河南省南召五峰顶方解石矿床地质特征及找矿标志

2022-01-04刘坤黄丹峰柴建玉李开文

地质找矿论丛 2021年4期

刘坤，黄丹峰，柴建玉，李开文,2

(1.河南省地质调查院，郑州 450001；2.河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，郑州 450001)

0 引言

方解石(CaCO3)是一种碳酸盐矿物，多用于制造重质碳酸钙，由于其色纯白、硬度低、无毒无味，被广泛应用于塑料、橡胶、油漆、造纸、食品等行业中[1]。

东秦岭造山带是扬子陆块与华北陆块的重要拼合带，其岩浆活动、变形变质十分强烈[2]。许多学者对东秦岭成矿带上金属矿产成矿地质特征与基础地质演化方面进行了大量的研究工作[3-4]，但对非金属矿产，如萤石、石墨、方解石等方面的研究相对薄弱。近年在豫西东秦岭造山带发现了五峰顶方解石矿，经勘查评价，该矿床方解石矿资源量(控制+推断)达3200×104t，矿床规模为大型。本文基于五峰顶方解石矿床地质勘查成果，对矿区地质特征、控矿因素、矿床成因以及找矿标志等方面进行分析探讨，以期为该地区后续找矿工作提供帮助。

1 区域地质概况

河南省南召五峰顶方解石矿床位于瓦穴子断裂带以南、朱夏断裂带以北地区，属于秦祁昆地层区北秦岭地层分区，加里东期岩浆活动较为强烈，成矿条件较好(图1)。

图1 五峰顶方解石矿区域地质简图(据文献[5]，修改)Fig.1 Regional geological sketch of Wufengding calcite deposit1.中元古界宽坪岩群；2.下古生界二郎坪群；3.中.新元古界秦岭岩群；4.闪长岩体；5.花岗岩体；6.地质界线；7.断裂；8.矿区位置F1.商丹断裂；F2.朱夏断裂；F3.瓦穴子断裂；F4.栾川断裂(图中年龄据文献[5,8,14]、《河南省区域地质志》(待出版))

区域上出露地层单元主要有中元古界宽坪岩群，中-新元古界秦岭岩群以及下古生界二郎坪群。宽坪岩群位于秦岭造山带北侧，为中浅变质岩系，变质程度达高绿片岩相-角闪岩相，原岩主要为基性火山岩、陆源碎屑岩等。秦岭岩群为秦岭造山带的古老结晶基底，形成于早-中元古代，为中深变质杂岩系，主要岩石类型为含石墨大理岩、片麻岩。二郎坪群主体为海相火山-沉积建造，其主要岩石组合为镁铁-超镁铁质杂岩、层状镁铁质熔岩与枕状熔岩、石英角斑岩与凝灰岩、放射虫硅质岩以及巨厚复理石层[6]。其自下而上划分为大庙组、火神庙组、小寨组、抱树坪组。其中，大庙组主要由碎屑岩和碳酸盐岩组成，为火山沉积向正常沉积过渡的变质沉积岩系；火神庙组以基性火山岩为主，夹少量硅质岩及砂岩层，为弧后盆地型蛇绿岩组合；小寨组以泥质碎屑岩为主，夹基性火山岩，为盆地边缘沉积的类复理石建造；抱树坪组原岩以砂泥岩与沉凝灰岩互层为主，组成深水复理石建造夹细碧质岩石[7]。

区域上脆性断裂整体呈NW向展布，少量NE向和近EW向，断层倾角多在40°～80°。区域上由于五垛山二长花岗岩体和板山坪闪长岩体的侵入，构造形态复杂，但总体构造形态仍表现为以大庙组为核、火神庙组为两翼、轴面北倾的复式背斜构造。

区域上出露板山坪闪长岩体和五垛山二长花岗岩体。板山坪闪长岩体主要岩石为闪长岩、辉石闪长岩等，其形成时代为486 Ma—496 Ma[8]。五垛山二长花岗岩体主要岩石为黑云母二长花岗岩，其形成时代为432 Ma—448 Ma[9-10]。区域上出露二郎坪群火山岩，呈NW向展布，以细碧岩为主，夹有角斑岩、石英角斑岩以及少量碳硅质岩、斜长角闪岩(次火山岩)，其形成时代为463 Ma—475 Ma[7]。

2 矿区地质特征

2.1 地层

五峰顶方解石矿区内主要地层单元为下古生界二郎坪群大庙组(Pz1d)，沿沟谷分布有少量第四系残坡积物。大庙组(Pz1d)是含矿层位，为碳酸盐岩沉积建造，岩层单斜产出，呈NW向展布，与区域构造线方向一致，倾向为200°～240°，倾角较陡，局部近直立，倾角为60°～80°。自下而上(自北向南)划分为4个岩性段(图2)。

图2 五峰顶方解石矿区地质简图Fig.2 Geological sketch of Wufengding calcite deposit1.大庙组第一岩性段；2.大庙组第二岩性段；3.大庙组第三岩性段；4.大庙组第四岩性段；5.方解石矿体；6.青灰色大理岩；7.浅灰红色大理岩与灰白色大理岩互层；8.变石英角斑岩；9.地质界线；10.断裂；11.层理产状；12.勘探线；13.图切剖面；14.断裂编号；15.探槽；16.钻孔；17.钻孔编号/孔深；18.矿区范围

大庙组第一岩性段(Pz1d1)分布于矿区北部，主要岩石为(劈理化)青灰色条纹状中细粒石英大理岩。大庙组第二岩性段(Pz1d2)分布于矿区中部，主要岩石为浅灰黄色变石英角斑岩夹少量灰色变细碧岩，其与大理岩之间为韧性剪切接触关系，接触面向SW方向陡倾，其附近变石英角斑岩拉长现象明显。大庙组第三岩性段(Pz1d3)分布于矿区南部，主要岩石类型为(劈理化)浅灰红色条纹条带状中细粒含石英大理岩与浅灰白色厚层状中粗粒大理岩互层，夹少量灰色中厚层状中粒含石英大理岩，该岩性段为方解石矿含矿层位，浅灰白色厚层状中粗粒大理岩为方解石矿赋矿岩石。大庙组第四岩性段(Pz1d4)分布于矿区南侧，主要岩石为浅灰黄色变石英角斑岩夹少量灰色变细碧岩，其与大理岩之间为整合接触关系。

2.2 构造

矿区内可识别出两期韧性剪切变形，第一期表现为自南向北的逆冲特征，第二期表现为右行走滑剪切略带滑覆的特征。脆性断裂不发育，规模较大的脆性断裂F1，长约1.3 km，断裂走向175°，产状近直立，贯穿矿区，将方解石矿体截切。断层破碎带宽约1～2 m，断裂带内呈褐红色，主要岩石类型为碎裂岩化大理岩，发育褐铁矿化，存在挤压透镜，断裂东盘存在拖曳褶皱，西盘发育羽状剪节理，指示该断层为右行走滑断层。

2.3 岩浆岩

矿区内岩浆岩整体不发育，仅在矿区中部大理岩中可见集中发育的辉绿岩脉，偶见花岗斑岩脉、石英脉以及闪长岩脉。辉绿岩脉宽约1～2 m，多顺层产出，产状整体向SW方向陡倾，其与大理岩发生同期变形。

3 矿床地质特征

3.1 含矿层位特征

矿区内方解石矿含矿层位分布严格受地层控制，产出于下古生界二郎坪群大庙组第三岩性段(Pz1d3)浅灰白色大理岩中。含矿层位呈NW向展布，走向长约4 km，整体为向SW方向陡倾的单斜构造，局部产状略有变化，产状约为223°∠75°。方解石矿体沿走向呈层状连续分布，与围岩为整合接触，矿石为浅灰白色厚层状中粗粒大理岩，w(CaO)平均为54.96%，平均白度89.8%。

3.2 矿体特征

矿区内共圈定出方解石矿体2个，均赋存于下古生界二郎坪群大庙组第三岩性段(Pz1d3)大理岩中，主要岩石为浅灰白色厚层状中粗粒大理岩。矿体内局部节理发育，岩石相对破碎，偶见辉绿岩脉穿插。该矿体矿物成分以方解石为主，矿石颜色为浅灰白色、纯白色，矿体围岩主要为浅灰红色条纹条带状细中粒含石英大理岩，颜色以浅灰红色为主，围岩CaO含量和白度不达标(图3)。

图3 五峰顶方解石矿区Ⅱ01勘探线剖面示意图Fig.3 Sketch of section of exploration line II01 of the deposit1.方解石矿体；2.灰白色大理岩；3.灰红色大理岩；4.大理岩；5.孔深；6.钻孔编号/开孔标高；7.探槽编号/真厚度；8.钻孔平面位置；9.探槽平面位置；10.层理产状

方解石矿体形态相对规则，整体呈似层状产出，形态简单，连续性好，厚度稳定。矿体整体向SW方向陡倾，倾向217°～237°，倾角70°～81°，平均产状为223°∠76°。

ⅡF2矿体：沿走向长约2.0 km，最大垂深为203.61 m，最大斜深为231.46 m。矿体厚度13.33～84.16 m，平均厚度32.61 m，厚度变化系数60.53%，厚度总体变化不大，局部变化较大。矿石品位w(CaO)=52.20%～56.25%，平均54.77%，品位变化系数0.77%；白度85.0%～93.4%，平均89.3%，品位变化系数1.78%。该矿体资源量(控制+推断)为1092.42×104t。

ⅡF3矿体：沿走向长约3.2 km，最大垂深154.63 m，最大斜深165.77 m。矿体厚度11.91～85.22 m，平均厚度34.71 m，厚度变化系数40.14%，属厚度变化较稳定型，厚度总体变化不大，局部变化较大。矿石w(CaO)=52.21%～55.99%，平均54.04%，品位变化系数0.33%；白度85.0%～93.9%，平均90.1%，品位变化系数0.81%。该矿体资源量(控制+推断)为2096.57×104t。

3.3 矿石特征

(1)矿石物质组成

方解石矿石主要岩石类型为浅灰白色厚层状中粗粒大理岩。矿石矿物基本全为方解石，含量为100%，遇稀盐酸剧烈起泡，茜素红染色显红色。矿石中不存在次要矿物与微量矿物。矿石具粒状变晶结构、碎斑结构，厚层状构造、定向构造。方解石呈变晶粒状，晶体因应力作用双晶弯曲变形，并且边部粒化，形成碎斑及碎基，碎斑含量在65%左右，粒径1.2～3.6 mm，长轴大致定向分布；碎基变质重结晶呈变晶粒状，粒径0.02～0.05 mm，大致定向分布在碎斑周边(图4)。

图4 五峰顶矿区方解石矿石照片Fig.4 Photos of the calcite ore of Wufengding calcite deposita.岩芯矿石特征照片；b.野外矿石特征照片；c.矿石镜下特征照片(+)；d.矿石镜下特征照片(-)

(2)矿石化学成分

矿石主要化学成分为CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、MnO。其中，矿石w(CaO)=53.07%～56.13%，平均55.37%；w(SiO2)=0.09%～3.27%，平均0.75%；w(MgO)=0.30%～0.49%，平均0.42%；w(Al2O3)=0.07%～1.17%，平均0.31%；w(Fe2O3)=0.05%～0.13%，平均0.08%；w(MnO)=0.003%～0.036%，平均0.02%(表1)。整体表明矿石主量元素变化不大，相对稳定，与围岩相比较，矿石CaO含量较高，其余元素含量较低，尤其是SiO2相差较大。

表1 五峰顶矿区方解石矿化学分析结果Table 1 Chemical analysis of the ore of Wufengding calcite deposit

从表1、表2不难看出，矿石中CaO与SiO2、Al2O3、K具有负相关性，这与潘明等对栗柴坝组碳酸盐岩主量元素的研究成果具有一致性[15]，说明SiO2、Al2O3、K会抑制方解石矿物的沉淀。此外，矿石中MgO含量较低，前人研究认为方解石生产受Mg含量影响较大，Mg的存在会抑制方解石生长[16]，且Mg对温度的变化较为灵敏，其含量与温度呈正相关[17]，由此推测五峰顶方解石矿属于低镁方解石，且在成矿过程中存在温度骤降的过程，致使Mg含量剧减。

表2 五峰顶矿区方解石矿石多项分析结果Table 2 Multiple items analysis of the ore of Wufengding calcite deposit

3.4 围岩特征

方解石矿体围岩主要为浅灰红色条纹条带状细中粒含石英大理岩。矿体与围岩呈整合关系，接触面较为平直，与矿体产状一致，整体向SW方向陡倾。

围岩较矿石颜色明显变深，且CaO含量相对降低，其w(CaO)平均为46.48%，白度平均为73.28%。

此外，围岩体积密度为2.70 g/cm3，吸水率为0.09%，干燥压缩强度为79 MPa，水饱和压缩强度为74 MPa，干燥弯曲强度为13.0 MPa，水饱和弯曲强度为12.6 MPa，耐磨性为12 l/cm3，达到了方解石大理石类饰面石材物理性能一般要求，可用于饰面石材。

4 矿床成因及找矿标志

4.1 矿床成因

(1)矿床类型

方解石在自然界中广泛分布，已知的成因类型主要有5种：①海水中CaCO3达到过饱和时可沉积块状方解石；②中低温热液脉或晶洞中存在粒状、晶簇状方解石；③岩浆成因的碳酸盐和碳酸熔岩中，方解石为主要造岩矿物，常与金云母、白云石共生；④河流、湖泊中风化沉积CaCO3可形成方解石；⑤生物介壳中部分CaCO3也可形成方解石[18]。作为重质碳酸钙原料的方解石矿床，其矿床类型主要分为2种：区域变质型；接触变质型[1]。

二郎坪群大庙组大理岩为五峰顶方解石矿含矿母岩，矿体产出严格受到大庙组大理岩控制，矿体产状与地层产状一致。其与贵州省黔西南地区低温热液充填型方解石矿床不同[16]，五峰顶方解石矿床为区域变质型矿床。

(2)成矿时代

前人对二郎坪群构造属性、形成时代等方面进行了大量的研究工作，取得了较多认识。二郎坪群形成时代从火山岩同位素年龄与沉积岩层中生物化石两方面进行限定，主要有5种观点：①二郎坪群底部细碧角斑岩中获得708 Ma±63 Ma和822 Ma±80 Ma的Sm-Nd年龄[19]；②利用侵位于二郎坪群火山岩中的西庄河花岗岩体U-Pb年龄，限定其形成时代为480 Ma[20]；③二郎坪群基性火山岩形成年龄475 Ma—463 Ma[4,7]；④二郎坪群玄武岩夹层硅质岩中存在早中奥陶世的放射虫和牙形石[21]；⑤二郎坪群变泥质碎屑岩沉积时代为500 Ma—475 Ma，火山岩形成时代为475 Ma—463 Ma[22]。

整体而言，二郎坪群形成于早古生代的认识目前已趋于一致[23]。由此，推测五峰顶方解石矿床成矿时代应为早古生代，约500 Ma—475 Ma。

(3)成矿模式

二郎坪群构造属性一直存在争议，前人在此方面进行了深入研究，代表性观点主要有3种：二郎坪群海相火山-沉积岩系为秦岭造山带内蛇绿岩杂岩之一；根据二郎坪群火山岩的地球化学特征，认为其形成于岛弧环境；根据二郎坪群镁铁质火山岩具有N-MORB、E-MORB的特征，认为其形成于弧后盆地[6,23-25]。

图5 五峰顶方解石矿床成矿模式图(据文献[24]，修改)Fig.5 Metallogenic model of Wufengding calcite deposit1.二郎坪群；2.其它地质体；3.洋；4.断裂；5.地质界限

综上，五峰顶方解石矿成矿模式：490 Ma之前秦岭岩群向北增生过程中形成了岛弧火山岩及其沉积盖层，为二郎坪群的基底；450 Ma—400 Ma商丹洋向北俯冲演化为弧后盆地；320 Ma—300 Ma发生弧-陆碰撞事件，洋壳玄武岩与沉积物拼贴到商丹缝合带南缘；240 Ma—200 Ma扬子陆块与华北陆块拼合，该时期五峰顶方解石矿最终形成(图5)。