湖北王集磷矿矿石化学成分特征及矿床成因探讨

徐少康王　宇贾　晗张　敏张慧敏

1 中化矿山总局地质研究院，河北涿州 072754

2中化地质矿山总局河南地质勘查院，河南郑州450011

湖北王集磷矿矿石化学成分特征及矿床成因探讨

徐少康*1王宇1贾晗1张敏1张慧敏2

1 中化矿山总局地质研究院，河北涿州 072754

2中化地质矿山总局河南地质勘查院，河南郑州450011

提要王集磷矿矿石类型有三种：灰色纹层状磷块岩（产于Ph1），紫灰色纹层状磷块岩（产于Ph1），黑灰色薄纹层状磷块岩（产于Ph3）。三种矿石主要常量及微量化学成分含量存在一定的差异。稀土元素分布模式均呈轻稀土轻度富集型，Ph3矿石Ce略有亏损。成矿物质源于秦岭海槽、地球深部；成矿介质为富磷硅的热卤水，运移过程中受到海水钙质和碳质的混染。成矿介质与海水的比重差和洋流使成矿介质运移就位于扬子地台北缘水下凹地，温度降低和微生物作用使成矿介质中的活性碳大幅度减少，导致磷灰石结晶析出成矿。鄂西广大地区仍有良好的找矿前景。

矿石类型 化学成分 热水沉积 找矿前景 湖北荆门

1　区域磷矿概况

湖北省襄阳与荆门之间是我国磷矿重要富集区之一，该矿集区简称为荆襄磷矿，其成因类型属生物化学沉积，成矿时代为早震旦世，赋矿层位属下震旦统陡山沱组。

荆襄磷矿主要由胡集磷矿床和朱堡埠磷矿床组成。规模较大的胡集磷矿，为7个矿段，王集磷矿是其中之一（图1）。

荆襄磷矿所处大地构造位置为扬子地台北缘、北与秦岭海槽毗邻（图1）。

含矿岩系陡山沱组主要岩性为白云岩、含磷白云岩夹磷矿层，存在4个含磷层位，分别简称为 Ph1、Ph2、Ph3、Ph4，形成工业矿体的主要是Ph1和Ph3，Ph2局部形成矿，Ph4达不到工业要求。

2　王集矿段地质概况

王集矿段，地层最老的为元古宇杂岩，最新的为第四系砾石沉积【2】。

图1 荆襄磷矿地理位置（左）和大地构造位置（右）图Fig.1 Phosphorite geographic location（left） and geotectonics map（right） of Hunan and　Hubei province矿段代码：1-牛心寨矿段；2-王集矿段；3-龙会山矿段；4-大峪口矿段；5-放马山矿段；6-熊家湾矿段；7-莲花山矿段

断裂较发育，均为成矿后断裂。一级断裂为F14，呈弧形，走向近南北，总体倾向东，倾角倾角30～60°，性质主要逆断层，南端性质为正断层。

F14以东，地层分布主要受单斜构造控制，地层总体走向呈北北西-南南东，总体倾向南西、倾角一般 30～37°。F14以西，地层倾向南南西和北北西，倾角30～49°。

规模较大的磷矿体有两个：1号矿体，赋存于Ph1中，长4200m，均厚7.52m，平均品位24.69% （P2O5）；3号矿体，赋存于Ph3中，长4200m，均厚10.63m，平均品位13.34%（P2O5）。该矿段探明储量9123万t，规模为大型【3】。

3　王集磷矿矿石类型

王集矿段矿石类型有三种：灰色纹层状磷块岩、紫灰色纹层状磷块岩、黑灰色薄纹层状磷块岩。前两种产于1号矿体内，后者产于3号矿体内【3】。

3.1灰色纹层状磷块岩特征

灰色纹层状磷块岩，总体上呈灰色，粉晶胶状结构，纹层状构造。纹层有三种：①深灰色层（带褐色色调），单层厚0.6～4mm、0.8～4.2mm，具半透明感；②灰色层，单层厚 0.4～4mm；③黄褐色层，单层厚0.4～2mm、0.1～1.5mm。

据纹层的组合特征，矿石分为两种亚类：①深灰色层与灰色层呈互层状，二者量大致相当（分别占45%），局部夹黄褐色层（占10%）；②以带褐色色调的深灰色层为主，局部夹黄褐色层，二者比例约9：1。矿物成分特征见表1。

从矿物组合特征分析，有机质含量高低是颜色深浅的主要因素，两种亚类的矿物组合无明显差别。

表1　灰色纹层状磷块岩（Ph1）矿物成分对比及平均含量（%）Table 1　Mineral composition contrast and equilibrium content（%） of gray lamina phosphorite（Ph1）

晶质矿物磷灰石、石英等均呈半自形晶或自形晶，没有搬运特征，是从成矿介质中由化学结晶作用直接析出的。胶磷矿和有机质由微生物作用形成。矿石中未见粒屑结构，说明沉积环境为水较深的平静环境。明显的纹层状构造，进一步显示矿床为沉积成因。三种层、条带颜色的变化由有机质和碳酸盐矿物含量的差异所致，显示在沉积过程中微生物活动有强弱变化、碳酸盐矿物有间歇性析出的特征。

3.2紫灰色纹层状磷块岩特征

紫灰色纹层状磷块岩，以灰色为主，夹杂紫灰色，粉-泥晶结构，纹层状构造。纹层有紫灰色和灰色两种，前者厚 0.3～2.5mm，后者厚 1～4mm，二者呈互层状，局部夹厚 0.7mm±、长12mm±的灰色条带。灰色层和灰色条带与紫灰色层比例约为3：2。矿物成分特征见表2。

表2　紫灰色纹层状磷块岩（Ph1）矿物成分对比及平均含量（%）Table 2　Mineral composition contrast and equilibrium content（%） of purple-gray lamina phosphorite（Ph1）

晶质矿物磷灰石、白云石、方解石，呈半自形晶，没有搬运特征，是从成矿介质中由化学结晶作用直接析出的。胶磷矿和有机质由微生物作用形成。矿石中未见粒屑结构，显示沉积环境为水较深的平静环境。明显的纹层状构造，为矿床沉积成因提供了有力的证据。两种纹层颜色变化由微量元素所致，说明在沉积过程中微量元素有间歇性析出的特征。

总体上看，本类型矿石与灰色矿石成因基本相同。

3.3黑灰色薄纹层状磷块岩特征及成因分析

黑灰色薄纹层状磷块岩特征，以黑灰色、灰色为主，夹白色，粒屑结构，纹层状构造。纹层有三种：黑色层，灰色层，白色层，以前两种为主。黑色层厚1.5～34mm，灰色层厚0.5～46mm，白色层厚3～10mm。三种层中均有呈星散状分布的近等轴状溶蚀空洞，大小0.1～0.5mm±，含量约5%。可见少量白.色条带，长4mm～5.9cm，宽1～3mm，顺层产出。黑色层、灰色层、白色层和条带三者比例约为：57：38：5。矿物成分特征见表3。

表3　黑色纹层状磷块岩（Ph3）矿物成分对比及平均含量（v%）Table 3　Mineral composition contrast and equilibrium content（v %） of black lamina phosphorite（Ph3）

该类磷块岩，以磷矿物为主，总量达到54.01%；磷矿物以磷灰石为主，胶磷矿含量较低，分别为48.31%和5.7%；脉石矿物主要为石英（含量为31.21%），少量白云石、方解石和斜长石。显微镜下观察，各矿物成共生关系，显示化学沉积特征；碳质含量较高，说明成矿介质中微生物含量较高。

宏观观察，矿石呈纹层状，黑色层（主要为磷灰石，次为石英）与灰色层（主要为石英，次为磷灰石）呈互层状，说明在矿石形成过程中，成矿介质中的主要组分磷质和硅质始终处于饱和状态，但饱和程度和总量有变化；单层度较薄，说明磷质和硅质相对的饱和程度变化较快。白云石在两种条带中含量均极少，说明成矿介质中的白云质总量少、但处于饱和状态。

矿石局部夹的白色条带，顺层产于黑色层中、二者界线清楚截然，显示形成时间早于黑色层；白色条带矿物成分主要为斜长石、次为磷灰石和白云石，少量碳质、方解石和石英（表1），说明成矿介质中含有长石质，同时也说明，沉积作用开始早期，析出的矿物主要为斜长石、次为磷灰石和白云石，少量碳质、方解石和石英；白色条带中的碳质含量明显低于黑色条带和灰色条带，说明沉积作用开始早期开始早期，成矿介质中微生物含量较少。

层和条带形成的大致顺序为：白色条带→黑色层→灰色层→黑色层与灰色层交替出现。

矿物最先出现的顺序为：斜长石→胶磷矿→磷灰石→白云石→方解石→碳→石英。

由于硅铝质在天然常温水体中含量极低，所以，分析成矿介质为温度较高的矿化热卤水。

从矿物组合特征分析，碳质含量高低是颜色深浅的主要因素之一。

3.4矿物组合对比

相同点：矿物组合总体上较接近，均以磷矿物为主（总量 54.01%～79%），碳质和有机质均较高（10.18%～16.2%）。

不同点：①磷矿物含量：Ph1紫灰色磷块岩磷灰石略高于胶磷矿，Ph1灰色磷块岩胶磷矿明显高于磷灰石；Ph3黑色磷块岩磷质矿物明显低于Ph1的，且以磷灰石为主、胶磷矿少量；②碳酸盐矿物含量差异明显：Ph1灰色磷块岩碳酸盐矿物含量明显高于Ph1紫灰色磷块岩和Ph3黑色磷块岩；③石英含量：Ph3黑色磷块岩石英含量明显高于Ph1各类磷块岩；④颜色：Ph3磷块岩为黑色，Ph1磷块岩为紫灰色或灰色；⑤Ph1磷块岩有机质较高，Ph3磷块岩碳质较高；⑥Ph3成矿介质富硅。

4　矿石化学

4.1矿石常量元素成分特征

矿石常量化学成分见表4。

从其中三类矿石常量化学分析数据分析可知，与Ph3矿层矿石相比，Ph1矿层矿石 CaO、P2O5及F、Al2O3和K2O、Fe2O3、FeO 、TiO2及TS相对较高，CO2、MgO及LOSS明显偏低，SiO2无明显变化，说明Ph1矿层的氟磷灰石、长石、钛铁矿、黄铁矿相对较高，白云石明显偏低，石英相对较低。

与灰色矿石（WJ-02）相比，紫色矿石（WJ-03）的CaO、P2O5及F较高，CO2、MgO及LOSS、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O及TS偏低，说明紫色矿石氟磷灰石增高、白云石等脉石矿物偏低。

表4　王集磷矿矿石常量元素氧化物、烧失量及F和Cl含量（%）Table 4　Constant element content（%）including oxides， ignition loss， F and Cl of Wangji phosphorite

4.2矿石微量元素特征

三类矿石微量元素含量见表5。

三种矿石所有微量元素含量与现代海水差异明显【4】。其中，Cl含量明显低于现代海水，其它元素含量明显高于现代海水，说明矿石物质并非源于海水。

表5　王集磷矿矿石微量元素含量（×10-6）Table 5　Microelement content（×10-6）of Wangji phosphorite

U、W、Mo、I、Sn、Be及Cd含量与现代地壳较接近，其它微量元素含量与现代地壳差异明显，说明矿石物质来源的地质体与现代地壳不完全相同【4】。

三种矿石，含量最高的微量元素均为 Sr和Ba。Sr由放射性Ca衰变形成，“Sr含量高”与“Ca含量高和成矿年代久远”是吻合的。Ba一般在温度较高的成矿介质中含量较高，所以，本矿床成矿物质应源于深海的热卤水。

与Ph1矿层矿石对比，Ph3矿层矿石的Ba、Zr、Co、U、Cu、Rb、B、Th、Pb、W、Cs、Mo 及I均明显低于Ph1矿层矿石，Sr和Sn明显高于Ph1矿层矿石，Be、Cd和Ni与Ph1矿层矿石接近；Cl介于Ph1矿层两种矿石之间，与Ph1矿层两种矿石的平均值接近。微量元素组合的异同，说明两个层位的矿石成矿物质来源不完全相同。

Ph1矿层中，紫灰色矿石的Ba、Zr、Co、Cl 及Sr明显高于灰色矿石，Rb和B明显低于灰色矿石，其它微量元素基本接近。两种矿石微量元素组合的差异，说明成矿物质形成过程中微量元素的析出时间不完全相同。

Ph1矿层紫灰色矿石Ba含量特高，显示“紫色”可能主要由Ba引起。

4.3矿石稀土元素特征

黑色纹层状磷块岩（WJ-01），稀土总量169.46×10-6，（La/Lu）n值 1.43，稀土元素分布模式较规整，接近平坦型，Ce略有亏损，轻稀土略有富集（表6，图2）。

表6　王集磷矿矿石稀土元素含量（×10-6）Table.6 Rare earth element content（×10-6）of Wangji phosphorite

紫灰色纹层状磷块岩（WJ-03），稀土总量76.53×10-6，（La/Lu）n值1.77，稀土元素分布模式较规整，接近平坦型，Ce略有亏损，轻稀土略有富集（表6，图2）。

图2 王集磷矿矿石稀土元素分布模式Fig.2 Distribution pattern of rare earth element of Wangji phosphoriteWJ-01为黑灰色薄纹层状磷块岩，WJ-02为灰色薄层状磷块岩，WJ-03为紫灰色纹层状磷块岩；据表7数据作图

灰色纹层状磷块岩（WJ-02），稀土总量90.17×10-6，（La/Lu）n值1.72，稀土元素分布模式较规整，接近平坦型，Ce略有亏损，轻稀土略有富集（表6，图2）。

三种矿石稀土元素共性特征明显（表6）：总量 （La/Lu）n值变化范围1.43～1.77，均较小；分布模式均呈轻稀土富集型，分异程度均不高，均与陨石的较接近（陨石稀土元素分布模式为平坦型）【4】。显示三种矿石成矿物质来源较单一，结合大地构造及矿石特征分析，源于地壳深部。分布模式特征较接近，说明Ph3矿石和Ph1矿石经历了大致相同的地质过程。

但是，两个层位矿石，稀土元素特征差异性仍较明显（表6）：Ph3矿层矿石各稀土分量及总量明显高于 Ph1矿层矿石，（La/Lu）n值低于 Ph1矿层矿石，分布模式变化性略显复杂，Ce略亏损。说明两个层位的矿石经历的地质过程存在差异。

Ph1矿层两种矿石对比，灰色矿石个稀土分量及稀土总量均高于紫灰色矿石，两种矿石稀土元素分布曲线完全平行，说明灰色矿石吸纳了较多的稀土元素。

三种矿石，稀土元素分布曲线均较简单，说明成矿物质来源均较单一，并不是多源的，分布模式均与陨石的较接近。据此，同时结合微量元素、矿物组合、大地构造环境等特征综合分析，认为成矿物质均源于深部。

稀土总量均远高于陨石，说明成矿介质形成后其中的成矿物质经过了多次富集。分布曲线接近平坦，显示成矿物质富集过程中，基本上没有物质的丢失、或者丢失较少。Ph1层位的两种矿石分布曲线高度平行，灰色矿石稀土总量高于紫色矿石，显示早期沉积阶段稀土元素易进入固相。

Ph3矿层矿石，分布模式与 Ph1矿层矿石接近，但稀土总量远高于Ph1矿层矿石，说明二者有缘源关系。

5　矿床成因分析

（1）成矿物质来源 矿石中的Ba、Co、U、TH、Rb、W、Sn及Be均远高于现代海水中，常温地下水中的Si、P、Al含量极低（如湖北钟祥莲花山矿段），所以，成矿物质不可能源于海水和常温地下水。

Ph1矿层底界到陡山沱组沉积基底的平均厚度及Ph3矿层底界到Ph2含磷层底部的沉积间断面的平均厚度均不大。因此，磷含量极低的海水经过短时间的浓缩不可能形成磷矿层。

矿石稀土元素分布曲线较简单，显示成矿物质来源较单一。

矿石稀土元素分布模式与陨石的较接近，说明成矿物质主要源于地球深部。

综合上述几点分析，成矿物质主要源于地球深部，成矿介质为富磷硅的热卤水（成因可能为地球深部物质演化过程中的产物）。

（2）成矿物质来源的大地构造单元成矿时矿床所处大地构造位置为扬子地台北缘、北与秦岭海槽毗邻。秦岭海槽是构造活动带，存在与深部连通的构造通道，成矿物质可能源于秦岭海槽。

（3）成矿介质运移的动力成矿介质是高温的富磷硅的热卤水，温度高于正常海水，温差导致成矿介质从海底上升到海面（根据物理学定律，热的流体上升）。

成矿时，全球气候处于冰后期。温度升高→冰雪融化→海平面上升→海侵→海面的成矿介质被海水推向大陆边缘。

到达大陆边缘的成矿介质，由于温度的降低比重增大（大于周围海水），高比重导致成矿介质沉入海底、并流入海底低凹处，就位于成矿沉积盆地中。

（4）海水的混染成矿介质在形成运移过程中，难免受到海水的混染，海水中的钙质和炭质进入成矿介质中，使成矿介质成分演变为富磷、硅、钙、炭。

（5）碳质的分流温度降低，导致成矿介质中炭质溶解度减小、CO2逸出。微生物的繁殖和生物作用，产生有机质和炭质。两种作用，使成矿介质中的活性炭离子大幅度减少。

（6）磷灰石析出成矿活性炭离子含量的大幅度降低，使成矿介质失去形成碳酸盐矿物的物质条件，导致钙高度富集，使钙和磷饱和、磷灰石结晶析出成矿。其中的胶磷矿，实质是粒度极细的磷灰石，是快速结晶的结果。

（7）沉积环境沉积环境为扬子地台北缘水下凹地。

Ph1矿层矿石，呈灰色、紫灰色，粉晶胶状结构，粉泥晶结构，纹层状构造。其中的有机质，呈深灰色，褐灰色，云雾状，弱透明，Fe2O3/FeO比值为5.28～5.75，分析沉积环境为氧化条件下、平静、开放的深水盆地。

Ph3矿层矿石，呈黑灰色，粒屑结构，纹层状构造。其中的炭质，呈黑色，不透明，Fe2O3/FeO比值为3.33（在相邻的放马山矿段同一层位中可见黄铁矿），分析沉积环境为还原条件下、较动荡、封闭的地表泻湖。

6　成矿规律及找矿前景

根据上述矿床成因分析，总结成矿规律如下：

（1）成矿时代：成矿时代为早震旦世。早震旦世时期，秦岭海槽中形成了大量富磷硅的矿化热卤水，为磷矿的形成提供了物质来源。

（2）成矿大地构造位置：成矿大地构造位置为扬子地台北缘。秦岭海槽中的富磷硅矿化热卤水运移到扬子地台边缘，由于温度降低而在低凹处沉积成矿。由于矿化热卤水在运移过程中不断降温，所以，成矿位置不可能远离扬子地台边缘。

（3）成矿沉积盆地：降温后的矿化卤水，由于密度大于海水，便流入低洼处（成矿沉积盆地）沉积成矿。因此，盆地的规模（范围和深度）决定了矿床的规模（延伸和厚度）。

（4）赋矿地层：本区陡山沱组的形成时代和大地构造位置与成矿时代和成矿大地构造位置吻合，因此，赋矿地层为陡山沱组。

（5）找矿前景：根据成矿规律分析，成矿时，矿化热卤水分布范围较广，这已为找矿实践所证实。因此，在鄂西广大地区仍有良好的找矿前景。有些地区，某前仍未发现矿床，是因为成矿时扬子地台边缘地形的复杂性和后期构造运动的结果作用。

1 邓延忠，吴正文，朱京革.王集磷矿地质构造特征及其对岩体稳定性影响的研究［J］.化工地质，1990，（1）：25～34

2 邓延忠，欧宜珪，朱京革.湖北王集磷矿陡山沱组下部砾岩的成因［J］.化工地质，1986，（2）：58～61

3 徐少康.王集磷矿矿石类型及成因分析［J］.中国非金属矿工业导刊，2012，（5）：52～56

4 刘英俊，曹励明，李兆麟，王鹤年，等.元素地球化学［M］.北京：科学出版社，1984

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

Abstract

There are three types of Wangji phosphorite including gray lamina phosphorite in Ph1， purple-gray lamina phosphorite in Ph1 and black ash thin lamina phosphorite in Ph3， all of which have the different content of constant and microchemical constituent. Their rare earths elements thows light enrichment but depletion in Ce. The mineral materials are from Qinling trough and the deep earth. As the mineral medium， the hot salt brine with high phosphorus and silicon are mix with sea autunite and carbon. The mineral medium moved to the underwater valley at the north edge of Yantze Platform by the pecific gravity difference of sea water and ocean current， and the activated carbon reduce by the temperature reduce and animalcule action， all of which cause the apatite seed out. Some large scale area still have the better prospecting potential.

CHEMICAL CONSTITUENT CHARACTERISTICS AND DEPOSIT FORMATION CAUSE DISCUSSION OF WANGJI PHOSPHORITE， HUBEI PROVINCE

Xu ShaokangWang YuJ ia HanZ hang MinZ hang Huimin
1.Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ，Zhuozhou， Hebei， 072754， China 2. Henan Institute of Geological Survey of China Chemical Geology and Mine Bureau ，Zhengzhou，Henan，450011

miernal types， chemical constituent， hot water sediment， prospecting potential， jingmen city，hubei province

P619.213

A

1006-5296（2015）04-0198-07

* 第一作者简介：徐少康（1955～），男，从事矿产地质勘查和研究，教授级高级工程师

2015-05-04； 改回日期：2015-11-17