沉积建造在辽东半岛古元古代杨木杆硼矿富集成矿过程中的重要作用

赵 岩，张 朋，毕中伟，寇林林，杨宏智，陈 江

(中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034)

0 引 言

硼矿作为中国新确定的一种战略性矿产资源，具有广泛的工业应用，尤其是电子、原子能等高新技术领域。中国硼矿资源种类丰富，近年来第四纪盐湖型硼矿、地下卤水型硼矿勘查与研究都取得了很大进展，但储量和产量最大的还是产在辽吉地区古元古代造山带内的硼矿。

辽东半岛的硼矿是辽东—吉南成矿带的重要组成部分，呈近SW—NE向分布，与辽吉古元古代造山带关系密切。辽东半岛的硼矿主要有硼镁石型(含遂安石)和硼镁铁矿型两种矿石类型。长期以来关于硼矿成因争议较大，从早期认为的矽卡岩型、混合岩化热液交代型，到火山沉积-变质型、热水沉积-变质型、蒸发沉积-变质型。近年来，随着对辽吉古元古代造山带演化研究的深入，有研究者倾向于将硼矿作为古元古代蛇绿岩套或大陆裂谷产出证据，陆续开展的同位素等研究似乎也支持这一结论。但辽东半岛还产出一类以硼镁石为主要矿石类型的硼矿，矿区很少出露基性、超基性岩，弄清楚其成因对于完整理解辽东—吉南地区硼矿成矿作用具有重要意义。

本文选取辽东半岛宽甸县杨木杆硼矿为研究对象，基于详细的野外考察与室内显微观察，详细研究不同种类、不同品位的矿石特征，发现变余结构与交代结构反映了明显的后期成矿热液交代过程；针对矿石与不同围岩开展硫同位素和硼同位素研究，均反映出富镁碳酸盐岩建造对成矿元素的矿化富集具有重要贡献。

1 区域地质背景

辽东半岛产出有古老的龙岗地块和辽南地块结晶基底，以及挟持于二者之间呈近SW—NE向展布的胶辽吉造山带。胶辽吉造山带的发育(尤其是晚期造山作用)与辽东—吉南金、银、铅锌、硼、菱镁、石墨成矿带有着密切关系。胶辽吉造山带卷入巨量沉积物，传统研究将其划分为早期的火山建造夹少量碎屑建造、中部浅海相沉积建造及晚期的陆源碎屑沉积建造，并认为沉积时限大致在2.2～2.0 Ga。伴随早期火山-沉积建造，有一套片麻状花岗岩(也称辽吉花岗岩、条痕状花岗岩)侵位，LA-ICP-MS和SHRIMP锆石定年结果显示其侵位时代为2.2～2.1 Ga。尽管对于造山作用起始时间存在一定争议，但基本达成共识的是强烈造山作用在1.90～1.85 Ga。伴随强烈的地壳收缩加厚，早期沉积物发生变形、变质作用，达到角闪岩相变质程度，局部甚至存在麻粒岩相变质作用。伴随强烈的造山作用，同时侵位同造山花岗岩，以花岗闪长岩、黑云母花岗闪长岩为主，局部存在埃达克质花岗岩；相比早期片麻状花岗岩，该期花岗岩变形较弱，利用LA-ICP-MS锆石定年确认其侵位年龄在1.885 Ga左右。 造山后岩浆活动以发育正长岩脉、伟晶岩脉为特征，标志着胶辽吉古元古代造山作用的结束。

辽东—吉南成矿带内多种金属、非金属矿产资源的产出与胶辽吉古元古代造山带的演化密切相关。早期菱镁矿、铜、钴等通常认为与早期火山-沉积作用相关；而伴随强烈的造山作用，早期火山岩和沉积物已发生强烈变质变形，变质作用过程中矿物发生脱水、变质，与此过程相关的矿产包括硼、金、富铁矿、铅锌、石墨、玉石矿等。作为其中典型的矿产之一，硼矿后期发生的富集和就位与辽河群变质岩系的变质变形具有更密切的关系(图1)。硼矿几乎均产出在含硼建造变质变形强烈部位，如辽宁大石桥地区后仙峪硼矿产于辽河群里尔峪组内蛇纹石化白云石质大理岩中，与著名的虎皮峪背斜产出关系密切；以硼镁铁矿型矿石为主的辽宁丹东地区凤城翁泉沟硼矿，与刘家河复式褶皱产出关系密切(图1)。曾有研究者利用后仙峪硼矿体围岩电气变粒岩和电气石岩进行锆石U-Pb定年研究，认为锆石变质边部1 900～1 890 Ma的加权平均年龄可以代表硼矿的形成时代。

图件引自文献[14]，有所修改图1 辽东半岛古元古代辽河岩群与主要硼矿分布Fig.1 Location of Paleoproterozoic Liaohe Group and Boron Deposits in Liaodong Peninsula

2 矿床地质与样品描述

杨木杆硼矿是辽东半岛宽甸县大西岔乡境内的一处中型硼矿床，也是辽东半岛唯一没有硼镁铁矿型矿石的硼矿床，以较高的硼矿石品位著名。该矿床矿石是容易工业利用的硼镁石型矿石，BO平均品位约10.3%。

杨木杆矿区出露地层主要为古元古界辽河群里尔峪组和高家峪组，以及少量第四系沉积物。里尔峪组是矿区主要的赋矿围岩，分为两个岩性段：一是黑云母二长变粒岩夹薄层角闪电气变粒岩；二是电气钾长变粒岩夹薄层黑云母变粒岩、电英岩，含蛇纹石化大理岩、金云母岩及含硼蛇纹岩。高家峪组出露面积少，局部见与里尔峪组电气变粒岩呈不整合产出，未见明显接触界限，推测为构造接触。主要岩性为含墨夕线石榴黑云变粒岩、黑云母变粒岩。矿区范围内杨木杆褶皱是主要构造，呈近EW向展布，卷入的地层主要为电气钾长变粒岩夹蛇纹石化大理岩、含硼蛇纹岩等(图2)。从区域范围来看，褶皱产状与南辽河群深变质岩产状吻合，并卷入了大量呈岩株状、透镜状古元古代片麻状花岗岩(图1)。其中，在杨木杆褶皱转折端加厚部位产出有杨木杆硼矿的主矿体。矿区还发育后期NW向断裂，局部错断早期古元古代地层及后期脉岩，该断裂体系与区域范围内中生代NW向断裂一致。矿区东侧出露变形的古元古代片麻状二长花岗岩，其变形特征与周围里尔峪组变粒岩特征接近；同时还发育多种脉岩，包括斜长角闪岩、煌斑岩、伟晶岩、正长斑岩脉等，规模不大，通常切穿矿体与围岩，推测多是古元古代胶辽吉造山作用之后侵位。矿区常发生的蚀变包括蛇纹石化、水镁石化、透闪石化、绢云母化、滑石化等。

图件引自文献[19]，有所修改图2 辽东半岛杨木杆硼矿床地质简图Fig.2 Geological Map of Yangmugan Boron Deposit in Liaodong Peninsula

杨木杆硼矿BO最高品位为31.38%，平均品位超过10.00%。已发现的Ⅰ号至Ⅴ号矿体，经后期工程揭露和分析认为原为同一条矿体。本次研究采集了不同品位的硼镁石矿石，以及包括电气钾长变粒岩、蛇纹石化大理岩、金云母岩在内的不同类型围岩和蚀变围岩等样品。通过详细的显微镜下观察，对矿石矿物的结构构造有了更全面的认识。矿石矿物硼镁石的产出形式主要有纤维状硼镁石和少量板状硼镁石两种，与之相关的脉石矿物有镁橄榄石、铬白云母、水镁石、电气石、白云石、蛇纹石等(图3)。矿石主要发育变晶和交代残余结构，此外脉石中还发育变余结构等。 变余层状结构主要发育在围岩镁质大理岩内，局部可见暗色团块，蛇纹岩与围岩同步褶曲，被后期构造切穿[图3(g)～(i)]，显微镜下多见蛇纹石变晶。变晶结构包括粒状变晶、鳞片状变晶、纤维状变晶结构，广泛发育在围岩与硼矿石中。包括电气钾长变粒岩、金云母岩等的围岩内常见电气石、铬白云母等新生变质矿物呈变晶产出[图3 (a)～(f)]，硼矿石中也见有板状硼镁石呈变晶产出[图4(a)、(b)]。交代残余结构是硼矿石中最多的结构构造。不管是贫矿石[图4(c)、(d)]，还是富矿石[图4 (e)、(f)]，手标本和显微镜下均可以看到后期纤维状硼镁石交代早期富镁的蛇纹石等矿物，被交代的蛇纹石呈孤岛状、骸晶状产出在矿石中。

Cc为方解石；Fuc为铬白云母；Pl为斜长石；Srp为蛇纹石；Tou为电气石；Tr为透闪石图3 杨木杆硼矿主要围岩与矿石矿物手标本、野外照片和显微照片Fig.3 Hand Specimen, Field Photos and Photomicrographs of Main Surrounding Rocks and Ore Minerals from Yangmugan Boron Deposit

Fuc为铬白云母；Srp为蛇纹石；Sz为硼镁石图4 杨木杆硼矿主要矿石矿物组成与显微构造Fig.4 Compositions and Photomicrograph Textures of Main Ore Minerals from Yangmugan Boron Deposit

3 分析方法与结果分析

本次工作采集的10件岩矿石硫同位素测试结果列于表1。其中，采集自西部露天采坑的6件样品自西向东依次编号为S-18YM1～S-18YM6，如图2所示；东部井下开采矿石样品仅在图中标注了坑口位置，编号S-18YM7～S-18YM10。从表1可以看出：采自不同矿体的硼镁石矿石具有较为接近的δS值(14.2‰～19.5‰)，而蛇纹石化大理岩、白云石大理岩和金云母岩等围岩的δS值则较高(15.6‰～23.1‰)；与前人在辽东半岛典型硼矿床内获得的围岩及硼矿石硫同位素研究结果对比，可以看出不同地区的硼镁矿和本次研究的杨木杆硼矿内硼镁矿具有基本一致的δS值。

4 讨 论

4.1 稳定同位素特征对硼矿床成因的指示

岩矿石中的硫同位素通常会在后期热液和变质作用过程中再分配，从而趋向均一。本次研究获得了辽东半岛杨木杆硼矿的硼矿石δS值(14.2‰～19.5‰)，平均值为17.7‰；而不同类型的围岩(尤其是蛇纹石化大理岩)δS值较高(15.6‰～23.1‰)。有研究者认为古元古代沉积建造中较重的硫同位素代表了当时海水硫酸盐的硫组成，进而将古元古代全球大氧化事件与海水硫同位素储库绝对值升高相关联。本次研究同时收集了前人已发表的辽东半岛硼矿床硫同位素研究结果(表1)。整体来看，硼镁石型和硼镁铁矿型矿石的硫同位素与围岩硫同位素组成均与本次研究结果类似，矿石硫同位素特征反映了硼矿成矿过程中赋矿围岩的贡献，在含矿热液和变质作用下围岩硫同位素含量明显降低。矿石显微照片观察也支持以上研究结果：不管是贫矿石，还是富矿石，均能看到后期纤维状硼镁石交代早期蛇纹石化大理岩和蛇纹岩，构成典型的交代溶蚀结构[图4(c)～(f)]。从硼镁石化学式(Mg[BO(OH)](OH))来看，活泼的元素B进入成矿热液后还需要围岩等提供大量的Mg才能沉淀成矿。杨木杆硼矿最终就位成矿过程中，离不开赋矿围岩富镁碳酸盐岩建造的重要贡献，前寒武纪碳酸盐岩沉积建造是世界范围内富镁含矿建造。早期研究曾认为辽东地区硼矿分布与火山建造有关，主要将与片麻状二长花岗岩体产出关系密切的辽河群里尔峪组划为火山机构，认为硼矿产出与之相关。但从辽东宽甸地区辽河群碳酸盐岩沉积建造和硼矿床的分布来看，硼矿不仅与里尔峪组含硼火山岩建造有关，还同时受到古元古代镁质碳酸盐岩建造(主要是大石桥组、高家峪组)分布的控制。在碳酸盐岩建造厚度较大及受到后期区域变形作用的加厚部位常是硼矿产出的有利部位(图1)。

表1 辽东半岛典型硼矿床矿石与围岩硫同位素分析结果Table 1 Analysis Results of Sulfur Isotope Composition of Ores and Surrounding Rocks from Typical Boron Deposits in Liaodong Peninsula

硼同位素研究也得出了相似的结论。前人总结估算的2.0 Ga地壳中δB值为-13‰～-8‰，此外还有集中在-12‰～-8‰的原始地幔硼矿储库、集中在21‰～ 29‰的海相蒸发硼矿床和-17‰～3‰的非海相蒸发硼矿床。本次研究收集了前人研究的辽东半岛典型硼矿床硼同位素研究结果(表2)。从表2可以看出，硼镁石型矿石中δB值为7.4‰～13.9‰，平均值为10.8‰，落在海相蒸发硼矿床和非海相蒸发硼矿床之间，有研究者据此将辽东硼矿床解释为海相蒸发沉积环境，但也有研究认为其明显不同于现代海相蒸发，而是代表了富镁铁的古洋壳残留。整体来看，硼镁铁矿型矿石的δB值更低(6.9‰～8.2‰)，平均值为7.5‰。参考硼同位素的分馏研究成果，可能引起同位素分馏过程中δB值降低的情况有变质过程中的残余相、硅化交代、热水沉积作用、热蒸馏过程中的残余相。综合地幔硼储库(δB值为-12‰～-8‰)和矿床地质特征，富镁铁的硼镁石型矿石可能代表了变质残留洋壳。硼镁石型矿石具有较高的δB值，却又低于海相蒸发硼矿床的硼储库，反映了除变质作用外，可能有部分来自蒸发沉积环境的特征。

表2 辽东半岛典型硼矿床矿石及围岩硼同位素分析结果Table 2 Analysis Results of Boron Isotope Composition of Ores and Surrounding Rocks from Typical Boron Deposits in Liaodong Peninsula

4.2 硼矿与胶辽吉造山带演化

胶辽吉造山带是华北克拉通东部一条重要的古元古代造山带，关于其早期演化模式历来争议颇多，有弧陆碰撞、裂谷演化、陆陆碰撞、主动大陆边缘和弧后盆地闭合、先裂谷后碰撞等模式。虽然硼矿和金矿、石墨、铜钴矿等一样都是产出在胶辽吉造山带内的矿产资源，但不同研究者却有着截然相反的观点：坚持胶辽吉造山带是弧陆碰撞观点的学者认为世界范围内硼矿均产出在俯冲带之内，进而是支持弧陆碰撞模式的证据之一；而持裂谷演化观点的学者则认为似层状产出的硼矿与裂谷早期发育火山活动有关。

从本次研究结果来看，与硼矿的最终就位相关的是一期强烈变质作用，导致了蛇纹石等早期变质矿物的蚀变分解，同时成矿元素进入变质流体中形成含矿流体并最终沉淀成矿。结合辽河岩群的演化背景来看，这期强烈的变质作用最可能是由胶辽吉造山带最终在1.90～1.85 Ga的造山过程中导致的。前人对硼矿的成矿时代研究也有类似的结论，但早期通常利用硼矿区产出的片麻状二长花岗岩限定硼矿成矿时代下限在2.17 Ga左右，或者利用赋矿的电气变粒岩中具有核幔结构的锆石U-Pb定年，直至利用沥青铀矿直接进行U-Pb定年，确认硼矿成矿发生在古元古代晚期。虽然主成矿作用与古元古代造山相关，但要确认具体产自何种地质构造背景之下仍需进一步研究。似层状的硼矿体不足以限定早期B的来源是与裂谷活动相关的火山活动，也不是每个硼矿床都产出超镁铁质岩，进而能代表洋壳的存在。究其原因，B属于化学性质活泼的元素，多种地质过程均可能造成其迁移和重新分布，单纯利用硼矿的产出仍不足以限定其产出的大地构造背景，比如后期中生代构造活动就对矿体起到了破坏作用(图2)，局部甚至发生了新的矿化。

5 结 语

(1)辽东半岛古元古代杨木杆硼矿发育蛇纹石化、水镁石化等蚀变影响矿化的特征，矿石显微观察显示交代残余结构是最主要的结构构造。

(2)杨木杆硼矿硫、硼等稳定同位素分布与辽东典型硼矿基本一致，具有与蛇纹石化大理岩等围岩稳定同位素相近的特征，反映了硼矿成矿过程在富镁大理岩等沉积建造的重要贡献。

(3)虽然杨木杆硼矿的产出与胶辽吉古元古代造山带的演化密切相关，但活泼的B元素在多种地质过程中均可能迁移和重新分布，难以单纯从硼矿的产出来限定胶辽吉造山带早期演化模型。

谨以此文庆祝西安地质调查中心组建六十周年，祝愿西安地质调查中心未来取得更大的成就！西安地质调查中心长期与笔者所在的沈阳地质调查中心保持着良好的业务交流关系，特别是李志忠研究员长期关怀东北地区青年地质工作者成长！成文过程中，与沈阳地质调查中心东北大陆边缘研究中心陈井胜博士进行了诸多有益探讨，核工业北京地质研究院实验室对实验样品进行了及时准确的测试分析，在此一并表示感谢！