陕西省商南县烟城沟钒矿床地质与地球化学特征

李赛赛，魏刚锋，李小兵，伍学恒

（长安大学地球科学与资源学院，西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安710054）

0 引言

在秦岭造山带的黑色岩系中，有钒、金－钒、镍－钼、石煤、重晶石等金属、非金属矿产出，找矿潜力巨大，备受地勘单位和科研单位的关注。近几年来，在南秦岭下寒武统黑色岩系中，先后发现了山阳中村—银花超大型钒矿床、夏家店中型钒－金矿床、商南千家坪大型钒矿床、商南汪家店中型钒矿床和紫阳超大型毒重石－重晶石矿床等多种类型的大规模矿床［1］。陕西省商南县烟城沟钒矿也是近年来发现的一处钒矿床。

1 区域地质背景

陕西省商南县烟城沟钒矿位于南秦岭东段冷水河—白浪倒转复式向斜的北翼。早寒武世时期，南秦岭作为扬子陆块北部被动大陆边缘，由于拉张作用形成了岛、盆相间的构造格局，如武当、陡岭、小磨岭、平利、佛坪等前寒武纪地块隆起成为孤岛，其间为广阔的古扬子海，海侵规模最大，炎热干旱的气候条件和富CO2的大气，以及海平面的波动、上升洋流的强烈活动、海底热液的活动、生物的高繁殖率等诸因素的耦合，导致了缺氧事件，控制了黑色岩系的发育和分布，形成有机质、钒、磷、镍、钴、铜、铀、金等多元素的聚集［2－3］。古生代以来，扬子与华北两大陆在板块构造活动机制下，南北相对持续俯冲－碰撞对接，在华北大陆强有力的砥柱下，产生了对扬子大陆北缘的挤压动力，使扬子大陆前缘产生隆升带。加里东末期表现强烈，形成了南秦岭东段耀岭河背斜及冷水河—白浪倒转复式向斜，同时形成凤镇断裂、镇板断裂，并发生了酸性岩浆活动［4－6］。在中生代，整个秦岭进入陆内造山，区域上形成了以镇板断裂为主的一系列逆冲推覆构造［7］（图1）。

南秦岭下寒武统黑色岩系可分为南北2个带，北带位于宁陕—柞水—山阳—商南一线，小磨岭—陡岭古隆起周围，发育寒武系水沟口组黑色岩系，以产出中－大型的钒矿床为特点，商南县烟城沟钒矿产于该带中；南带位于安康—平利—紫阳一带，分布寒武系鲁家坪组黑色岩系，以产出大型毒重石－重晶石矿床及石煤为特点。

2 矿区地质

图1 南秦岭东段大地构造背景［2］Fig．1 Geotetonic background for east part of the south Qinling area

矿区位于冷水河—白浪倒转复式向斜北翼。区内出露的地层有下元古界陡岭岩群楼房沟角闪片岩岩组、上震旦统陡山沱组、上震旦统灯影组、下寒武统水沟口组、中寒武统岳家坪组、上寒武—中奥陶统石翁子组（图2）。

2．1 赋矿地层

下寒武统水沟口组为区内钒矿的赋矿层位，平行不整合于上震旦统灯影组之上，总体展布于矿区中部，走向近EW向。中部较薄，厚度8～20m；东、西两侧逐渐变厚，厚度＞50m。根据岩性组合，可分为2个岩段。

2．2 构造

图2 烟城沟钒矿地质略图Fig．2 Geological sketch of Yanchenggou vanadium deposit

2．2．1 褶皱构造

矿区位于冷水河—白浪倒转复式向斜的北翼，总体表现为一向S倾斜的单斜构造，西部局部地层倒转。矿区褶皱构造以次级褶皱和由层间滑动而形成的层间褶皱为主要特征。

（1）冷水河向斜：横跨商南县境，为一规模较大的长轴向斜（长逾50km）。轴向近EW，轴面N倾。两翼基本对称，南翼略陡（55°），北翼略缓（50°）。该向斜为区内大型控矿构造，钒矿带赋存于该构造南北两翼寒武系下统水沟口组第一岩性段，分别称北矿带和南矿带。向斜北翼为向S倾的复式单斜构造（局部倒转），是直接控制烟城沟钒矿产出的次级构造。

（2）次级褶皱：只在局部出露，如矿区西部岳家坪组白云岩夹泥岩发生了褶曲，形成次级背斜、向斜，局部地层发生了倒转。次级小褶皱为水平挤压形成的纵弯褶皱，在水沟口组地层中，既有泥岩透镜体，又有泥岩夹薄层硅质岩构造透镜体。

（3）层间褶皱：主要发育于水沟口组与灯影组平行不整合面附近的水沟口组硅质岩夹碳硅质泥岩中。由不整合面及结晶灰岩与泥岩之间的层间滑动形成。震旦系灯影组顶部的厚层白云岩与水沟口组上部的厚层灰岩（泥灰岩）能干性较强，二者之间所夹的碳硅质泥岩及硅质岩能干性较弱。在冷水河—白浪镇向斜形成时，由于不整合面的重新活动，致使能干层之间的软弱层发生了褶皱。由于褶皱规模较小，对含矿地层厚度变化影响不大。

2．2．2 断裂

断裂构造主要位于矿带北部的前寒武系中，对钒矿体影响不大。F1断裂总体呈EW向，横贯矿区北部，断裂面总体向S倾，倾角60°～70°；断裂切割上震旦统，造成地层的重复与缺失；断裂上盘为上震旦统灯影组，下盘为上震旦统陡山沱组和陡岭岩群。F2断裂呈NW走向，倾向SW，倾角70°，为左行平移断层，将F1断裂错断，断距约200m。

3 矿床地质特征

3．1 矿体特征

矿区内共圈定钒矿体1条，赋存于下寒武统水沟口组第一段b岩性层内，含矿岩性主要由深灰色－灰黑色薄层硅质岩夹黑色硅质泥岩组成。矿体由探槽、平硐和钻孔等工程控制。工程控制长度8．17km，矿体在平面上呈EW向蛇曲形条带状展布。矿体地表出露标高为464．0～1 054．0m，钻孔控制矿体见矿最低点标高为－2．60 m，倾向上延深230．0～560．0m。矿体产状与地层产状基本一致，倾向一般在133°～190°；在矿体的西段局部由于地层倒转，倾向为0°～15°，倾角33°～78°，呈层状产出。矿体厚度1．30～24．08m，平均11．51m，厚度变化系数48%，属厚度变化较稳定型；矿石的品位w（V2O5）＝0．79%～1．51%，平均1．02%，品位变化系数18%，属品位分布均匀型；矿体连续性好，无分支复合现象，仅少数地段有薄层夹石，未发现矿体被断裂破坏的迹象。

3．2 矿石特征

矿石矿物成分以硅质矿物、黏土矿物为主，次为方解石、白云石等，金属矿物较少。硅质矿物以小于0．01mm的隐晶质石英和玉髓为主（约占硅质总量的80%），次为0．01～0．02mm的微晶质（约占硅质总量的20%）。黏土矿物主要为高岭石和水云母。地表岩石中常见胶状褐铁矿污染。金属矿物主要有褐铁矿，次为黄铁矿、钒铁矿、铁钒锐钛矿及少量钒云母等。

矿石结构主要为隐晶－微晶结构、变余细粉砂结构，次为粒状、胶状、假晶结构；矿石构造有显微平行－纹层状、互层状（条带状）、结核状、板状构造等。

3．3 矿石类型

矿区内矿体主要由薄层状硅质岩与硅质泥岩夹互层组成。事实上，在赋矿地层内的工业矿体中，有硅质岩集中部位，亦有硅质泥岩集中分布地段，且沿走向既无确切界线，又存在逐渐发生变化的关系，但其中各自不同程度存在着硅质泥岩、硅质岩夹层。因此，该钒矿床的矿石类型应划分为硅质岩夹硅质泥岩型。

3．4 钒的赋存状态

根据陕西省地质矿产研究所对该区钒矿提钒试验研究结果，钒主要以类质同象形式置换6次配位的Al3＋而存在于硅铝酸盐矿物中，其次以吸附状态存在于碳硅泥岩建造的岩石中。

另外，根据电子探针、衍射及物相分析等手段对钒的赋存状态研究发现，该区钒矿石中存在有少量钒的独立矿物，如钒铁矿（w（V2O5）＝9．75%～10．16%）、钒钛矿（w（V2O5）＝24．26%）。

4 矿床地球化学特征

4．1 岩石化学特征

从表1可见，硅质岩以高SiO2为特征，含碳硅质泥岩以SiO2为主，次为Al2O3，BaO。矿石中BaO含量较高，通过光薄片鉴定及物相分析发现矿石中 存在重晶石，重晶石是热水沉积的典型产物，说明该矿床与热水沉积作用有关［8－10］。

n（SiO2）／n（Al2O3）值是区分岩石物源的重要标志，Taylor，et al提 出 的 陆 壳 值 中n（SiO2）／n（Al2O3）＝3．6［11］，与此比值接近的岩石其物源应以陆源为主，超过此值的则多是由于生物或热水作用的补充。本矿区采集的2件硅质岩类样品n（SiO2）／n（Al2O3）值分别为89．14和34．24，平均61．69；3 件 含 碳 硅 质 泥 岩 类 样 品n（SiO2）／n（Al2O3）＝7．49～32．71，平均19．38。两类岩石n（SiO2）／n（Al2O3）值均＞3．6，间接表明其物源有大量海水中的热水沉积产物补充。

由于陆源物质富铝，而大洋热水沉积物富铁、锰，因此三者的含量关系可以用于示踪沉积岩的物源。Jewell et al提出沉积岩中n（Al）／n（Al＋Fe＋Mn）值＞0．5时，其物源应为陆源，而此比值＜0．35时为热水的注入［12］。矿区所采集2件硅质岩类样品n（Al）／n（Al＋Fe＋Mn）值分别为0．5和0．56，平均0．53；3件含碳硅质泥岩类样品的n（Al）／n（Al＋Fe＋Mn）＝0．65～0．76，平均0．72。两类岩石n（Al）／n（Al＋Fe＋Mn）值均＞0．5，其物源应为陆源和海底热水沉积物两者混合组成。

Rangin et al及 Aitchison et al提出岩石中n（Si）／n（Si＋Al＋Fe）值可以提供其物质来源的信息，即此值为0．9～1时反映物源主要为生物硅，此值＜0．9时则反映其更接近碎屑物源区［13－14］。矿区2件硅质岩类样品n（Si）／n（Si＋Al＋Fe）值分别为0．98和0．94，平均0．96；3件含碳硅质泥岩类样品n（Si）／n（Si＋Al＋Fe）值0．83～0．95，平均0．9。反映出本区沉积物源来自海底热水及近陆源剥蚀区混合。

Murray用n（Al2O3）／n（Al2O3＋Fe2O3）值来确定沉积岩的沉积大地构造环境，n（Al2O3）／n（Al2O3＋Fe2O3）为0．6～0．9时属大陆边缘环境，该值为0．4～0．7时属远洋深海环境，为0．1～0．4时属洋脊 海 岭 环 境［15－16］。 矿 区 2 件 硅 质 岩 类 样 品n（Al2O3）／n（Al2O3＋Fe2O3）值分别为0．45和0．62，平均0．54；3件含碳硅质泥岩类样品n（Al2O3）／n（Al2O3＋Fe2O3）＝0．7～0．91，平均0．81。介于大陆边缘地质背景（0．6～0．9）和深海沉积环境（0．4～0．7）过渡地带的环境，恰为黑色岩系发育的地质背景环境。

离陆较近的大陆坡和边缘海沉积的硅岩，n（MnO）／n（TiO2）比值偏低，一般＜0．5，大洋中的硅质沉积物的n（MnO）／n（TiO2）＝0．5～3．5。矿区2件硅质岩样品n（MnO）／n（TiO2）值分别为0．20和0．80，平均0．50，反映该区黑色岩系主要形成于大陆边缘与深海环境过渡带上。

4．2 稀土元素特征

2件硅质岩样品的REE总量最低，分别为41．918×10－6和59．773×10－6；3件含碳硅质泥岩类样品REE总量高于硅质岩，介于200×10－6～300×10－6之间。两类岩石的LREE／HREE主要在1．57～3．07范围内，LaN／YbN＝5．01～8．57，两类岩石均表现为强烈的LREE富集型。图3为烟城沟钒矿样品的REE球粒陨石标准化分布模式［17］，所有样品的REE球粒陨石标准化模式均为LREE与HREE强烈分馏的向右倾斜的图形；并且，硅质岩样品有微弱的Ce正异常（δ（Ce）＝1．10）和明显的Eu正异常 （δ（Eu）为1．97和2．47），含碳硅质泥岩类样品有微弱的 Ce负异常（δ（Ce）＝0．6～0．81）、明显的Eu正异常（δ（Eu）＝2．81～6．04）。

表1 烟城沟钒矿岩石化学成分及相关参数Table 1 Petrochemical analysis and related parameters of Yanchenggou vanadium deposit

表2 烟城沟钒矿稀土元素质量分数及相关参数Table 2 REE analysis for Yanchenggou vanadium deposit

图3 烟城沟钒矿稀土元素分配模式Fig．3 Chondrite－normalized REE patterns of Yanchenggou vanadium deposit

EPR和MAR热水活动区的研究表明，喷流流体相对海水而言富集REE，且更为富集LREE。在MAR中，喷流流体相对于海水分别富集了50～100倍的LREE和5～30倍的 HREE［17］。Bau et al研究了MAR热水活动区的稀土元素，得出了球粒陨石标准化的Eu正异常曲线（图4）［18－19］。烟城沟钒矿5件样品的稀土元素特征与热水流体的稀土元素特征相似，说明该矿床与热水活动有关。

5 结论

（1）商南县烟城沟钒矿产于南秦岭下寒武统水沟口组的黑色岩系中。矿体形态简单，与地层产状一致，严格受层位控制，矿体沿走向、倾向的品位、厚度较稳定。矿体受后期构造影响较小。钒矿石类型为硅质岩夹硅质泥岩型。矿石矿物主要为隐晶质石英、玉髓以及高岭石、水云母等黏土矿物。钒主要以类质同象形式和吸附状态存在于碳硅泥岩建造的岩石中。

图4 热水流体稀土元素分配模式Fig．4 Chondrite－normalized REE Patterns of hydrothermal fluids

（2）对钒矿石的岩石化学特征研究表明，烟城沟钒矿形成于大陆边缘与深海环境的过渡带中，其沉积物源来自海底热水及近陆源剥蚀区混合。这与该矿床在早寒武世时位于扬子陆块北部被动大陆边缘的区域构造背景相一致。

（3）矿石的稀土元素分配模式为“右倾”的轻稀土富集型，且具有明显的Eu正异常，与热水流体的稀土元素特征相似，表明该钒矿床与海底热水活动有关。

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