Question

矿床形成条件

Answer 1

根据产出地质条件和形成方式，菱镁矿矿床可分为镁质碳酸盐岩层中的菱镁矿矿床和超基性岩中的菱镁矿矿床，我国菱镁矿矿床以前者为主。以下重点介绍这种类型矿床形成条件。

一、地质构造背景

国内外镁质碳酸盐岩层中的菱镁矿矿床多产于元古宇地层中，我国辽东海城-大石桥菱镁矿矿床以其质优、规模大举世闻名，在本类矿床中最有代表性。矿床分布于辽东古元古代辽河群大石桥组之中，为超大型层状矿床。它所处大地构造位置属辽东元古宙裂谷海槽之北缘，北为太古宙克拉通。古元古宇大石桥期，沿古裂谷海槽西部边缘出现次一级半封闭大型沉积盆地，加之当时炎热干旱的气候条件，为形成超大型菱镁矿矿床创造了条件。至古元古代末期（1900Ma），大石桥组经历了绿片岩-角闪岩相的区域动力热流变质作用，其中菱镁矿矿床也遭受区域变质作用的改造。

二、镁的来源

镁在地壳中丰度为2.10，是常见的造岩元素之一。海水中含有大量的镁离子，相当海水总盐量的3.9%。当岩浆结晶时，氧化镁在形成橄榄石、辉石、角闪石、黑云母矿物过程中都已消耗，因此岩浆残留的气体与液体中，很少有镁。对火山喷气孔气体的测试显示，岩浆或火山活动不能提供形成菱镁矿床所需要的含镁流体。通过我国海城至大石桥世界上最大的菱镁矿带的研究，带内白云石大理岩δ¹³C 平均为-0.6‰，菱镁矿平均为-1.2‰，都接近零，说明它们在相同的环境下形成，属于海相沉积的镁碳酸盐，推测镁应来自海水，可能是太古宙古陆区内岩石经长期风化，借河流作用将镁离子搬运到海洋中的。另外，大石桥组下伏地层有里尔峪组，是一套火山-沉积建造，其中含有一定数量的科马拉质-基性火山岩，MgO含量可达20%。下渗海水在岩石圈循环时，能使火山岩中的镁浸出并沿断裂带至成矿盆地，提供了部分镁质。

三、古地理环境

含菱镁矿沉积岩系属古元古代辽河群大石桥组，由陆源碎屑岩-镁质碳酸盐夹菱镁矿岩组成，厚达二千多米。据岩系内变余层面组构、变余层理及变余生物组构等岩石成因标志，结合垂直沉积序列和镁钙含量的平面分布特征，可确定海城地区含矿岩系有如下几个沉积相类型（图4-1）。

滨海碎屑岩相：岩石类型主要为片岩、千枚岩、板岩，原岩以砂、泥质岩为主，属于滨岸的沉积相，主要分布于本区北部。

潟湖相：主要岩石类型为菱镁矿岩、次为白云岩、因岩石高度富镁，说明属于潟湖沉积相。岩石具小型交错层理，大量纹层发育，说明水体能量较弱，静水环境为主。该沉积相与菱镁矿层关系最为密切。

沿岸滩坝相：以白云石大理岩为主，次为菱镁大理岩，其内可见海滩型交错层理，青鱼骨型交错层理，反映了水体能量较强。

闭塞台地相：以灰白色大理岩为主，其中叠层石为箱形或穹形特征，推测白云岩形成时，海水循环不畅，水动力条件较弱。

浅海槽盆地相：位于本区南部与外海连通较好的沉积相带，岩石类型以纹层极发育的浅灰-灰黑色大理岩为主，反映沉积时强还原-弱还原环境。

据各剖面岩相分析，位于陆地边缘的滨岸碎屑岩相和潟湖相主要分布研究区北部，而南部为浅海槽盆相的方解大理岩，含矿建造形成时海岸线总体方向为北东东（图4-1）。潟湖相在各地发育宽度不同，在铧子峪和下房身地区，潟湖相带宽度最大，可达2000m，次为青山怀、腰岭和新开岭地区，而在楼房一带缺失。下房身矿区中部剖面沉积相的变化最有代表性，剖面中部为潟湖相成因的菱镁矿体及菱镁大理岩，下部为滨岸碎屑岩相变质成的绿泥片岩、白云母片岩，上部为闭塞台地相成因的白云大理岩。整个剖面的沉积相构成一个水体由浅→深的简单旋回，而处于水体不深、半封闭的潟湖环境，为成矿提供了有利场所。

图4-1 辽东大石桥-海城镁矿区成矿早期岩相古地理图

（据董清水等，1996）

1—滨岸碎屑岩相；2—潟湖相；3—沿岸滩坝相；4—闭塞台地相；5—浅海槽盆相；6—隆起区

四、古气候条件

实验和对近代白云岩的研究表明，白云岩不能从正常海水中沉淀，但可在富含镁、具有较高pH值和温度的海水中沉淀。这种条件最容易出现在浅的、高盐度潟湖与温暖干旱的潮坪上。如果没有蒸发条件，同样不易沉淀出大量的菱镁矿。辽东元古宙古地磁的研究表明，大石桥岩组的古纬度多数数据均在35°以南的低纬度区（17°～28°），即含菱镁矿碳酸盐岩建造形成于赤道以北古纬度较低的地理环境中。结合现代气候带的研究，推测该环境，应代表温度较高，处于一种干旱的热带或亚热带的气候环境。

五、成矿作用

（一）化学成矿作用

以氯化钠、碳酸盐水体为主的潟湖，镁离子富集到一定程度，海水中又有足够的CO₂时，则菱镁矿发生沉淀，如下式：

非金属矿产地质学

非金属矿产地质学

碳酸盐（RCO₃）在海水中的平衡关系如①、②式。如因蒸发、升温、水生植物的光合作用而使CO₂减少，则②式反应向右进行，MgCO₃发生沉淀。相反，若增大压力、降低温度或有机碳氧化，则有利于溶解的CO₂增加，②式向左进行，使MgCO₃溶解。可见，温度较高而干旱的气候条件，有利于菱镁矿的沉淀。从全球看，沉积型白云岩-菱镁矿的时空分布，具有明显规律性，在时间上主要集中在前寒武纪，在空间上晶质菱镁矿矿床与镁质碳酸盐岩建造密切相关，而镁质沉积数量最大的是元古宙岩层。此期间，富含CO₂的大气降水或地表水周期性地补给潟湖盆地，与海水中镁离子相互作用则有利于陆缘闭塞湖盆地内菱镁矿沉积成矿作用的进行。据实验资料，菱镁矿沉积时海水的物化条件为：pH＞7，CO₂的压力大于200Pa，温干气候条件。西原广直（1957）认为，中国东北带状菱镁矿是海洋中的镁在温暖的干燥的、半干燥的气候下沉淀于部分封闭的潟湖中。

（二）生物成矿作用

辽东与菱镁矿形成有关的生物是蓝绿藻（朱国林，1995）。由于其活动，产生周期性的菱镁矿矿物沉淀，构成叠层石。叠层石与菱镁矿层的关系密切，在区内具有一定的普遍性和稳定性，有些叠层石完全由菱镁矿组成。推测在古元古代，本区成矿盆地水体中镁离子比现代海洋富集得多，加之当时大气环境中的高CO₂含量，使得蓝绿藻不仅大量吸收钙离子，同时也吸收镁离子，从而构成由菱镁矿组成的叠层石。

通过化学与生物化学作用初步形成菱镁矿层，至1900Ma期间遭受了区域变质作用，矿层除强烈的变形外，隐晶质菱镁矿发生变质重结晶作用，转变为显晶质的菱镁矿，同时，在变质流体作用下，部分菱镁矿迁移，至构造裂隙中重新沉淀富集，形成部分脉状特点的矿体，因此，使菱镁矿具有沉积-变质-热液多种成矿作用的特点。