贵州瓮安震旦系灯影组磷矿沉积特征

张 伟，杨瑞东，任海利，高军波，毛 铁

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)



贵州瓮安震旦系灯影组磷矿沉积特征

张 伟，杨瑞东，任海利，高军波，毛 铁

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

震旦系灯影组是新发现的一个重要成磷层位，该层位磷矿床在国内较为少见。震旦纪灯影期是新发现的一个成磷时期，其含磷岩系具有独特的矿床地质特征。以贵州瓮安灯影组磷矿为例，从矿床地质特征、沉积环境、磷矿石特征及矿石组构等方面进行研究，结果表明：矿石为叠层石磷块岩，以胶状结构为主，少量碎屑状结构及放射状和波状层纹结构，构造为柱状及层纹状；矿石矿物主要为白云质胶磷矿，含少量重结晶微晶质磷灰石；化学成分主要为P2O5、CaO、MgO，总量在73.56%～87.9%，平均81.74%；矿床形成于陆棚浅海碳酸盐台地水下隆起边缘半局限盆地内的生物藻丘，隆起边缘的潮下局限环境是矿床形成的主要环境，矿床的形成与生物直接相关，为生物及生物化学成矿。

灯影组 叠层石磷块岩 沉积特征 矿床成因

Zhang Wei, Yang Rui-dong, Ren Hai-li, Gao Jun-bo, Mao Tie. Sedimentary characteristics of phosphorite deposits in the Sinian Dengying Formation of Weng'an County, Guizhou Province[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(2):0238-0245.

0 引言

磷矿资源是我国重要的矿产资源之一，也是重要的非金属矿产资源。贵州省的磷矿资源主要分布于开阳-息烽片区和瓮安-福泉片区，这两个片区是贵州省的两个磷矿工业基地，其磷矿品位高，矿床分布规模大，其中大中型磷矿床主要分布于瓮安-福泉片区(吴波等，2013)。以往贵州瓮安-福泉磷矿区一直以寻找震旦系陡山沱组磷矿层为主要研究方向及勘探方向。随着对瓮安-福泉地区磷块岩矿床研究程度的不断深入，贵州瓮安震旦系上统灯影组发现叠层石磷块岩矿床，这为在瓮安-福泉地区震旦系灯影组寻找磷块岩矿床开辟了新的方向(杨瑞东等，2013)。瓮安地区震旦系灯影组磷矿床主要为叠层石磷块岩，矿层赋存于灯影组白云岩中，其顶底板均为灯影组含磷质白云岩、含藻粉晶白云岩。对磷质叠层石的成因及沉积特征的研究认为，磷质叠层石是受环境制约的藻类生物作用而形成的生物沉积构造；柱状叠层石矿物成分主要为胶磷矿，对胶磷矿的超微组构研究显示胶磷矿为超微粒状磷灰石集合体(盛章琪，1984；夏文杰等，1987)。笔者通过对研究区地质特征、沉积环境、磷矿石结构构造及叠层石特征的研究，探讨磷矿床沉积特征及成因，为磷矿的找矿方向提供理论依据。

1 地质背景

研究区位于扬子地台南缘，黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区中部(贵州省地质矿产局，1987)，位于近南北向展布的上塘背斜西翼。区域出露有三叠系、二叠系、寒武系、震旦系及青白口系地层，走向近南北向，缺失奥陶系、志留系、泥盆系及石炭系地层。上塘背斜轴迹明显，枢纽南北延伸，轴面近于直立。北东向、南北向、东西向及北西向断裂构造发育(图1)。

震旦纪时期，贵州古地理格局总体呈现北西高、南东低，海水从南东向侵入贵州，自北西至南东依次出现浅水沉积、斜坡沉积及盆地沉积(夏文杰等，1994；王立亭，1994)。早震旦世陡山沱期，黔中为古陆(杨瑞东，2008)；晚震旦世，扬子板块地壳趋向稳定，伴随着海侵范围扩大，陡山沱期扬子海局部存在的黔中古陆至灯影中晚期被海水淹没，变为水下隆起(黔中隆起)，形成水动力条件较弱的陆棚浅海-半深海环境。

图1 瓮安震旦系灯影组磷矿区域地质图①Fig. 1 Geological map of phosphorite deposits in the Sinian Dengying Formation of Weng’an, Guizhou Province①1-三叠系; 2-二叠系; 3-寒武系; 4-震旦系; 5-青白口系; 6-地质界线; 7-断层; 8-背斜1-Triassic; 2-Permian; 3-Cambrian; 4-Sinian; 5-Qingbaikou system; 6-geologic boundary; 7-fault; 8-anticline

震旦纪贵州瓮安-福泉一带为台地边缘浅滩相(图2)，是磷矿形成的主要地区。罗贝维等(2013)对四川盆地晚震旦世灯影期古海洋环境研究表明，灯影期虽存在海侵-海退-短暂海侵-海退的海洋旋回，但整体上仍为海相环境(罗贝维等，2013)。此时扬子板块已经不存在陆源碎屑沉积，转而广泛存在的以碳酸盐岩沉积为主的碳酸盐台地，以及泥质及部分硅质沉积(夏文杰等，1994)；随着灯影期海退的发生，黔中隆起海水变浅而成为陆棚浅海碳酸盐台地环境。台地边缘浅滩发育的半局限盆地内藻类生物大量生长以并逐渐演化为生物藻丘，为磷质的聚集提供良好环境条件，成为重要的聚磷区。

图2 贵州晚震旦世灯影期岩相古地理图(据杨瑞东，2008修改)Fig. 2 Map showing lithofacies and palaeogeography in late Sinian Dengying age of Guizhou Province (modified from Yang, 2008)1-局限台地相; 2-开阔海台地; 3-浅滩相; 4-陆棚相; 5- 盆地相1-restricted platform facies; 2-open platform; 3-shoal facies; 4 -shelf facies; 5-basin facies

2 矿床沉积特征

瓮安震旦纪灯影组磷矿为新发现的成磷新层位，是早震旦世陡山沱期成磷期之后的又一成矿期。研究区出露地层主要有第四系、寒武系下统金顶山组、明心寺组、牛蹄塘组及震旦系上统灯影组和下统陡山沱组；地层走向近南北向，地层倾向及倾角随其分布在矿区位置不同而不同。研究区含磷层位主要分布在下寒武统牛蹄塘组底部及震旦系陡山沱组和灯影组。灯影组磷矿层主要赋存于震旦系灯影组顶部，含磷岩系主要由深灰色致密块状白云岩、灰色条带状白云岩、浅灰色厚层含藻粉晶白云岩及灰白色砂屑白云岩组成；上部为浅灰色厚层含藻粉晶白云岩，近顶部夹灰白色厚层柱状叠层石白云质磷块岩，厚1.48～11.51 m，中部为浅灰色中至厚层粉晶白云岩；下部为灰色薄至中厚层条带状藻粉晶白云岩，厚度>100 m。

2.1 含磷岩系

研究区含磷层位主要分布在下寒武统牛蹄塘组底部及震旦纪陡山沱组和灯影组顶部(图3)。由新到老三个含磷层位的地质特征、岩石组合如下：

图3 灯影组含磷岩系柱状图Fig. 3 Stratigraphic histogram of phosphorus bearing rock series in the Sinian Dengying Formation

(1) 寒武系牛蹄塘组底部含磷岩系

该含磷层上覆为牛蹄塘组黑色页岩、片状高炭质页岩；下伏为灰黑色含磷硅质岩，含似层状、透镜状、结核状碎屑磷块岩，与灯影组地层为不整合接触。磷块岩为生物碎屑结构，含大量小壳类动物化石(高慧和杨瑞东，2005；毛铁和杨瑞东，2013)。磷块岩厚0～0.30 m，平均厚0.20 m；平均品位为6.35%。该层磷矿在研究区因厚度太薄，且横向变化极大，未能形成工业矿体。

(2) 震旦系灯影组顶部含磷岩系

灯影组含磷岩系是本次研究的主要含磷层位。矿层为浅灰、灰白色柱状叠层石白云质磷块岩，厚度较稳定，呈层状产出，含丰富核形石及藻球粒、藻凝块等生物化石，大量藻类化石堆积形成层纹状叠层石构造，叠层石保存完整，胶磷矿与叠层石相间分布。在含磷层的中上部位常含一不稳定的含磷白云岩透镜体夹层。矿层赋存于灯影组内含磷白云岩、白云岩中，顶、底板界线清晰，呈整合接触关系。

(3) 震旦系陡山沱组含磷岩系

该含磷层上覆为震旦系灯影组含磷质白云岩及泥质白云岩，下伏地层为南华系南沱组紫红色冰碛砾岩。含矿岩系分为上、下两个磷矿层，矿层岩性主要为碎屑磷块岩、球粒磷块岩、块状藻磷块岩及白云质砂屑磷块岩；矿石结构主要为凝胶状结构、鲕粒(球粒)结构及内碎屑结构；构造主要为条带状、层纹状及块状。矿体顶底板为白云岩、含磷白云岩、含硅白云岩及炭质泥岩和细砂岩。含藻类化石、疑源类化石和动物的胚胎化石(Xiaoetal., 1998)。

2.2 磷矿石及矿体特征

矿石由浅灰、乳白色致密状柱状叠层石磷块岩与深灰色细晶白云岩夹石呈纵向渗透穿插组成，磷块岩由非晶质磷灰石矿物颗粒以叠层石形式呈柱状镶嵌于白云岩中，形成柱状、层纹状。矿石矿物主要为白云质胶磷矿，以非晶质胶磷矿集合体的形式产出，含量一般大于80%，次要矿物为重结晶微晶质磷灰石，含量小于20%。脉石矿物主要为层纹状、结核状的白云石，含极少量方解石、黄铁矿以及粘土矿物(杨瑞东等，2013)。矿石化学成分主要为P2O5、CaO、MgO、Na2O等，其中P2O5、CaO、MgO总量在73.56%～87.9%，平均81.74%，而Na2O+K2O含量很低，平均仅为0.23%，Al2O3平均含量仅为0.09%，SiO2平均仅为0.11%，说明叠层石磷块岩主要为P2O5、CaO和MgO组成的磷酸盐及碳酸盐矿物，而Al、Fe、Si等构成的粘土及硅质矿物则含量较低，非磷质化学成分主要有Mg、Al、Na、K、Fe、Si等(表1)。磷矿石品位总体上由浅部至深部逐渐降低。

矿层受古地形、古构造的控制，厚度较稳定，呈层状，厚1.48～11.51 m，平均3.45 m，厚度变化系数为51.01%。矿层厚度呈现中间厚，沿走向往南部和北部逐渐变薄，厚度约1～2 m；沿倾斜方向，矿区中部具有线状分布特征，向深部有变厚趋势，南部和北部沿倾斜方向上仍呈现中间厚，向东部和西部逐渐变薄；地表出露的矿体，中部相对于北部和南部矿体厚。矿层厚度的变化具有盆地沉积特征。

2.3 沉积结构、构造特征

叠层石构造是一种特殊的、主要由蓝藻、部分为细菌的微生物积极参与下形成的一种生物沉积构造，磷块岩中磷酸盐的沉积与富集与微生物形成的叠层石密切相关(朱士兴等，1993)。含磷岩系主要发育有胶状结构、碎屑结构及放射状结构；结核块状构造，柱状和层纹状叠层石构造。其中叠层石构造为含磷岩系主要构造特征。

(1) 柱状及层纹状叠层石构造：柱状叠层石纵剖面柱体(图4a)由穹状暗色藻纹层和白色胶磷矿相间组成。暗色藻纹层厚1～6 mm，呈不规则条带状，暗色纹层由藻类及白云石组成，纹层内部为结晶程度较差的白云石，具有明显的世代性，垂直纹层方向自下而上依次为藻纹层-粗粒白云石-细至中粒白云石-微晶白云石(图4e)；白色纹层为胶磷矿，主要由球状藻类及附着在藻类边缘的黄褐色非晶质胶磷矿组成(图4f、g)。柱体形态主要受基本层形态的控制(图4b)，同时受环境影响。根据柱体自上而下直径的变化，柱体形态的基本类型主要为圆柱状或次圆柱状柱体以及杯状或茎块状柱体，圆柱状或次圆柱状柱体直径自下而上无显著变化，杯状或茎块状柱体通常较短，底部很窄，上部增宽。横剖面上柱状叠层石呈同心圆状、椭圆状等(图4c)，

(2) 碎屑结构：早期形成的叠层石磷块岩破碎形成的角砾状磷块岩，角砾粒度大小不一，呈棱角状、次棱角状，无分选性；碎屑成分主要为磷块岩及白云岩碎屑，胶结物主要为白云石，部分磷质及泥质成分，可见于矿层边缘地带(图4d)，反映成矿时边缘地带可能为高能的动荡环境。

(3) 胶状结构：为磷矿石的主要结构特征。主要由藻球粒及弱结晶的白云石组成，基底式胶结；球粒大小不一，无分选性，呈不规则状、展布无序，粒度大小为0.05～0.6 mm，磷质和白云质胶结(图f)。磷质胶结物主要为非晶质或隐晶质集合体，在正交偏光镜下呈现出斑点状集合体特征，由极细微磷灰石颗粒堆积形成(图4h)。

表1 磷块岩主要化学成分(%)①

(4) 放射状及波状层纹结构：主要为放射状白云质颗粒，粒度大小0.2～0.33 mm，颗粒边缘具有薄层白色亮带，厚约0.02 mm，为藻类的生物薄膜。藻粒为具有放射状结构的椭圆形颗粒，分布较少(图4i)。波状结构的中心通常为长条状胶磷矿及极细微磷灰石集合体，藻类植物的间隙性生长围绕其边缘形成一层磷质与白云质相互交替的波状藻纹层，形成具有波状特征的层纹状结构(图4j)，反映了藻类在一段时间内可能停止生长，使得磷质得以在藻席表面沉淀。

3 矿床成因

研究区早震旦世陡山沱期磷块岩矿物组成为白云质砂屑磷块岩及碳质磷块岩。矿石矿物组成为非晶质胶磷矿及碳氟磷灰石；脉石矿物主要为粘土矿物、碳酸盐矿物等。矿石结构以碎屑状结构和凝胶状结构为主(密文天等，2013)。陡山沱期磷矿属于台地相，海水极浅，沉积物以碳酸盐、磷酸盐和陆源碎屑岩为主，沉积环境多为浅滩(或藻礁)、潮坪(吴祥和等，1999)。上升洋流将深海富磷海水带至黔中古陆边缘浅水地带，磷质在生物作用下沉积成矿，经潮汐、波浪作用的改造，形成碎屑状磷块岩。陡山沱期磷矿的形成与菌藻类生物密切相关，矿床为生物成因(周茂基和盛章琪，1981；王仕中和温正康，1990；密文天，2013)。

受雪峰运动影响，地壳构造运动频繁，地壳局部上升，海平面相对下降(贵州省地质矿产局，1987)，继灯影期早期阶段海侵后，中-晚期则出现海退旋回，使黔中隆起海水变浅，但仍为海相环境，在瓮安一带为陆棚浅海碳酸盐台地边缘浅滩环境。晚震旦世灯影期深层海水富含的丰富磷质，为矿床的形成提供了重要的物质来源(赵东旭，1990)。灯影早期海侵作用将深海富磷海水在洋流影响下向黔中沿隆起上涌，海水中磷含量没有陡山沱期丰富，很难形成类似陡山沱期的浅滩高能环境磷块岩—碎屑状磷块岩。对磷块岩中富集的稀土元素研究表明，生物有机质的参与在磷块岩形成过程中具有重要的作用(密文天等，2011)，海水低含量的磷，在台地边缘浅滩的障碍下，形成局限的低能环境——潮下泻湖，其中生长大量的藻类，由于水动力小，生长大量的柱状叠层石。柱状叠层石的藻类生长过程中分泌出大量的化合物，改变水体微环境，形成富含有机质的生物藻丘环境。同时藻类生物新陈代谢造成的生物和生物化学作用，使较富磷海水中的磷酸盐矿物发生凝聚和富集(陈辉能等，1996)，聚沉的胶状磷质沉积于藻类生长间隙当中，经成岩作用形成具胶状结构、叠层石构造的磷块岩。P2O5主要富集于叠层石磷块岩中，是生物参与成矿作用的重要标志，由于藻类生物的参与，直接导致了磷的富集成矿(陈其英，1995)。从叠层石磷块岩的结构可以看到，藻类发育的藻纹层(暗色层)，磷含量一般约15%，而藻纹层不发育的亮层(白层)(图4g)，磷含量一般约25%。灯影期形成的磷块岩以生物成矿作用为主，磷块岩是在水动力相对低的局限潮下半局限泻湖盆地环境成矿。

研究认为，瓮安夏安灯影组磷矿主要形成于开阔海台地隆起边缘半局限盆地环境，开阔海台地中隆起边缘浅滩中的潮下泻湖环境是控制矿床形成的主要沉积环境，而藻类生物繁盛是海水中磷质发生沉淀的关键因素。半局限泻湖盆地边缘为浅水高能环境，在波浪或潮汐的作用下在盆地边缘地带形成碎屑状磷块岩；而盆地内部为低能、静水环境，磷质沉积物沉积之后未受后期地质作用的改造，从而在盆地内部形成保存完好的柱状叠层石磷块岩(图5)。

图5 瓮安震旦纪灯影期磷矿成微环境Fig. 5 Metallogenic microenvironmental of the Sinian Dengying Fm. phosphorite deposits in Weng’an

综上所述，磷矿床形成于陆棚浅海碳酸盐台地水下隆起(黔中隆起)边缘半局限盆地生物藻丘环境，矿床的形成与藻类生物的繁盛直接相关，为生物及生物化学成因，但不排除成矿过程中有化学作用的参与。磷块岩相带近南北向分布于震旦系灯影组地层顶部，磷块岩的形成与叠层石具有成生联系，二者密切相关，形成于隆起边缘潮下半局限泻湖环境。因此，黔中隆起边缘地带应为灯影期磷矿重点找矿区域。

4 结论

从矿床地质特征、矿物学、沉积环境等方面，对瓮安灯影组磷矿的研究主要得出以下结论：

(1) 磷块岩矿石矿物主要为白色胶磷矿，其结晶形态为非晶质胶磷矿集合体，含少量磷灰石，脉石矿物以方解石、黄铁矿以及粘土矿物为主。矿石化学成分主要为P2O5、CaO、MgO、Na2O等，主要为P2O5、CaO、MgO组成的磷酸盐及碳酸盐矿物。矿石结构主要为胶状结构、碎屑结构及放射状及波状层纹结构；构造主要为柱状、层纹状叠层石磷块岩。

(2) 矿层赋存于震旦系灯影组，含磷岩系的岩性组合主要以柱状叠层石磷块岩及含磷白云岩。矿层顶底板均为含磷白云岩，矿体呈层状，厚度较稳定；但品位变化较大，向深部品位变低。

(3) 矿床沉积环境为陆棚浅海水下隆边缘局限或半局限盆地环境，磷质的沉淀与藻类生物直接相关，富磷海水进入隆起边缘浅滩在生物及生物化学作用下磷质聚沉，形成磷矿床，矿床成因为生物及生物化学成因。

[注释]

① 贵州省地矿局115地质队. 2009. 瓮安厦安磷矿详查地质报告[R].

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[附中文参考文献]

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Sedimentary Characteristics of Phosphorite Deposits in the Sinian Dengying

Formation of Weng’an County, Guizhou Province

ZHANG Wei, YANG Rui-dong, REN Hai-li, GAO Jun-bo, MAO Tie

(CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025)

The Sinian Dengying Formation is a newly discovered vital phosphorus stratum, of which the phosphorite deposit is rare in China. As a new stage of phosphorus mineralization, the geological characteristics of its phosphate rock series is unique. Taking the phosphrite deposit of Weng'an Dengying Formation in Weng'an county, Guizhou province as an example, this paper presents the geological characteristics, sedimentary environment, characteristics of phosphorite and ore structures of this type of deposits. The results indicate that the ore is stromatolitic phosphorite, with natural colloidal structure, bearing a small amount of clastic structure, or radial structure and laminated wavy structure. The cylindrical and lamellar structures are predominant. Dolomitic phosphoorite, which contains a small amount of recrystallization microcrystalline apatites, is the main mineral. The primary chemical compositions are P2O5, CaO and MgO, with total content of 73.56%～87.9%, and the average value 81.74%. The phosphorite deposit was formed in a algae hilly-land in a semi-confined basin in subaqueous uplift edges of a continental shelf, shallow water carbonate platform. The confined basin environment of the edges of subaqueous uplift of the subtidal zone in the carbonate platform is the main metallogenic setting for this phosphorite deposit. At the same time, phosphorite deposit's formation was directly related to biology of algae, and the genesis of the phosphorite deposit was biological and biochemical mineralization.

Dengying Formation, stromatolite phosphorite, sedimentary characteristics, deposit genesiss

2014-09-19；

2014-12-16；[责任编辑]郝情情。

贵州省国土厅公益性、基础性研究项目(2011006)和贵州大学学科建设基金资助。

张伟(1991年-)，男，在读硕士研究生，从事沉积矿床研究工作。E-mail: trdjzhangwei@hotmail.com。

杨瑞东(1963年-)，男，教授，博士生导师。E-mail: rdyang@gzu.edu.cn。

P619.21+3

A

0495-5331(2015)02-0238-08