大连土城子熔剂用石灰岩矿床地质特征及成因分析

张连强

(辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司,辽宁 鞍山 114051)

石灰岩是广泛应用于冶金、建材、化工、轻工、建筑、农业等领域的重要矿产资源[1]。辽宁省石灰岩资源丰富，分布广泛，从元古界至古生界共有20个含矿层位[2-8]，大连土城子熔剂用石灰岩矿赋存于新元古界震旦系甘井子组，矿体规模大、质量好；以往该区域石灰岩勘查及研究工作重点为震旦系南关岭、营城子组及下古生界，对甘井子组矿床成因研究略显薄弱。本文以土城子熔剂用石灰岩矿床为研究对象，总结其矿床地质、矿体特征、矿石质量等地质特征及规律，分析矿床成因，为今后大连地区寻找甘井子组石灰岩矿床提供参考。

1 区域地质背景

矿区大地构造单元位于柴达木—华北板块(Ⅰ)、华北陆块(Ⅰ2)、辽东新元古代—古生代坳陷带(Ⅰ24)、大连新元古—古生代陆表海盆地(坳陷)(Ⅰ24-6)、复州新元古代—古生代凹陷(Ⅰ24-6-2)的南端(图1)。地层分区为胶辽徐淮地层区的辽东地层分区的大连地层小区[9]。

图1 区域地质略图

区域出露地层有新元古界南华系桥头组(Pt3q)，震旦系长岭子组(Pt3c)、南关岭组(Pt3n)、甘井子组(Pt3g)、营城子组(Pt3y)、十三里台组(Pt3s)，中生界白垩系小岭组(K1x)，新生界第四系上更新统(Qp3)、全新统(Qh)。桥头组岩石类型为石英砂岩夹黄绿色页岩，为一套陆源砂岩建造[9]；长岭子组为一套陆源碳酸盐建造，岩石组合为钙质板岩夹泥质灰岩、粉砂岩；南关岭组主要岩石类型为灰黑色中厚层灰岩；甘井子组是一套局限台地相沉积产物，为白云岩型蒸发岩建造，主要岩石为深灰色、黄白色白云岩以及深灰色灰岩组成，灰岩为泥晶灰岩与白云质灰岩相间互层，是石灰岩矿重要含矿层位；营城子组为灰黑色中厚层灰岩，偶夹钙质页岩；十三里台组由一套黑色页岩夹薄层或透镜状泥质灰岩组成；白垩系小岭组主要为深绿色、紫红色火山碎屑及火山角砾岩组成。

区域构造简单，以断裂构造为主。断裂构造可分为NE 向和NW 向两组，断裂构造倾角均较陡。断裂水平断距大，最大可达几公里。断裂性质多为正断层，次为逆断层。

区域出露岩浆岩主要为辉长岩脉，多沿断裂或沿层间侵入在震旦系及白垩系地层中。岩脉长为0.2 ～2km，宽几米至几百米不等，分布方向与区域构造方向一致，产状较缓。

2 矿区地质特征

2.1 地层

区内出露地层主要有新元古界震旦系甘井子组(Pt3g)，是熔剂用石灰岩的主要赋矿层位(图2)。其岩性为一套碳酸盐岩沉积岩系，以白云岩为主夹泥晶灰岩、白云质灰岩。总体呈NE 向展布，倾向NW，倾角10°～20°。根据岩石类型组合划分为三个岩性段[10]。各段岩性由下至上叙述如下：

图2 矿区地质简图

一段(Pt3g1)：分为两个岩性层，即灰黑色薄层状白云岩、黄白色薄层状含燧石条带白云岩，与下覆南关岭组整合接触。层厚度约270m 左右。

二段(Pt3g2)：为深灰色中厚层泥晶灰岩与白云质灰岩互层，是熔剂用石灰岩的赋存层位，地层总厚度约300m。根据其岩性不同，可细分为5 个岩性层：①深灰色中厚层石灰岩层(Pt3g21)：以泥晶灰岩为主，次为碎屑灰岩，缝合线发育，泥晶灰岩中有薄层蠕虫状灰岩及白云质灰岩透镜体；②深灰色中厚层含白云质透镜体灰岩层(Pt3g22)：以白云质灰岩为主，间夹泥晶灰岩薄层及白云质灰岩透镜体，夹少量蠕虫状灰岩及鲕状灰岩薄层；③灰黑色中厚层泥晶灰岩层(Pt3g23)：以泥晶灰岩为主，部分为鲕状灰岩、碎屑灰岩及白云质灰岩透镜体，局部泥晶灰岩中有少量黄铁矿沿层星散分布；④深灰色中厚层含透镜体白云质灰岩层(Pt3g24)：以白云质灰岩为主，夹泥晶灰岩、碎屑灰岩、蠕虫状灰岩，三者常互层交替出现；⑤深灰色中厚层白云质灰岩夹泥晶灰岩层(Pt3g25)：与Pt3g24 岩性基本一致，不同之处是没有白云质灰岩透镜体。

三段(Pt3g3)：与上覆营城子组整合接触，岩石类型主要为白云岩。根据白云岩特点可分为四个岩性层，即深灰色薄层状含燧石结核白云岩、灰白色薄层状含燧石条带白云岩、深灰色薄层状白云岩、灰黄色薄层状含燧石条带状白云岩。该段地层厚度约110m。

2.2 构造

区内地层总体呈北西向缓倾单斜层状产出，走向NE50°左右，倾角10°～20°。断裂构造较为发育，与区域构造线方向基本一致，有NW 向和NE向两组断裂构造，断裂倾角较陡，将岩层纵横切割，但对岩层连续性破坏不大，总体仍保持基本连续。断层面上擦痕角均很缓，多为平推正断层或平推逆断层，垂直断距小，约10m，水平断距大，一般40 ～70m。断层破碎带宽窄不一，约为1 ～30cm。根据断层相互切割关系，多为NE 向断裂切割NW向断裂，NW 向早于NE 向断裂。

2.3 岩浆岩

区内出露岩浆岩主要为辉长岩。多呈规模不等脉状、小岩株状产出，出露宽度约3 ～130m，岩脉走向NW10°和NE80°，多沿断裂构造方向分布。

3 矿床地质特征

矿床赋存于新元古界震旦系甘井子组二段，总体为一厚层状矿体，矿体走向长3750m，倾向延深1400m 左右，平均厚度约300m。矿体总体产状走向40°～50°，倾向北西，倾角10°～25°。矿体顶板围岩为甘井子三段深灰色薄层状含燧石结核白云岩、底板围岩为甘井子组一段黄白色薄层状含燧石条带状白云岩，矿体内部未见有非矿夹层。

3.1 矿体特征

根据岩石类型组合，自下而上划分为Pt3g21、Pt3g22、Pt3g23、Pt3g24和Pt3g25五个矿层(图3)。各层矿体稳定，厚度变化不大，矿层分别与甘井子组二段五个岩性层位相对应。各矿层特征如下：

图3 典型勘探线剖面图

Pt3g21(一层矿)：以Ⅰ、Ⅱ级和特级品为主，地表出露宽度26 ～80m，走向延长1930m，倾向延深500 ～1300m，平均延深900m。矿层厚度15 ～20m，平均厚约18m，厚度变化系数为14.76%。

Pt3g22(二层矿)：以白Ⅰ级品为主，地表出露宽度52 ～118m，走向延长1930m，倾向延深440 ～1200m，平均延深820m。矿层厚度25 ～44m，平均厚约34m，厚度变化系数为13.42%。

Pt3g23(三层矿)：以Ⅰ级品、特级品为主，地表出露宽度320 ～400m，走向延长1990m，倾向延深400 ～850m，平均延深625m。矿层厚度97 ～140m，平均厚约115m，厚度变化系数为14.76%。

Pt3g24(四层矿)：以白Ⅰ级、Ⅰ级品为主，地表出露宽度20 ～150m，走向延长1400m，倾向延深340 ～680m，平均延深542m。矿层厚度76 ～113m，平均厚约86m，厚度变化系数为20.31%。

Pt3g25(五层矿)：以白Ⅰ级、Ⅲ级品为主，地表出露宽度60 ～442m，走向延长700m，倾向延深130 ～315m，平均延深214m。矿层厚度约43m。

3.2 矿石特征

3.2.1 矿石矿物组成

矿物成分主要为方解石、少量白云石及微量石英。泥晶灰岩中除原生方解石矿物外，有少量次生方解石细脉，方解石粒度一般在0.02mm 左右，含量约95%。白云石分布不均匀，粒径0.03 ～0.08mm，含量1%～5%。石英含量低于2%，主要分布在岩石层面和矿物间隙或胶结物成分中。方解石细脉沿岩石裂隙充填，晶粒0.3 ～0.7mm，脉宽约0.1 ～1m，含量约1%。

3.2.2 矿石结构构造

矿石结构主要有微晶结构(图4a、4b)、碎屑结构(图4c)。矿石构造主要有致密块状构造、蠕虫状构造(图4d)。3.2.3 矿石化学成分

图4 矿石薄片镜下特征

矿石中主要有用组分CaO 平均含量52.22%，MgO 平 均 含 量2.71%，SiO2平 均 为0.72%，S 平均含量为0.020%，P 含量平均为0.0023%，Fe2O3含量一般在0.13% ～0.18%，Al2O3含量一般在0.25%～0.47%。主要组分CaO、MgO 呈现出彼此消长的规律，浅部CaO 含量高、MgO 含量低，深部CaO 含量低、MgO 含量高。根据矿石的化学成分，矿石可满足黑色冶金熔剂用石灰岩质量要求[11]。各矿层化学成分见表1。

表1 各矿层化学成分统计表 (单位：%)

3.2.4 矿石类型

矿石工业类型为黑色冶金熔剂用石灰岩。矿石自然类型按矿物成分及结构构造，划分为泥晶灰岩、白云质灰岩、碎屑状灰岩、蠕虫状灰岩及鲕状灰岩，以泥晶灰岩为主，次之为白云质灰岩，碎屑状、蠕虫状灰岩较少，鲕状灰岩最少。

3.2.5 矿石品级

矿石品级是依据经论证的矿床工业指标进行划分的，划分标准见表2。

表2 工业指标及品级划分指标表 (单位：%)

全矿床矿石品级划分为特级、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、白Ⅰ和白Ⅱ等6 个品级。与矿石自然类型有一定对应关系，泥晶灰岩一般多为特级和Ⅰ级品，白云质灰岩多为Ⅱ级品，碎屑状灰岩多为特级和Ⅰ级品，蠕虫状灰岩多为白Ⅰ、白Ⅱ级品，鲕状灰岩多为Ⅱ级品。全矿床品级以特级、Ⅰ级和白Ⅰ级为主，占全矿床的91%(特级39%、Ⅰ级15%、白Ⅰ级37%)。

4 矿床成因

4.1 岩相古地理

受扬子旋回晚期构造运动和周期性的天文旋回等因素影响[10]，频繁的低幅度构造升降运动促使该地区甘井子期沉积层序的形成。甘井子早期海水逐渐入侵，海水覆盖区开始沉积，由于沉积区与广海未直接相连而形成了局限台地环境接受沉积。随着更大规模海侵过程，沉积区由局限台地沉积环境向开阔陆棚沉积环境过渡，期间低能的清水环境，开始沉积泥晶灰岩，之后发生多频次低级别海退海进事件，沉积环境由潮下低能转为浅滩，此时沉积白云质灰岩、碎屑灰岩等。随着海水的逐渐退去，沉积区由开阔陆棚环境过渡至局限台地沉积环境接受沉积。根据金振奎等[12]对碳酸盐岩沉积相分类原则，该区甘井子组沉积环境总体经历了由局限台地相→开阔陆棚相→局限台地相沉积环境的演化过程，开阔陆棚相沉积环境为本区石灰岩的形成提供了良好的沉积环境。

4.2 矿床形成的理化条件

甘井子期经历了四次不同级别的海侵事件[10]，第二次海侵规模最大，使大连海盆沉积环境由局限地台逐渐向开阔台地相过渡，其沉积微相由潮间带向潮下带低能清水环境过渡[13]，为石灰岩沉积提供良好的沉积环境。伴随着气温、海水温度的逐步升高，海水中CO2不断挥发散去，使得海水中钙质碳酸盐含量升高，当达到过饱和后开始沉淀碳酸钙。另外，温暖环境适宜藻类生长，海水中藻类光合作用也需要吸收CO2，降低了Ca2+和CO32-离子在海水中的溶解度，促进碳酸钙的过饱和而沉淀。海侵速度与碳酸钙沉积速度保持大致平衡状态[14]，使得沉积区内长期处于成矿物质源源不断供应环境，而沉积了厚层石灰岩层。而后由海侵作用向海退作用过渡，气候逐渐变为干旱，海水发生蒸发使得Mg2+含量增高，沿海水底部流动，交代早期沉淀的钙质碳酸盐岩形成白云质灰岩。海流或波浪作用使未固结灰岩反复震荡成碎屑，又被灰质胶结，形成碎屑状灰岩；海盆轻微升降运动或地震等作用[15]，使未固结灰岩形成垂直层面裂纹，后被灰质充填，生成蠕虫状灰岩；当海水温度及深度适当时，藻类等生物开始繁殖，便形成了鲕状灰岩。

5 结论

(1)熔剂用石灰矿床赋存于震旦系甘井子组二段(Pt3g2)中，矿体呈厚层状且连续分布，走向长3750m，倾向延深1300m 左右，平均厚度300m 左右，划分为五个矿层，储量规模为大型。矿石品位稳定，有用组分CaO 平均含量52.22%，有害组分S、P 含量低。矿石自然类型以泥晶灰岩、白云质灰岩为主，品级主要有特级、Ⅰ级和白Ⅰ级品。

(2)矿床成因属于化学沉积成因矿床。沉积环境为开阔地台相潮下带亚相低能清水环境。

(3)甘井子组沉积环境经历了局限台地→开阔台地→局限台地相的演化，受沉积环境影响沉积层序总体表现为薄层状白云岩→中厚层泥晶灰岩、白云质灰岩互层→含燧石条带状白云岩。

(4)震旦系甘井子组地层受沉积环境影响具有鲜明的沉积层序，在该组内发育的石灰岩是寻找熔剂用石灰岩矿的直接找矿标志。