Question

成矿系统分析

Answer 1

1.成矿系统划分

区内的矿床类型，已有较系统的研究，其类型特征和实例参见表7-5。

按照含矿建造岩石组合、矿源场和矿床组合类型(是否含硼矿)，可划分出两个成矿亚系统，即里尔峪组的含硼镁成矿亚系统和大石桥组的镁成矿亚系统(表7-6)。

2.成矿物质来源

成矿物质是成矿系统中的物质基础，根据镁质非金属矿床主要成分，可以看出，镁质碳酸盐岩建造镁质非金属成矿系统的成矿物质主要是Mg，B，Si等元素。主要有幔源、壳源、海水源和大气降水源，构成了较为复杂的矿源场系统。

(1)镁质来源

根据岩相特征、微量元素地球化学和稳定同位素地球化学特征分析，里尔峪组硼、镁矿床的镁质来源主要是火山物质，而大石桥组镁质矿床的镁质来源则主要是海水。

1)大石桥组菱镁矿与白云石大理岩中缺乏火山岩，而且发育大量变余的沉积组构。菱镁矿层内还见叠层石，从岩相特征看菱镁矿和白云石是沉积成因的。

2)菱镁矿和白云石大理岩的稀土含量接近。一些难迁移元素Ti，Zr，Nb，V等的含量均小于或接近于海相碳酸盐岩的含量，说明菱镁矿和白云石大理岩是海相成因的。

3)菱镁矿和白云石碳同位素δ¹³C_(PDB)值接近，其变化范围是－2.9%～+0.3%，平均值接近于零，说明岩石中碳的海水来源。氧同位素δ¹⁸O_(SMOW)值也接近，它们的变化范围是+7.93‰～+17.05‰，平均值接近于+10‰。

4)大量菱镁矿、藻类菱镁矿和藻白云石大理岩共生的事实可能是大量镁质生物来源的证据。Valdiya(1968)提出，藻类在菱镁矿形成过程中起到了重要作用。此外，来自北方古陆含镁质或镁铁质岩石的风化作用也为沉积盆地增加了镁的含量。

(2)硼质来源

关于辽东硼矿床中硼镁的来源比较复杂，既有火山喷发、又有热水沉积或海相睸湖蒸发等多种形式。主要证据如下:

1)硼矿床的容矿岩石与含硼岩系变粒岩段的火山岩常呈互层状整合产出，区内硼矿床的厚度及规模均与含硼岩系火山岩厚度成正相关;

2)有大量热水沉积的硅质岩，角砾状等热水沉积组构和电气石类矿物(彭齐鸣，1999);

3)含大量碱金属和钠长石化等地幔射气来源组分;

4)矿石与火山岩之间成矿元素、微量元素、稀土元素、硫、碳、硼同位素分布特征一致。

表7-5 镁质碳酸盐岩建造主要镁质非金属矿床成因类型

续表

表7-6 辽东古元古代裂谷带镁质碳酸盐岩建造镁质非金属矿床成矿系统简表

(3)硅质来源

沉积阶段硅质来源有两类，一类是常见的陆源碎屑沉积，另一类是热水沉积岩。后者的硅质条带或条纹状稳定产出，经变质后常形成石英岩和透闪岩、透辉岩。变质成矿期硅质来源主要是成矿围岩，少量来自成矿流体。

可以认为，镁质碳酸盐岩建造是这类矿床形成的主要矿源层和储矿场所，其早期物质来源可能与古元古代辽东裂谷的地幔隆起、岩浆演化形成有关的火山岩和热水流体有关，它们为硼、菱镁矿大规模成矿作用提供了巨量成矿物质。

3.成矿流体输运

(1)成矿流体动力

本区成矿流体的驱动力主要有构造应力、热力、围岩压力等动力类型。

本区早期裂谷以拉张运动为主，导致上地壳开裂，大量火山物质喷流地表，形成里尔峪组下部火山岩。这一减压作用可造成深部流体运移到较浅部位甚至地表。裂谷带内地幔上拱和射气作用，也导致裂谷带内地壳温度升高。上升的热流可以加速地壳内流体循环和溶解成矿物质，并沿盆地边缘同生断裂上升，形成大规模矿化-热水沉积岩和硼-菱镁矿层。

在裂谷闭合期，南北向的挤压构造应力为成矿流体加压，上覆岩层的压力和围岩压力以及残余地幔或热点使地壳热流值升高，它们都是成矿流体的驱动力。较高压力的成矿流体(热卤水)沿剪切带上升，并与围岩交代，形成大规模矿化，如滑石矿床。

(2)成矿流体运移路径

根据成矿区岩矿石组构研究，结合区域构造和矿床(点)区域分布特征，本区成矿流体运移路径可以辨认出以下几点:①本区里尔峪组电气石、硅质岩的大量出现是热水流体的主要标志;②电气石化、滑石化、绿泥石化、蛇纹石化和水镁石化等是成矿流体交代蚀变的结果;③硼矿床定向分布是受古流体通道大型断裂带控制的;④滑石矿床内纵向剪切带和北东向剪切带是滑石成矿流体运移通道;⑤碳酸盐岩层岩石孔隙和岩溶发育，矿液沿岩石的孔隙运移，其上、下均有隔水层，对矿液具屏蔽作用。总之，在构造和岩浆热等动力作用下，成矿流体沿运移通道上升至成矿有利地段沉积和富集。

4.成矿物质的富集与储存

(1)成矿物质大规模富集的原因和方式

辽东硼、镁大规模富集的主要原因和堆积成矿方式如下:

1)物理化学条件改变。

含矿流体p-V-t-x(压力、体积、温度、组分等)，以及pH值，E_h值，f_O2，f_S2等值的改变能造成矿质的沉淀和聚集。这是成矿作用发生的主要原因之一。蒸发盆地中，由于热流体的加入引起温度的升高和化学成分的变化，包括pH值、E_h值的变化。构造作用，尤其是断裂阶段，封闭体系的裂开造成流体压力的下降，流体的分离，从而引起热液矿物的结晶。在断裂封闭阶段，断裂后流体压力的下降和更深源流体的上升将有助于石英沉淀，由于流体压力下降而不能混合的流体则有利于碳酸盐沉淀。

2)流体浓缩。

蒸发作用是主要的方式。本区B，Mg都是经过蒸发作用沉积的。盐湖水的大量蒸发析出使得盐湖水体中成矿物质因浓缩而富集，从而促进一部分过饱和物质结晶沉淀而堆积聚集。

当成矿流体沿断裂带上升至地壳表部，或由挤压构造转向张性构造时，流体突然减压，导致流体沸腾，使大量气体逸出，并使流体盐度增大和矿质富集。

3)流体混合。

流体的混合是常见的成矿方式。本区发生了多种流体的多次混合作用。在盐湖沉积期，有富硼、镁地热泉注入湖水，并与湖水发生混合，还有地表富CO₂及含镁水体汇入湖水，使盐湖水体富集CO₂和硼镁质。变质成矿期有含水矿物脱水形成的变质水，并发生封存海水、热卤水与变质热液的混合，促进流体中SiO₂的溶解和水/岩反应。

4)水/岩反应。

水/岩反应是产生成矿流体的一个重要条件。地下热水溶解富含硼、镁、硅质的火山岩和镁质碳酸盐岩，并与围岩反应，如绿泥石化、滑石化、碳酸盐化、钠长石化、硅化，使水和杂质减少，成矿流体多次浓缩，造成矿质的沉淀。

5)生物作用。

辽东大石桥组菱镁矿的富藻类、碳同位素特征等表明镁矿层有机质的存在。在流体运移过程中，有机质的加入能改变流体的pH值、E_h值和氧化还原条件，因而导致有用组分的沉淀富集。

(2)储矿场及其形成机制

储矿场，也称矿石堆积场地或矿床定位场所。从辽东硼、镁质非金属矿床的成矿特点，组成储矿场的主要成矿动力型式有耦合成矿和叠加成矿两个基本型式:

1)耦合成矿。

耦合成矿包括矿源场、流体场、热场(能量场)、应力场等在一定的时空条件下耦合，形成矿石沉淀条件的最佳匹配，构成储矿场。硼镁矿床的矿源场是镁质碳酸盐岩建造。流体场早期由蒸发盐湖的水体和富硼、镁、硅的热泉水和富CO₂的陆表水和地下水构成，中期由封存的海水、热卤水、变质水构成，晚期由大气降水、岩浆水和变质水的混合水构成。热场是裂谷张裂时地幔隆起、岩浆活动和地幔射气影响的热能，以及区域变质期的构造动力。应力场是裂谷张裂时南北向的张性应力场和区域变质期南北向的挤压应力场，晚期是北东-南西向的挤压和北西-南东向的伸展构造应力场。上述诸场的耦合是形成储矿场的重要原因。

2)叠加成矿。

早期沉积成矿作用发生后，又经过后期的变质成矿作用，两者重叠在同一空间。辽东的硼、镁矿床早期是同生沉积成矿，后期是变质改造成矿，晚期是热液改造成矿，因而使后生矿床与同生矿床叠合一起。

上述辽东的两类储矿场是相互交叉和重叠的。沉积成矿期形成沉积耦合储矿场，变质成矿期又形成变质耦合储矿场，改造成矿期还形成改造耦合储矿场，这三类耦合储矿场叠加在一起，就形成了辽东复杂的大规模的硼镁矿床成矿系统。

5.成矿系统作用过程

根据以上研究成果，辽东镁质非金属矿床经历了三个主要的成矿期，即古元古代的沉积成矿作用、古元古代末的变质改造成矿作用和印支期—燕山期表生改造成矿作用。根据成矿物质来源和成矿条件的差异，此成矿系统又可分为两个成矿亚系统，即里尔峪组硼镁成矿亚系统和大石桥组镁成矿亚系统。

(1)沉积成矿作用过程

在古元古代，南北两侧不断拉张，幔源物质上拱，造成火山喷发。规模较大的富含硼的火山活动带来大量成矿物质，而在其之后却出现了干旱气候条件。在火山岩之上形成“镁质碳酸盐+镁质硼酸盐+硫酸盐”组合的蒸发岩沉积。

1)里尔峪组硼镁成矿亚系统。

里尔峪组含硼岩系沉积期属优地槽构造环境，辽东硼矿除与火山活动有关外，还与蒸发作用有关。硼、镁成矿盆地是辽东裂谷中的三级局部热卤水盆地。仅靠卤水的蒸发，较难使硼酸盐充分沉淀，形成巨大的硼矿床。区内硼矿床中，一般下盘有4～46m的镁质大理岩或者富镁的大理岩，其上才是致密块状的硼酸盐矿层，说明该成矿盆地早期是富含Mg²⁺的卤水，Mg²⁺除满足沉淀镁碳酸盐岩外，还有足够剩余，因而当富硼的热泉喷出海底进入盆地后，由于不同成分和物理化学条件的流体的混合，改变了蒸发盆地的物理化学条件，如卤水温度的降低，特别是与Mg²⁺的相互作用，导致镁硼酸盐的迅速大量沉淀，因而不同成分溶液在成矿盆地中的相互作用是形成超大型硼矿床的条件。

2)大石桥组镁成矿亚系统。

含矿建造沉积相(由北而南):滨岸碎屑岩相→闭塞台地相→沿岸滩坝相→半闭塞台地相→开阔台地相。其中闭塞台地相形成于平均低潮线以下的沉积区，其沉积环境可能代表古陆边缘的睸湖。因当时气候干热，睸湖内海水蒸发量较大，海水盐度不断提高，Mg²⁺、Ca²⁺等离子含量较高，且Mg²⁺/Ca²⁺值较大，CO^2－₃也较丰富。

目前所知，辽东镁质非金属矿床沉积成矿作用至少存在以下两种形式:

1)化学沉积成矿作用蒸发环境下，睸湖中白云石首先沉淀，当睸湖中Mg²⁺富集到足够程度，并有足够的CO^2－₃时，发生菱镁矿沉淀。

2)生物化学沉积成矿作用大石桥组菱镁矿岩层中大量叠层石说明菱镁矿沉积有生物的参与。现代叠层石研究认为，藻类一般形成方解石和白云石，很难形成菱镁矿;但元古宙时，全球海水中Mg²⁺普遍较高，起初叠层石吸收Ca²⁺，Mg²⁺形成白云石，海水中Ca²⁺减少，而Mg²⁺相对增高，叠层石也可吸收Mg²⁺形成菱镁矿。

(2)变质改造成矿作用过程

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，由于这些作用，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同的变质和变形作用过程，但因矿源层物质的差异，成矿系统产物也是有所不同的。

1)里尔峪组硼、镁矿床成矿亚系统。

根据含硼建造内典型的变质岩石共生组合及其变质矿物的研究，确定含硼建造遭受了中压角闪岩相的区域变质作用(t=620～650℃，p=0.5GPa)(王培君，1996)。在此温压条件下，结合王秀璋(1964，1965，1974)所做硼酸盐矿物的水热合成实验，将几种重要的硼酸盐工业矿物的化学反应式推断如下:

成矿系统论

成矿系统论

上式说明反应(2)～(5)进行时，放出大量CO₂，才使遂安石得以存在。

2)大石桥组镁成矿亚系统。

最初的白云岩、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，一些矿物重结晶和含水矿物脱水。吕梁运动使辽东裂谷闭合，辽河群宽甸群褶皱变质，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、菱镁矿改造为白云石大理岩和粗粒状菱镁矿。同时，由于含矿建造发生的绿片岩相-角闪岩相区域变质作用和富SiO₂热液交代作用，在构造有利部位形成滑石、绿泥石矿床。

滑石交代作用通过两种方式进行，在贫石英的含石英菱镁矿大理岩中主要是由含硅酸的热液与围岩中的菱镁矿反应形成滑石;在富石英的石英(化)菱镁矿大理岩中，在成矿热液作用下围岩中的菱镁矿和石英完全变为活动组分，互相置换组成新矿物滑石，成矿热液在交代中起了促进和平衡作用，被交代的石英化菱镁矿大理岩中的石英脉、石英“鲕粒”和石英晶簇仍保持其原有的外表形态。

成矿热液交代含石英菱镁矿大理岩和硅化菱镁矿大理岩形成滑石按下式:

成矿系统论

成矿热液交代含石英白云石大理岩和硅化白云石大理岩形成滑石按下式:

成矿系统论

(3)后生改造成矿作用过程

变质矿床形成后随地壳折返，接受改造，特别是在印支期—燕山期花岗岩成岩时热能的驱动下，在大气降水的参与下，形成块状水镁石、海泡石矿床。根据野外矿床岩石组合及矿石、脉石矿物的共生特点和它们之间的交代关系，可辨认出三期热液变质作用:

1)蛇纹石化作用期。

当岩体侵入到地层浅部时，开放、半开放体系矿源层中的大气降水受岩体热能的驱动形成浅成循环热水。白云岩、菱镁矿首先与流体中少量的SiO₂形成蛇纹石(岫岩玉)或蛇纹石化大理岩。随着温度的进一步升高，流体剩余的二氧化硅与蛇纹石形成滑石及镁橄榄石等二氧化硅不饱和矿物。

此时，水镁石开始出现，并伴随有水镁石交代蛇纹石、滑石、镁橄榄石，蛇纹石又交代镁橄榄石的反应。此阶段的温度在300～400℃之间。

成矿系统论

上述反应可以解释在辽东地区的大部分水镁石矿中，经常有蛇纹石与水镁石共生，以及在一些水镁石矿体中(如徐家台水镁石矿)，残余有镁橄榄石团块的原因。

2)水镁石成矿期。

当随着体系反应的进行，且H₂O的分压增大时，菱镁矿大量转变成水镁石。中酸性岩浆侵入，与镁质碳酸盐岩发生接触变质。

3)纤维状海泡石化期。

富含Mg²⁺，SiO₂的热液在菱镁矿、白云石大理岩裂隙中缓慢沉淀、充填形成纤维状海泡石。

6.成矿系统模式

综上所述，将辽东地区镁质非金属矿床成矿系统模式概括如下(图7-7):

1)成矿地质背景:古元古代大陆裂谷背景下的陆相裂陷-海相睸湖沉积，中生代太平洋板块向亚洲东部边缘的俯冲，形成构造-岩浆弧带。

2)成矿时代:古元古代(2.3～1.9Ga)沉积成矿，古元古代末(1.9Ga)变质改造成矿，印支、燕山期(250Ma～130Ma)后生叠加改造成矿。

3)含矿建造控矿:陆相蒸发盆地相-浅海相火山-沉积盆地蒸发岩镁质碳酸盐岩建造;变质建造-绿片岩相-角闪岩相镁质大理岩建造。

4)古岩相控矿:里尔峪沉积期中央凹陷区火山沉积岩带蒸发盆地沉降中心控制硼矿沉积，变质改造成矿为硼矿-菱镁矿-滑石-蛇纹石-石棉-透辉石-透闪石。大石桥沉积期北缘斜坡区钙镁碳酸盐岩相控制菱镁矿-白云石，变质后是菱镁矿-滑石-绿泥石-水镁石成矿带。

5)构造控矿:区域复背斜、向斜的两翼，特别是向斜，易于保存不被剥蚀;次级褶皱控矿，轴部或接近轴部破碎带、剥离构造、层间滑脱构造带、韧性剪切带，属张-剪性应力环境，是成矿容矿空间;早期区域性断裂构造是热液成矿的成矿通道，后期断裂构造对矿体破坏和改造。成矿构造有时是多种构造复合交叉集合体。

6)岩浆岩体的控矿:主要是印支期—燕山期的中酸性花岗岩，是菱镁矿、白云石分解和水化的热源，形成块状水镁石、纤维状海泡石等。

7)流体控矿:早期富硼、镁、硅火山热液或热泉水形成蒸发岩系，高盐度卤水使硼镁石、白云石、菱镁矿沉积;晚期热卤水、富镁、硅变质流体对镁质碳酸盐岩建造改造生成滑石、绿泥石、蛇纹石、等镁硅酸盐和透辉石、透闪石等钙镁硅酸盐矿物，后期大气降水、变质流体、少量岩浆水(局部)改造成水镁石、海泡石。

8)主要成矿作用:沉积成矿作用，包括热水沉积、生物沉积成矿作用;变质改造成矿作用，包括重结晶、热液交代和充填作用。

9)三个主要成矿期:沉积成矿期、变质改造成矿期和后生改造成矿期，但以变质改造成矿为主。

10)成矿系统产物:镁质非金属矿床成矿系列，里尔峪组硼-镁成矿亚系列，大石桥组镁成矿亚系列，七个常见的矿床组合和硼、镁矿化异常带。

图7-7 辽东地区古元古代裂谷带镁质非金属矿床成矿系统模式(据陈从喜等，1998)

11)成矿系统的保存与变化:古元古代末期主成矿系统形成后，经受多次构造变形重就位，使矿体复杂化，后期菱镁矿-滑石矿体部分改造成水镁石、海泡石矿体。