摘要
四川石棉足富矿区分布有大量具有工业价值的大理岩，但因关注度低，大理岩原岩的沉积环境、成因及开发利用价值尚不明确。本文在野外地质调查的基础上，系统开展了岩相学与地球化学等研究分析。结果表明，矿体受中泥盆统河心组地层控制明显，连续性较好，厚度相对稳定，总体呈东北厚，西南薄的特征，资源储量约400万 t。大理岩矿石具有较高的P2O5、SiO2/(Na2O+K2O)比值（平均8.67）和Al2O3/(Na2O+K2O)比值（平均3.42），富集Nb、Sc、Ba等元素，指示其原岩为沉积成因碳酸盐岩。利克(al-alk)-c图解进一步表明大理岩原岩为石灰岩。Ga判别图解、镁铝含量比图解等指示大理岩原岩沉积环境为海相环境。Cr、Mo、Ni 及 Ni/Co比值暗示大理岩原岩沉积时处于氧化水体中，可能形成于含氧量较高的浅海环境。块状大理岩的白度（平均88.64%）和CaO（平均55.29%）远超工业品级二级品（CaO≥52%、白度≥85%），可作为重质碳酸钙开采利用。目前重质碳酸钙市场发展态势良好，开发前景较好。
Abstract
In the Shimian Zufu mining area of Sichuan Province, substantial marble deposits of industrial significance are developed. However, due to limited research focus, the sedimentary environment, genesis, and exploitation potential of the marble protolith remain poorly constrained. Based on field geological surveys, this study systematically conducted petrographic and geochemical analyses. Results indicate that the ore bodies are distinctly controlled by the Middle Devonian Hexin Formation, exhibiting good continuity and relatively stable thickness, generally characterized by thicker strata in the northeast and thinner in the southwest, with total resources estimated at approximately 4 million tonnes. The marble ore displays high P2O5 content, elevated SiO2/(Na2O+K2O) ratios (averaging 8.67), and Al2O3/(Na2O+K2O) ratios (averaging 3.42), along with enrichment in elements such as Nb, Sc, and Ba, collectively indicating a sedimentary carbonate protolith. The Lick (al-alk)-c diagram further confirms that the protolith of the marble is limestone. Ga discrimination diagrams and Mg/Al ratio plots collectively suggest a marine sedimentary environment for the marble protolith. Elements such as Cr, Mo, Ni, and the Ni/Co ratio imply deposition under oxidizing water conditions, likely in a well-oxygenated shallow marine setting. The massive marble exhibits whiteness (averaging 88.64%) and CaO content (averaging 55.29%) significantly exceeding the industrial Grade II standards (CaO ≥ 52%, whiteness ≥ 85%), rendering it suitable for exploitation as ground calcium carbonate. Given the favorable market development trends for ground calcium carbonate, the prospects for exploitation are promising.
0 引言
大理石作为重要的非金属矿产，常用于食品添加剂、医药、工业和建筑材料等。近年来，随着人们对建筑装饰的要求逐渐增高，大理石建筑装饰品越来越受到人们的喜爱（陈科和杜成玉，2016；张燕挥，2019；吴波，2022）。研究表明，大理岩矿床成因类型主要包括热接触变质型（李忠阳等，2020；张学义等，2021）、区域变质型（刘心开和林旭，2018；李嘉，2019；刘亮等，2020）以及低温热液充填型（马亚梦等，2015；刘亮等，2019a；徐博等，2020）。大理岩矿床中的大理岩原岩种类丰富，主要有石灰岩、白云质灰岩和白云岩等；原岩的沉积环境也比较广泛，在陆相沉积、过渡相沉积、海相沉积以及地表海沉积均有发育，在氧化条件、缺氧条件以及还原条件下均可沉积而成（卓胜广等，2016；陈军典，2018； 苏春田等，2018；付露露，2020；万建军等，2021；张学义等，2021；王天姿等，2023）。对大理岩的研究不仅能反映研究区沉积地质历史时期的气候、海陆等沉积环境，还能科学地指导开发利用，具有重要的意义。足富大理岩矿床位于四川省雅安市石棉县新民乡西北方，处于东经 102°19'57″、北纬 29° 33'15″区域。区带上分布许多大理岩矿床，矿区西北部为上木亚堡大理岩矿床，东南部有新民乡大理石矿、飞水岩大理石矿床、改池沟大理岩矿床、河坝头大理石矿床（吴波，2022）和白石沟大理石矿床等。四川石棉足富矿区大理岩矿开发前景较好，分布有大量具有工业价值的大理岩，但因关注度低，大理岩原岩的沉积环境、成因及开发利用价值尚不明确。鉴于此，本文在野外地质调查基础上，利用地球化学的手段对四川石棉足富区大理岩矿开展矿床地质特征、大理岩原岩及其沉积环境以及开发利用前景等研究，以期为指导区域找矿工作提供参考。
1 地质背景
研究区位于四川石棉县西部地区，该区地处羌塘—三江造山系和扬子地台的结合部位（王立全等，2015；宋立强等，2020；杨元良等，2023）。区域构造以逆冲推覆构造为主，并且伴有走滑伸展构造，4 条主要的构造带（曹宏杰，2011；张淑花和张波，2018；叶伟等，2024）将该区域自西向东分为洪坝、大水沟、蟹螺、冶勒和挖角 5 个构造岩片区（图1）。主要出露的地层有元古宇、震旦系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系以及第四系（吴波，2022）。元古代—震旦纪大量的岩浆活动和变质作用形成了闪长岩、花岗岩，基性—中酸性火山岩，变粒岩、片麻岩等组成的结晶基底。古生代—中生代形成了以碳酸盐岩、碎屑岩等为主的沉积物，以及辉绿岩、变玄武岩和变凝灰岩等火成岩；喜马拉雅造山期形成了同构造花岗岩、接触变质岩和动力变质岩（喻安光，2000；刘清强等，2018）。
1—三叠系；2—二叠系；3—上二叠统；4—下二叠统；5—泥盆系；6—志留系；7—震旦系；8—元古宇；9—早震旦世花岗岩系列；10—晚三叠世二长花岗岩；11—洪坝构造岩片；12—大水沟构造岩片；13—蟹螺构造岩片；14—冶勒构造岩片；15—挖角构造岩片；16—滑脱韧性剪切带；17— 逆冲推覆韧性剪切带；18—脆性断层；19—平移断层；20—地质界线；21—平行不整合界线；22—足富矿区
2 矿床地质特征
研究区位于大水沟、蟹螺构造岩片北部。主要出露地层有志留系通化组七段（St7）石英片岩、白云石片岩等；中泥盆统河心组（D2h）灰岩及大理岩；上二叠统铜陵沟组（P3t）炭质绢云千枚岩、绿泥石化千枚岩。矿区内构造主要为湾坝平移滑脱韧性剪切带的北段、西油房逆冲推覆韧性剪切带向北延伸段，另外区内还发育许多次级断裂，断裂走向大都近 SN向（图2）。区内岩石整体为一单斜构造，走向 NNW。岩浆岩发育较少，仅矿区南部发育中二叠统辉绿岩脉。接触热变质作用和区域变质作用强烈。伴随蚀变作用，主要有绿泥石化、绿帘石化和绢云母化等。
2.1 矿体特征
矿体赋存于中泥盆统河心组（D2h）中，受地层控制明显，矿体呈似层状，出露于矿区西北部，海拔 2313~2430 m。岩石类型主要为灰白—乳白色块状大理岩和绿色、灰黑色条带状大理岩。勘探线剖面图所示（图3），矿体顶底板均为一厚层灰绿色绿泥石化千枚岩。矿体及顶部和底部节理裂隙较多，块状大理岩节理裂隙中往往含有许多来自顶底板的杂质。含杂质的块状大理岩称为条带状大理岩，内部含绿泥石化千枚岩呈现浅绿色条带，含泥质或炭质则呈现为土黄色条带和灰黑色条带。矿体露头产状为240°~270°∠39°~46°，平均产状为255°∠42°。解理面产状大致都与矿体产状相反，平均产状为 82°∠48°，节理发育密度约 1.2条/m。矿区内块状大理岩矿体沿走向延伸约 230 m，倾向延伸约 320 m，连续性较好，厚度相对稳定约25 m，整体呈东北厚，西南薄，储量约400万 t。
图2矿区地质简图
1—第四系；2—通化组7段；3—中泥盆统河心组；4—上二叠统铜陵沟组；5—辉绿岩脉；6—地质界线；7—不整合界线；8—滑动体；9—逆冲推覆韧性剪切带；10—逆断层；11—地层产状；12—钻孔位置及编号；13—探槽位置及编号；14—勘探线；15—矿区范围
图319号勘探线剖面图
1—志留系通化组七段；2—中泥盆统河心组；3—上二叠统铜陵沟组；4—块状大理岩矿体；5—条带状大理岩；6—炭质片岩；7—绿泥石化千枚岩；8—片岩；9—地质界线；10—地层产状；11—探槽位置及编号；12—钻孔位置及编号
2.2 矿石特征
矿石主要呈灰白—乳白色，主要由块状大理岩和条带状大理岩组成，似层状产出。因含杂质，矿体顶部和底部矿石颜色多为土黄色、灰绿色、灰黑色等，呈条带状。矿石为中—细粒粒状变晶结构，块状构造。节理裂隙较发育，块度较低，不适合用作建筑板材，可用作工业用料。
块状大理岩：呈乳白色，粒状变晶结构，块状构造，岩石可见变余层理构造。岩石节理裂隙发育，裂隙中充填有土黄色黏土质。用手触摸新鲜断面有细腻触感，会掉细粒粉末。矿物成分主要为方解石，含量约 95%，玻璃光泽，透明，粒径为 0.1~0.8 mm，其余含少量石英或不含，以及其他杂质（图4a、 b）。镜下鉴定：矿物几乎只有方解石，如图5a单偏光下，未见到其他矿物。方解石含量约 99%，粒度为0.05~0.4 mm，他形粒状，具细粒变晶结构，颗粒之间多呈镶嵌状接触，颗粒边缘圆滑。如图5b正交偏光下，可见方解石具有明显的菱形解理，偶见聚片双晶，双晶纹平行菱形解理长对角线。
条带状大理岩：新鲜面呈灰白色、淡黄白色，粒状变晶结构，条带状或变余层理构造，节理裂隙发育，裂隙中充填土黄色黏土质以及后期充填的方解石形成方解石细脉。层理面内充填大量暗色物质，主要为铁质、绢云母、白云母以及方解石的混杂体。主要矿物为方解石，含量约 90 %，玻璃光泽，透明，粒径为0.1~1 mm。其余为绢云母、白云母等（图4c、 d）。镜下鉴定：矿物主要由方解石组成，其次为石英、绢云母、白云母及暗色物质等，如图5c单偏光下。方解石含量约 97%，粒度 0.05~0.4 mm，个别可达 2 mm，片状粒状变晶结构，矿物颗粒边缘多呈较平滑的线状接触，部分岩片理被定向压扁、拉长呈片状。石英表面干净，含量约 1%，呈粒状，约 0.2 mm，无色，干涉色一级灰白—淡黄，正低突起，分布于方解石颗粒之间，同时也存在被定向压扁、拉长的迹象。绢云母含量小于1 %，呈片状，粒度介于0~0.25 mm，混杂在方解石颗粒之间，显无色或被铁质浸染成红褐色，一组解理，平行消光，干涉色可达到三级鲜艳。暗色不透明矿物，含量小于 1%，多呈胶状，混杂在方解石粒间，局部呈条带状，伴随浸染方解石的迹象。绢云母、白云母及暗色物质主要赋存于条带状大理岩的暗色条带状中。如图5d正交偏光镜下，绢云母呈细小鳞片状集合体，干涉色鲜艳绚丽；白云母虽与之颇为相似，但其干涉色通常更为鲜艳。
图4足富大理岩矿床矿石岩心标本
a、b—块状大理岩；c、d—条带状大理岩
3 分析方法及结果
3.1 矿石的化学成分
本研究系统采集了四川石棉足富大理岩矿床钻孔及地表（图2）新鲜无风化的大理岩、条带状大理岩样品开展研究。样品全岩主、微量元素分析在四川西冶检测科技有限公司进行。主量元素采用X 射线荧光光谱仪测定，仪器型号为PW4400/40；微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪和光谱仪测定，仪器型号分别为NexION 300x ICP-MS，iCAP7400。
测试主、微量元素结果见表1~表2。主量元素含量与沉积碳酸盐岩平均值接近，与岩浆碳酸岩平均值相差较大，大理岩中主要成分为方解石，因此 CaO、CO2含量较高，其余总体含量均低于沉积碳酸盐岩平均值。SiO2含量为 0.04 %~0.12 %，低于沉积碳酸盐岩平均值，说明其沉积环境是低Si的。MgO、 Na2O、K2O、TiO2、SO3 含量较稳定，波动幅度小。 TiO2、MnO、P2O5含量很低，岩石中碎屑成分很少。从哈克图解（图6）中可以看出，本区大理岩主量元素成分与浙江上方大理岩（沉积碳酸盐岩）基本趋于一致，表明二者属于同一成因。图中 SiO2与 CaO 和 MgO 无相关性，且与其他氧化物也不存在相关性，说明 SiO2为化学沉积。样品具有较低的 Ba（含量为 11.4×10-6~33.8×10-6，平均值为 19.23×10-6）、Rb（含量为0.32×10-6~0.58×10-6，平均值为0.46×10-6）和 Nb（含量为 0.14×10-6~0.79×10-6，平均值为 0.41× 10-6），且它们的含量远低于大陆上地壳。微量元素蛛网图（图7）也显示，样品的微量元素整体相对于大陆上地壳亏损，Mo 含量与之相近，只有 Sc、Cd 含量相对富集。
图5镜下照片
a、b—大理岩；c、d—条带状大理岩；Cal—方解石；Qtz—石英；Ms—白云母；Ser—绢云母
图6足富大理岩哈克图解
3.2 矿石白度及CaO
通过对多个钻孔和剥土采样，白度采用白度仪法测定，仪器型号为 BD-2 型白度仪。测得块状大理岩及条带状大理岩的白度及CaO含量结果如表3所示：块状大理岩的白度及 CaO 含量综合平均值分别为88.64 %、55.29 %，条带状大理岩白度及CaO含量综合平均值分别为84.00%、53.96%。
表1大理岩主量元素分析结果
注：沉积碳酸盐岩平均值、岩浆碳酸岩平均值据邱家骧，1985。
表2大理岩微量元素分析结果
注：UCC据韩吟文等，2003。
表3白度及CaO分析结果
4 讨论
4.1 原岩恢复
碳酸盐岩在不同环境下沉积而成，具有不同的地球化学特征。前人研究表明，沉积成因的碳酸盐岩具有较高的 K2O/Na2O 比值（>1）、Al2O3/Na2O 比值 （>7）、SiO2/Na2O 比值（>30）、SiO2/（Na2O+K2O）比值（>8）和 A12O3/（Na2O+K2O）比值（>2.5）（刘铁庚，1988； Bolhar et al.，2015）。四川石棉足富大理岩矿具有较高的 SiO2/（Na2O+K2O）比值（均值为 8.67）、A12O3/（Na2O+K2O）比值（均值为 3.42），地球化学特征上符合沉积成因碳酸盐岩。前人指出沉积成因碳酸盐岩中 P2O5含量应小于 1%，本研究的大理岩样品中 P2O5含量为 0.05%~0.09%，均值 0.08%，也与大理岩原岩为沉积成因碳酸盐岩的地球化学特征类似（刘铁庚，1988；毕明丽等，2008）。微量元素 Nb 含量亦可指示碳酸盐岩成因，样品中 Nb 含量为 0.14×10-6~0.79×10-6，平均值为 0.40×10-6，低于地壳中 Nb 的平均含量13.00×10-6，指示大理岩原岩为沉积成因碳酸盐岩（Mclennan and Taylor，1991；曲跃，2019）。刘铁庚（1988）研究发现，沉积碳酸盐岩中的 Sc<1×10-6， Ba<500×10-6。本研究样品中Sc均值为0.65×10-6，Ba 均值为 19.23×10-6，与前人研究的沉积碳酸盐岩类似。而 K2O/Na2O 均值为 0.8，SiO2/Na2O 均值为 15.76，Al2O3/Na2O均值为6.22，均小于沉积成因碳酸盐岩标准，大理岩为接触热变质岩，可能在热源接触过程中对其产生了影响。综上所述，足富大理岩矿床中大理岩原岩为沉积成因碳酸盐岩。从利克 （al-alk）-c图解（图8）中可以看出，足富矿区大理岩投在了石灰岩区域内，与内蒙古哈拉干拉乌苏蛇纹石化大理岩（其原岩为白云岩）呈鲜明对比，推测本矿区大理岩原岩为石灰岩。
图8大理岩（al-alk）-c图解（底图据Lick，1969）
1 —足富大理岩；2—蛇纹石化大理岩（据王立功，2011）
4.2 古沉积环境探讨
前人研究表明，微量元素 Ga 可以指示沉积环境，海相沉积 Ga<15×10-6，过渡相沉积 15×10-6 <Ga<20×10-6，陆相沉积 Ga>20×10-6 （俞缙等，2009；蓝先洪等，2018；高占冬等，2019；曲跃，2019）。结合图9a和样品中 Ga 含量（0.26×10-6~0.38×10-6，均值为 0.31×10-6），可以指示大理岩原岩为海相沉积环境。沉积地层中的M值（M=100×MgO/Al2O3）是沉积环境的指示标志（张士三，1990），淡水沉积环境 M<1；陆海过渡沉积环境为 1<M<10；海水沉积环境为 10<M <500；陆表海沉积环境 M>500（卓胜广等，2016；刘亮等，2019b）。结合图9b和样品 M 值（均值为 511.25），指示其沉积环境为陆表海沉积环境。从图6中可以看出，样品亏损Ba，说明足富大理岩原岩沉积期古生产力和有机质含量较低（曲跃，2019）。微量元素Cr、Mo在氧化环境条件下的水体中通常以可溶性阴离子存在，在缺氧和还原条件下容易形成低价 Cr、Mo 沉淀（Hatch and Leventhal，1992；Chaillou et al.，2002；腾格尔等，2005）。样品具有较低的 Cr 含量（1.52×10-6~6.32×10-6，均值 3.28×10-6）、Mo 含量 （0.52×10-6~1.31×10-6，均值 0.85×10-6），明显低于上地壳（Cr=35×10-6、Mo=1.5×10-6），与氧化环境条件下沉积而成的大理岩类似（曲跃，2019）。元素Ni为化合价不变元素，其浓度从表层氧化水体到深部缺氧水体而逐渐增加，通常用来表征缺氧沉积环境 （Chaillou et al.，2002；腾格尔等，2005）。样品中 Ni 含量较低（1.88×10-6~7.39×10-6，均值 4.57×10-6），低于上地壳平均含量（Ni=20×10-6），也指示大理岩原岩是在氧化条件下沉积的（腾格尔等，2005）。前人指出 Ni/Co 值能指示沉积环境的氧化还原条件，氧化环境Ni/Co<5，缺氧环境介于5~7之间，还原环境>7（Hatch and Leventhal，1992；Jones and Manning， 1994），样品中 Ni/Co 为 1.83~5.20，均值为 3.22，亦指示其处于氧化沉积环境。综上所述，大理岩原岩是在氧化环境条件下沉积而成。
4.3 开发利用前景
研究区块状大理岩和条带状大理岩的主要成分为方解石，几乎不含白云石，在一定意义上两类岩石可以统称为方解石大理岩。大理岩矿石质量指标：CaO≥52%、白度≥85%。矿石品级 CaO≥54%、白度≥90% 为一级品，CaO≥52%、白度≥85% 为二级品（姜波等，2018；边雄飞，2020）。块状大理岩中 CaO 的平均含量为 55.29%、白度平均值 88.64%，满足二级品的要求；条带状大理岩 CaO 的平均含量为 53.96%、白度平均值 84%，不满足二级品的要求。矿区内块状大理岩储量约400万 t，属于中小型矿床规模。前文提到块状大理岩节理裂隙较多，矿体不完整，不能作为饰面大理岩开采。重质碳酸钙作为一种重要的非金属矿产品广泛应用于橡胶、塑料、造纸、涂料、人造石、油墨、饲料等传统产业领域（马亚梦等，2015）。重质碳酸钙用大理岩矿指标为CaO ≥52%、白度≥85%（魏小昭和李志，2023）。块状大理岩中 SiO2含量平均值为 0.2%，MgO 含量平均值为 0.4%；Pb、Cr、As、Cd 等重金属含量均满足国家规范要求（姜波等，2018）。足富大理岩矿床中块状大理岩矿石可作为重质碳酸钙开采，可用于工业造纸、涂料、塑料工业、橡胶工业等。近年来重质碳酸钙受益于涂料油漆、塑料、造纸等下游市场的良好发展态势，消费量和应用领域都在不断拓展。在当前的政策指导下，重质碳酸钙产业成为碳酸钙资源地区发展的一个必然选择，绿色环保、市场需求大。
5 结论
通过分析区域地质构造背景、矿床地质特征、岩相学特征及主微量元素地球化学特征，得出如下结论：
（1）四川石棉足富大理岩矿床赋存于中泥盆统河心组中，矿体受地层控制明显，厚度相对稳定，平均厚度约25 m。矿石主要为块状大理岩，矿物成分为方解石。
（2）主、微量元素 SiO2/（Na2O+K2O）、Al2O3/（Na2O+ K2O）、P2O5、Nb、Sc、Ba等参数和元素含量研究表明足富铅锌矿矿区大理岩矿床中大理岩原岩为沉积成因碳酸盐岩。大理岩原岩为石灰岩。
（3）Ba、Ga、镁铝含量比、Cr、Mo、Ni、Ni/Co 等元素含量和参数研究显示大理岩原岩沉积环境为海相沉积，可能形成于含氧量较高的浅海环境。
（4）块状大理岩矿石量达 400 万 t，且矿石品级满足二级品，重金属含量远低于国家规范，可作为重质碳酸钙开采利用。重质碳酸钙市场发展态势良好，开发前景较好。