曲阜柴山水泥用灰岩矿地质特征及矿床成因

宋炳忠，黄鑫

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100；2.山东省煤田地质规划勘查研究院，山东 济南 250100)



曲阜柴山水泥用灰岩矿地质特征及矿床成因

宋炳忠1，黄鑫2

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100；2.山东省煤田地质规划勘查研究院，山东 济南 250100)

柴山水泥用灰岩矿矿床位于山东省曲阜市，矿床赋存于寒武纪九龙群张夏组地层中，区内断裂构造较发育，岩浆岩不发育。矿层分布于张夏组下灰岩段、薄层灰岩段和上灰岩段；矿石组分主要为方解石，矿石结构有鲕粒结构、生物碎屑结构、藻屑结构和内碎屑结构等；矿石构造主要有块状构造、云斑构造、叠层状构造等。矿石主要有用组分为CaO,Al2O3,Fe2O3,SiO2;主要有害组分为MgO,K2O,Na2O,fSiO2,SO3,Cl-；矿床平均化学组分CaO：52.02%，MgO：1.31%，矿石质量优良，Ⅰ级品矿石约占矿石总量的99.29%；矿层大部分裸露地表，底板为寒武纪长清群馒头组洪河段砂质灰岩、钙质砂岩等。矿床属海相化学沉积型矿床，矿层产状与地层产状一致，其产出部位明显受地层层位的控制。

水泥用灰岩矿；地质特征;柴山；山东曲阜

山东省曲阜市柴山水泥用灰岩，矿区位于曲阜市城区东南约16km处，面积3.67km2，为一中型矿床，矿石质量优良。水泥石灰岩矿石资源量7559.0万t，平均化学组分CaO 52.02%，MgO 1.31%。

1 成矿地质背景

图1 柴山水泥用灰岩矿床地质略图

矿区地层主要发育寒武纪长清群、九龙群，为一套浅海相碳酸盐岩夹陆源碎屑岩沉积建造[7-11]。岩石多裸露地表，总体呈340°～10°方向倾斜的单斜岩层，倾角15°～27°。第四系仅分布于山脚下及沟谷处。矿区内断裂构造较发育，控制了水泥用灰岩矿层的空间展布，按其走向可分为NW向及NE向2组。NW向断层较为发育，主要分布于柴山的西南部，大致平行排列，发育F2，F3，F4三条断层，间距121～238m，断层长480～1650m，均倾向SW，倾角48°～69°，破碎带宽约0.5～15m不等。其中F2断层规模小；F3，F4断层规模较大。3条断层对区内矿层均有不同程度的破坏，造成矿层的错断、升降和缺失。F2断层规模小，影响也较小； F4断层位于矿区南西边部，对矿层破坏作用不大； F3断层斜切整个矿层，对矿层的破坏作用较大，造成张夏组下灰岩段及薄层灰岩段的缺失。NE向断层仅发育F1断层，规模较小，对矿层基本上没有影响。矿区节理发育一般，近断层处节理较发育，节理线密集度1～3条/m，一般延伸较远，主要发育2组，一组走向60°，倾向NW，倾角70°～80°，另一组走向320°，近直立，节理面平直。矿区内岩浆岩不发育[7](图1)。

2 矿床地质特征

2.1 矿床地质概况

该矿床赋存于寒武纪九龙群张夏组地层中，共分3个矿层，自下而上编号依次为①②③，分别与张夏组下灰岩段、薄层灰岩段和上灰岩段相对应。矿层呈层状产出，产状与地层产状一致，总体走向70°～100°，倾向340°～10°，倾角15°～27°，产状较稳定。①②③矿层在0线以西被F3断层所切割，破坏了矿层的连续性，对矿层产状亦有一定影响。矿层直接裸露于地表(图2)。平均化学组分：CaO 52.02%，MgO 1.31%。各矿层特征见表1。

图2 柴山水泥用灰岩矿床KP4N剖面图

矿层编号分布形态赋存标高(m)产状(°)倾向倾角长度(m)斜深(m)真厚度(m)厚度变化系数(%)CaO(%)CaO变化系数(%)MgO(%)MgO变化系数(%)资源量占比(%)①下灰岩段层状102～160340～1015～2796825040．4526．1851．242．031．1347．2316．6②薄层灰岩段层状102～170340～1015～2796024016．9440．0051．6515．521．1154．568．4③上灰岩段层状102～241．8340～1015～27107048091．5332．4752．262．031．3047．2375．0

2.2 矿层特征

2.2.1 ①矿层特征

①矿层位于矿床下部，占矿床查明资源量的16.6%。赋存标高102～160m，埋深在0～76m左右，为半隐伏矿体。矿层产状与地层产状一致，厚度较为稳定。矿层中无夹石分布，矿层内部结构简单。矿层呈层状产出，总体走向EW，倾向340°～10°，倾角15°～27°左右。厚度29.00～51.44m，平均40.45m，厚度变化系数为26.18%，属厚度稳定型矿层。矿石品位较为稳定，平均组分：CaO 51.24%，MgO 1.13%。化学组分变化系数CaO 2.03%，MgO 47.23%，属化学组分变化均匀型矿层。矿层以Ⅰ级品为主，少量Ⅱ级品，按矿石品级类型①矿层可划分为2个亚矿层，分别为①-1，①-2。其中①-1为Ⅰ级品，①-2为Ⅱ级品。①-1分布全区，①-2亚矿层仅分布于矿床东部，①-2矿层为单工程控制，呈楔状产于①-1矿层下部(表1)。①矿层矿石自然类型单一，仅有鲕粒灰岩矿石一种。

2.2.2 ②矿层特征

②矿层位于矿床中部，赋存于张夏组薄层灰岩段地层中。赋存标高102～170m，埋深0～75m，为半隐伏矿体。矿层产状与地层产状一致，厚度较为稳定。矿层中有2层夹石分布，分布不连续，矿层内部结构中等。

矿层呈层状产出，总体走向EW，倾向340°～10°，倾角15°～27°左右。矿层最小厚度7.95m，平均厚度16.94m，厚度变化系数为40.00%，属厚度较稳定型矿层。矿层化学平均组分CaO 51.65%，MgO 1.11%。化学组分变化系数CaO 15.52%，MgO 54.56%，化学组分变化属均匀型矿层。矿石均为Ⅰ级品。矿石类型为薄层灰岩、藻灰岩、鲕粒灰岩、云斑灰岩等。矿层中有2层夹石分布，分布于0勘查线和4勘查线一带，均为单工程控制，其中分布于0勘查线JC3由ZK001控制，沿走向长200m，沿倾向宽320m，厚度0～3.43m。夹层岩性为薄层灰岩，夹石化学成分：CaO 42.80%，MgO 3.13%。JC4分布于4勘查线一带，由ZK401控制，沿走向长200m，沿倾向宽300m，厚度0～2.87m。夹层岩性为薄层灰岩，夹石化学组分：CaO 40.33%，MgO 1.99%。

2.2.3 ③矿层特征

③矿层位于矿床上部，为矿床内主矿体，占矿床查明资源量的75.0%。矿层产状与地层产状相一致，厚度较为稳定。矿层中有2层夹石分布，分布不连续，矿层内部结构中等。矿层呈层状产出，总体走向EW，倾向340°～10°，倾角15°～27°左右。矿层厚度最大135.60m，最小47.13m，平均厚度91.53m，厚度变化系数32.47%，属厚度稳定型矿层。矿石组分较为稳定，矿层平均化学组分CaO 52.26%，MgO 1.30%。组分变化系数: CaO 2.03%，MgO 47.23%，化学组分变化属均匀型矿层。矿层以Ⅰ级品为主，少量Ⅱ级品，按矿石品级类型③矿层可划分为2个亚矿层，编号分别为③-1，③-2。其中③-1为Ⅰ级品，③-2为Ⅱ级品。③-1分布全区，③-2亚矿层仅分布于矿床西部，呈楔状或似层状产于③-1矿层中，分布不连续。3线一带为ZK301孔、TC3控制，在0线一带由ZK001单工程控制矿层。矿石类型为豹皮状灰岩、鲕粒灰岩、云斑灰岩及生物碎屑灰岩。矿层中有2层夹石分布，分布于3勘查线一带，均为单工程控制，夹层岩性为云斑灰岩，夹石化学组分：CaO 45.89%，MgO 3.66%。

2.3 矿石质量

2.3.1 矿石成分

矿石的矿物成分以方解石为主，次为白云石，含少量粘土质矿物、硅质和氧化铁质，偶含微量黄铁矿。方解石一种为重结晶作用所形成，呈淡黄色，他形粒状，粒径在0.03～0.04mm之间，较致密分布，微晶，构成矿石主体；另一种呈褐灰色，为重结晶方解石的残留体，集合体呈不规则状，含量在84%～97%间。白云石淡褐黄色，自形—半自形粒状，少数呈自形晶粒，粒径多在0.05mm左右，集合体相对集中呈云斑状，部分颗粒充填于方解石晶粒之间。含量多在4%～6%之间。氧化铁质褐色，不规则粒状，集合体主要以填隙状充填于方解石或白云石晶粒间，少部分充填于缝合线中，含量1%～2%。

矿石的化学成分主要有CaO,MgO,SiO2,Fe2O3,K2O,Na2O,fSiO2,SO3,Cl-,LOI等(表2)。

2.3.2 矿石结构、构造

矿石结构有鲕粒结构、生物碎屑结构、藻屑结构、内碎屑结构和粒屑结构等。鲕粒结构中鲕粒呈圆状、次圆状，粒径最大2.0mm左右，不等粒，分布广。部分具内部同心圈层状和放射状结构，主要由方解石构成，见少许氧化铁质，部分鲕粒被白云石不同程度地交代。交代所形成的白云石呈自形—半自形粒状。生物碎屑结构中生物碎屑主要为三叶虫、介形虫、海胆等生物骨骼碎片，个别碎屑作为鲕粒的鲕核存在，由原生方解石或亮晶方解石构成。藻屑结构中主要为蓝绿藻、丝藻、团藻等。球粒状，粒径在0.05mm左右，集合体呈葡萄状、团粒状及枝杈状等，广泛分布于基质中，由泥晶方解石构成。内碎屑结构中浑圆状，为早期的藻屑灰岩碎屑，内部具藻屑结构。由泥微晶方解石、白云石和少许泥质构成。粒屑结构中主要为内碎屑、藻屑、生物碎屑及方解石晶屑组成。

矿石构造主要有块状构造、云斑构造、豹皮构造、条带状构造、栉壳状构造、缝合线构造、叠层状构造等。块状构造，指鲕状灰岩中较完整，块度大的构造；厚层—巨厚层构造，指厚度>1～2m以上的，矿石较均一的构造；豹皮状构造是指白云质、泥质及少量铁质局部集中形成褐黄色、灰褐色等的不规则斑点、斑块构造；条带状构造是指由含泥质及含少量铁质、白云质形成的条纹、条带形成的构造；薄层状构造是指<3cm的小型层理构造。缝合线构造是指鲕状灰岩矿石中泥碳质形成的锯齿状裂缝，多斜切或垂直层理；叠层状构造是指由藻类形成的叠层状构造。

表2 矿石化学成分

2.4 矿石中主要有用、有害组分

矿石主要有用组分为CaO，Al2O3，Fe2O3，SiO2等；主要有害组分为MgO，K2O，Na2O，fSiO2，SO3，Cl-等。

矿石中CaO的最高含量为54.80%，最低含量为46.96%，平均含量为52.04%，变化系数为2.88%，变化稳定。沿矿层走向和倾向CaO的平均含量曲线呈平缓趋势(图3、图4)。Al2O3：矿石中Al2O3的最高含量为3.60%，最低含量为0.13%，平均0.64%，变化系数为88.13%，变化较大，沿倾向变化曲线呈下降趋势，沿走向呈宽缓“Z”字形变化。矿石中Fe2O3最高含量1.19%，最低含量0.17%，平均含量0.54%，变化系数为38.26%，变化中等，沿倾向变化曲线呈平缓趋势，沿走向呈下降趋势。矿石中SiO2主要为石英，少量燧石。最高含量6.52%，最低含量0.16%，平均含量2.13%，变化系数68.20%，变化较大，沿倾向变化曲线呈下降趋势，沿走向呈“V”字形变化。

矿石中MgO的最高含量为3.66%，最低含量0.13%，平均为1.30%，变化系数为55.15%，变化较大，沿倾向和走向变化曲线均较平缓。矿石中K2O+Na2O的最高含量0.907%，最低含量0.079%，平均含量为0.297%，变化系数56.88%，沿倾向变化曲线较平缓,沿走向西部上升而东部下降。矿石中的fSiO2主要为较大颗粒的石英，少量燧石。最高含量为5.86%，最低为0.13%，平均含量1.19%，变化系数84.06%，变化较大，沿倾向变化曲线呈上升趋势，沿走向总体由高到低变化。矿石中SO3最高含量0.62%，最低含量0.03%，平均含量0.11%，含量较低，变化系数为98.14%，变化较大，沿倾向变化曲线呈缓慢上升趋势。沿走向总体为西部平缓,东部由高到低变化。矿石中Cl-的最高含量为0.022%，最低含量0.011%，平均为0.015%，变化系数为17.48%，变化较小，沿走向和倾向变化均不大。

图3 矿床有益、有害组分沿走向变化曲线图

图4 矿床有益、有害组分沿倾向变化曲线图

2.5 矿石类型和品级

矿石工业类型为水泥石灰岩。自然类型为鲕粒灰岩、云斑灰岩、藻灰岩、生物碎屑灰岩等。

鲕粒灰岩主要分布在①③矿层中，呈层状产出。矿石呈青灰色，鲕粒结构，块状构造。鲕粒呈圆状、次圆状，粒径0.3～6.0mm，含量约6%，具同心圆状、放射状内部结构，部分鲕粒为多晶鲕。矿物成分主要为方解石，含量78%～98%，次为白云石，含量1%～20%，含少量的氧化铁质和泥质。

云斑灰岩主要分布在③矿层中，呈层状产出。矿石呈灰色，细粒结构，块状、云斑状构造。矿物成分主要为方解石、白云石，方解石呈他形粒状，粒径0.03～0.004mm间，个别颗粒可达0.2mm，局部具重结晶现象，含量84%左右。白云石呈他形—半自形，粒径0.05mm左右，集合体相对集中构成云斑，为交代作用而形成，其含量15%左右，含2%的氧化铁质。

豹皮状灰岩主要分布在③矿层中，矿石呈褐灰色，泥晶结构，豹皮状构造。矿石主要由方解石、泥质和氧化铁质构成。方解石大部分具重结晶现象，含量约97%左右。泥质为粘土类矿物，呈斑点状分布于方解石晶粒间，含量较少。氧化铁质呈不规则细粒状，主要分布于泥斑中，豹皮构造，含量2%左右。另含有少量的生物碎屑。

藻灰岩主要分布于②矿层中，矿石呈褐灰色，藻屑结构，块状构造。矿石由方解石和少许泥质、氧化铁质组成。方解石大多为泥晶，淡灰色，局部具重结晶现象，粒径可达0.15mm，个别颗粒可达0.1mm，部分方解石呈自形—半自形白云石假象，含量96%左右。泥质和氧化铁质主要分布方解石晶粒间。含球状藻屑，含量约占岩石组构的35%。

生物碎屑灰岩主要分布在③矿层中，岩石呈灰色，生物碎屑结构，块状构造。矿石主要由方解石、白云石、氧化铁质组成。方解石主要为泥晶，灰色，个别粒径可达0.7mm，重结晶现象明显，含量74%左右。白云石为自形—半自形晶粒，粒径0.05mm以下，充填于方解石晶粒间。氧化铁质呈不规则粒状充填于缝合线中，含量1%左右。生物碎屑为三叶虫、介形虫的碎片，分布广泛，由原生方解石或亮晶方解石构成，含量约占岩石组构的20%左右。

根据《冶金、化工石灰岩及白云岩、水泥原料矿产地质勘查规范》(DZ/T0213—2002)中对水泥用石灰质原料的一般工业技术要求,将矿石划分为Ⅰ级品和Ⅱ级品2个品级类型。柴山水泥用灰岩矿床Ⅰ级品矿石约占矿石总量的99.29%，自然类型为鲕粒灰岩、藻灰岩、云斑藻灰岩、豹皮灰岩、生物碎屑灰岩等，主要分布在①矿层、②矿层和③矿层中。Ⅱ级品矿石约占矿石总量的0.71%，自然类型为鲕粒灰岩和云斑藻灰岩。主要分布在①③矿层中。在①矿层中，以TC6为界，向北呈楔形或似层状产出，工程控制最大厚度4.00m。在③矿层中，分布在TC3和ZK301、ZK001的两侧，向NW呈楔形或似层状产出，平均厚度4.16m。

2.6 矿体围岩和夹石特征

矿层大部分裸露于地表，无顶板，底板为寒武纪长清群馒头组洪河段砂质灰岩、钙质砂岩、长石石英砂岩等，产出稳定，产状与矿层产状基本一致。岩石呈灰褐色，微砂状结构，块状构造。由石英、长石、方解石及少量海绿石组成，并含有白云母和氧化铁质等。与矿层呈整合接触。

该矿床有4个夹层，夹层之间不连续,夹石量86038m3。分布于②矿层底部和③矿层中，由单工程(ZK001孔、ZK401孔、ZK301孔和TC3)控制，工程控制总厚度12.64m，呈楔形或似层状产出，岩石自然类型为云斑藻灰岩，化学组分平均为CaO 42.96%，MgO 2.53%，单样品MgO最高为3.66%，为低Ca高Mg夹层。

3 矿床成因及找矿标志

从矿区张夏组地层的岩石矿物组合、结构构造分析，该矿床是在海进较为稳定时期的潮下高能环境中沉积形成的，为滨海沉积成因[12，13]。张夏组鲕粒灰岩中的鲕粒是在潮下高能动荡环境中，由接近饱和或过饱和状态下的海水在化学作用或生物作用下形成的，鲕间的泥晶基质被后期亮晶胶结物取代[14]。在海水能量相对减弱时期，经搬运入海的泥质不可能全部搬运走，其中一部分在原地沉积下来。这些沉积的半固结状态的泥质物又被海浪、海潮搅拌成不规则状，其后再重新沉积，形成云斑，经过成岩作用形成云斑灰岩[15-17]。岩石中的白云石是由先期的碳酸盐矿物经后期白云岩化作用形成的[18]。

张夏组地层为赋矿层位，张夏组下灰岩段巨厚层鲕粒灰岩是直接的找矿标志。鲕粒灰岩形成的陡崖与其他岩性形成的缓坡是找矿的明显地貌标志，鲕粒灰岩、云斑灰岩等是找矿的明显岩性标志[19-21]。

该矿床属较稳定的沉积矿产,分布广泛,在华北地区有张夏组鲕粒灰岩赋存的层位均为良好的水泥用灰岩找矿靶区。如邹城凫山石灰岩矿、安丘北石岭水泥石灰岩矿、济南凤凰山水泥用灰岩矿和淄博青云寺水泥灰岩矿等均赋存在该层位，其成因相同。

4 结论

该矿床属沉积型矿床，矿层产状与地层产状一致，产状相对平缓。且位于山体正地形之上，易于开采。该矿床矿石质量优良，CaO 52.02%，MgO 1.31%，K2O+Na2O0.297%，为生产低碱水泥创造了条件。有害组分含量SO30.11%，Cl-0.015%。Ⅰ级品矿石主要赋存于张夏组下灰岩段鲕粒灰岩和薄层灰岩段及上灰岩段藻灰岩中；Ⅱ级品矿石主要赋存于张夏组上灰岩段及下灰岩段鲕粒灰岩中。夹石赋存于张夏组上灰岩段中部和下部云斑相对集中且含量较多的层位。建议在未来矿山开采时，Ⅰ级品和Ⅱ级品矿石可以合理搭配，也可以与夹石搭配使用，以充分合理有效地利用矿产资源。

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Geological Characteristics and the Originof Chaishan Cement Limestone In Qufu City

SONG Bingzhong1,HUANG Xin2

(1.Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100, China;2.Shandong Coal Geology Plan and Exploration Research Institute, Shandong Jinan 250100, China)

Chaishan cement limestone deposit is located in Qufu city of Shandong province. Ore deposit occurs in Zhangxia formation of Cambrian group. Fractural structures developed well in this area, while magmatic rocks is not developed. Deposit strata distributed in lower part of limestone section, thin limestone section and the upper part of limestone section in Zhangxia group. The components are mainly calcite ores. Ore structure are oolitic structure, bioclastic structure, algal crumb structure and inner clastic structure, etc. Ore structures mainly have massive structure, cloudy structure, laminated structure, etc. Main useful mineral components of ores are CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2. Main harmful components are MgO, K2O, Na2O, fSiO2, SO3, Cl-. The average chemical components are as follows: CaO is 52.02% and MgO is 1.31%. Ore quality is good. Ⅰ grade ores account for about 99.29% of the total ores. Ore strata mainly bared on the surface. The floor strta are sandy limestone and calcareous sandstone.of Honghe section in Mantou formation of Cambrian Changqing group. The deposit belongs to marine chemical sedimentary type deposit. Ore occurrence is consistent with the attitude of strata. Its output is significantly controlled by stratigraphic position. Oolitic limestone, thin-layer limestone, cloudy limestone and algal limestone are favorable prospecting marks.

Cement limestone; geological characteristics; Chaishan; Qufu city

2017-02-28；

2017-03-28；编辑：陶卫卫

宋炳忠(1967—) ,男,山东诸城人,高级工程师,主要从事区域地质调查工作;E-mail：songbingzhong2000@126.com

P619.225

A

宋炳忠，黄鑫.曲阜柴山水泥用灰岩矿地质特征及矿床成因[J].山东国土资源，2017,33(8)：33-39. SONG Bingzhong,HUANG Xin. Geological Characteristics and the Origin of Chaishan Cement Limestone In Qufu City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(8)：33-39.