中，共圈定石英岩矿体26条，其中冶金熔剂用石英矿体17条，平板玻璃用石英岩矿体9条。估算推断石英岩矿石量9 238.90万t，潜在石英岩矿石量27 023万t，规模属大型。矿石类型为石英岩型，为沉积变质型矿床。总结研究大红山石英岩矿地质特征及矿床成因，有助于分析其矿床远景，指导区域上同类矿产的找矿工作。

1 区域地质

研究区地层隶属塔里木地层大区，敦煌地层区，罗雅楚山—柳园地层分区[6]。区域上出露地层主要为长城系古硐井群、蓟县系平头山组、志留系公婆泉群、石炭系红柳园组、芨芨台子组、白垩系新民堡群、第四系上更新统、全新统[7]。其中，蓟县系平头山组为研究区重要的铜、铁、铅、石英岩含矿层位。

区域内岩浆活动频繁，主要为二叠纪、石炭纪和志留纪侵入岩，基性—中酸性岩体均有分布，为各种元素富集成矿提供了物源及热源[8]。岩体规模及形态各有差异，受深大断裂控制，呈岩基、岩株或岩枝状侵入，走向以北西向为主。后期断层对岩体存在一定破坏作用。脉岩亦较发育且种类繁多，有辉长辉绿岩脉、闪长岩脉、花岗闪长岩脉、花岗岩脉、煌斑岩脉及石英脉等。

研究区地处塔里木陆块区，敦煌陆块，柳园裂谷[9](图1)。构造形迹主要由北西向褶皱和压性逆冲断层组成。褶皱多被断裂切割或岩体侵入破坏，形态不全；断裂构造可分为北西—近东西向、北东向两组，以北西—近东西向规模最大。

1 区域大地构造位置图

2 矿区地质

2.1 地层

研究区出露地层主要为蓟县系平头山组下段(Jxp1)、白垩系新民堡群(K1X)、上更新统(Qp3

pl)、全新统(Qhpl)。

(1)蓟县系平头山组下段(Jxp1)。

该套地层出露面积大，为石英岩矿含矿层位。呈带状分布，走向125°～155°，倾角60°～80°，与平头山组上段呈断层接触，北侧与白垩系新民堡群不整合接触，向东延伸厚度稳定，后被岩体吞噬。该岩段主要为石英岩、粉砂质板岩、绿泥石英千枚岩，夹有灰黑色变石英砂岩、烟灰色硅质岩、灰黑色粉晶灰岩、大理岩及浅灰绿色英安岩。主要层位沿走向连续出露，北西端和南东段被第四系所覆盖，长度超过10km，但厚度变化较大，在200～750m之间。由于石英岩与粉砂质板岩、绿泥石英千枚岩之间能干性存在较大差异，受区域构造运动影响，石英岩表现为断裂和破碎，浅变质碎屑岩则表现为褶皱变形。

在石英岩与围岩的界面存在明显的位移，构成断层接触。接触部位发育明显的断层角砾岩，且褐铁矿化、高岭土化等蚀变强烈。局部地段石英岩呈透镜状分布于板岩及千枚岩之中，一般长220～830m，厚5～65m，与围岩呈断层接触。

(2)白垩系新民堡群(K1X)。

出露于研究区东部，不整合于蓟县系平头山组千枚岩之上，且多被第四系掩盖，出露较差。岩性组合为粉砂质泥岩、细砂岩、细粒杂砂岩、粗砂岩、含砾粗粒石英长石砂岩、细砾岩等。

(3)第四系上更新统(Qp3

pl)。分布于研究区南部石英岩西侧，主要为现代冲洪积亚黏土、亚砂土及砂等，厚度一般为数厘米至数米。

(4)第四系全新统(Qhpl)。

分布于研究区西侧沟谷及河床，主要为松散—半胶结砂砾石层。

2.2 构造

研究区构造形迹主要为北西西向断裂构造。主要断层为F1、F2，发育于蓟县系平头山组石英岩与板岩、千枚岩接触部位，走向140°～150°，控制着石英岩的展布，两侧岩石较破碎，岩石具褐铁矿化等特征，影响矿石质量。

2.3 岩浆岩

区内侵入岩为中生代岩浆活动形成的钾长花岗岩、辉长岩和石英闪长岩。钾长花岗岩分布于研究区东南侧，呈岩株状产出，北侧侵入于蓟县系平头山组下段粉砂质板岩中，内部有北西、近东西辉绿岩脉、花岗斑岩脉侵入，南侧被第四系更新统砂砾石掩盖，东侧延伸至研究区外。辉长岩分布于研究区中部，呈脉状产出，长轴长1 040m，短轴长20～106m，呈北西—南东向展布，与区域构造线方向一致。侵入于蓟县系平头山组下段粉砂质板岩中。石英闪长岩分布于研究区东部，呈岩株状产出。

研究区内脉岩较为发育，脉岩大部分呈北西向展布，与区域构造线方向一致，部分脉岩呈近东西向、南北向展布。主要有花岗斑岩脉、闪长岩脉、辉绿岩脉、辉绿玢岩脉等。在研究区多数地段均出现岩脉穿插石英岩矿体的现象，对矿体的空间展布起到一定的破坏作用[10]，且岩脉与石英岩接触部位，发生强烈的接触交代作用，造成石英岩矿石有害组分含量增高，影响矿石质量。其中辉绿岩脉在研究区最为常见，是破坏矿体的主要因素。

2.4 变质作用

研究区内变质作用主要为区域变质和热接触变作用。

(1)区域变质作用。

区内沉积固结成岩后，在漫长的前中元古代时期可能发生多次地壳运动，使先成岩石普遍遭受不同程度的区域性动力热流变质作用，形成了一套中低变质的区域变质岩[8]。研究区内区域变质岩为蓟县系平头山组下段的千枚岩、粉砂质板岩、变砂岩及石英岩，整体为一套浅变质碎屑岩和石英岩组合。原岩分别为泥岩、含粉砂泥岩、砂岩及石英砂岩、硅质岩，为碎屑岩沉积建造。石英岩矿赋存于石英岩层中，为硅质含量较高的碎屑岩经区域变质所形成，规模较大。

(2)热接触变质作用。

热接触变质作用出现于区内石英岩矿体中，且钻孔证明深部有岩体侵入。矿化层整体分布于侵入岩体的外接触带中，由于岩浆侵入，围岩温度急剧升高而发生发生强烈的接触交代作用[11]，主要表现为石英岩高岭土化和赤褐铁矿化，导致石英岩矿石有害组分中Al2O3、Fe2O3含量增高，影响矿石质量。

3 矿体地质特征

3.1 矿体特征

石英岩矿体赋存于蓟县系平头山组下段石英岩层中，含矿层围岩均为千枚岩、粉砂质板岩。共圈定石英岩矿体26条，其中冶金熔剂用石英岩矿体17条，分别为Q1-R1～Q1-R17；平板玻璃用石英岩矿体9条：Q1-B1～Q1-B8及Q2-B1(图2)。

研究区内主要矿体特征如表1所示。

表1 研究区主要矿体特征一览表

其 中，Q1-R2矿 体 展 布 于33线～0线 之间，赋存标高1 730～1 535m，长度约5 155m，倾斜深度124～254m，倾向222°～243°，倾角36°～57°，呈似层状产出。矿体平均厚度69.0m，厚度变化系数97.54%，属不稳定型。矿体有用组分SiO2品位沿走向变化甚微，品 位93.41%～95.38%，平 均 品 位94.96%，品位变化系数0.75%，属稳定型。矿体有害组 分 为Al2O3、Fe2O3和CaO，其 中Al2O3单 工程 含 量2.57%～3.44%，平 均 含 量2.82%，变 化 系 数10.48%，属 稳 定 型；Fe2O3单 工 程含 量0.14%～0.49%，平 均 含 量0.58%，变化系数18.58%，属稳定型；CaO单工程含量0.35%～0.68%，平均含量0.20%，变化系数52.92%，属较稳定型(图3)。深部由ZK1101、ZK2701等2个钻孔进行控制，其中ZK1101揭穿了该矿体，厚度7.68m，钻孔内矿体厚度略有减薄趋势，有用组分SiO2品位94.87%，品位略有降低；有害组分Al2O3、Fe2O3、CaO含量分别为3.45%、0.40%、0.41%，较地表TC1101内含量均呈现升高趋势；ZK2701未揭穿该矿体，据现有样品分析结果，钻孔内有用组分SiO2品位93.45%，品位略有降低；有害组分Al2O3、Fe2O3、CaO含量分别为3.61%、0.87%、0.14%，除CaO含量较地表TC2701内含量降低外，Al2O3、Fe2O3含量均呈升高趋势。

图3 Q1-R2矿体单工程厚度、品位、有害组分含量变化曲线图

3.2 矿石特征

3.2.1 矿物组成

石英岩矿石原岩可划分为两类，主要为石英砂岩，少数为硅质岩。矿石矿物为石英。

原岩为石英砂岩者，石英颗粒含量＞94%，主要呈等轴粒状，少量呈他形粒状，粒径集中于0.11～0.4mm。石英颗粒内部光性均匀，纯净部分呈“次圆状”，边缘含有微量尘点杂质。晶形趋向或达到近平直镶嵌。石英变晶颗粒整体均匀消光，但由于微量杂质分布，仍显示出明显的次生加大现象，加大边宽约0.005～0.06mm。

原岩为硅质岩者，石英颗粒含量91%～95%，呈细小他形粒状，致密、均匀不规则镶嵌，粒度0.08～0.2mm，少量石英粒度偏大，呈半定向分布于矿石微裂隙区。

脉石矿物主要有绢云母、绿泥石、透闪石、方解石等。

3.2.2 矿石结构构造

(1)矿石结构。

矿石结构主要有细粒近等轴粒状近平直镶嵌变晶结构、细粒粒状镶嵌变晶结构、显微—细粒他形粒状不规则镶嵌变晶结构(图4)。

图4 石英岩矿石镜下特征(正交偏光)

细粒近等轴粒状近平直镶嵌变晶结构：矿石中矿石矿物石英颗粒晶形主要为等轴粒状，少量为他形粒状。晶形趋向或达到近等轴粒状近平直镶嵌，构成矿石整体构架。脉石矿物中细小绢云母及绿泥石等集合体分布于石英颗粒间隙中，共同形成细粒近等轴粒状近平直镶嵌变晶结构。

细粒粒状镶嵌变晶结构：绝大部分石英颗粒呈他形粒状，细小致密，不规则镶嵌。石英间隙中，少量短柱状、近长柱状透闪石呈半定向分布。

显微—细粒他形粒状不规则镶嵌变晶结构：石英主要呈他形粒状，不规则镶嵌，边界清楚，但不平整，局部少数粒度偏大者晶形趋于近等轴粒状近平直镶嵌。在石英间隙中，零星可见细小鳞片状绢云母、细小他形粒状不规则镶嵌碳酸盐集合体、少量尘点状杂质聚集状填充分布。

(2)矿石构造。

矿石构造主要为块状构造，少数为板状构造。

块状构造：矿石主要由等轴粒状近平直镶嵌、少量他形粒状不规则镶嵌的石英变晶组成，粒度均匀，变晶均匀消光，形成块状构造，原岩为石英砂岩(图5)。

图5 石英岩矿石标本

板状构造：矿石主要由近等轴粒状石英近平直镶嵌或他形粒状石英不规则镶嵌组成，整体上石英相对长轴方向有半定向特征，形成板状构造，原岩为板状硅质岩。

3.2.3 矿物粒度

矿石粒度主要分布在-0.5～0.1mm，占比 为62.27%～77.94%，平 均69.61%；粒 度在-1～0.8mm，占比为0%～0.54%，平均占比达0.34%；粒度在-0.1mm占比为15.64～30%，平 均24.14%；粒 度 在-0.8～0.71mm占 比 为0%～3.98%，平均2.06%；粒度在-0.71～0.5mm占比为1.71%～6.54%，平均3.84%。满足平板玻璃用硅质原料质量要求。

3.2.4 化学成分

矿石有用组分为SiO2，有害组分为Fe2O3、Al2O3、CaO。有用组分SiO2品位92.67%～97.89%，平均品位95.90%。有害组分Fe2O3含量0.12%～0.35%，平 均 含 量2.30%；Al2O3含量0.11%～4.74%，平均含量为2.64%；CaO含量0.02%～0.17%，平均含量为0.08%。TiO2含量0.04%～0.19%，平均含量为0.08%；Cr2O3含量极低，均＜0.01%，对矿石质量基本无影响。另据薄片鉴定报告，所有石英岩矿石在镜下均未发现含铬铁矿、铬尖晶石、锆英石、矽线石等难熔矿物。

3.2.5 矿石类型

据矿石中矿石矿物成分及矿床成因分析，研究区矿石自然类型为石英岩型。

据矿石工业用途，研究区矿石工业类型划分为冶金溶剂用硅质原料和平板玻璃用硅质原料。

3.2.6 围岩及夹石

矿体均赋存于石英岩层中，含矿层上下盘围岩主要为千枚岩和粉砂质板岩，局部发育有花岗斑岩脉和辉绿岩脉与含矿层直接接触，构成矿体围岩，与矿体界线清晰。

矿体内存在的千枚岩、板岩、辉绿岩脉、花岗岩脉、闪长岩脉等非石英岩类均为夹石。此外，石英岩层中有用组分SiO2及有害组分Al2O3、Fe2O3、CaO不满足一般工业指标或其厚度达到夹石剔除厚度者均视作矿体夹石。

研究区共圈定夹石9条，各矿体夹石特征见表2。

表2 矿体夹石特征一览表

4 矿床成因及找矿标志

4.1 矿床成因

蓟县纪成矿期是区域矿产的重要成矿期之一，沉积环境稳定，形成巨厚层陆源碎屑岩，为内生矿产的形成提供丰富的物源。后期构造运动强烈，热液活动频繁，为形成沉积变质型矿产提供了良好的地质条件，加之区域低温变质作用，最终形成沉积变质型矿床[5]。

研究区内石英岩赋矿地层为蓟县系平头山组下段，由深灰绿色板岩构造岩片构成[12]，为一套变质碎屑岩建造，含矿岩系为青灰色、灰白色石英岩，矿石类型为石英岩型。石英岩呈层状、似层状分布于浅变质碎屑岩之中，与两侧围岩产状一致，为原始沉积产物。

镜下薄片鉴定结果表明，石英岩矿石的原岩主要为石英砂岩，少部分为硅质岩，属沉积岩。石英砂岩及硅质岩经区域变质作用形成石英岩矿石，属沉积变质型矿床。

甘肃北山红山铁矿赋矿地层主要为蓟县系平头山组的一套浅变质碎屑岩—碳酸盐岩建造[13]，红山铁矿赋矿岩石中稀土元素具有明显的Eu正异常，Ce异常不明显，Y/Ho平均值为31.5，与海底喷气沉积产物特征一致，同时，微量元素Th/U、V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)等比值判别得出其形成古环境为海相氧化环境，认为红山铁矿为热卤水喷流沉积—变质型铁矿床[13]。通过类比认为，金塔大红山石英岩矿赋矿地层与红山铁矿一致，为蓟县系平头山组，且均分布于甘肃北山一带。因此，金塔县大红山石英岩矿沉积环境为海相沉积，巨厚层的石英砂岩及硅质岩，为石英岩矿的形成提供了物源基础。综上述所，金塔大红山石英岩矿矿床成因为沉积变质型[14]。

4.2 找矿标志

研究区石英岩矿床赋存于蓟县系平头山组下段，该岩段为寻找石英矿最理想的层位[15]；厚层、巨厚层的青灰色—灰白色石英岩是直接的找矿标志；石英岩属强硬岩层，抗风化能力明显区别于千枚岩等软弱岩层组成的围岩，地形地貌上由石英岩层形成的丘垅状隆起是间接的找矿标志；蓟县系平头山组为区域低温动力变质作用形成的低绿片岩相的变质地层[16]，石英岩矿石变质程度明显高于围岩千枚岩。因此，在浅变质碎屑岩寻找高变质石英岩也是找矿方法之一。

5 找矿前景

通过概略研究，认为研究区内石英岩矿石可满足玻璃用石英砂精矿。初步估算推断石英岩矿石量9 238.90万t，潜在石英岩矿石量27 023万t，矿床规模属大型。此外，研究区周边红山井、大红山南工作区石英矿床亦均属大型。甘肃北山地区变质岩区广泛分布，尤其是晚前寒武纪地层主要为一套轻变质岩、石英岩及大理岩[17]，且大多变质岩地层都含石英岩。因此，在甘肃北山地区寻找变质型石英岩矿床具有很好的前景。