辽东宽甸地区镁质非金属矿矿床成因探讨

邹洪印，朱兴葛，陈志斌

（中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 沈阳 110004）

辽东地区早元古代变质岩系富镁质碳酸盐岩建造，是我国中大型菱镁矿、滑石、玉石等非金属矿床的主要含矿建造。已知有大型、超大型菱镁矿矿床6 处,中型矿床2 处,矿点30 余处,储量占全国总储量的80%及世界总储量的约30%；大型、超大型滑石矿床4处,中型矿床5处,矿点40余处，储量占全国总储量(不含黑滑石)的50%及世界总储量的近20%；玉石矿体近80 余处，储量300×104t 以上，年产量6000 多吨，占全国玉石总产量的60%以上[1]；而且具有工业价值的水镁石矿床也主要集中于辽宁东部地区。前人关于菱镁矿、滑石、玉石等非金属矿床的成矿条件及成矿规律研究主要集中在矿床规模较大、分布较集中的地区，如营口大石桥—辽阳吉洞峪的菱镁矿、滑石矿床，岫岩的玉石矿床，而对其他地区的小型矿床研究甚少。本文结合在宽甸地区的非金属矿地质找矿工作，从大地构造背景、区域地质背景、岩相古地理、成矿物质来源、矿床成因、成矿规律等方面进一步讨论辽东宽甸地区镁质非金属矿床的成矿要素及分布规律。

1 大地构造背景

辽东地区大地构造单元归属于柴达木—华北板块、华北陆块、辽东新元古代—古生代坳陷带。按传统大地构造理论将其划分至胶辽台隆的范畴[2]，也有部分研究者认为是古元古代的边缘活动带，形成于稳定克拉通的边缘海环境和岩浆弧环境[3]。20世纪80年代以来的研究表明，辽东地区的古陆核边缘在古元古代曾发生裂谷性质的活动，称为辽东裂谷[4]。裂谷带由北向南分为3个构造单元，即北缘斜坡带、中央裂陷带和南缘浅台带[5]（图1）。辽东裂谷这一特定的构造环境和演化进程既控制了辽河群的沉积和区域变质作用，又由此控制了与镁质碳酸盐岩成矿有关的非金属矿床的成矿条件及分布规律。

图1 辽东裂谷构造分布略图

2 区域地质背景

2.1 地层

辽东宽甸地区位于辽东裂谷中央裂陷带内凤城凸起的东缘，出露的地层主要为古元古界辽河群里尔峪组（Pt1lr）、高家峪组（Pt1g）、大石桥组（Pt1d）、盖县组（Pt1gx）（图2）。

图2 辽东宽甸地区区域地质及镁质非金属矿产地分布简图

（1）里尔峪组（Pt1lr）：呈北西西向狭长带状分布于区域的中、东部和南部，多以背斜核部产出，出露宽度200～3000m，岩性特征方面，下部以变粒岩组合为特征，上部以浅粒岩组合为特征。岩石以粒状变晶结构为主，块状构造，由海底火山沉积岩系经区域角闪岩相变质作用而成。赋存硼矿、磁铁、黄铁、含钴黄铁矿以及水镁石、蛇纹石大理岩等。

（2）高家峪组（Pt1g）：呈北西西向狭长带状分布于区域的中、东部和南部，多出露于向斜、背斜的翼部，出露宽度150~2000m，岩性特征方面，下部以复杂钙硅酸盐岩为主，夹硅酸盐岩，上部为黑云斜长片麻岩、二云母片岩等。岩石以粒状、纤维状变晶结构为主，块状、片麻状构造，由陆相—湖沼—闭塞海湾相沉积岩系经区域变质作用而成。赋存石榴石、矽线石、石墨等矿产。

（3）大石桥组（Pt1d）：呈北西西向狭长带状分布于区域的中、东部，多出露于向斜核部，出露宽度150～2500m，岩性特征方面主要为白云质大理岩、白云石大理岩、透闪白云石大理岩、菱镁矿大理岩和含墨方解石大理岩等碳酸盐岩，岩石以中—粗粒变晶结构为主，局部夹纤维状、鳞片状、针柱状变晶结构，块状构造。由滨浅海—潮坪相沉积岩系经区域变质作用而成。赋存菱镁矿、滑石、玉石、水镁石、饰面用大理岩、白云石、方解石等矿产。

（4）盖县组（Pt1gx）：呈北西西向带状分布于区域的西南角，出露于向斜核部，出露宽度800m，岩性主要为二云片岩、含墨黑云片岩、黑云斜长片麻岩等。岩石以粒状、纤维状变晶结构为主，块状、片状、片麻状构造，由湖沼—闭塞海湾相沉积岩系经区域变质作用而成。赋存石墨、矽线石等矿产。

镁质非金属矿产主要赋存在古元古界大石桥组（Pt1d）。

2.2 构造

该地区的构造特点是以北西西向的褶皱和北北东向的断裂为主。褶皱均由辽河群里尔峪组、高家峪组及大石桥组反复褶曲构成，背斜核部为里尔峪组，向斜核部为盖县组、大石桥组或高家峪组，轴向呈北西西向或近东西向延伸，褶皱形态呈紧密线状，轴线具仰起及下伏，褶曲形态复杂，有的具有复式褶曲特点，褶曲宽一般1~5km，翼部倾角一般在40°~50°左右，局部具倒转现象。

断裂主要为北北东向压性或压扭性断裂，少量的北西西向张扭性断裂。断裂长几千米至十几千米，其中太平哨断裂自北东向南西斜贯全区，为区域性深大断裂。该断裂长90余千米，走向25°~40°之间。整个太平哨断裂在地貌上的反映是明显的沟谷，断裂行迹突出，挤压片理发育，断层泥受挤压后显现为明显的挤压擦痕，破碎带两侧岩石呈挤压状态，局部形成构造角砾岩，部分地段沿构造带有泉水涌出。该断裂以压性为主兼具有扭性特征，基本控制了宽甸县东南部地区的断裂构造行迹，其伴生的次生断裂也十分发育，为后期的热液蚀变型镁质非金属矿床提供了良好的导热通道和足够的容矿空间，对于区域成矿作用影响深远。

2.3 侵入岩

该地区侵入岩以早元古代和燕山期侵入岩为主，多呈岩株状、席状侵入古元古界辽河群地层之中。早元古代侵入岩多为花岗岩、花岗斑岩，均已混合岩化，呈条痕状混合岩（M）及混合花岗岩（Mγ）。燕山期侵入岩多在白垩纪早期侵入，岩性主要为二长花岗岩（ηγK1）、花岗斑岩（γπK1）、钾长花岗岩（ξγK1）、石英二长岩（ηοK1）和闪长岩（δK1）。其中，古元古界条痕状混合岩（M）及混合花岗岩（Mγ）与玉石、滑石、水镁石等热液蚀变型矿床关系密切，既为后者提供了交代作用中的硅质来源，也提供了成矿作用中所必需的变质热液。

3 岩相古地理

古地磁研究表明，大石桥组沉积时期，辽东裂谷处于古纬度较低(北纬17°~28°)的干旱的热带或亚热带环境[6]，北缘斜坡带西段（大石桥—隆昌）的大石桥组中可见变余的层理、层纹、斜层理、豆状、结核状、波痕、雹痕、滑坡等构造[7]，说明处于海水较浅、且在沉积中时而裸露水面的陆缘环境中。此外，菱镁矿大理岩中有大量叠层石出现，显示沉积时水深不大，因为叠层石的生存多是在深度较小的水体上部透光层中[8]；同时，叠层石的生长需要温暖、洁净的水体环境，大理岩中能有大量叠层石出现，表明浅海地带的水体温暖、清澈透底。综上所述，大石桥组沉积时期，辽东宽甸地区乃至整个辽东裂谷，都处于一个气候炎热干燥，水体较浅、水温较暖、且水质清洁的滨浅海—潮坪—泻湖环境。

4 成矿物质来源

菱镁矿为镁质碳酸盐矿物，其主要化学成分为碳酸镁（MgCO3）；滑石、玉石（蛇纹石玉）属含水镁质硅酸盐矿物，其主要化学成分为含水硅酸镁｛Mg3[Si4O10](OH)2、Mg6[Si4O10](OH)8｝；水镁石属氢氧化合矿物，是自然界含镁最高的矿物，其主要化学成分为氢氧化镁[Mg(OH)2]。可见，Mg、Si、CO2是镁质非金属矿床必不可少的成矿元素。

据目前研究，镁质主要有3 种来源，一是来源于太古宙古陆块物质的风化、剥蚀，二是来源于古元古代深源的火山喷发和岩浆侵岩[9]，三是海相叠层石等生物来源[10]。无论哪种来源为主导，大量的Mg2+都会从矿物中解离出来进入裂谷海盆中，致使大石桥组时期海水中Mg2+浓度急剧升高，为后期形成的镁质碳酸盐岩沉积提供了充足的镁质来源。

尽管现代沉积环境中Ca2+普遍存在，Mg2+相对匮乏，大气中CO2含量相对稀少。但是古今对比研究表明，现代沉积环境与古代沉积环境是有明显差别的，元古代早期全球海水富镁、气候炎热干燥、大气中缺氧并富集CO2[11]。这一特定的古气候环境，以及海水中高Mg2+/Ca2+比值，构成了镁质碳酸盐岩沉积的有利条件。

元古代晚期，区域应力转为挤压为主，辽东裂谷逐渐消亡，并转为碰撞－造山活动，全区被卷入北西西向的区域性褶皱隆起及北北东向的韧—脆性断裂，同时伴有较大规模的中基性岩浆岩侵入，这些富含硅质的岩浆热液既为玉石、滑石等镁质硅酸盐矿床提供了充足的硅质来源，也为矿物间的交代反应提供了热水溶液。

5 矿床成因及成矿规律

辽东宽甸地区镁质非金属矿主要为滑石、玉石、水镁石及菱镁矿，赋存于古元古代大石桥组白云石大理岩中，主要分布在宽甸县城的东部和南部。虽然矿种丰富，矿点众多（图2），但矿床规模较小，未见有大中型非金属矿床，与营口大石桥—辽阳吉洞峪的菱镁矿、滑石矿床，岫岩的玉石矿床相比，矿床规模相差很大。这与元古代早期的古地理环境关系密切。

元古代早期，中央裂陷带内的凤城凸起，将辽东裂谷分割两种沉积环境：凤城凸起以西的大石桥—岫岩一带为开阔海沉积环境，水体清澈、稳定，海源物质供给充分，沉积时间长，容易形成厚层的白云石、菱镁矿及方解石；凤城凸起以东的宽甸地区为半封闭海湾—泻湖沉积环境，海源物质供给受限，并伴有陆源物质加入，古地形亦相对复杂，普遍沉积了硅质含量较高、厚度不稳定的白云石。在后期区域变质及热液交代变质作用改造下，形成了众多的小型镁质非金属矿床。

5.1 菱镁矿

5.1.1 矿床成因

经过多年的菱镁矿地质勘查和研究工作，人们对辽东地区菱镁矿的成因提出了多种观点，先后提出了沉积期蒸发成矿[12]，成岩期富镁卤水交代成矿[13]，变质期镁质热液交代成矿[14]等观点。但基本都承认了蒸发沉积阶段是菱镁矿床形成的主要时期。其依据主要有4 个方面：①菱镁矿和白云石大理岩稀土元素总量相近[15]，说明在沉积作用过程中稀土元素强烈均一化，在相同的地质作用中，使它们的稀土元素相对丰度差别小，因此具有同生成因特点。②菱镁矿和白云石大理岩δ13CPDB的平均值均趋近于零[16]，表明二者在相同环境下形成，均属海相沉积成因。③在大石桥附近的大岭菱镁矿采场菱镁矿矿层附近的灰黄绿色泥质碳酸盐岩中发现有40~50cm 厚的透镜状石膏夹层，石膏矿石裂隙中还有2~5cm 厚的白色纤维石膏。石膏或硬石膏均为结晶矿物，含量可达60%以上，石膏硫同位素δ34SVCDT为23.9‰~26.5‰。这些证据说明该石膏不是火山热液成因的石膏,而是海相沉积蒸发岩系的标志[16]。④菱镁矿晶体在显微镜下常常出现波状消光，白云石的双晶纹有时发生弯曲[11]，均为矿物结晶以后的应力变形现象，说明菱镁矿、白云石等碳酸盐矿物的结晶早于构造变形。依此推测，辽东裂谷发育早期，因当时气候炎热干燥，大气中CO2充足，海水蒸发量较大，海水盐度不断提高，部分地段沉积有石膏和石盐。蒸发环境下，叠层石吸收Ca2+、Mg2+首先形成白云石。在蓝绿藻发育地段，Mg2+富集程度较高，通过蒸发作用可直接沉积或交代白云石形成菱镁矿。这种菱镁矿蒸发成矿作用与西藏班戈湖蒸发环境下菱镁矿的成因类似[17]。

此外，w(CaO)/w(MgO)比值对能否形成大型菱镁矿也起到一定的指示作用。以菱镁矿为主(白云石5%,菱镁矿95%)的碳酸盐岩，w(CaO)/w(MgO)比值一般小于0.035,w(MgO)含量一般大于43%。结合本次地质找矿工作，笔者在宽甸县城东南部中蒿子沟地区共采集了53件白云石大理岩样品，基本化学分析结果（表1）显示CaO 含量介于3.78%~29.68%之间，平均17.13%；MgO含量介于2.67%~22.70%之间，平均17.13%；SiO2含量普遍高于5%，平均9.88%。w(CaO)/w(MgO)比值1.55%，为高硅高钙型白云石大理岩，不利于菱镁矿的形成。事实也证明，该地区的菱镁矿并不发育，仅在白云石大理岩厚度大且稳定的地区，呈透镜体状少量分布，且厚度相对较薄，一般在3～10m，平均6m左右。

表1 白云石大理岩基本化学分析统计表

5.1.2 成矿规律

辽东宽甸地区的菱镁矿主要分布在宽甸县中蒿子沟和望发沟地区，赋存于古元古界大石桥组中下部，容矿围岩为白云石大理岩。元古代早期，该地区处于辽东裂谷中央裂陷带凤城凸起的东缘，东侧为狼林地块，海水分布受限，属闭塞海湾—泻湖沉积环境，陆缘供给较充分，Mg2+供给受局限，海水中w(Ca2+)/w(Mg2+)比值相对较高，不利于菱镁矿的形成。仅在沉积水体相对稳定、清澈，蓝绿藻较发育的地段形成少量菱镁矿沉积。后期又经历了绿片岩相—角闪岩相区域变质—变形作用的改造，菱镁矿发生了重结晶和二次聚集，形成晶质菱镁矿。区域性构造变形使碳酸盐岩地层产生较为复杂的层间褶曲，致使菱镁矿局部富集变厚，局部变薄缺失，多以透镜状和连续的扁豆状形式产出，规模较小。

5.2 滑石、玉石、水镁石

5.2.1 矿床成因

与菱镁矿蒸发沉积不同，滑石、玉石、水镁石均属后期变质改造作用成矿。变质成矿作用包括区域变质成矿作用和后期的热液蚀变成矿作用，其间发生了矿质的进一步富集和新矿物的生成，即变质改造成矿作用。两个成矿亚系统虽然经历了相近的变质和变形作用过程，但因矿源层物质的差异，成矿系统产物也有所不同[18]。

根据辽东地区古元古界变质岩共生组合及其变质矿物的研究，大石桥组最初沉积的白云岩、菱镁矿层形成后，随着上覆沉积物的加厚和地热梯度的增加，一些矿物重结晶，含水矿物脱水。吕梁运动使辽东裂谷闭合，辽河群褶皱变质，沉积的菱镁矿和白云岩在区域变质—混合岩化过程中进行了第二次富集，白云岩、菱镁矿分别被改造为白云石大理岩和晶质菱镁矿石。同时发现围岩中的硅质在区域变质、动力变质过程中有逐渐向挤压断裂带集中的现象。表明分布在白云石大理岩、菱镁矿大理岩中的原生硅质，在长期的区域变质和动力热变质中，朝着断裂带方向迁移、集中，造成了玉石、滑石成矿前的硅化作用。这种硅化是碱性变质热液淋滤围岩中的硅质，并携带其向挤压断裂带附近运移的结果[19]。而断裂构造和褶皱构造满足形成玉石、滑石过程中体积增加（一般情况下增加60%）的需要，同时还降低了流体与镁质碳酸盐岩反应生成的CO2的分压，有利于形成玉石、滑石矿体。

水镁石的成因则是由于碳酸盐岩中的大气降水遭受变质热液的驱动形成浅成循环热水，在极高的温度场作用下，镁质碳酸盐岩中首先出现方镁石、镁橄榄石、透辉石、透闪石等变质矿物，继而因循环热水的作用广泛出现蛇纹石化、滑石化、水镁石化。水镁石包体爆裂法测温显示，成矿温度有两个区间：310℃~380℃和205℃~260℃[20]。早期成矿温度较高，形成块状水镁石，并广泛发育水镁石交代菱镁矿、白云石等现象，反映在碱性条件（pH=9~10）下水化、交代作用剧烈。后期成矿温度较低，形成脉状(纤维状)水镁石和水镁石—水菱镁矿—文石脉，充填于块状水镁石之中。

5.2.2 成矿规律

滑石、玉石主要分布在宽甸县中蒿子沟—二道杉松一带，水镁石主要分布在宽甸县上趟子地区，赋矿层位均以古元古界大石桥组为主，容矿围岩为白云石大理岩，成矿作用与区域变质及热液交代变质作用关系密切。元古代晚期，伴随着辽东裂谷的萎缩，造山运动的开启，大量的富含硅质的中基性岩浆热液侵入，在区域变质和混合岩化岩浆作用下，硅质热液与裂隙水形成了浅层热水循环，在构造有利部位，与镁质碳酸盐岩发生了交代作用，广泛出现了蛇纹石化、滑石化、水镁石化。这种热液交代型镁质非金属矿床，其赋矿部位既受区域褶皱断裂构造控制，又与古元古代中基性侵入岩紧密相关，一般产于紧密线状向斜的核部或两翼层间挤压破碎带发育部位，周围往往有古元古界混合岩较大面积出露，多数矿体表现为沿层走向、陡倾斜的产出特点。

6 结论

通过对辽东宽甸地区的镁质非金属矿成矿地质背景、矿床成因及成矿规律的研究，可以得出如下结论。

（1）辽东裂谷的演化进程控制了古元古代辽河群镁质碳酸盐岩的的沉积，吕梁期的造山运动及区域变质作用，控制了与镁质碳酸盐岩成矿有关的非金属矿床的成矿条件及分布规律。

（2）元古代早期炎热干燥、海水富镁、大气中缺氧并富集CO2的古气候环境以及辽东宽甸地区所处的闭塞海湾—泻湖沉积环境，是镁质碳酸盐岩形成的先决条件。

（3）蒸发沉积阶段是菱镁矿床形成的主要时期，区域变质作用和热液交代作用是滑石、玉石、水镁石后期变质改造作用的主要成矿因素。

（4）区域褶皱、断裂构造及古元古代侵入的中基性岩浆岩控制了滑石、玉石、水镁石等热液交代型镁质碳酸盐岩矿床的赋矿部位及分布规律。