湘西北钟家铺钒矿地质特征及成因浅析

江新华金 涛 许立臣 宫天志 王富强

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

湘西北钟家铺钒矿地质特征及成因浅析

江新华*金 涛 许立臣 宫天志 王富强

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

钟家铺钒矿的赋矿层位属南方有名的“下寒武统黑色含矿岩系”。矿石结构主要为泥质结构和显微鳞片泥质结构，构造主要为微层状、板状和致密块状；水云母是钒的主要赋存体，钒是以类质同象的形式产于水云母的晶格中。稀土元素特征反映钒矿石具有海相热水溶液的沉积特征。钒矿床在其形成和发展中，离不开生物地球化学作用，矿床成因属于生物地球化学沉积矿床。

钒矿 黑色岩系 地质特征 矿石特征 稀土元素 成因

湘西北钟家铺钒矿是近年来新发现的中型钒矿床。全矿区钒矿（V2O5）平均品位为0.80%。

1 区域地质背景

矿区位于扬子准地台南缘湘西北地区，与雪峰山地轴毗邻，区域构造位置处于古丈背斜东北倾伏端次级向斜构造的扬起端偏北西翼，澧南大断裂南侧。区域矿产资源较为丰富，有金、铅锌、钒、镍、钼、煤等，其中赋存于寒武系下统小烟溪组中的钒是区域内主要的、也是最重要的矿产之一，赋矿层位属南方有名的“下寒武统黑色含矿岩系”。

2 含矿岩系特征

含矿岩系为寒武系下统小烟溪组下段，位于矿区的中部，呈北东东向展布，走向长约5km，地层延续，产状稳定，倾向近北，构造影响不大。该段厚37.76～50.47m，一般厚42.48m，从西向东，其厚度稍有变薄。含矿岩系岩性比较单一，主要由石煤层、碳质板岩、硅质岩组成。矿区内含矿岩系颜色、厚度基本稳定，V2O5含量中间低，两边高，局部地段未达工业品位，造成工业矿体分布不连续；倾向上含矿岩系厚度变化不大，但V2O5含量随延深逐渐降低，局部地段V2O5含量低于工业品位。

含矿岩系按其岩性特征可分为8个层，自下而上叙述如下：

下伏地层：震旦系上统灯影峡阶（Z2dn）：硅质岩

小烟溪组下段

（1）板状石煤层：深灰色-灰黑色，主要由板状、薄层状石煤组成，间夹少量薄层状、极薄层状硅质岩及粉状石煤。薄层状构造，具水平层理。敲击硅质岩夹层时，常有火星闪烁。风化后多呈紫-紫红色调，厚3.79～9.87m，平均6.57m。

（2）含硅质结核的碳质板岩层：深灰色，主要由碳质板岩组成，层间夹有较多的硅质结核，结核呈透镜状、似层状或链状。层面不平整，呈微波状层理。层间并穿插有大量白色石英脉，形似白骨，故有“岩骨”之称，地表常形成“脊状”地貌，厚 1.30～2.30m，平均 1.72m，全区V2O5加权平均品位0.12%，石煤的发热量低。

（3）厚层石煤层：深灰色-灰黑色，致密坚硬，层面清晰、平整，水平层理发育，沿层面有星点状黄铁矿细晶体，多呈厚层状产出。风化后多呈浅紫-紫灰色调，厚4.98～9.18m，平均 7.49m，V2O5品位 0.72%～1.33%，全区加权平均品位为0.83%，厚度、品位均很稳定，碳含量12.18%，发热量较高，是主要的含矿层位。

（4）薄层石煤层：深灰-灰黑色，致密坚硬，层面清晰、平整，水平层理发育，偶含椭球状、球状磷质结核，多呈薄层状产出。风化后多呈浅灰-淡紫色调，厚2.80～5.54m，平均 4.64m，V2O50.69%～1.10%，全区加权平均0.82%。但不够稳定，一般下部品位较高，上部稍低，为次要的含矿层位。

（5）块状石煤层：深灰-灰黑色，致密、坚硬，具贝壳状断口，呈厚层状或块状，表面常见铁质浸染，含饼状硅质结核。风化后多为浅灰色调，厚 3.18～11.30m，平均7.51m。全区V2O5加权平均品位为0.31%，品位低，只能作为石煤利用。

（6）含磷质结核的碳质板岩：深灰-灰黑色，薄层状，水平层理发育。含大量的椭球状、个别呈球状磷质结核，简称“下磷质结核层”，为矿层的直接顶板及分层标志，厚1.08～5.10m，平均2.77m。全区共有8个工程对该层进行了采样化验，化验结果，该层 V2O5加权平均品位为0.51%，品位较低。

（7）碳质板岩：深灰-灰黑色，薄层状，具水平层理，夹少许硅质泥岩，偶见球状磷质结核。厚4.56～14.09m，平均9.09m。

（8）含磷质结核的碳质板岩：深灰-灰黑色，薄层状，具水平层理。含大量磷质结核，但其形态与“下磷质结核层”不同，多呈球状，易风化，地表常见球状印模。简称“上磷质结核层”。为小烟溪组下、中段的分界标志，厚1.50～5.30m，平均2.69m。

上覆地层：小烟溪组中段（∈1x2）:碳质板岩

综上所述，含矿岩系所包含的8个层，其岩层序列在区内发育齐全，分层标志明显，连续性好且很稳定，没有缺失和尖灭现象，其总的变化规律：从底至顶硅质岩成分显著减少，碳质板岩明显增多，风化色调由深变浅，石煤发热量随碳含量的递减而逐渐降低，V2O5似呈低～高～低的正态分布为其主要的岩矿特征。

小烟溪组下段发育两个矿层，自下而上分别命名为I、II矿层。

I含矿层为石煤层。位于下段底部，即第1层。其底板为震旦系上统灯影峡阶硅质岩，顶板为含硅质结核的碳质板岩层（“岩骨”），主要由板状石煤组成，间夹少量薄层状、极薄层状硅质岩和粉状石煤。厚 3.79～9.87m，平均 6.57m。厚度变异系数为27%，V2O5品位在0.25～0.81%之间，个别品位高达1.36%（不够可采厚度），平均品位0.51%，未达工业品位，故I矿层只能作为石煤开采利用。

II含矿层：包括中下部石煤钒矿层（IIV）和上部石煤层两部分，位于小烟溪组下部，其底板为“岩骨“（第2层），顶板为”下磷质结核层“（第6层）。包括第3、4、5三个层，即厚层石煤层，薄层石煤层和块状石煤层。厚15.85～22.28m，平均19.64m，全层可作石煤层利用。但矿层中钒的富集程度并不均匀，达到工业品位以上的主要赋存在该矿层的中下部，即3层和4层的大部。其厚度为2.10～23.26m，平均10.55m，厚度变化系数为26.1%。V2O5品位为0.703%～1.029%。平均品位0.820%，品位变化系数为9.9%。

3 矿床地质概况

区内矿体赋存于小烟溪组底部碳质页（板）岩中。含矿层走向延长近5000m，近东西向延伸，连续且稳定（图1），但个别地段未达工业品位，造成工业矿体分布不连续，可分为三个矿体。呈似层状、透镜状产出，走向长500～2400m不等，产状与围岩一致，走向NEE75°，倾角一般为35～47°。其中以Z1矿体规模最大，位于矿区东部，东西走向长2400m，通过探槽的取样结果表明，该矿体地表厚度较大，品位一般，最厚23.26m，薄的地方有4.00m，矿层平均厚度14.67m；品位变化在0.718%～0.974%之间，平均0.827%。通过钻孔对矿体深部矿层进行了了解，表明深部矿层厚度为2.1～19.15m，平均厚度10.03m；品位在0.703%～0.891%，平均0.761%。证实含矿层在深部稳定延伸，由于风化淋滤作用地表品位要比深部高。

总体来看，该钒矿床形态简单，产状稳定，基本上没有受到后期构造破坏。

图1 矿区地质略图Fig.1 Geological scheme of the ore district

矿体的直接底板为震旦系灯影峡阶顶部的黑灰色中厚层硅质岩。据镜下鉴定，为显微粒状结构，致密块状构造。矿物成分主要是石英（95%），次有碳质（5%），还见微量的白云石和褐铁矿，石英粒径很小，d≤0.01mm；碳泥质呈不均匀地渲染或富集成不规则粒状；白云石晶粒细小，呈菱形产出；褐铁矿是由黄铁矿氧化而成的，故保留立方体假晶形。岩石中还见一些顺层分布的个体细小的单射或双射硅质海绵骨针化石。

矿体的直接顶板为黑色含碳质板状页岩，其中往往含有石英粉砂质条带，局部石英粉砂富集成含粉砂质页岩。据镜下鉴定，为泥状结构，板状结构，水平层理发育。主要矿物为水云母（80%以上），其次为有机碳（10%～15%）、石英粉砂（5%～10%）。水云母呈鳞片状定向排列，有机碳不均匀地分布于岩石中。石英粉砂粒径一般小于 0.03mm，呈棱角状外形，大致顺层散布于岩石中。顶板主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO、MgO和有机碳等。

4 矿石物质成分及矿物嵌布特征

含钒矿物主要产于含粉砂的黑色碳质页岩中（即石煤钒矿），其次是薄层硅质岩和磷结核。

含粉砂的黑色碳质页岩：泥状、鳞片状结构，薄层状构造。主要矿物成分是水云母（即伊利石）（65%～80%），有机碳（10%～15%），石英粉砂（5%～25%），偶见磷灰石。水云母属铁镁质铝硅酸盐矿物，是云母族矿物向蒙脱石族矿物转变的过渡产物，呈鳞片状、碎片状、羽毛状，具珍珠光泽，低—中正突起，近于平行消光，且有光性定向现象。黑色碳质充填于水云母之间，石英粉砂粒径细小，顺层或散布于岩石中。水云母是钒的主要赋存体，钒是以类质同象的形式产于水云母的晶格中。

据组合样化学全分析结果表明，矿石中V2O5含量一般在0.716%～1.029%，单个样品品位最高达1.724%，平均品位0.80%。矿石中主要组分有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、P2O5等，有益元素有Ag、Co、Ni、Mo等，其含量都很低；有害元素有 S、As、Pb、Ca、Cr、Sb、Se、Hg 等，其含量甚微，TC41-ZH0样品组合分析结果（%），V2O50.80，SiO274.75，Al2O34.17 ，Fe2O30.58 ，CaO 0.22， MgO 0.61， P2O50.27 ，TiO20.27，烧失量 12.80， S 0.40，As 22.2， Sb 22.2 ×10-6，Mo 38.3×10-6， Cd 0.72×10-6， Ni 32.0×10-6， Ag 5.65×10-6， U 48.0×10-6， Pb 27.7×10-6， Cu 48.2×10-6（测试单位：中化地质矿山总局地质研究院测试中心，测试日期：2008年3月）。

5 矿石类型及结构构造

矿石结构构造简单，碳质页岩为泥质结构和显微鳞片泥质结构，硅质岩为微晶质结构和球粒结构。矿石构造主要为微层状、板状和致密块状，局部可见层纹状或条带状构造。

本区矿石类型简单，根据自然风化程度可划分为氧化石煤钒矿石和原生石煤钒矿石两种。

氧化石煤钒矿石：沿矿层露头分布于地表浅部，矿石呈疏松状，色调视氧化深浅的不同多呈紫、紫灰或黄灰白色。主要有水云母、高岭石，次有石英及少量玉髓等矿物。

原生石煤钒矿石：主要由西边石煤采场和钻孔岩心控制揭露。根据矿物成分、结构、构造及石煤含钒情况，又可分为板状石煤、块状石煤和厚层及薄层石煤钒矿石。

碳质物成细分散状或微粒集合体，较均匀的分布于泥岩内构成黑色碳质板岩，根据地球化学和有关岩石学资料认为黑色碳质板岩是由于富含了大量有机质及含低价铁的硫化物，在缺氧的还原环境下形成的。

6 钒的赋存状态

对不同类型矾矿石的分层采样分析结果表明，钒主要赋存于碳质页岩中，其 V2O5含量高出同一矿石中硅质岩的V2O5含量4～16倍。有关矿床中伴生的硫化物（主要是黄铁矿）、有机碳等的化学分析均不含钒，唯粘土矿物的钒含量高，可见钒的赋存与钒系水云母粘土矿物密切相关。根据高倍显微镜观察、差热分析和粘土矿物的溶解试验，粘土矿物中60%～80%为含钒伊利石（含钒水云母）。同类型矿床中含钒伊利石钒的配分率高达80%，说明含钒伊利石是钒的最重要的载体矿物，也是提钒的主导矿物。从钒的物相来看，这类黑色岩系中钒的物相可称为“含钒伊利石相”。

研究表明， 钒在伊利石中主要是以低价态阳离子（V3+或V4+）置换Al3+进入硅酸盐矿物晶格中， 很少部分的钒呈金属有机质化合物、离子吸附在有机质和粘土矿物里， 迄今在湘西北黑色岩系的钒矿床中尚未发现钒的独立矿物。

7 矿石稀土元素特征

7.1 分析结果

选择了5件有代表性的岩石样品，对其稀土元素含量进行了测试（表1），稀土元素标准化配分模式如图2、图3。

数据表明，矿区内黑色岩系的稀土总量（ΣREE）为146.03×10-6～275.51×10-6，平均188.27×10-6，和北美页岩的稀土总量接近，和西南湘黔地区早寒武世黑色岩系的稀土总量基本一致，如湘西地区早寒武世黑色岩系的稀土总量为10.57 ×10-6～373.00 ×10-6，平均185.16 ×10-6（李胜荣等，1995）【1】；黔北地区早寒武世黑色岩系的稀土总量为177.88 ×10-6～315.12 ×10-6，平均 226.22 ×10-6（杨剑等，2005）【2】。LREE/HREE比值大小能反映REE的分异程度，比值越大表明LREE越富集。研究区早寒武世黑色岩系的LREE /HREE比值为3.90～5.52，平均4.63，轻稀土富集。经北美页岩标准化计算获得的δEu值为0.92～1.29，δEu平均值为1.14；δCe 值为0.60～1.18，从明显小于1到略大于1；δCe平均值为0.85，表现明显的负异常到不明显的正异常。

7.2 讨论

本区早寒武世黑色岩系稀土元素分析结果表明，不同类型岩石的稀土总量有明显的差异，相当于矿层底板的含碳硅质岩中稀土总量最低，为10.57×10-6，处于剖面中部碳质页岩中的稀土总量达到峰值，峰值是低值的20倍以上。李胜荣等（1995）认为，沉积剖面上稀土总量的这一变化与同沉积期介质中稀土活度和沉积速率上的过渡状态和岩石类型的差异有关，代

表了一种非正常海水沉积作用，即热水沉积作用【3】。海相热水沉积物与正常海水沉积物在稀土元素组成特征上存在明显的差别。相对而言，海相热水沉积物稀土总量较低，具有明显的Ce负异常，LREE /HREE比值较小，北美页岩组合样标准化曲线近于水平或左倾；相反，正常海水碎屑沉积物稀土总量较高， Ce具有正异常，LREE /HREE比值较大，北美页岩组合样标准化曲线明显右倾。但这里所谓热水沉积物是指未沉积前在有关介质中以“溶质”形式存在，介质水与海水充分混合，甚至热水的主体就是循环海水，因此，热水部分便是热的海水（李胜荣等， 1995;高振敏等， 1997）。本区早寒武世黑色岩系的稀土元素经北美页岩组合样标准化曲线明显左倾（图2），这些稀土元素特征均反映其具有海相热水溶液的沉积特征。

表1 稀土元素含量及其参数表Table 1 Content and parameter table for rare earth elements

8 形成环境和生物地球化学成矿标志

黑色岩系代表了缺氧的沉积环境，反映了环境变化中的突变等环境事件【3】。与之相关的矿床是也与缺氧环境密切相关的， 其中早寒武世出现的钒矿床，规模大、分布广， 与黑色岩系关系极为密切， 二者不仅具有同源性， 且均在富微生物和营养物质的缺氧海水中蕴集。在一定程度上， 黑色岩系中有机碳和黄铁矿含量可证实其形成时的缺氧环境， 因为缺氧一般可形成高含量的有机质和黄铁矿。在缺氧环境中， 钒在有机质中优先被结合， 成为在古大陆边缘斜坡钒矿床。湘西北黑色岩系中的钒矿床具有一系列独特的标志， 其中生物—有机作用尤为重要。在缺氧环境中，生物、微生物死亡后发生的有机降解， 而不会被氧化破坏， 因此成矿流体中含有特别丰富的有机组分， 同时有机质的降解可进一步促进缺氧环境的形成。黑色岩系中的有机质主要来源于藻、菌类生物。区内的钒矿床在时间上、空间上都与石煤层和贫磷矿层、磷结核层等共生（或共存）。研究表明， 石煤是由多菌藻、海绵等的遗骸构成的腐泥， 在不断缓慢沉降构造条件下， 逐渐堆积和进一步转化而成【4】。湘西北地区的石煤及碳泥质页岩中的藻类除蓝藻外， 几乎主要是褐藻组成。这种以褐藻为主要有机物质来源的石煤及碳质页岩， 有机形态分子指示较深水环境， 亦可包含较浅水（数米至30m ）环境中生物的蓝藻【4】。因此， 可以推断其形成深度和范围甚为广泛， 与之对应，湘西北石煤分布区域内的钒矿床的分布亦甚是广泛。石煤层富含钒， 在可溶的有机质中V2O5含量可比原样品提高近10倍， 其中大部分与脂类化合物组合， 且钒的含量随绿色素增高而增高。据中国地质大学（武汉）对湖北均县钒矿的研究，测定钒矿石中碳质绿色素含量为1.15×10-6～2.85×10-6，也证明碳质是生物成因，钒与生物有关。沉积有机质的地球化学类型研究表明， 钒主要与腐殖质的螯合作用有关，因此含钒层位与石煤发育层位一致。生物作用无论是对石煤层、磷结核层还是钒矿层的富集都起着主导作用，成为有机成因矿床的重要的成矿标志。

9 结论

本区黑色岩系的产状形态、岩石结构、构造、矿物成分、稀土元素地球化学分析等研究表明，黑色岩系形成于缺氧的还原环境， 且成岩成矿具有生物与海底热水沉积的双重特征。生物及生物地球化学作用对黑色岩系的形成起着主导作用【4】。成矿是在有机质（生物地球化学）作用下发生， 钒的富集与菌、藻类生物作用有着直接的关系， 并控制着钒的沉淀和富集。可以认为， 原始盆地是一种富含微生物的沉积环境，湿热的古气候条件和相对宁静的水动力条件，及海底通道、海底热水交换作用等为这些微生物活动提供了良好的环境。这种环境使嗜热的细菌大量繁衍，又起了吸取、吸附、聚集、还原成矿元素的作用， 而生物作用是使海底沉积物中钒富集的主导因素。以海底热水交换为媒介， 浅海盆地（斜坡）沉积环境和大量有机碳与硫酸盐的产出， 在矿床的形成过程是起了至关重要的作用。所以， 湘西北下寒武统黑色岩系中的钒矿床具有微生物成矿与热水成矿的双重特征【5】。从总体上看， 黑色岩系及赋存其间的钒矿床在其形成和发展中， 特别是在成岩成矿过程中都离不开生物地球化学作用， 故矿床成因应属于生物地球化学沉积矿床。

1 李胜荣，高振敏. 湘黔地区牛蹄塘组黑色岩系稀土特征[J]. 矿物学报，1995，（2）

2 杨剑, 易发成, 刘涛, 等. 黔北黑色岩系稀土元素地球化学特征及成因意义[ J ]. 地质科学, 2005， 40 (1) : 84～94

3 王中刚，于学元，赵振华，等. 稀土元素地球化学[M]. 北京: 科学出版社，1989

4 范德廉，叶杰，杨瑞英，等. 扬子台前寒武2寒武纪界限附近的地质事件与成矿作用[J]. 沉积学报， 1987， 5（3）

5 鲍正襄，万溶江，鲍珏敏. 湘西北钒矿床地质特征及其成因[J]. 湖北地矿， 1998，12（2）

GEOLOGICAL CHARACTERISTICS AND BRIEF ANALYSIS ON THE FORMATION CAUSE OF ZHONGJIAPU NAVAJOITE AT THE NORTHWEST OF HUNAN PROVINCE

Jiang Xinhua Jin Tao Xu Lichen Gong Tianzhi Wang Fuqiang
Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau , Zhuozhou, Hebei, 072754, China

The hosting ledge of Zhongjiapu navajoite belongs to the famous south lower Cambrian black ore-bearing rock series. The ore has the pelitic and microscale pelitic texture and the micro-bedded, tabular and dense massive structure. Navajoite is as isomorphism hosting in the lattice of hydromica which is the major hosting ore for navajoite. The characters of the rare earth elements show that the navajoite has the sedimentary characteristics of marine facies hydro solution. We concluded that the navajoite deposit belongs to the biogeochemistry sedimentary deposit.

navajoite, black rock series, geological characteristics, ore characteristics, rare earth element,formation cause

P618.61

：A

：1006-5296（2010）02-0112-07

* 第一作者简介：江新华（1968～），男，地质专业，高级工程师

2010-01-16