河南省龙头寨重晶石矿床地质特征、矿床成因及找矿前景分析

朱 静,王红军,裴海洋,任婧文,刘祖尧

(1.河南省第一地质矿产调查院有限公司,河南 洛阳 471000;2.自然资源部贵金属分析与勘查技术重点实验室,河南 洛阳 471000;3.河南省金银多金属成矿系列与深部预测重点实验室,河南 洛阳 471000)

0 引言

重晶石是我国优势矿种之一,储量居世界第三[1-3]。据《中国矿产资源报告(2022)》统计,截至2021年,我国重晶石储量为9 154.87 万t。作为世界最大的重晶石生产国与供给国[4-7],我国每年重晶石产量约300 万t[4],主要出口美国、澳大利亚等西方国家[2,8]。重晶石作为钡最常见的矿物,是一种具多种用途的工业原料[5,9],主要用于石油钻井泥浆加重剂、钡化工及防核辐射、建筑、油漆以及医药原材料等多个领域,在世界范围内应用广泛[2,5,10-15],被美国、澳大利亚等世界主要经济体均将重晶石列为关键矿产[8,16]。

中国重晶石矿具有分布广泛但又相对集中的特点,主要分布在贵州、湖南、广西等南方省份,储量分别居全国前三位[3,5,7]。矿床成因主要有沉积型、层控型、热液脉型、火山-沉积型和残坡积型[15,17-24],以沉积型和热液型储量规模最为可观,是目前最为重要的矿床类型[25]。沉积型矿床多分布于湘桂黔地区,储量大、分布广,如贵州天柱大河边超大型重晶石[26];层控型矿床主要分布在中国南秦岭—大巴山一带,如南庄坪重晶石矿床、彭水郎溪重晶石矿床等[27-28];火山-沉积型矿床多形成于大陆边缘海相盆地中,与海底火山活动关系密切,如甘肃肃南桦树沟镜铁山重晶石矿床[29];残坡积型重晶石矿床分布较少,主要分布在环太平洋成矿域,例如海南儋县冰岭重晶石矿床[30];热液脉型矿床主要是与热液活动有关的矿床,受一定的地层和构造控制,常以充填和交代的方式赋存于围岩中,围岩蚀变以硅化、碳酸盐化、高岭土化为特征,在我国华北地区山东、河南等地分布广泛且占据绝对优势,如山东房庄、河南大池山、刘楼重晶石矿等[6,31-35]。

河南省陕州区地处豫西腹地,华北克拉通南缘,位于张茅—段村重晶石成矿远景区[6,36],是寻找重晶石矿较为有利的地区[21,25,34,37]。20世纪70年代,河南地质勘探队在该区开展重晶石找矿工作,共提交王营重晶石矿IX号矿体C+D级矿石量64.840 2 万t,平均品位55%;随后一大批矿床、矿点被发现,如西杨凹、铧尖嘴、宫前、石龙沟等重晶石矿床(点)[①]。河南省自然资源厅2019年度省财政地质勘查新立项目(豫自然资发〔2019〕22号),在该区龙头寨发现含重晶石构造蚀变带,并圈出重晶石工业矿体。本文在总结龙头寨地区所处区域成矿背景、矿区地质、矿体地质特征的基础上,通过与典型重晶石矿床地质特征进行对比,初步总结矿床成因、提炼找矿标志,对区内重晶石矿的成矿潜力和找矿前景进行论述,以期为今后该区重晶石矿的找矿勘查工作提供一定参考和指导。

1 区域地质概况

龙头寨位于华北克拉通南缘,华熊隆起中段崤山断隆东部。区内中元古界地层分布广泛,岩浆岩发育,断裂纵横交错,崤山背斜呈EW向从矿区南部经过,区内重晶石矿床(点)基本沿断裂分布,具有较好的成矿构造条件(图1)。

图1 区域构造纲要图①

区域地层属华北地层区豫西地层分区,横跨熊耳山和渑池—确山2个地层小区。主要出露中元古界熊耳群和汝阳群、新生界、第四系黄土。熊耳群为一套中基性—中酸性火山熔岩,分布于全区,岩性自下而上:许山组的主要岩性为灰绿色安山岩、大斑安山岩及斑状安山岩,鸡蛋坪组的主要岩性为紫红色流纹岩、流纹斑岩,马家河组的主要岩性为灰绿色、灰紫色安山岩夹斑状安山岩、大斑安山岩及砂岩、泥岩);汝阳群的主要岩性为石英砂岩、页岩、泥质粉砂岩、泥岩等浅海相沉积建造,出露面积较少,在区域东北部零星分布;新近系及第四系分布于区域东南部的沟谷和河谷中。

区域褶皱主要为轴向近EW向的崤山背斜,EW延长近60 km,呈轴面近直立,两翼大致对称,平缓开阔的褶皱类型,其向东倾伏端隐没在宅延、罗凹一带。区域断裂按其活动规模及展布方向可分为3组:近EW向(70°～110°)、NE向(20°～70°)及NNW向(290°～340°),以近EW向和NE向断裂最为发育,规模也最大,而NNW断裂则主要控制区内银铅锌等多金属矿和重晶石等非金属矿的形成和展布,是区内主要的控矿构造方向。该区岩浆岩发育,广泛出露陆相喷发的熊耳群中基性中酸性火山熔岩,以熊耳群盖层火山岩为主;侵入岩呈岩脉、岩株产出,岩性主要为中酸性侵入岩,时代跨度从太古代至中生代;以中生代燕山期花岗质岩体为主,主要有老里湾岩体、中河岩体和宅延岩体,控制老里湾、中河和宅延银铅锌矿的产出和规模。

区域矿产以金属矿为主,主要为中河银铅锌矿和老里湾银铅锌矿。

2 矿区地质特征

2.1 矿区地层

矿区出露地层主要为中元古界熊耳群许山组、鸡蛋坪组、马家河组(属豫西地层分区熊耳山地层小区),东北部龙脖一带出露汝阳群云梦山组、白草坪组、北大尖组、崔庄组、三教堂组、洛峪口组(属豫西地层分区渑池—确山地层小区),东南角、东北角小面积出露新近系洛阳组砂砾岩,东部大面积出露第四系午城黄土、离石黄土。各群组间为喷发整合或不整合接触,沟谷多为现代河床沉积物(图2)。

许山组(Pt2x):主要分布在矿区西南部。为一套以陆相喷发为主的中基性火山熔岩。自下而上可分3个岩性段,区内出露中段和上段,中段(Pt2x2)岩性主要为大斑安山岩,局部夹安山岩及杏仁状安山岩;上段(Pt2x3)岩性主要为安山岩,局部夹斑状安山岩。

鸡蛋坪组(Pt2j):主要分布在矿区中西部上岳庄—凤凰山一带,呈NW向展布。被马家河组喷发不整合覆盖,底部呈喷发不整合覆盖在许山组之上,为一套酸性火山岩。岩性主要为流纹岩、斑状流纹岩、石泡流纹岩、岩泡流纹岩、球粒流纹岩,中部夹安山岩。

马家河组(Pt2m):主要分布在预查区北部王营—龙脖水库一带,NW向展布。呈喷发整合或不整合覆于鸡蛋坪组之上,岩性为一套中性熔岩,岩性为安山岩、斑状安山岩、杏仁状安山岩、夹岩屑晶屑凝灰岩。

汝阳群出露于龙脖南部一带,为一套砾岩、砂岩、泥岩组合,平行不整合覆于熊耳群马家河组之上。自下而上出露云梦山组(Pt2y)、白草坪组(Pt2bc)、北大尖组(Pt2bd)、崔庄组(Pt2c)、三教堂组(Pt2s)和洛峪口组(Pt2ly)。西部与下伏马家河组呈断层接触。

矿区矿体主要赋存于马家河组安山岩和鸡蛋坪组的流纹斑岩。

2.2 矿区构造

矿区位于华北克拉通南缘华熊断隆区燕尔岭—罗凹倾伏背斜NE翼,属单斜构造,东部为洛宁新生代断陷盆地,第四系黄土广泛发育。构造以断裂为主,按方向可分为NW向、NNW向、近SN向、近EW向4组断裂。其中,NNW向和近SN向为区内主要含矿断裂构造,控制该区主要银铅锌等金属矿床和重晶石等非金属矿床的形成和展布。本次勘查新发现的8条含重晶石构造蚀变带,有3条含矿性较好,分别为F21、F23、F36。

F21构造蚀变带位于矿区中南部龙头寨东呈黄褐色、灰白色。出露长约320 m,宽2～10 m,产状242°～270°∠78°～90°,带内填充碎裂岩、重晶石脉,碎裂结构,块状构造。主要蚀变有硅化、褐铁矿化,部分角砾为重晶石。南北两端被第四系覆盖。

F23构造蚀变带位于矿区中部,断续出露,长约1.1 km,北段东倾,南段西倾。北段长约240 m,宽3～10 m,产状100°∠80°～83°,带内填充碎裂岩、黄褐色、灰白色的重晶石脉,呈碎裂结构,块状构造。主要蚀变有硅化、褐铁矿化,部分角砾为重晶石。南段宽2～3 m,产状282°∠75°,带内填充碎裂岩、黄褐色、灰白色重晶石细脉,呈碎裂结构,块状构造。具硅化、褐铁矿化。南北两端及中部被第四系覆盖。

F36构造蚀变带位于矿区北部。该带呈黄褐色、灰白色出露长约320 m,宽2.5～12 m,产状82°～95°∠72°～82°,带内填充碎裂岩、重晶石脉,碎裂结构,块状构造。主要蚀变有硅化、褐铁矿化、赤铁矿化,部分角砾为重晶石。南北两端被第四系覆盖,各构造蚀变带特征见表1。

图2 龙头寨重晶石矿区地质简图

表1 含重晶石矿化断裂构造特征

3 矿体地质特征

3.1 矿体特征

重晶石矿体赋存于构造蚀变带内,矿体与围岩边界清楚。在F21、F23、F363条含矿构造带内共圈出4个重晶石矿体,编号为F21-Ⅰ、F21-II、 F23-Ⅰ、F36-Ⅰ。各矿体特征见表2。

表2 龙头寨重晶石矿体特征一览

(1) F21-I号矿体:位于矿区中南部F21构造蚀变带内。矿体呈脉状,与围岩边界较清晰。沿走向长370 m,控制长度170 m,沿倾斜方向按地表工程推测斜深50 m(图3)。矿体呈舒缓波状,沿走向和倾向均未封闭。矿体顶板为碎裂岩,底板为流纹斑岩,蚀变以硅化、褐铁矿化为主,部分角砾为重晶石。围岩蚀变主要为硅化、弱褐铁矿化,次为绿帘石化、绿泥石化、碳酸盐化。

(2)F23-I号矿体:位于该区中部F23构造蚀变带内。矿体呈脉状,与围岩边界较清晰。矿体沿走向长320 m,控制长度120 m,沿倾斜方向按地表工程推测斜深50 m(图4)。矿体呈陡立板状,沿走向和倾向均未封闭。围岩为安山岩,蚀变以硅化、褐铁矿化为主,部分角砾为重晶石。围岩蚀变主要为硅化、弱褐铁矿化,次为绿帘石化、绿泥石化、碳酸盐化。

(3)F36-I号矿体:位于矿区中北部F36构造蚀变带内。矿体呈脉状,与围岩边界较清晰。矿体沿走向长350 m,控制长度150 m,沿倾斜方向按地表工程推测斜深50 m(图5)。矿体呈舒缓波状,沿走向和倾向均未封闭。矿体顶板为碎裂岩,底板为安山岩,蚀变以硅化、褐铁矿化、赤铁矿化为主,部分角砾为重晶石。围岩蚀变主要为硅化、弱褐铁矿化,次为绿帘石化、绿泥石化、碳酸盐化。

(4) F21-II号矿体:位于矿区中南部F21构造蚀变带内,是F21-I号矿体的平行脉。矿体呈透镜状,与围岩边界较清晰。沿走向长46 m,沿倾斜方向按地表工程推测斜深50 m。矿体由单工程控制,控制程度较低。

图3 龙头寨矿区F21矿脉I号矿体投影图

图4 龙头寨矿区F23矿脉I号矿体投影图

3.2 矿石特征

(1)矿石结构、构造:矿石结构主要为细晶质结构,次为碎裂结构。矿石构造主要为块状构造,次为角砾状构造(图6)。

(2)矿物组成:矿石矿物主要成分为重晶石(Brt),其次为石英(Qz),少量方解石和金属矿物。重晶石呈灰色,自形,柱状为主,裂隙发育,主要粒径5～20 mm。脉石矿物为石英、方解石等。石英,他形—自形,粒状—柱状,粒径0.5～2 mm。方解石,他形、粒状,粒径0.02～0.05 mm。此外矿石中含微量的黄铁矿和褐铁矿。

图5 龙头寨矿区F36矿脉I号矿体投影图

图6 重晶石野外特征及镜下照片

(3)矿石化学成分:矿石的化学成分主要为BaSO4、SiO2,BaSO4含量为71.78%～92.05%之间;SiO2含量为4.72%～18.91%,其次为Fe2O3、Al2O3等,Fe2O3含量为0.34%～0.79%,小于1%;Al2O3含量为0.33%～1.58%,小于2%。其他矿石矿物含量较小。矿石化学成分详见表3。

表3 重晶石矿化学分析结果

(4)矿石类型和品级

① 矿石类型:按成分可分为重晶石型、石英—重晶石型;按构造可分致密块状重晶石型、角砾状重晶石型。

② 矿石品级:依据重晶石矿工业指标w(BaSO4)≥50%,矿石经手选或简单重选后符合一般石油勘探、医药、化工工业企业质量要求。

3.3 围岩蚀变特征

重晶石矿赋矿地层为熊耳群火山岩。重晶石矿体与围岩界限清楚,肉眼可以辨别,矿体受断裂控制,矿石主要赋存在构造蚀变带中。围岩为安山岩和流纹斑岩,呈灰绿色—深灰色,隐晶质结构,块状构造,杏仁状构造。围岩蚀变以硅化、碳酸盐化、高岭土化、弱褐铁矿化为主。经野外调查发现,重晶石矿的围岩蚀变呈现较为规律的蚀变分带现象,由内向外依次为硅化—碳酸盐化—高岭土化—褐铁矿化,与成矿较为密切的蚀变主要为硅化和碳酸盐化(图7)。

图7 围岩蚀变特征图

4 矿床成因

4.1 矿床成因类型

华北地区重晶石矿床(点)数量多但规模小,在空间分布上具有区域性集中的趋势,主要分布在山东和河南,成因类型以热液型和内生层控型2种类型为主,其中热液型矿床无论是矿床数量还是储量规模均占主导地位[6]。由于龙头寨地区勘查程度较低,本文总结国内典型重晶石矿床的地质特征,如湖南古丈凉亭坳[38]、广西平典[5]、渑池地区[34]、卢氏李家坡[7]、登封白土沟[39]、卫辉大池山[35]等,通过对比探讨该区重晶石矿的成因类型。各矿床特征见表4。

通过与典型重晶石矿床地质特征进行对比分析,龙头寨重晶石矿与河南渑池、卢氏、卫辉等地区重晶石矿地质特征、矿体特征、矿石矿物组合、围岩蚀变特征类似,均严格受构造控制,矿体产于构造破碎蚀变带内,受热液活动控制明显,呈脉状或透镜状产出,属热液脉充填成因类型,根据区域构造活动历史,可归为内生成因岩浆热液型重晶石矿床,与成矿燕山期岩浆活动直接相关。

4.2 成矿物质来源

岩浆热液型重晶石矿床中的硫同位素值要普遍低于沉积型矿床中硫同位素的值,成矿物质一般来源于镁铁质火山岩、钙碱性流纹质火山岩,具有多源性特点,是典型的后生矿床[22]。华北地区岩浆热液型重晶石矿床中的成矿物质Ba、S多来源于中生代燕山晚期的岩浆活动所形成的热液。成矿热液地层中的Ba、S等元素,在热液活动下活化迁移并随成矿热液在先期形成的断裂通道内迁移富集,由于外部物理化学条件的变化,在张性断裂中沉淀、富集,是陆内岩浆活动远程岩浆热液的产物。

4.3 成矿机制初探

晚中生代,燕山期岩浆活动频繁且规模较大,岩浆在不断上升侵位过程中使成矿元素Ba不断富集、同时热液活动使地层中的Ba、S等活化迁移,由于岩浆活动的持续进行,使地壳内部不同深度和性质的韧性或脆性断裂发生活化和贯通,成矿物质沿着早期形成的断裂迁移,当热液通过近SN向、NNW向等压扭性断裂及裂隙等通道时,地表由于压力、温度等外部条件的变化,成矿物质发生卸载,最终在断裂构造的合适部位沉淀成矿;矿体严格受断裂构造控制,分布于断裂蚀变带中,呈脉状产出,矿体的形成与展布与断裂有密切联系,近SN向、NNW向压扭性断裂及其伴生的次级断裂为重晶石矿脉(体)的形成和赋存提供良好的空间,同时也是该地区银铅锌等矿体的导矿和容矿构造。

5 找矿标志与成矿远景

5.1 找矿标志

通过野外地质勘查工作,总结该区重晶石矿的找矿标志:

(1)含重晶石构造蚀变带是找重晶石矿的直接标志:该类重晶石矿受断裂控制较为明显,矿体均赋存于构造蚀变带,从构造与矿体的产状判别,重晶石矿基本受NNW向和近SN向断裂构造控制。该构造方向为区内主要的控矿构造方向,控制区内重晶石矿、中河银铅锌矿、老里湾银铅锌矿等矿体的形成和展布是主要的控矿断裂。

(2)民采露头为找重晶石矿的直接标志:区内重晶石矿化较好地段民采盛行,留下大量民采露头、采坑、民硐是直接的找矿标志。

(3)与成矿有关的围岩蚀变主要为硅化和重晶石化,此外常可见碳酸盐化和高岭土化均可作为找矿标志。

5.2 成矿远景

龙头寨地区处于张茅—段村重晶石成矿远景区,区内断裂构造发育,已发现含重晶石矿构造蚀变带8条,通过地表槽探工程初步控制3条主要含重晶石矿构造蚀变带,圈出4个矿体,估算潜在资源量矿石量28.75 万t。矿体两端均为黄土覆盖,地表仅由少量槽探工程控制,深部未开展工程验证。由于前期勘查过程中并未将重晶石作为主攻矿种,投入工作量较少,故该区重晶石矿深部及外围仍有较大的找矿空间和找矿潜力。通过开展钻探等深部验证工程,有望进一步扩大重晶石矿的资源储量规模,且该区银铅锌矿产资源丰富,周围分布有中河、老李湾银铅锌多金属矿,它们均受控于近SN向和NNW向断裂控制,因此该地区是寻找重晶石矿和银、铅、锌、矿的良好地段。

6 结论

(1)龙头寨重晶石矿赋矿围岩为中元古界熊耳群马家河组安山岩和鸡蛋坪组流纹斑岩。矿体受NNW向和近SN向断裂构造控制,产于断裂带内的构造蚀变岩中,矿体与围岩界限清晰。通过地表工作新发现8条含重晶石构造蚀变带,圈出4条矿体,估算重晶石潜在矿产资源矿石量28.75万t。

表4 矿区与国内主要重晶石矿床特征对比

(2)通过与典型重晶石矿床地质特征进行对比分析,初步认为该区重晶石矿为岩浆热液充填型脉状矿床,成矿与燕山期岩浆活动关系密切,是陆内岩浆活动远程岩浆热液的产物。

(3)龙头寨重晶石矿严格受构造控制,NNW向和近SN向断裂构是主要控矿断裂;区内民采活动盛行,留下较多采坑、采硐;与成矿有关的围岩蚀变主要为硅化和重晶石化,风化地段常可见高岭土化和碳酸盐化。这些特征是寻找该区重晶石的主要找矿标志。

(4)龙头寨矿区内已发现矿种主要为重晶石矿,目前工作程度较低,地表有少量探槽揭露,深部未进行工程控制,向深部及外围仍有较大找矿潜力,具有较好的找矿前景,通过进一步勘查工作有望提交一处可供普查的大中型矿产地,且该区具有寻找银铅锌等金属矿种的潜力。

注释：

① 毕炳坤 裴海洋 朱静,等. 河南省三门峡市陕州区龙头寨银矿预查报告[R]. 郑州:河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,2021.