王紀(jì)平，張廣山，郭治鋒，陳傳剛，劉自立，孫春曉，杜安鵬

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000)

高純石英被列為我國在當(dāng)前和今后一段時期內(nèi)的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)，是信息技術(shù)(光通訊等)、光電源等產(chǎn)業(yè)用石英玻璃的原料。高純石英高端產(chǎn)品是芯片產(chǎn)業(yè)(半導(dǎo)體)、新能源(光伏等)和硅產(chǎn)業(yè)等功能材料和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料生產(chǎn)的原料，在國家戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)安全和國防安全都具有重要作用[1-2]。隨著水晶資源的逐步枯竭，脈石英替代水晶作為高純石英原料成為一種趨勢[3]。大別山西部北麓卡房地區(qū)脈石英礦成分單一，SiO2含量高，原礦質(zhì)量好，可以替代天然水晶作為高純石英原料。本文對卡房地區(qū)脈石英的特征和礦石質(zhì)量進(jìn)行了分析，并探討了脈石英礦的成因和分布規(guī)律，為下一步在該地區(qū)尋找脈石英資源指明了找礦方向。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于大別山脈西段，處于秦祁昆造山系東部，北為華北陸塊區(qū)，南為揚(yáng)子陸塊區(qū)，該區(qū)構(gòu)造發(fā)育，具有多期成礦構(gòu)造回旋，形成多種成礦建造[4]。區(qū)內(nèi)以下元古界卡房巖組混合質(zhì)白云二長片麻巖為主，夾白云二長(斜長)片麻巖、淺粒巖、白云石英片、榴閃巖和斜長角閃巖組成，即為白云母—鈉長石—石英及微斜長石—鈉長石—石英一系列礦物組合，主要為富硅的變質(zhì)巖建造。

研究區(qū)位于天臺山背斜(A1)中段卡房穹窿構(gòu)造中部偏南西部分。穹窿長軸走向324°，長20km，短軸方向40°，長約12km。受古構(gòu)造體系影響，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，下元古界的片巖、片麻巖系均發(fā)生了褶皺，斷裂發(fā)育。

區(qū)內(nèi)發(fā)育著一系列北西向、北東向斷裂，這些斷裂多呈現(xiàn)為張扭性或壓扭性。其中北西向斷層以東河—卡房斷層(F83)為主：走向335～340°，傾向北東，傾角70～51°，斷層延伸長度約18km。沿斷層巖層破碎，有大型的石英脈侵入。斷層作順時針扭動，最大斷距為3km。該斷層走向近平行于卡房穹窿長軸方向，位于卡房穹窿中偏南西部。北東向斷層主要為新華夏系構(gòu)造，屬于較年輕的構(gòu)造體系，以灄水?dāng)鄬?F29)為代表：斷層走向15～30°，向西南斜切卡房背斜(穹窿)。在南部斷層切割了北西向的東河—卡房斷層，使得卡房地區(qū)主石英脈位移錯動(圖1)。區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育，主要為一些小規(guī)模的石英脈。

圖1 卡房地區(qū)地質(zhì)簡圖及脈石英礦分布

研究區(qū)內(nèi)穿插有一條大型石英脈(受斷層F83 影 響)，長 約6km，寬40～70m，總 體 走向335～340°，傾向北東，傾角陡立80°，埋深大于100m。石英脈呈山脊地貌出露，巖石由石英—玉髓組成，鐵質(zhì)礦物少量。石英隱微晶狀，不透明，油脂光澤，結(jié)晶程度稍差，SiO2含量為94%～97.95%，質(zhì)量稍差。其中混合少量鐵泥質(zhì)礦物，巖石受應(yīng)力作用破碎，碎塊間為次生石英充填膠結(jié)。巖石表面受鐵質(zhì)浸染，呈黃褐色。該石英脈屬斷層破碎帶熱液填充，早于研究區(qū)內(nèi)高純石英脈形成時間，為后期脈石英的形成提供了物質(zhì)來源。

2 脈石英礦體特征及礦石質(zhì)量

2.1 礦體特征

區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)石英脈33 條，主要分布在下元古界卡房組下段構(gòu)造裂隙中，石英脈產(chǎn)狀受褶皺和斷層構(gòu)造影響，主要呈北北西和北東東向斷續(xù)延伸，總體上與卡房穹窿的構(gòu)造線方向一致。其中1～3m的石英脈16 條(表1)；1m 以下的石英脈17 條，大脈占48.5%。石英脈的形狀取決于形成時構(gòu)造裂隙的形狀，多呈脈狀、透鏡狀，少數(shù)呈不規(guī)則脈狀。石英脈的走向主要北北西向及北東東向，經(jīng)統(tǒng)計繪制了脈石英走向玫瑰花圖(圖2)。脈石英雜質(zhì)充填較少，對脈石英的質(zhì)量影響較小。

表1 脈石英主要礦體一覽表

圖2 脈石英走向玫瑰花圖

石英脈的圍巖主要為片麻巖，兩側(cè)圍巖具強(qiáng)烈的硅化、絹云母化、綠泥石化。部分石英脈邊部蝕變形成薄層的暗色邊，在接觸帶上云母片有集中變大的現(xiàn)象。

2.2 礦石類型

研究區(qū)內(nèi)脈石英主要有砂糖狀和塊狀兩種類型。砂糖狀脈石英乳白色、白色，半透明(圖3a、b)，主要有石英組成。表面風(fēng)化受鐵質(zhì)浸染，局部沿裂隙染有紅色或黃褐色水銹斑或鐵質(zhì)浮膜，呈現(xiàn)斑雜狀褐黃色外貌。致密塊狀脈石英主要為石英集合體(圖3c、d )，呈乳白—灰白色，致密塊狀，不透明—半透明，細(xì)晶—微晶結(jié)構(gòu)不含晶，斷面具油脂光澤。

脈石英主要受次級斷裂控制，填充在構(gòu)造裂隙空間中，質(zhì)地較為純凈，僅在礦石表面有鐵銹，脈石英邊緣接觸帶局部有云母集合體，雜質(zhì)充填較少。鏡下脈石英為自形至半自形粒狀、微晶粒狀、粒狀集合體，晶粒大小不一，相互堆積、鑲嵌；粒徑0.5～2.0mm，多數(shù)為1～2mm，均具波狀消光，長軸大致定向排列，定向分布。顯微鏡下，晶粒較為完整且結(jié)晶度較好，顆粒較大。

圖3 脈石英礦石照片及鏡下特征

2.3 礦石包裹體

脈石英中普遍存在包裹體，而對于高純石英應(yīng)用來說，包裹體是脈石英的有害成分之一，研究并去除其包裹體對制備高純石英具有較大意義[5]。本工作區(qū)脈石英主要為氣液兩相流體包裹體，在顯微鏡視域范圍內(nèi)包裹體數(shù)量較少，面積占比8%左右，包裹體體積較小，一般為7～20μm，形狀為不規(guī)則狀，且多為原生包裹體。氣泡的充填度約為8%。包裹體均一溫度在161～254℃，冰點(diǎn)為-6.8～0.3℃。通過拉曼光譜測試，脈石英樣品流體包裹體主要成分為H2O、CO2、N2(圖4)。以氣液兩相包裹體為主，有利于在深加工中包裹體的去除[6]。

2.4 礦石元素含量

通過對區(qū)內(nèi)16 條脈石英樣品進(jìn)行了常規(guī)化學(xué)成分測試(表2)，脈石英礦雜質(zhì)較少，礦石質(zhì)量較好，滿足近年來脈石英附加值最高的應(yīng)用領(lǐng)域要求。對彌補(bǔ)天然水晶資源的不足，滿足高科技用硅原料需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-8]。

采用了3 件具有代表性且質(zhì)量較好的脈石英樣品進(jìn)行電子探針測試(表3)。脈石英主要的雜質(zhì)元素是鋁，Al2O3的含量在0～0.07%，其次是鎳和鐵。經(jīng)分析認(rèn)為，影響礦石質(zhì)量的主要雜質(zhì)元素為鋁、鐵、鎳和磷。

圖4 激光拉曼光譜圖

表2 脈石英化學(xué)成分分析結(jié)果 (單位：% )

3 礦床成因

區(qū)內(nèi)脈石英主要賦存在下元古界卡房組下段地層中，根據(jù)野外工作情況及巖礦鑒定，組成該組地層的巖石主要為混合質(zhì)白云二長片麻巖為主，夾白云二長(斜長)片麻巖、淺粒巖、白云石英片、榴閃巖和斜長角閃巖，底部為含稀疏眼球的條痕狀混合巖。主要礦物組合為：白云母—鈉長石—石英及微斜長石—鈉長石—石英。含硅地質(zhì)體(地層)為巖漿熱液提供了SiO2物質(zhì)來源。國外的眾多研究表明［9］，大部分高純石英原料產(chǎn)在變質(zhì)巖地區(qū)，因?yàn)樽冑|(zhì)作用可以使石英產(chǎn)生重結(jié)晶，也可以使石英晶體中的某些雜質(zhì)元素含量降低，從而形成純度較高的石英。據(jù)國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，變質(zhì)巖地區(qū)的石英是用來替代水晶作為高品質(zhì)的原料[10]。

表3 電子探針定量分析數(shù)據(jù) (單位：% )

從區(qū)內(nèi)脈石英產(chǎn)出狀態(tài)看，巖漿演化過程中分異出的富SiO2的熱液向上運(yùn)動，在構(gòu)造空間中分異結(jié)晶形成脈石英。在穩(wěn)定的構(gòu)造中形成的脈石英形態(tài)簡單，以簡單型脈為主，分異程度高，礦石相對富集；在不穩(wěn)定環(huán)境下形成的脈石英礦體多呈不規(guī)則脈狀，不含或少含圍巖捕虜體[11-12]。

研究區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動，斷裂構(gòu)造發(fā)育?？ǚ狂妨男纬?，產(chǎn)生一系列的成礦構(gòu)造和成礦結(jié)構(gòu)面，構(gòu)造和廣泛發(fā)育的張性裂隙為富含SiO2的流體提供了運(yùn)移通道。為脈石英的充填就位提供了良好的賦礦場所。良好的圍巖地層條件為高純脈石英提供了優(yōu)良的生、儲環(huán)境；卡房穹窿構(gòu)造，為脈石英形成提供了賦礦場所。本礦床成因類型屬低溫?zé)嵋撼涮钚偷V床(表4)。

表4 卡房地區(qū)脈石英礦區(qū)域成礦要素及成礦作用特征一覽表

4 找礦方向及潛力分析

(1)地層標(biāo)志：石英脈主要賦存于下元古界卡房組下段地層中，該層片麻巖、片巖為脈石英提供了物質(zhì)來源。

(2)構(gòu)造標(biāo)志：石英脈嚴(yán)格受斷裂構(gòu)造控制，多期次構(gòu)造形成的卡房穹窿和與之平行產(chǎn)出的次級張性斷裂為脈石英容礦場所，為脈石英找礦指明方向。

(3)圍巖蝕變標(biāo)志：石英脈兩側(cè)圍巖具強(qiáng)烈的硅化、絹云母化、綠泥石化，這種蝕變類型可作為尋找中—低溫?zé)嵋旱V床的標(biāo)志。

(4)地形地貌標(biāo)志：脈石英抗風(fēng)化能力強(qiáng)，易形成山脊、陡坎等地貌。

(5)滾石標(biāo)志：溝谷中的殘坡積中的滾石為最明顯的找礦標(biāo)志。

(6)地名標(biāo)志：以白石坑、白石山命名的地方。

研究區(qū)主要地層大面積出露為下元古界的一套經(jīng)淺—中等區(qū)域變質(zhì)作用形成的片麻巖夾片巖系。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，北東向的構(gòu)造、北西向構(gòu)造疊加，形成了一個規(guī)模較大的卡房穹窿，穹窿長軸長約20km，短軸長約12km，面積約240km2。相應(yīng)產(chǎn)生一系列的成礦構(gòu)造和成礦結(jié)構(gòu)面，為脈石英的形成提供了良好的運(yùn)移通道和成礦空間。有利的構(gòu)造環(huán)境、地層物質(zhì)來源和巖漿侵位的熱源條件，提供了脈石英得天獨(dú)厚的成礦條件。在卡房穹窿范圍內(nèi)地質(zhì)成礦條件顯示出高純脈石英具有極好的找礦潛力。