河北阜平北辛庄脉石英地质特征及成因浅析

谭 均，王立考，孙宝臣，王 政，焦晓东

(中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北 保定 071051)

高纯石英是一种重要的绿色战略矿产资源，天然的已基本枯竭，我国高纯石英供不应求，绝大部分依赖于进口[1-4]。脉石英由于其矿物成分单一,加工提纯效果较好,已经有多个国家用来加工高纯石英[5-7]。河北省北辛庄脉石英矿位于太行山区阜平西北部，此区域龙王庄一带开采过一个小型水晶矿，脉石英与水晶共生，但之前未作过脉石英找矿及勘查工作。

20世纪90年代初，曾在河北赞皇县上麻和东大峪等地发现脉石英产于太古代王家崇片麻岩断裂构造带内，多条脉断续相连延伸可达2km，沿走向具膨胀窄缩现象，平面上呈雁行状斜列，单脉规模大小不一，长几十至上百米。2014年在滦平县石门沟至黑石头沟一带，太古界单塔子岩群白庙岩组断裂破碎带内找到一处脉石英矿床[8]，主要并行分布有两条矿脉，产状倾向197°倾角80°。矿脉1，沿走向长500m，厚2.1～2.5m，矿石品位：SiO296%～96.2%，Fe2O30.14%～0.18%, Al2O30.19%～0.24%；
矿脉2：沿走向长1 300m，厚1.47～1.92m，矿石品位：SiO296%～98.2%，Fe2O30.11%～0.15%。脉石英成因类型为充填在断裂带的岩浆热液型。2006年12月地质出版社出版的《河北省非金属矿产资源》一书中粗略统计了河北省内的脉石英分布情况，但对脉石英矿特征未做过系统研究工作。本次北辛庄脉石英与以往找到的脉石英不同，属于变质热液型，其形成与变质岩建造、混合岩化变质作用及韧性剪切构造关系密切。

脉石英找矿靶区内主要有新太古代阜平岩群、五台岩群变质岩、变质深成岩、变质侵入岩、变质基性、超基性岩，经历了高角闪岩相至角闪岩相区域变质混合岩化，早期以区域钠质混合岩化为主，晚期广泛叠加钾质混合岩化。受构造带控制，晚期沿阜平、五台两群接触带附近及五台群内岩石局部花岗伟晶质混合岩化。主体岩性下部(包括元坊岩组和黄州岩组)为浅灰白、淡肉红色中—厚层状石英浅粒岩夹石英岩、绿帘斜长角闪岩、透辉浅粒岩、变粒岩；
上部(包括板峪口岩组和金刚库岩组)为黑云斜长变粒岩(局部含蓝晶石)，黑云片岩(局部含矽线石、石榴子)，角闪片岩夹金云母大理岩、条带状磁铁石英岩。岩浆岩主要包括新太古代五台期青羊口基性—超基性岩和古元古代吕梁期扣子头辉绿岩墙，后期岩浆岩不发育(图1)。

图1 河北省阜平县北辛庄脉石英矿矿化点地质简图

区内断裂构造以北西向占绝对优势，为规模较大的高角度张性断裂，倾角65°～85°，延伸长达十几到几十千米。吕梁运动后期，这些断裂多为辉绿岩脉所充填，形成规模宏大的辉绿岩墙群。有少量北东向正断层，规模较小。

岩层变形十分强烈，同时产生了强烈的构造置换，靶区内变质岩层片麻理等面状构造主要倾向西南，位于羊马楼向形构造南西翼，岩层内见有小尺度的无根褶皱、片内褶皱。

区内韧性剪切构造发育，规模大，宏观上表现为岩石的高塑性流变，形成于较深层次，与深部热流上升有关，分为阜平、五台两期：阜平期，呈小型露头尺度，长一般不超过4km，宽300～500m；
五台期，规模大,一般长＜20km，宽200～500m。呈北东向或北北西向的平行带状展布，倾向北西或南西，倾角 25°～40°，由于构造剪切，不同层位不同岩性直接接触。剪切带内不对称性平卧褶皱、剪切鞘褶皱、S-C组构、岩石残块、交代斑晶和变斑晶旋转组构、小型剪切带以及拉伸线理等构造普遍可见。卷入韧性剪切带的岩石单位都被构造平行化。而且自剪切带边部至中心变形程度趋于增强，从片麻岩构造透镜体化带→重结晶的糜棱化片麻岩带→眼球状重结晶的糜棱片麻岩＋角闪片岩带。构造剪切作用使背景岩石强烈变形改造的同时，发生了明显的退变质。

2.1 脉石英产出特征

靶区范围内见脉石英20条，主要分布在韧性剪切带附近的片麻理滑动面或裂隙面间，多数走向为北西—南东向，倾向南西或北西，部分走向为北东向—南西向，倾向南西，倾角38°～70°。露头呈正凸起，发育纵横交错的裂纹，附近有崩塌的石英岩碎石块，围岩无明显蚀变。根据脉石英与其围岩的接触关系，有两种产出形态：①脉状(图2a)：与围岩产状不协调，呈交叉状，此种规模相对较大，脉长57～212m, 脉厚0.77～13.41m；
②似层状、透镜状(图2c)：与围岩片麻理产状协调一致，此种脉规模小，脉长15～91m, 脉厚0.45～1.21m。一般脉长与脉宽成正比，前者脉倾角相对较陡，后者倾角相对较缓。规模相对较大的脉16条，其中“脉状”8条，“透镜状”12条(表1)。

表1 北辛庄脉石英特征一览表

图2 脉石英标本和露头形态野外照片

2.2 矿石类型及质量

在“脉状”和“透镜状”两种形态脉上分别取了化学分析样、岩矿鉴定、包裹体测试样(编号b2、b5)，由华北有色地质勘查局燕郊中心实验室做了分析测试。

2.2.1 矿物成分

样品b2呈乳白色或浅粉色、浅黄色，中粗变晶结构，粒径1～18mm，致密块状构造。主要矿物石英含量一般95%～99%，石英呈半自形粒状—自形六方柱状，含少量(1%～2%)粘土矿物、绢云母和铁质矿物，多数充填于石英脉节理裂隙中，或附着在裂隙面上，少数呈尘点状，被石英晶体包裹(图2b)。

样品b5呈白色，半自形—他形粒状不等粒变晶结构，粒径0.1～＜1mm，块状构造，主要矿物成分为石英，含量97%～100%，杂乱分布，颗粒接触边缘不规则，粒径小者集合体呈填隙状分布在较大粒径石英间，石英表面干净，粒内可见波状消光、斑块状消光、带状消光现象，可见膨凸重结晶亚晶粒、颗粒边界迁移及残留颗粒等现象。岩石中可见穿晶裂隙和碳酸盐充填的微细裂隙(图2c)。

2.2.2 基本化学成分

SiO298.15%～99.86%、Al2O30.011%～0.014%、Fe2O30.01%～ 0.04%、TiO20.012%～ 0.138%、CaO 0.01%～0.4%。

2.2.3 包裹体特征

石英颗粒中包裹体普遍较发育，包裹体与主矿物的界限明显，透明度较好。次生包裹体为主，原生包裹体少，以液相为主，气液两相居次，三相极少。原生包裹体主要包括三类。

(1)液体包裹体。普遍发育，大小一般为4～18μm，气液比一般2%～15%。形态以不规则状为主，多数单独成行产出，少数呈孤立状分布。均一方式为L+V→L,说明包裹体内原先捕获的是较高密度的流体相。

(2)含子矿物包裹体。大小一般为10～12μm，发育较差。形态为椭圆形、不规则状，多与液体包裹体共存，单独成行产出。子晶多呈立方体状，透明度较好，推测为NaCl晶体。

(3)含CO2包裹体。发育极差，见于样品b2中。大小为10μm，相比为5%。形态呈不规则状，与液体包裹体一起，单独成行产出。

由脉石英矿物成分、化学成分看，可以归为较纯石英原料，仅个别样SiO2含量略低于98.8%[9]。由包裹体特征看符合热水溶液阶段脉石英的特点。不利因素是规模较小、且非常分散，包裹体发育。

3.1 成因浅析

根据包裹体测试，液体包裹体显微测温：b2均一温度范围146.4～289.7℃，均值207.6℃，峰值温度150～180℃，盐度范围3.12%～12.17%，均值为8.2%，均一压力范围0.5～7.0MPa，平均2.3MPa。对均一温度须通过压力校正，使之更趋于接近被捕获时形成包裹体的温度[10-11]，校正后温度168.5～200℃(由于盐度均值介于5%～10%之间，校正值取盐度5%和10%两图解△T的平均值)，见图3、图4。特点是低温、低盐、低密度，含CO2包裹体。综合其产出形态，与湖北麻城陈家洼脉石英类似[12]，具有变质热液成因的特点,混合岩化作用为Si元素的聚集创造了条件[13]。b5均一温度范围185.5～276.9℃，均值248℃，峰值温度240～260℃，盐度范围3.28%～8.1%，均值为7.1%，均一压力范围0.9～5.7MPa，平均3.65MPa。校正温度219.7～313.4℃。特点是发育水溶液包裹体，缺乏H2O-CO2包裹体，盐度低于10%，温度大部分在100～280℃范围内，符合浅层低温热液矿脉特征，但含子晶，部分温度高于280℃，又符合浆控型高温热液矿床特点。综合其产状和赋存围岩有的为基性岩，且产状与围岩片麻理不协调，应当属于中低温变质岩浆热液成因。

图3 流体包裹体均一温度(a)及盐度(b)分布直方图

图4 压力对均一温度(TH)校正值(△T)图解

综上认为：在韧性剪切带分布区，强烈的变形改造的同时，富硅质成分的片麻岩建造岩石局部重熔[14]，发生了明显的角闪岩相退变质，产生了富硅质成分的热液，由韧性剪切带高压区向边部松弛带、裂隙、滑动面等低压区迁移，在近地表快速冷凝结晶形成脉石英。部分富Si的岩浆热液来自深部热流，因有脉石英赋存在基性岩中，显然非同建造层产物。似层状、透镜状脉石英，其硅质来自原地或半原地，一般规模小，部分难以利用，而与围岩产状不十分协调的脉石英规模相对较大，硅质来源于异地或深部，其地质条件与水晶形成地质条件类似，至少有沟通富硅热液的通道和赋存空间，有富硅物源(如分布较多的浅粒岩、花岗岩等)，有驱动硅质活化迁移的热事件(如构造运动、韧性剪切、混合岩化变质作用和岩浆侵入等)。脉石英常与水晶共生，只是水晶形成条件更加苛刻，还需要SiO2能结晶生长的宽松而封闭空间。由本区域阜平岩群中的龙王庄水晶矿的形成过程看[15]，脉石英的形成是其先期阶段，因此水晶矿会有脉石英伴随，脉石英中常见水晶踪迹。

3.2 找矿方向探讨

工艺矿物学所决定的杂质可选性是高纯石英原料的至关因素[16]，由于晶格缺陷形成的晶格杂质极难除去，后期的动力扰动和热扰动会使石英晶格恢复，驱除石英中的某些杂质[17-18]。太行山区岩石遭受过挤压造山的洗礼[19]，太古代等老变质岩经历过区域变质混合岩化等构造变形和热事件，有利于石英岩杂质的去除。结合北辛庄脉石英包裹体特征，以气、液相为主，认为石英颗粒中杂质易于去除[20]。北辛庄脉石英规模小、分散，部分达不到露天开采规定指标要求[9]，但围岩坚硬稳固，大部分脉倾角较大，采取硐采、分散开采集中加工提纯，可使有限资源得以充分利用。

河北省石英成因类型较全，但高纯石英原料有限，由可提纯性看，一般脉石英明显优于石英岩和石英砂岩，国内曾有人研究利用石英砂岩提纯高纯石英，难度极大，成本高，还有污染[21]。

(1)阜平北辛庄脉石英矿成矿流体主要来源于片麻岩建造，混合岩化变质作用、韧性剪切构造、深部热流上升为脉石英形成创造了条件。

(2)除变质热液型脉石英外，本区还有岩浆热液型脉石英，脉石英是高纯石英原料的主要找矿方向。

(3)燕山台褶带上滦平一带、太行山南段赞皇隆起石家庄至邢台西部山区具有脉石英的形成地质环境；
太行山北段阜平隆起涞源、易县一带，分布有系列富硅酸性岩脉、岩珠和岩体(窑沟、王安镇和紫荆关超单元)，断裂、裂隙构造发育，有与龙王庄水晶矿、北辛庄脉石英类似的地质环境，是寻找脉石英等较纯净石英原料矿的有利地带。