区域毒重石矿床的成矿模式

一、区域毒重石成矿带有利的成矿背景

晚震旦世—早寒武世，扬子板块在晋宁运动克拉通化后发生造山期后的伸展作用，伸展运动的结果使地壳下沉，普遍接受震旦系—下寒武统盖层型沉积；同时，伸展运动在局部拉伸强烈的地区形成南秦岭早寒武世裂陷槽盆地。因而，南秦岭早寒武世裂陷槽盆地是扬子地台固化成熟过程中陆壳垂向增生和壳幔物质相互交换和调整的一种表现。在南秦岭早寒武世裂陷槽盆地中，沉积作用和岩浆活动极其发育，具体表现为除形成了一套具有“地槽性”沉积的深水陆棚相硅质岩和边缘陆棚相炭硅质板岩及碳酸盐等建造外，还广泛发育由盆地基底同生断裂控制的火山活动和深成岩浆侵入作用，如在沉积地层中广泛发育的火山物质和加里东期各种岩石化学性质的侵入岩。因此，南秦岭早寒武世裂陷槽盆地的一个显著的特点是内生作用与外生作用极为发育，成岩成矿物质丰富。具体表现为即有来自古大陆的表生风化物质，也有来自地幔和地壳不同深部层位的深源物质。盆地的这种化学成分特点不但为成岩成矿奠定了物质基础，也使盆地海水中的营养物质增加，促使生物异常发育。最终使盆地成为一个内生、外生及生物作用相互叠加的沉积环境。

二、区域毒重石矿床成矿物质来源

（一）Ba的来源

毒重石矿物中锶同位素的研究结果表明，在毒重石的形成过程中，曾有来源于火山物质的贫放射性锶的混入。由于Sr和Ba相似的地球化学特点，因而，在来源于火山物质锶混入的过程中，必然伴随着火山物质中Ba的释放。Ba除来自于火山岩外，大陆地壳岩石的风化及洋流带来的深海物质也是Ba的重要来源。

（二）毒重石中碳的来源

通过对区内数个典型矿床的碳、氧同位素研究，结果表明毒重石矿床中形成毒重石的碳无不例外地为有机成因碳；硼同位素研究结果表明，毒重石中的硼主要来源于沉积物中的生物有机质。因而，盆地中的生物和有机作用应是本区毒重石矿床形成的另一重要条件。

（三）重晶石中的硫源

通过对重晶石的硫同位素研究，发现形成重晶石的硫主要为生物有机硫和海水硫的混合。

（四）V、Mo、Ni等元素的来源

毒重石-重晶石矿床中另一显著的特点是富含 V、Mo、Ni、Co、贵金属元素（Au、Pt、Pd、Ag）和Se，这一特征的元素组合表明，该区成矿物质还有一个重要来源——地下含矿（Ba）热卤水沿深大断裂或火山喷发通道上升、提供，即来源于与火山物质相互作用后的热水。当然，对这些元素而言，特别是对于V、Ni和Se等元素，有机质中的金属有机螯合物也可能是使这些元素富集的另一个原因（如在硅质岩中已鉴定出的钒卟啉和镍卟啉化合物等）。

三、毒重石矿床形成过程中热水活动的特点及其对成矿的作用

自现代热水系统发现和报道以来，喷流或热水活动一度成为矿床学研究的热点。在我国，随着这一理论的引进，在古代沉积物中“发现”和“鉴定”出了较多的热水系统，并且认为很多矿床的成因与热水系统的发育密切有关，这可从近年来发表的大量文献中得到证明。

由于“白烟囱”是热水中的Ba离子与海水中的硫酸根离子相遇所形成的重晶石的沉淀物，因此，喷流或热水作用被认为是古代地层中层状重晶石矿床成矿的主要机制。在有关南秦岭毒重石成矿带的研究中，也有学者提出了类似的成因模式。然而，对区域成矿带和典型矿床对比研究后发现，虽然在南秦岭裂陷槽盆地的形成过程中曾发育由同生断裂控制的热水活动（类似于远离热水系统的现代太平洋沉积盆地，如中国太平洋开辟区沉积物中发现混有热水沉积物），但其规模远不足于形成本区如此规模宏大的毒重石或重晶石成矿带，并且，也不会存在类似于现代热水系统的关于重晶石或毒重石直接从海水中沉淀的机制。产生这一看法主要是基于以下的事实：①本区不具备发生大规模热水沉积的有利条件。本区裂陷槽盆地主要发育在陆壳基底之上，缺乏与海水发生大规模交代和循环的基性洋壳基底，虽然本区元古宙地层跃岭河群为基性火山岩，然而其规模毕竟有限，不可能产生大规模的热水活动。②缺乏典型的热水沉积硅质岩，含矿或赋矿硅质岩主要表现生物成因硅质岩的特点。③缺乏现代热水系统中典型的热水沉积岩组合及硫化物矿物组合。④几乎不含有钡的硅酸盐矿物。⑤矿石的组构特点更多地表现为重晶石的生物成因和毒重石的后期交代成因特点。

鉴于以上分析，认为本区在裂陷槽的发育过程中虽然存在着一定程度的热水活动，但其对形成本区毒重石-重晶石矿床的作用可能主要表现在为盆地海水中提供了大量的Ba离子和其他营养离子，并促使生物发育。

四、沉积物中Ba的主要浓集机制

通过对现代海洋中钡地球化学行为的研究，发现海水中钡的聚集或钡从海水中的除去主要是通过生物成因重晶石的形式而实现的（尽管目前对海水中生物成因重晶石确切的成因机制尚不清楚）。相对于重晶石或毒重石而言，由于Ba在海水的任何深度都是不饱和的，因而，生物成因重晶石是目前除“白烟囱”或“黑烟囱”外，有关海水中钡浓集或富集的唯一方式。即使在局部钡过饱和的海水中，如黑海，生物成因重晶石也是钡从海水中除去的主要形式。通过对本区毒重石或重晶石矿床的典型矿床研究，均发现了有机质和重晶石的这种密切共生关系（见图版8、12、13、14、15、18），并首次在矿石中发现了完整的在现代海洋中才可见到的生物成因重晶石，这些研究成果证实了生物作用通过生物成因重晶石（bio-barite）的形式将海水中的Ba2＋浓集并沉降于海底，形成本区钡矿床的初始富集体，为本区毒重石或重晶石在早期成岩阶段的进一步富集成矿奠定了物质基础。

五、早期成岩阶段沉积物中生物成因重晶石的溶解和毒重石的沉淀——毒重石矿床的形成机制

图7-1 沉积物中重晶石的形成模式图

图7-1反映了该区区域毒重石或重晶石矿床的成因模式。该模式说明了在早期成岩阶段沉积物介质中重晶石或毒重石的形成特点。它主要包括以下两个主要方面的内容：①早期成岩阶段沉积物中生物成因重晶石的溶解和再沉淀；②早期沉积物中生物有机质的降解和裂解及毒重石矿床的形成。下面主要介绍这两种形成毒重石或重晶石矿床的主要机制及其它们之间的关系。

图7-2 Ba-S-O-H-C体系的Eh-pH图

溶解类型：BaCl2＝10-6；C＝10-3；S＝10-3，条件：25℃，105Pa

生物成因重晶石的溶解和再沉淀及毒重石的形成主要发生在早期成岩阶段的沉积物介质中。随着沉积物中生物成因重晶石的沉积和进一步埋藏，松散的沉积物脱离沉积环境后进入早期成岩作用演化阶段。此时，在海水中较为稳定的生物成因重晶石由于环境的变化而发生成分和结构上的重新调整，以便适应新环境。生物成因重晶石在早期成岩阶段的变化首先表现为其中的有机质在微生物和细菌的作用下发生大规模的降解和缩合作用，其次是在成岩作用后期由于温度的升高有机质发生脱羧基和裂解作用。伴随这些过程或作用将产生大规模的富12C的生物气和CO2气体。这些富12C的生物气和CO2气体由于浓度梯度或内压力的增加在向上运移过程中，通过氧化作用或与孔隙水反应而最终形成水溶性的 或 离子，它们提供了形成毒重石或钡解石的碳源。生物成因重晶石在早期成岩阶段发生的另一变化是处于硫酸盐还原带下部的重晶石在硫酸盐还原菌及有机和无机还原作用下发生溶解，向孔隙水中释放出大量的Ba2＋，造成孔隙水中Ba2＋离子的浓度明显增高，并在硫酸盐还原带孔隙水和硫酸盐还原带上部孔隙水之间产生明显的Ba2＋离子浓度梯度，导致硫酸盐还原带孔隙水中的Ba2＋以扩散的形式向上迁移。在硫酸盐还原带与水岩界面下部的沉积物介质中，Ba2＋与 或 离子结合形成毒重石或重晶石沉淀[即重晶石前峰（barite front）]，至于这两种不同种类的钡盐比例多少将最终决定于孔隙水中 或 的量比，而且这两种钡盐的沉淀将最终形成毒重石-重晶石混合矿体。在硫酸盐还原带下部的沉积物中，孔隙水中的Ba与2＋ 作用而形成毒重石沉淀，并最终形成毒重石矿体。在这种环境中，由于 的还原作用，S主要以H2S、[HS]-及S2-的形式存在，从而使沉积环境的pH＞9，这种条件有利于毒重石的大规模沉淀。毒重石沉淀时所需的碳主要来源于含有机质的硫酸盐在还原过程中产生的 离子及深部沉积物中有机质在降解、裂解及脱羧基过程中所产生的生物气和CO2气体。

毒重石或钡解石的这种成因机制与毒重石在标准条件下的稳定范围（图7-2）是一致。在正常的海水条件下，Ba主要以生物成因重晶石的形式而沉淀的。由图7-2 可知，重晶石稳定的pH范围很宽，而毒重石稳定的pH和Eh范围很窄。只有在Eh值较低和pH＞11时才可能形成毒重石沉淀。毒重石的这种稳定条件在海水中是难以满足的，但在沉积物的早期成岩阶段，沉积物孔隙水由于生物有机质的降解作用和硫酸盐的还原作用所形成的碱性还原环境往往可以满足毒重石的这一形成条件。毒重石矿石中普遍发育的交代结构和玫花瓣状结构证明它们应是这一时期的产物。

庙子毒重石-钡解石矿床位于四川万源市北东68km处的大竹区庙子乡。矿区大地构造位置处于大巴山北侧，南以北大巴山断裂为界与扬子准地台相毗邻。出露地层主要为上震旦统灯影组、下寒武统鲁家坪组（图3-9）。区内褶皱断裂发育，构造线方向NE—SW向，矿区位于黄溪河复式背斜西段。区内未见岩浆岩出露。

一、矿区地层

矿区出露地层主要为震旦系上统灯影组（Zdn）和寒武系下统鲁家坪组2 。

（一）震旦系上统灯影组（Z2dn）

灯影组地层分为上、下两个岩性段。

图3-9 万源庙子毒重石-钡解石矿区地质简图

（据西南地质勘查局604队，1997）

1下段（Z2dn1）

该段为黑色厚层—块状硅质岩为主，夹薄层硅质岩或硅质板岩。厚层硅质岩为隐晶质结构。厚约120m。

2上段（Z2dn2）

根据岩性组合特征划分为三个岩性层，自下而上依次为：

（1）一岩性层

主要为黑色中厚层状硅质岩夹少量薄层含碳硅质板岩。硅质岩具隐晶结构，条带状、块状构造。厚365m。

（2）二岩性层

二岩性段主要为中厚层状硅质岩夹薄层硅质岩，向上过渡为薄—中厚层含炭硅质板岩，硅质板岩中夹钡矿化白云岩（白云质灰岩）或钡矿透镜体，透镜体厚05～15m不等，长度小于10m。本层厚50m。

（3）三岩性层

三岩性段为矿区主要含矿层位。

下部为钡矿层，下部矿层以深灰色致密块状泥晶毒重石为主，钡解石次之，层位稳定，但沿走向不连续；上部矿层为结晶块状细—粗粒钡解石-毒重石层，钡解石为主，毒重石次之，层位稳定。

上部为薄层硅质岩夹薄层含炭硅质板岩。硅质岩单层后5～10cm，含炭硅质板岩单层厚05～1cm，二者以互层产出为特征。该层为矿层直接顶板，多含有粒径05～15cm的硅质结核和磷质结核，在与矿层接触部位可见1～2cm宽的条带状或脉状钡解石等钡矿物。该层为找矿标志层。

（二）寒武系下统鲁家坪组

该组地层大致分为上、下两段。

1下段

下段主要为黑色炭质板岩夹钙泥质板岩。底部板岩薄层状，板理发育，含胶磷矿结核（粒径2～12cm）。中上部板岩板理不甚发育，呈中厚层状，炭质减少，砂泥质成分增多。厚80m。

2上段

上段主要为薄—中厚层粉砂岩夹少量含炭泥质板岩。粉砂岩主要由石英粉砂、泥质和少量黄铁矿、绢云母组成。

（三）关于含矿层位的时代说明

本矿区含矿岩层位划为震旦系上统灯影组，但该矿区与重庆巴山毒重石矿床同处于黄溪河复式背斜北东翼的次级褶曲中，而巴山毒重石矿床含矿层位则归为寒武系下统鲁家坪组（见本章第二节），两者毒重石矿层（体）均层位稳定，产于含炭硅质岩或硅质板岩中，大致具有相同的含矿层结构，推测两矿床含矿层位当属相同的时代。两矿床位于大巴山毒重石成矿带的中部，该成矿带其他毒重石矿床的含矿层位均为寒武系下统鲁家坪组，矿层（体）亦均产于硅质岩中。据《中国地层典寒武系》研究（《中国地层典》编委会，1999），黄柏树湾毒重石矿床所处的紫阳区鲁家坪组包含了震旦系灯影组的部分层位，而城口区的灯影组则涵盖了鲁家坪组部分层位。且紫阳黄柏树湾毒重石矿层（体）产于鲁家坪组下部的硅质岩中（见本章第一节），由此推测，在区域性大巴山毒重石成矿带内，毒重石矿床可能赋存在相同层位内。由于地层划分对比非本书重点，此处不多赘述。

二、矿区构造

矿区位于黄溪河复式背斜北东翼的北西段次级褶皱内，区内次级褶皱主要为NW—SE向斜列的同斜背、向斜，一般背斜紧闭向斜开阔。总体构造线方向NW315°～320°。区内断裂以NW—SE走向断层为主（图3-9）。

（一）褶皱

与矿区有关的次级褶皱主要为高家湾-马家沟同斜背斜和董家坡-东岳庙向斜。

1高家湾-马家沟同斜背斜

该背斜以震旦系灯影组（ 、 ）厚层—块状硅质岩为核部，寒武系鲁家坪组为两翼，轴线走向NW，轴面倾向SW225°，倾角57°～71°，由NW至SE逐渐变陡。背斜在南东部马家沟一带呈楔形倾伏。背斜两翼局部被走向断层F20、F22等错断，造成矿层沿走向局部断失。

2董家坡-东岳庙向斜

该向斜位于高家湾-马家沟背斜南翼，与之呈紧密雁列式排列。向斜轴部为鲁家坪组地层，两翼为灯影组上段地层。轴面倾向SW，倾角约88°。

（二）断层

矿区断层主要为NW—SE 走向断层，分布于褶皱翼部灯影组与鲁家坪组接触部位。断层走向基本与地层一致。该组断层对褶皱和矿体都有一定的破坏作用（表3-6）。另外发育有NE向断层，在矿区走向断裂带中零星分布，该组断层规模小，矿体无影响。

表3-6 走向断层特征表

三、矿体（层）地质

庙子钡矿区大致可分为5个矿体，各矿体具有相同的矿层结构。现以2号矿体（层）为例论述其特征。

（一）矿体（层）特征

2号矿体分布受高家湾-马家沟同斜背斜控制，分布于背斜倾伏部位两翼，受走向断层F2、F20等破坏进一步分成2-1、2-2（北东翼）和2-3、2-4（南西翼）4 个亚矿体。

12-1矿体

矿体位于背斜北东翼的北西段，露头长970m。矿体呈层状、似层状产出，与围岩产状一致，总体走向SE135°，倾向随地层倒转倾向南西，倾角52°～85°（图3-10）。矿层厚030～158m，平均厚059m；BaCO3品位2978%～9402%，平均5806%。矿体是以毒重石为主的富矿石，钡解石和毒重石混合矿石次之。

矿体顶、底板均为薄层硅质岩和含炭硅质板岩，硅质板岩中常含重晶石，含量一般小于10%，仅局部打3454%。矿体出露标高732～1121m。

22-2矿体

矿体位于背斜北东翼的东端，长110m。矿体呈层状、似层状产出，由于位于背斜倾伏部位，并受断层影响，矿层揉曲发育，局部走向变化大，总体产状205°∠68°（图310）。矿层厚 053～084m，平均 064m；BaCO3品位 3171%～7783%，平均5603%。矿石为钡解石-毒重石型，平均矿物含量：毒重石3463%，钡解石3226%。

矿体顶、底板均为薄层硅质岩和含炭硅质板岩，硅质板岩中常含重晶石，含量一般618%～1662%。矿体出露标高938～990m。

32-3矿体

矿体位于背斜南西翼的北西段，露头长大于700m。矿体呈层状、似层状产出，部分地段揉曲强烈，总体走向135°～140°，倾向 SW，倾角50°（图3-10）。矿层厚039～111m，平均064m；BaCO3品位3043%～6925%，平均4407%。矿石基本为钡解石-毒重石型，平均矿物含量：毒重石2337%，钡解石3185%。

矿体顶、底板的含炭硅质板岩中常含重晶石，含量一般041%～2618%，平均966%。矿体出露标高938～990m。

42-4矿体

矿体位于背斜南西翼的北西段，露头长500m。矿体呈层状、似层状产出，受断层影响，矿层揉曲发育，总体走向136°，倾向SW，倾角62°（图3-10）。矿层厚030～172m，平均092m；BaCO3品位3184%～9236%，平均5682%。矿石基本为钡解石-毒重石型，平均矿物含量：毒重石2337%，钡解石3185%。

矿体顶、底板的含炭硅质板岩中常含重晶石，含量一般041%～2618%，平均966%。矿体出露标高894～1121m。

（二）矿石特征

1矿石矿物组成

（1）矿石矿物

该区矿石矿物以毒重石为主，钡解石次之，含少量重晶石及铝硅钡石和菱碱土矿。属以碳酸钡为主的混合型钡矿床。

1）毒重石：多呈浅灰—深灰色泥晶粒状集合体，粒径小于001mm，与石英、炭质和粒状重晶石伴生，定向分布，显示微层理构造，应为准同生阶段生成。毒重石在矿石中的含量一般40%，最高可达80%～85%。

图3-10 庙子钡石矿区勘探线剖面图

1—寒武系下统鲁家坪组；2—震旦系上统灯影组上亚组第三岩性层；3—震旦系上统灯影组上亚组第二岩性层；4—震旦系上统灯影组上亚组第一岩性层；5—厚至中厚层硅质岩；6—厚层硅质岩；7—钡矿化白云质类岩；8—板岩；9—粉砂质板岩；10—炭质板岩；11—炭质硅质板岩；12—碳酸钡矿石；13—断层及编号；14—平硐及编号；15—探槽及编号；16—矿体及编号

2）钡解石：灰色，多呈粒状—板柱状，粒径002～20mm，具似方解石解理。因含炭质而呈灰—深灰色，多见交代毒重石、重晶石和白云石，并常包裹毒重石或重晶石假象，反映了其后生交代成因。钡解石在矿物中的含量一般0～95%，常形成单一钡解石矿石。

3）重晶石：多呈粒状、短柱状、板状，粒度001～003mm，晶体内常包含炭质。一般分布在顶底板围岩中，呈微层状、条带状产出，含量最高2618%。

少量铝硅钡石和菱碱土矿。

（2）脉石矿物

以石英为主，含量1%～30%，主要为硅质岩或硅质板岩中的石英残余，一般粒径001mm；少量炭质，含量一般1%～3%，多呈细分散尘点状分布。其他还有少量白云石、方解石和胶磷矿。

2矿石结构构造

（1）结构

1）泥晶—微晶结构：矿石由小于001～003mm的矿物组成，紧密排列。主要见于致密块状矿石。

2）细—粗晶结构：矿物结晶较好，大小不等，粒径01～20mm。主要见于钡解石矿石和钡解石-毒重石矿石中。

3）中粗变晶结构：矿物结晶好，大小均匀，粒度01～1mm晶体成齿状镶嵌。主要见于以钡解石为主的矿石中，在2-3、2-4矿体中较发育。

4）束状-放射状结构：具板柱状的矿物（如钡解石）晶体组成束状、放射状集合体。

（2）构造

1）纹层状构造：泥晶—微晶矿物定向排列，组成厚1～2mm的纹层，纹层间分布有较多的泥、炭质，呈“藻叠层”状构造，显示原生沉积层理构造。常见于毒重石矿石中。

2）致密块状构造：由细小的或大小不等的矿物杂乱排列而成，有时可见矿物不明显定向排列。这种构造的形成与交代作用有关。常见于毒重石及混合型矿石中。

3）结晶块状构造：由晶体大小不等或粒度相近的矿物杂乱排列组成，晶体一般大于01mm，矿物常发生重结晶作用和交代作用。普遍分布于各类矿石中。

3矿石化学组成

矿区矿石化学组分主要为BaO、CO2，其次为CaO、SiO2，其他少量（表3-7）。

表3-7 庙子钡矿区矿石化学组分表

4矿石类型

工业类型为碳酸盐型钡矿石。按照矿石矿物中的含量不同可划分出三种自然类型：毒重石矿石、钡解石矿石和钡解石-毒重石矿石。

（1）钡解石-毒重石矿石

灰—灰黑色，泥晶、细—粗晶结构及交代结构，致密块状构造，有时见残余的微层状构造。以毒重石、钡解石为主，极少量重晶石，含石英、方解石及炭质、零星黄铁矿等杂质。毒重石含量略高于钡解石，BaCO3含量一般40%～70%，最高8937%。

该类型矿石为区内的主要矿石类型。

（2）泥晶毒重石矿石

灰—深灰色，泥晶—微晶结构，致密块状构造。以毒重石为主，含少量钡解石和重晶石，伴生少量石英、炭质等杂质。矿石质量较好，BaCO3含量最高9402%，一般都大于80%。主要分布在矿层底部或下部，大多沿走向呈数米至数十米似透镜状分布。

该类型为次要矿石类型，主要分布在2-1、2-4矿体中。

（3）钡解石矿石

深灰色，细—粗晶结构、中粗粒变晶结构、交代和交代残余结构，块状构造以钡解石为主，毒重石次之，少量其他钡矿物。钡解石结晶好，多呈粒状或束状集合体，常见交代毒重石、重晶石。部分钡解石与方解石、石英共生与细脉中。该类矿石BaCO3含量最高50%～70%，为次要矿石类型。

四、矿床成因

该矿床中，毒重石构成了钡矿的主体。矿石中发育的块状构造、纹层状（“藻叠层”）构造等原生沉积构造；泥晶—微晶结构、细—中粗粒结构和各种交代结构组构特征反映了该矿床的沉积成因。