大連土城子熔劑用石灰巖礦床地質特征及成因分析

張連強

(遼寧省冶金地質勘查研究院有限責任公司,遼寧 鞍山 114051)

石灰巖是廣泛應用于冶金、建材、化工、輕工、建筑、農業等領域的重要礦產資源[1]。遼寧省石灰巖資源豐富，分布廣泛，從元古界至古生界共有20個含礦層位[2-8]，大連土城子熔劑用石灰巖礦賦存于新元古界震旦系甘井子組，礦體規模大、質量好；以往該區域石灰巖勘查及研究工作重點為震旦系南關嶺、營城子組及下古生界，對甘井子組礦床成因研究略顯薄弱。本文以土城子熔劑用石灰巖礦床為研究對象，總結其礦床地質、礦體特征、礦石質量等地質特征及規律，分析礦床成因，為今后大連地區尋找甘井子組石灰巖礦床提供參考。

1 區域地質背景

礦區大地構造單元位于柴達木—華北板塊(Ⅰ)、華北陸塊(Ⅰ2)、遼東新元古代—古生代坳陷帶(Ⅰ24)、大連新元古—古生代陸表海盆地(坳陷)(Ⅰ24-6)、復州新元古代—古生代凹陷(Ⅰ24-6-2)的南端(圖1)。地層分區為膠遼徐淮地層區的遼東地層分區的大連地層小區[9]。

圖1 區域地質略圖

區域出露地層有新元古界南華系橋頭組(Pt3q)，震旦系長嶺子組(Pt3c)、南關嶺組(Pt3n)、甘井子組(Pt3g)、營城子組(Pt3y)、十三里臺組(Pt3s)，中生界白堊系小嶺組(K1x)，新生界第四系上更新統(Qp3)、全新統(Qh)。橋頭組巖石類型為石英砂巖夾黃綠色頁巖，為一套陸源砂巖建造[9]；長嶺子組為一套陸源碳酸鹽建造，巖石組合為鈣質板巖夾泥質灰巖、粉砂巖；南關嶺組主要巖石類型為灰黑色中厚層灰巖；甘井子組是一套局限臺地相沉積產物，為白云巖型蒸發巖建造，主要巖石為深灰色、黃白色白云巖以及深灰色灰巖組成，灰巖為泥晶灰巖與白云質灰巖相間互層，是石灰巖礦重要含礦層位；營城子組為灰黑色中厚層灰巖，偶夾鈣質頁巖；十三里臺組由一套黑色頁巖夾薄層或透鏡狀泥質灰巖組成；白堊系小嶺組主要為深綠色、紫紅色火山碎屑及火山角礫巖組成。

區域構造簡單，以斷裂構造為主。斷裂構造可分為NE 向和NW 向兩組，斷裂構造傾角均較陡。斷裂水平斷距大，最大可達幾公里。斷裂性質多為正斷層，次為逆斷層。

區域出露巖漿巖主要為輝長巖脈，多沿斷裂或沿層間侵入在震旦系及白堊系地層中。巖脈長為0.2 ～2km，寬幾米至幾百米不等，分布方向與區域構造方向一致，產狀較緩。

2 礦區地質特征

2.1 地層

區內出露地層主要有新元古界震旦系甘井子組(Pt3g)，是熔劑用石灰巖的主要賦礦層位(圖2)。其巖性為一套碳酸鹽巖沉積巖系，以白云巖為主夾泥晶灰巖、白云質灰巖?？傮w呈NE 向展布，傾向NW，傾角10°～20°。根據巖石類型組合劃分為三個巖性段[10]。各段巖性由下至上敘述如下：

圖2 礦區地質簡圖

一段(Pt3g1)：分為兩個巖性層，即灰黑色薄層狀白云巖、黃白色薄層狀含燧石條帶白云巖，與下覆南關嶺組整合接觸。層厚度約270m 左右。

二段(Pt3g2)：為深灰色中厚層泥晶灰巖與白云質灰巖互層，是熔劑用石灰巖的賦存層位，地層總厚度約300m。根據其巖性不同，可細分為5 個巖性層：①深灰色中厚層石灰巖層(Pt3g21)：以泥晶灰巖為主，次為碎屑灰巖，縫合線發育，泥晶灰巖中有薄層蠕蟲狀灰巖及白云質灰巖透鏡體；②深灰色中厚層含白云質透鏡體灰巖層(Pt3g22)：以白云質灰巖為主，間夾泥晶灰巖薄層及白云質灰巖透鏡體，夾少量蠕蟲狀灰巖及鮞狀灰巖薄層；③灰黑色中厚層泥晶灰巖層(Pt3g23)：以泥晶灰巖為主，部分為鮞狀灰巖、碎屑灰巖及白云質灰巖透鏡體，局部泥晶灰巖中有少量黃鐵礦沿層星散分布；④深灰色中厚層含透鏡體白云質灰巖層(Pt3g24)：以白云質灰巖為主，夾泥晶灰巖、碎屑灰巖、蠕蟲狀灰巖，三者?；咏惶娉霈F；⑤深灰色中厚層白云質灰巖夾泥晶灰巖層(Pt3g25)：與Pt3g24 巖性基本一致，不同之處是沒有白云質灰巖透鏡體。

三段(Pt3g3)：與上覆營城子組整合接觸，巖石類型主要為白云巖。根據白云巖特點可分為四個巖性層，即深灰色薄層狀含燧石結核白云巖、灰白色薄層狀含燧石條帶白云巖、深灰色薄層狀白云巖、灰黃色薄層狀含燧石條帶狀白云巖。該段地層厚度約110m。

2.2 構造

區內地層總體呈北西向緩傾單斜層狀產出，走向NE50°左右，傾角10°～20°。斷裂構造較為發育，與區域構造線方向基本一致，有NW 向和NE向兩組斷裂構造，斷裂傾角較陡，將巖層縱橫切割，但對巖層連續性破壞不大，總體仍保持基本連續。斷層面上擦痕角均很緩，多為平推正斷層或平推逆斷層，垂直斷距小，約10m，水平斷距大，一般40 ～70m。斷層破碎帶寬窄不一，約為1 ～30cm。根據斷層相互切割關系，多為NE 向斷裂切割NW向斷裂，NW 向早于NE 向斷裂。

2.3 巖漿巖

區內出露巖漿巖主要為輝長巖。多呈規模不等脈狀、小巖株狀產出，出露寬度約3 ～130m，巖脈走向NW10°和NE80°，多沿斷裂構造方向分布。

3 礦床地質特征

礦床賦存于新元古界震旦系甘井子組二段，總體為一厚層狀礦體，礦體走向長3750m，傾向延深1400m 左右，平均厚度約300m。礦體總體產狀走向40°～50°，傾向北西，傾角10°～25°。礦體頂板圍巖為甘井子三段深灰色薄層狀含燧石結核白云巖、底板圍巖為甘井子組一段黃白色薄層狀含燧石條帶狀白云巖，礦體內部未見有非礦夾層。

3.1 礦體特征

根據巖石類型組合，自下而上劃分為Pt3g21、Pt3g22、Pt3g23、Pt3g24和Pt3g25五個礦層(圖3)。各層礦體穩定，厚度變化不大，礦層分別與甘井子組二段五個巖性層位相對應。各礦層特征如下：

圖3 典型勘探線剖面圖

Pt3g21(一層礦)：以Ⅰ、Ⅱ級和特級品為主，地表出露寬度26 ～80m，走向延長1930m，傾向延深500 ～1300m，平均延深900m。礦層厚度15 ～20m，平均厚約18m，厚度變化系數為14.76%。

Pt3g22(二層礦)：以白Ⅰ級品為主，地表出露寬度52 ～118m，走向延長1930m，傾向延深440 ～1200m，平均延深820m。礦層厚度25 ～44m，平均厚約34m，厚度變化系數為13.42%。

Pt3g23(三層礦)：以Ⅰ級品、特級品為主，地表出露寬度320 ～400m，走向延長1990m，傾向延深400 ～850m，平均延深625m。礦層厚度97 ～140m，平均厚約115m，厚度變化系數為14.76%。

Pt3g24(四層礦)：以白Ⅰ級、Ⅰ級品為主，地表出露寬度20 ～150m，走向延長1400m，傾向延深340 ～680m，平均延深542m。礦層厚度76 ～113m，平均厚約86m，厚度變化系數為20.31%。

Pt3g25(五層礦)：以白Ⅰ級、Ⅲ級品為主，地表出露寬度60 ～442m，走向延長700m，傾向延深130 ～315m，平均延深214m。礦層厚度約43m。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石礦物組成

礦物成分主要為方解石、少量白云石及微量石英。泥晶灰巖中除原生方解石礦物外，有少量次生方解石細脈，方解石粒度一般在0.02mm 左右，含量約95%。白云石分布不均勻，粒徑0.03 ～0.08mm，含量1%～5%。石英含量低于2%，主要分布在巖石層面和礦物間隙或膠結物成分中。方解石細脈沿巖石裂隙充填，晶粒0.3 ～0.7mm，脈寬約0.1 ～1m，含量約1%。

3.2.2 礦石結構構造

礦石結構主要有微晶結構(圖4a、4b)、碎屑結構(圖4c)。礦石構造主要有致密塊狀構造、蠕蟲狀構造(圖4d)。3.2.3 礦石化學成分

圖4 礦石薄片鏡下特征

礦石中主要有用組分CaO 平均含量52.22%，MgO 平 均 含 量2.71%，SiO2平 均 為0.72%，S 平均含量為0.020%，P 含量平均為0.0023%，Fe2O3含量一般在0.13% ～0.18%，Al2O3含量一般在0.25%～0.47%。主要組分CaO、MgO 呈現出彼此消長的規律，淺部CaO 含量高、MgO 含量低，深部CaO 含量低、MgO 含量高。根據礦石的化學成分，礦石可滿足黑色冶金熔劑用石灰巖質量要求[11]。各礦層化學成分見表1。

表1 各礦層化學成分統計表 (單位：%)

3.2.4 礦石類型

礦石工業類型為黑色冶金熔劑用石灰巖。礦石自然類型按礦物成分及結構構造，劃分為泥晶灰巖、白云質灰巖、碎屑狀灰巖、蠕蟲狀灰巖及鮞狀灰巖，以泥晶灰巖為主，次之為白云質灰巖，碎屑狀、蠕蟲狀灰巖較少，鮞狀灰巖最少。

3.2.5 礦石品級

礦石品級是依據經論證的礦床工業指標進行劃分的，劃分標準見表2。

表2 工業指標及品級劃分指標表 (單位：%)

全礦床礦石品級劃分為特級、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、白Ⅰ和白Ⅱ等6 個品級。與礦石自然類型有一定對應關系，泥晶灰巖一般多為特級和Ⅰ級品，白云質灰巖多為Ⅱ級品，碎屑狀灰巖多為特級和Ⅰ級品，蠕蟲狀灰巖多為白Ⅰ、白Ⅱ級品，鮞狀灰巖多為Ⅱ級品。全礦床品級以特級、Ⅰ級和白Ⅰ級為主，占全礦床的91%(特級39%、Ⅰ級15%、白Ⅰ級37%)。

4 礦床成因

4.1 巖相古地理

受揚子旋回晚期構造運動和周期性的天文旋回等因素影響[10]，頻繁的低幅度構造升降運動促使該地區甘井子期沉積層序的形成。甘井子早期海水逐漸入侵，海水覆蓋區開始沉積，由于沉積區與廣海未直接相連而形成了局限臺地環境接受沉積。隨著更大規模海侵過程，沉積區由局限臺地沉積環境向開闊陸棚沉積環境過渡，期間低能的清水環境，開始沉積泥晶灰巖，之后發生多頻次低級別海退海進事件，沉積環境由潮下低能轉為淺灘，此時沉積白云質灰巖、碎屑灰巖等。隨著海水的逐漸退去，沉積區由開闊陸棚環境過渡至局限臺地沉積環境接受沉積。根據金振奎等[12]對碳酸鹽巖沉積相分類原則，該區甘井子組沉積環境總體經歷了由局限臺地相→開闊陸棚相→局限臺地相沉積環境的演化過程，開闊陸棚相沉積環境為本區石灰巖的形成提供了良好的沉積環境。

4.2 礦床形成的理化條件

甘井子期經歷了四次不同級別的海侵事件[10]，第二次海侵規模最大，使大連海盆沉積環境由局限地臺逐漸向開闊臺地相過渡，其沉積微相由潮間帶向潮下帶低能清水環境過渡[13]，為石灰巖沉積提供良好的沉積環境。伴隨著氣溫、海水溫度的逐步升高，海水中CO2不斷揮發散去，使得海水中鈣質碳酸鹽含量升高，當達到過飽和后開始沉淀碳酸鈣。另外，溫暖環境適宜藻類生長，海水中藻類光合作用也需要吸收CO2，降低了Ca2+和CO32-離子在海水中的溶解度，促進碳酸鈣的過飽和而沉淀。海侵速度與碳酸鈣沉積速度保持大致平衡狀態[14]，使得沉積區內長期處于成礦物質源源不斷供應環境，而沉積了厚層石灰巖層。而后由海侵作用向海退作用過渡，氣候逐漸變為干旱，海水發生蒸發使得Mg2+含量增高，沿海水底部流動，交代早期沉淀的鈣質碳酸鹽巖形成白云質灰巖。海流或波浪作用使未固結灰巖反復震蕩成碎屑，又被灰質膠結，形成碎屑狀灰巖；海盆輕微升降運動或地震等作用[15]，使未固結灰巖形成垂直層面裂紋，后被灰質充填，生成蠕蟲狀灰巖；當海水溫度及深度適當時，藻類等生物開始繁殖，便形成了鮞狀灰巖。

5 結論

(1)熔劑用石灰礦床賦存于震旦系甘井子組二段(Pt3g2)中，礦體呈厚層狀且連續分布，走向長3750m，傾向延深1300m 左右，平均厚度300m 左右，劃分為五個礦層，儲量規模為大型。礦石品位穩定，有用組分CaO 平均含量52.22%，有害組分S、P 含量低。礦石自然類型以泥晶灰巖、白云質灰巖為主，品級主要有特級、Ⅰ級和白Ⅰ級品。

(2)礦床成因屬于化學沉積成因礦床。沉積環境為開闊地臺相潮下帶亞相低能清水環境。

(3)甘井子組沉積環境經歷了局限臺地→開闊臺地→局限臺地相的演化，受沉積環境影響沉積層序總體表現為薄層狀白云巖→中厚層泥晶灰巖、白云質灰巖互層→含燧石條帶狀白云巖。

(4)震旦系甘井子組地層受沉積環境影響具有鮮明的沉積層序，在該組內發育的石灰巖是尋找熔劑用石灰巖礦的直接找礦標志。