湖北省钟祥市大峪口深部磷矿地质特征及找矿远景

王 鼎, 丁宏伟, 肖应祖, 张 聪

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

湖北大峪口深部磷矿床位于钟祥市胡集镇境内,荆襄磷矿胡集矿区大峪口矿段的南西部,属荆襄磷矿田的一部分。矿段呈北西—南东方向延长,面积7.2 km2。南东与莲花山矿段相邻,北东与周家冲矿段相邻,北与龙会山矿段相接。2008年原湖北省鄂西北地质矿产调查所对大峪口矿段南西深部开展了危机矿山接替资源勘查工作,找矿工作取得较大突破,截至2010年,该矿床新增资源量4 500余万t。2012年湖北省地质局第八地质大队在该地区开展了荆襄磷矿整装勘查工作,对荆襄磷矿大峪口矿段(含大峪口磷矿接替资源勘查区)的磷矿层向南西深部的延伸情况进行了勘查工作。

1 矿区地质背景

本区大地构造位置属扬子陆块区(Ⅰ级)北缘上扬子陆块(Ⅱ级)、上扬子陆块褶皱带(Ⅲ级)之乐乡关断隆(Ⅳ级)中部。其东侧为汉江地堑,西接南漳地堑。区域构造线呈北西—南东方向分布。区内地层除侏罗系、白垩系、奥陶系外,由中元古界崆岭群至寒武系、第四系均有出露,构造发育程度从总的来看,北部构造比较简单,以单斜及宽缓的褶皱为主,南部构造比较复杂,褶皱及断裂均比较发育。

1.1 地质特征

矿区地层有中元古界崆岭群、震旦系下统陡山沱组和上统灯影组下段及寒武系地层,地表仅出露震旦系上统灯影组上段及寒武系地层。中元古界崆岭群(Pt2k)主要为花岗片麻岩,局部见绿泥石片岩和粗晶白云岩;震旦系下统陡山沱组(Z1d)是赋矿地层,为一套海相碳酸岩夹磷酸岩的岩石组合,震旦系上统灯影组(Z2∈1d)为一套浅海相厚层白云岩及硅质条带白云岩;寒武系(∈)为一套浅海相薄—中厚层泥质白云岩、砂质白云岩,底部发育肾状白云岩(图1)。

1.2 矿区构造

矿区构造为一单斜,属于滴水崖背斜的南西翼,滴水崖背斜轴部位于大峪口矿段滴水崖—放马山—南泉一带,为一宽缓直立背斜,背斜东翼地层向北东倾斜,倾向70°～85°,倾角10°～30°,西翼倾向220°～240°,倾角35°。背斜核部出露中元古界崆岭群,向两侧依次出露震旦系、寒武系、奥陶系和志留系下统地层(图1、图2)。

2 矿体地质特征

2.1 含磷岩系

震旦系下统陡山沱组是矿区的含磷岩系,为一套海相沉积白云岩夹磷块岩的岩石组合,局部夹陆源碎屑岩,它发育于大的侵蚀面之上,位于海侵岩系的底部,简要岩性特征如表1。

陡山沱组含磷岩系由海相沉积白云岩、磷块岩、页岩和底砾岩组成,以白云岩为主,约占85%,页岩和底砾岩约占8%,磷块岩约占7%。

图1 湖北省钟祥市大峪口深部磷矿地质图Fig.1 Geological map of deep phosphate rock in Dayukou,Zhongxiang city1.中元古界崆岭群;2.震旦系下统陡山沱组下段;3.震旦系下统陡山沱组上段;4.震旦系上统灯影组下段;5.震旦系上统灯影组上段;6.寒武系下统;7.第一磷矿层;8.第二磷矿层;9.第三磷矿层;10.地质界线;11.地层产状;12.正断层;13.逆断层;14.性质不明断层;15.除皮山向斜;16.张家冲向斜;17.滴水崖背斜;18.勘查线剖面;19.矿段分界线。

2.2 磷矿层特征

矿区陡山沱组含磷岩系共有四个磷块岩相对富集的层位,由下至上依次为第一磷矿层(Ph1)、第二磷矿层(Ph2)、第三磷矿层(Ph3)和第四磷矿层(Ph4),具有工业价值的有Ph1、Ph2、Ph3磷矿层,Ph4为含磷白云岩,仅具层位意义,是矿区的标志层之一。

第一磷矿层(Ph1)分布于震旦系陡山沱组下段中部,直接底板为含锰白云岩或页岩,直接顶板为含磷白云岩。下距陡山沱组下段底界的标志层底砾岩10～20 m之间。磷矿层在矿区相对稳定、连续,总体上南部磷矿层好于北部;Ph1磷矿层一般厚度1.29～8.10 m,P2O5质量分数18.46%～24.35%。

第二磷矿层(Ph2)分布于震旦系下统陡山沱组下段与上段的过渡部位,矿层的直接底板为厚层含硅、磷团块的白云岩,直接顶板为薄层含磷泥晶白云岩。上距第三磷矿层底界6～22 m之间。磷矿层在矿区相对稳定、连续;Ph2磷矿层一般厚度1.14～10.69 m,P2O5质量分数17.08%～22.68%。

第三磷矿层(Ph3)产出于震旦系下统陡山沱组上段中部,在勘查区内属次要磷矿层,直接顶、底板岩性均为含磷泥晶白云岩。上距第四磷矿层底界22～32 m。磷矿层在矿区具有延伸稳定、厚度薄、品位较低的特点。

图2 大峪口深部磷矿136勘查线地质剖面图Fig.2 Geological profile of 136 exploration line of deep phosphate rock in Dayukou1.震旦系下统陡山沱组下段;2.震旦系下统陡山沱组上段;3.震旦系上统灯影组下段;4.震旦系上统灯影组上段;5.寒武系下统;6.寒武系中统覃家庙组;7.第一磷矿层;8.第二磷矿层;9.第三磷矿层;10.白云岩;11.含磷白云岩;12.花纹状白云岩;13.泥质白云岩;14.燧石条带白云岩;15.钻孔;16.平行不整合界线。

表1 陡山沱组地层柱状简表Table 1 Columnar simple table of Doushantuo Formation

地层系统系统阶段代号岩性特征与下伏地层接触关系厚度/m含矿性震旦系下统陡山沱阶上段下段Z1d2-6深灰色薄层泥晶白云岩，磷含量较低整合17～23Z1d2-5灰色含硅磷结核泥晶白云岩整合5．0～14Z1d2-4深灰色薄层状含磷条带白云岩，硅质含量较高整合22～32Z1d2-3磷块岩，第三磷矿层整合0～8．0次要磷矿层Z1d2-2深灰色薄层状含磷条带白云岩整合6．0～22Z1d2-1磷块岩，第二磷矿层假整合0～13次要磷矿层Z1d1-5灰白色厚层状含硅、磷质团块白云岩整合13～30Z1d1-4磷块岩，第一磷矿层整合0～8．0主要磷矿层Z1d1-2+3含锰白云岩，局部地段顶部见页岩整合14～20Z1d1-1角砾岩，砾石以花岗片麻岩为主不整合10～11

Ph3磷矿层一般厚度1.05～7.32 m,P2O5质量分数15.03%～17.92%。

2.3 磷矿体特征

Ph1:矿层在勘查区内可圈出两个磷矿体,分别称为Ph1-Ⅰ和Ph1-Ⅱ,其中Ph1-Ⅰ磷矿体规模较大,而Ph1-Ⅱ由单工程控制,工业价值不大。

Ph1-Ⅰ:呈层状、似层状,矿体平面为不规则状,沿倾向及走向均有一定变化,矿体长约1 650 m,宽约500 m,矿体平均厚5.93 m,P2O5平均品位为22.96%,矿体总体产状为240°∠26°～33°,矿体赋存标高为-171～-848 m。

Ph1-Ⅱ:该矿体为一单工程控制的透镜状矿体,矿体的平面形态为菱形,长约400 m,宽约200 m,矿体厚1.29 m,P2O5品位为18.46%。

Ph2:矿层内圈出一个磷矿体,矿体呈似层状,长2 630 m,宽约500 m,矿体平均厚4.93 m,P2O5平均品位为19.35%,矿体的总体产状为245°∠25°～35°,矿体赋存标高为-211～-812 m。

Ph3:矿层内圈出一个磷矿体,矿体呈薄板状,矿体长约3 100 m,宽约500 m,平均厚2.68 m,P2O5平均品位为15.72%,属低品位薄矿体,且有向深部延伸矿体厚度变薄、品位变低的趋势。矿体赋存标高为-40～-896.8 m。

3 矿石质量特征

3.1 矿物成分

矿石的矿物成分主要由磷酸盐矿物、碳酸盐矿物及硅酸盐矿物组成。

磷酸盐矿物主要为微晶磷灰石,一般含量30%～90%,镜下观察磷灰石呈胶状集合体混以微量的粘土矿物、泥晶碳酸盐矿物、铁质氧化物和炭质物等杂质。单偏光镜下呈灰褐色、灰黑色,正偏光下显均质性弱非均质性。

碳酸盐矿物主要以白云石为主,含少量方解石,一般含量5%～60%,是矿石中的主要脉石矿物,镜下观察为微晶—粉晶结构,少量为细晶结构,微晶粒径0.01～0.03 mm,粉晶在0.03～0.06 mm,细晶在0.06～0.15 mm,以胶结物的形式充填于磷质砂屑孔隙中。硅酸盐矿物主要为石英、玉髓、粘土矿物,含量一般为7%～60%。其中粘土矿物含量为5%～30%,玉髓、石英含量5%～30%,玉髓、石英常呈隐晶质或微晶集合体呈条带状与白云岩互层;石英呈微晶粒状,粒径0.01～0.02 mm左右,散布于磷块岩中,局部呈不等粒镶嵌结构,粒径0.2～0.5 mm。粘土矿物常呈细分散状分布于磷质砂屑表面或砂屑间,也常呈隐晶质、显微磷片状相对集中成条带状与磷质条带互层分布。

三类矿物在矿石中所占比例互为消长,总量占矿石矿物总量的95%以上,其他微量矿物,如黄铁矿、褐铁矿、钛铁矿、炭质等,含量甚微,呈微细粒状、星散状机械混入,散布在磷石粒屑间。

3.2 矿石的化学成分

(1) Ph1磷矿石的化学成分,矿石中有用组分主要为P2O5,含量为19.55%～24.13%,平均21.84%,有害组分有MgO、Al2O3、Fe2O3和SiO2。MgO含量为1.35%～9.88%,平均为5.62%;Al2O3含量为0.69%～5.12%,平均为2.91%;Fe2O3含量为0.7%～1.61%,平均为1.16%;SiO2含量为2.91%～21.56%,平均为12.24%,矿石在不同自然类型的矿石中含量差别较大(表2)。

(2) Ph2磷矿石的化学成分,矿石中有用组分主要为P2O5,含量为20.15%,有害组分有MgO、Al2O3、Fe2O3和SiO2。MgO含量为2.82%,Al2O3含量为0.36%,Fe2O3含量为0.51%,SiO2含量为34.75%。

(3) Ph3磷矿石的化学成分,矿石中有用组分主要为P2O5,含量为19.42%,有害组分有MgO、Al2O3、Fe2O3和SiO2。MgO含量为5.70%,Al2O3含量为0.65%,Fe2O3含量为0.68%,SiO2含量为23.55%。

表2 大峪口矿段深部矿床矿石化学成分表(%)Table 2 Chemical composition table of Dayukou mine deep ores

3.3 矿石的结构、构造

矿石结构主要为胶状结构、砂岩结构。

胶状结构:由磷酸盐胶体沉积形成的一种质地均一结构,偏光显微镜下显均质性或弱非均质性,其矿物成分主要为胶磷矿,集合体形态呈凝胶状。具这种结构的磷矿石系由磷酸盐溶液以化学方式直接从海水中凝聚析出而成,形成环境具有水较深、闭塞、能量较弱的特征,以潮下带为主。

具胶状结构的磷块岩常呈条带状、条纹状与泥质条带或白云质条带相间排列,分别形成泥质条带磷块岩或白云质条带磷块岩。

砂岩结构:胶磷矿集合体呈砂屑状,粒径0.3～0.8 mm,平均约0.4 mm,磨圆度中等,分选性好,胶结物为亮晶白云石,粒径约0.01～0.05 mm。胶磷矿砂屑中还分布有环状石英、玉髓,砂屑周围分布有重结晶作用而形成的磷灰石晶粒。因后期的硅化作用,使得这种结构的矿石中硅质含量普遍较高,一般在20%以上。具砂岩结构的矿石主要产于第三磷矿层(Ph3)和第二磷矿层的顶部,它形成于潮间高能环境。

矿石构造主要为条带(条纹)状构造和块状构造。

条带(条纹)状构造:矿石矿物胶状磷灰石集合体与脉石矿物(白云石、硅质矿物、粘土矿物)集合体各自相对集中,形成宽2～5 mm的条带,沿大致平行层理方面交替重复出现;或者薄层状磷块岩与薄层状含磷白云岩(硅质岩)互层。根据脉石矿物条带成分的不同,可分为白云质条带、泥质条带和硅质条带,它们是划分矿物自然类型的重要依据。

块状构造:由微晶磷灰石(胶磷矿)与少量的脉石矿物均匀混生而构成,无各自相对集中的现象。矿石中胶磷矿含量为80%～95%,脉石矿物为少量的白云石、方解石和微量的石英、玉髓、水云母、铁质等。

3.4 矿石类型

勘查区内磷矿石自然类型较多,不同的矿石类型,其矿物成分有明显的差异。现按不同的矿石类型,对矿物成分作简要介绍。

3.4.1 致密状磷块岩

产于Ph1矿层中,矿石呈紫酱色或灰黑色,弱脂肪光泽,硬度中等,性脆,边棱处微透明,颇似玉髓,常含规则状的白云岩团块。具胶状、隐晶质纤维状、球粒状结构,致密块状构造。矿石主要由胶磷矿组成,胶磷矿成纤维状或球粒状,其含量80%～95%,其次有少量的白云石、玉髓。

3.4.2 白云质条带磷块岩

产于Ph1及Ph2矿层中,Ph1矿层中所见白云质条带磷块岩,条带密集,但宽度较小;而Ph2矿层中所见白云质条带磷块岩,条带稀疏,但宽度较大(照片1)。

照片1 白云质条带磷块岩(Ph1)(紫酱色条带为磷块岩条带,灰白色条带为白云石条带)Photo 1 Dolomitic banded phosphorite

矿石主要由致密状磷块岩矿条带和含磷白云岩条带相间排列而组成,条带宽2～10 mm,连续性好,P2O5含量在21%～25%左右。白云质条带磷块岩具胶状—隐晶质及假鲕状结构,条带状构造,其中致密状磷块岩条带呈深灰或紫酱色,主要由胶状、假鲕状胶磷矿组成,含量60%～70%,其次为白云石,另含少量的方解石及石英、玉髓、褐铁矿、水云母等;含磷白云岩条带呈浅灰—灰白色,主要由微晶—细晶白云石(70%～85%)、胶磷矿(10%～20%)组成。

3.4.3 泥质条带磷块岩

产于Ph1矿层中,由致密状磷块岩条带和泥质条带相间密集排列而成,其P2O5含量18%～33%,一般23%～28%左右。具胶状—隐晶质结构,条带状构造。致密状磷块岩条带呈紫酱色,宽一般2～4 mm,泥质条带常呈土黄—黄褐色,宽一般2～3 mm;致密状磷块岩条带主要由胶磷矿、细晶磷灰石组成,含量达75%～90%,其次为白云石,泥质条带主要由水云母、绢云母构成,含量65%～80%,另含少量石英、长石、白云石、方解石、高岭石及铁质等(照片2)。

照片2 泥质条带磷块岩(Ph1)(紫酱色条带为磷块岩条带,土黄色条带为泥质条带,灰白色条带为硅质条带)Photo 2 Argillaceous banded phosphorite

3.4.4 砂岩状磷块岩

产于Ph2及Ph3矿层中,矿石呈浅灰、灰、灰黑色,薄—中层状,个别具交错层理,黑色磷质细点(砂屑状胶磷矿颗粒)与浅色脉石矿物混生构成砂岩状结构特征,砂岩状矿石外观粗糙,具不等粒结构,镜下观察具假鲕状—变假鲕状结构,块状或条带状构造,以条带状构造为主。

3.4.5 互层状磷块岩

主要产于Ph3矿层中,砂岩状磷块岩与含磷泥晶白云岩薄层互层构成互层状磷块岩,砂岩状磷块岩条带厚2～20 mm,所占比例为30%～40%左右(目估),P2O5含量12%～15%。

4 矿床成因

4.1 成矿时代

大峪口深部磷矿属沉积型磷块岩矿床,成矿与成岩同时进行,后期构造对矿层的影响微弱,只是破坏了矿层的连续性。荆襄磷矿田有三个工业磷矿层,Ph1形成于震旦纪早世陡山沱期的早期,Ph2和Ph3矿层形成于震旦纪早世陡山沱期的中、晚期。

4.2 成矿物化条件

根据前人研究[1],荆襄磷矿形成于古陆前缘的碳酸盐台坪环境,属潮下—潮间带环境,海水的盐度为正常—微咸化,Eh值属还原—弱氧化,pH值属弱碱性环境,水循环差—良好。

4.3 成矿机制及成矿作用

4.3.1 成矿机制

(1) 丰富的物质来源。陡山沱期,大峪口磷矿有着十分丰富的磷质来源。来源之一,矿田北侧秦岭造山带在南华纪晚期产生了大规模的火山喷发活动,使大量地幔岩浆中的P2O5进入海水,然后随洋流的活动到达矿田,资料显示,矿田北侧南华系耀岭河组基性火山岩一般含P2O5为0.51%～0.59%,为正常海水中磷含量的数万倍。来源之二,陆源风化聚集,华中古陆在陡山沱组磷矿形成之前,长期接受风化剥蚀,使岩石中大量的P2O5被淋滤溶解出来,并聚集于台地周边的较深海盆中,然后经上升洋流带到台地而成矿。

(2) 有利的古气候条件。陡山沱期,矿田一带的古纬度平均值为9.6°～37.4°,与洋流上升成磷理论关于磷矿分布的古纬度值范围(3°～42°)一致。这种温暖的气候条件下,适宜藻类生物的繁衍,为磷质的析出、聚沉提供了良好的条件。

(3) 有利的古构造、古地理条件。晚震旦世陡山沱期,矿田一带属构造稳定期,无急剧的地壳升降运动发生。这既满足了磷质缓慢聚沉的需要,又使含磷岩系具有多旋回结构、多期次成矿的直接原因。

陡山沱期,矿田一带为浅海台地(图3),属水深较浅的潮下—潮间带环境,以潮汐作用为主。台地与东侧、北侧及南侧的深海盆地连通性好,磷质供给充裕,为磷块岩的形成提供了良好的古地理条件。

(4) 良好的水介质条件。根据矿田一带陡山沱期的岩石组合特征分析,成磷期的介质为弱碱性,还原—弱氧化环境,这种介质环境十分适合于胶磷矿的凝聚析出。

图3 鄂西磷矿带陡山沱期岩相古地理图Fig.3 Lithofacies palaeogeographic map of Doushantuo Formation in the western Hubei phosphate rock belt1.碎屑岩台坪亚相(含白云岩的砂泥岩);2.碎屑岩台坪亚相(磷块岩、泥岩、白云岩);3.台地边缘亚相(含磷块岩、泥岩、白云岩);4.台沟亚相(含磷块岩、泥岩、灰岩);5.碎屑岩台坪亚相(磷块岩、泥岩、白云岩);6.深海亚相(含碳泥岩—碳酸盐岩);7.古断裂;8.地名(陡山沱组厚度);9.海浸方向;10.陡山沱组等厚线;11.岩相区带分界线;12.大峪口深部磷矿区位置。

4.3.2 成矿作用

矿区中发育Ph1、Ph2和Ph3三个矿层,这三个矿层的矿石类型不同,其成矿作用也不同。

Ph1矿层的成矿作用可分为两期:早期,以胶体凝聚作用为主,形成了分布相对稳定的泥质条带磷块岩和白云质条带磷块岩,为潮下带环境;晚期,以生物化学沉积作用为主,形成了致密状磷块岩,其变化较大,为潮间带环境。

Ph3矿层的沉积环境为台坪浅滩,成矿作用主要为机械沉积作用,即早期所形成的磷块岩经潮汐、波浪作用,被侵蚀、破碎和粒化后迁移到台坪浅滩,然后再沉积而形成。

Ph2矿层兼具Ph1和Ph3矿层的矿石类型,因此其成矿作用既有化学沉积作用,也有机械沉积作用。

5 找矿远景

大峪口磷矿为海相沉积矿床,具有范围广、连续性好、矿层相对稳定的特点,因此,在矿区周边范围有新发现磷矿的可能;在矿区南东侧,W136勘查线上最西侧的ZK13611中,Ph1矿层见矿厚度为8.10 m,Ph2矿层见矿厚度为10.69 m,相邻的W128勘查线,最西侧的钻孔中Ph1矿层的见矿厚度为4.2 m,说明在这一带,磷矿层延伸稳定,厚度大,有良好的找矿前景(图4)。

图4 大峪口矿段深部普查区Ph1矿层深部找矿远景区图Fig.4 Deep prospecting area map of Ph1 ore layer in Dayukou deep census area1.钻孔位置;2.钻孔编号及Ph1矿层厚度;3.勘查线位置及编号;4.矿层厚度值>5 m区域;5.矿层厚度值1～5 m区域;6.矿段分界线。

6 结论

大峪口深部磷矿位于胡集矿区大峪口矿段的深部,赋矿地层为陡山沱组,共发育三个磷矿层,自下而上分别称为Ph1、Ph2和Ph3,其中以Ph1矿层规模最大,品位最高,为主矿层。矿层呈层状、似层状,产状与地层产状一致,总体产状约245°∠30°左右。

大峪口深部磷矿属沉积型磷块岩矿床,它形成于古陆前缘的碳酸盐岩台坪环境,有利的水深条件为潮下—潮间带,早期以化学及生物化学沉积为主,晚期以机械沉积作用为主。

已有资料显示,矿区的东南部磷矿层延伸稳定,厚度大,因此,这一带有较好的找矿前景。

[1] 林因明,余吉祥,张万玉,等.湖北省荆襄磷矿地质特征及成矿规律[R].襄阳:湖北省地质矿产局第八地质大队,1986.