杨家堡矿区庄子沟组底部黑色岩系中钒矿成因探讨

徐志涛, 罗 勇, 胡 明, 杨 潇, 冯久林

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

杨家堡钒矿区位于湖北省丹江口市北西部。大地构造位置位于秦岭—大别造山带(Ⅰ),秦岭弧盆系(Ⅰ1),武当—随南逆推带(Ⅰ1-1),武当陆内裂谷(Ⅰ1-1-1)。矿区内褶皱和断裂构造发育,钒矿体展布主要受控于寒武系下统庄子沟组[1]。

1 矿区地质

矿区出露地层以新元古界震旦系灯影组(Z2∈1dn),早古生界寒武系下统杨家堡组(∈1y)、庄子沟组(∈1z),中统岳家坪组(∈1-2y),上统孟川组(∈3m)为主。

灯影组为碳酸盐岩,岩性为白色—浅灰色白云岩。杨家堡组岩性以灰黑色中层硅质岩夹薄层硅质岩及薄层粉砂质板岩为主。庄子沟组下段为含钒矿岩系,上段依次为硅质板岩夹黑色含碳泥灰岩、黑色薄层含碳粉砂质板岩、灰黑色紫红色泥质板岩和黑色含碳粉砂质板岩。岳家坪组为碳酸盐岩,岩性为从下向上依次为灰黑色中层灰岩、灰黄色薄层泥质灰岩、灰黑色薄层细晶灰岩夹泥质条带灰岩。孟川组为碳酸盐岩,岩性为灰色中层泥质条带状灰岩(图1)。

矿区位于杨家堡—唐家山倒转向斜西段,轴面倾向南,向斜轴线近东西。向斜核部为寒武系中、上统,两翼为寒武系下统和震旦系上统地层。南翼地层倒转,岩层倾角一般50°,最大80°。北翼地层出露正常,岩层倾角一般12°～51°,含矿岩系出露完整。断裂构造主要发育于主体向斜的两翼及边缘,走向主要有EW向和NW向两组,多为脆性断裂。矿区杨家堡附近还发育有一组走向近东西的次级箱状背向斜,严格控制着庄子沟—杨家堡矿段钒矿体的展布。

图1 丹江口杨家堡钒矿矿区地质略图(据湖北省丹江口市杨家堡矿区石煤钒矿勘查报告,1996,简化)Fig.1 Geological sketch map of Yangjiabao vanadium ore district1.第四系全新统;2.早古生界寒武系上统孟川组;3.早古生界寒武系中统岳家坪组;4.早古生界寒武系下统庄子沟组;5.早古生界寒武系下统杨家堡组;6.新元古界震旦系上统灯影组;7.平行不整合界线;8.滑塌界线;9.断层;10.正断层;11.勘探线剖面;12.钒矿体。

2 矿床地质[2]

2.1 矿床特征

庄子沟组下段赋矿岩系可分出3个次级赋矿层,从下向上可圈出Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3等7个矿体,其中Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2为较稳定的矿体,Ⅱ2为主要矿体,Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1、Ⅲ3等为厚度变化极大、延伸极度不稳定的小矿体。第一含矿层以薄层硅质岩夹粉砂质板岩及少量石煤,含少量磷结核,赋存Ⅰ1、Ⅰ2两个矿体,含矿层厚度4.6～6.2 m。第二含矿层中上部主要为石煤,夹少量薄层硅质岩,含大量磷结核,夹数层透闪石灰岩。下部主要是薄层硅质岩夹石煤、砂质板岩,含少量磷结核,赋存Ⅱ1、Ⅱ2两个矿体,其中Ⅱ2为矿区主矿体,含矿层厚度7.0～32.9 m。第三含矿层上部以炭质板岩为主,下部炭质粉砂质板岩夹石煤及数层透闪石灰岩,石煤中含少量磷结核,赋存Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3等3个矿体,含矿层厚度7.7～20.9 m。

3个赋矿层依据岩性组合可分为5个沉积韵律,韵律以较纯的含碳粉砂质板岩开始,向上过渡为有机质及粘土质石煤,再向上有机质及粘土质逐渐减少形成成分较纯的粉砂质板岩终止,而后再进入下一个沉积韵律。第一含矿层处于第一韵律,主要矿体Ⅰ2形成于韵律的中部。第二含矿层处于第二、三、四韵律中,主要矿体Ⅱ2形成于第二韵律上部和第三韵律下部。第三含矿层处于第五韵律中,主要矿体Ⅲ2形成于韵律的中部(图2)。

2.2 主要矿体特征

Ⅰ2矿体下距Ⅰ1矿体1.74～8.10 m,平均3.83 m。矿体厚度、品位沿走向和倾向变化大,呈7个透镜体状断续分布。透镜状矿体长度88.5～835 m,厚度0.70～6.55 m、平均3.14 m。V2O50.50%～0.93%,平均0.818%。矿体厚度变化系数78.75%,品位变化系数17.33%。Ⅰ2矿体属厚度不稳定型,品位属均匀型。矿体受向斜构造控制倾向南东或南西,倾角15°～69°。工程控制最低标高240～550 m,控制矿体倾向延伸120～650 m。

图2 矿区庄子沟组下段赋矿岩系及沉积韵律示意图Fig.2 Sketch map of the lower part of the Zhuangzigou formation in the mining area and sedimentary rhythm

Ⅱ2矿体呈层状,下距Ⅱ1矿体1.55～5.05 m,平均3.25 m。矿体长度3 635 m,厚度1.30～24.76 m、平均9.3 m,总体上有东薄(4 m)西厚(6 m),倾向延伸上较地表厚(深部厚度10 m以上)。V2O50.68%～1.27%,平均0.876%。矿体厚度变化系数60.94%,品位变化系数16.30%。Ⅱ2矿体属厚度较稳定—不稳定型,品位属均匀型。矿体受向斜构造控制倾向南东或南西,中东部受次级褶皱构造影响,倾角在7°～55°变化,西部地表倾角在26°～36°,深部变缓,一般<23°。工程控制最低标高181 m,控制矿体倾向延伸1 575 m。

Ⅲ2矿体下距Ⅱ2矿体3.70～19.48 m,平均5.41 m。矿体长度3 635 m,厚度1.15～14.69 m、平均3.37 m。V2O50.56%～1.05%,平均0.804%。矿体厚度变化系数68.25%,品位变化系数15.19%。Ⅲ2矿体属厚度较稳定型,品位属均匀型。矿体受向斜构造控制倾向南东或南西,西部地表倾角26°～36°,中部>40°,深部<23°。工程控制最低标高239 m,控制矿体倾向延伸1 430 m。

矿区主要矿体空间位置关系见图3。

图3 杨家堡矿区A-B地质剖面图Fig.3 A-B geological profile of Yangjiabao ore district1.早古生界寒武系上统孟川组;2.早古生界寒武系中统岳家坪组;3.早古生界寒武系下统庄子沟组;4.早古生界寒武系下统杨家堡组;5.新元古界震旦系上统灯影组;6.第四系全新统松散堆积物;7.构造角砾岩;8.硅质条带泥质灰岩;9.含硅质条带灰岩;10.炭质粉砂质板岩;11.炭质板岩;12.硅质岩;13.白云岩;14.钒矿体及编号;15.角度不整合界线;16.平行不整合界线;17.逆推断层;18.钻孔及编号。

2.3 小矿体特征

矿区小矿体长度普遍<100 m,沿走向和倾向厚度很快变薄直至尖灭,分布极不稳定。小矿体其他特征详见表1。

表1 杨家堡矿区其他小矿体特征一览表Table 1 List of characteristics of other small ore bodies in Yangjiabao ore district

矿区钒矿的形成与有机质石煤矿具有紧密的相关关系,与有机质的关系首先表现在海生生物从海洋中初步吸收钒元素和死亡后躯体内钒的初步堆集,再次表现在生物有机残骸的腐解造成海底富含H2S的强还原背景,促进了钒(阳离子)的进一步被阴离子吸附沉淀富集。有机质参与了钒元素富集成矿的进程,富含有机质石煤的成矿地质背景同时也是钒成矿的有利环境,石煤的形成原因和钒的富集成矿有密切的内在联系。矿区一般情况是煤发育的部位钒矿也发育,二者呈正相关关系。

矿区石煤、钒矿和石煤钒矿三者之间在空间展布范围上和品位变化幅度上基本保持一致,钒矿体可赋存在石煤之中构成石煤钒矿,也可赋存在石煤层的顶底板岩层中。含钒石煤和钒两矿种之间为紧密共生加伴生的关系,且普遍规律是石煤厚度大、品质好的地段钒矿体一定是厚度大和品位高。

2.4 矿石特征

矿石按岩性组合及结构构造划分为炭质板岩型、石煤型和硅质岩—粉砂岩型三个自然类型(表2)。

2.5 主要矿体围岩及夹石

Ⅰ2矿体底板为薄层硅质岩、粉砂质板岩及少量石煤,平均厚度3.83 m。顶板为炭质板岩,厚度1.79～8.48 m,平均4.48 m。在地表见1层厚度0.7～1.3 m粉砂质板岩夹硅质板岩夹层,钻孔中见2层厚度0.84～2.75 m含碳硅质板岩及硅质板岩夹层。

Ⅱ2矿体底板为炭质板岩、粉砂质板岩及少量透闪石灰岩,厚度1.55～5.05 m,平均3.57 m。顶板为炭质板岩、含碳粉砂质板岩,少量石煤及透闪石灰岩,厚度2.2～14.98 m,平均8.28 m。在地表见有1层厚度0.3～1.3 m含碳粉砂质板岩、炭质板岩夹层,平硐中见1层1.55 m含碳粉砂质板岩及含碳硅质板岩夹层,钻孔中见有3层厚度0.22～2.74 m,夹层岩性为粘土质板岩夹硅质板岩、薄层硅质板岩夹石煤、薄层硅质岩、薄层硅质岩夹粉砂质板岩、薄层硅质板岩夹粘土质板岩、粉砂质板岩、石煤。

表2 杨家堡钒矿矿石自然类型及特征一览表Table 2 List of natural types and characteristics of list of natural types and characteristics of Yangjiabao vanadium ore

Ⅲ2矿体底板为炭质板岩、含碳硅质板岩、含碳粉砂质板岩及少量石煤,厚度1.5～4.5 m,平均2.54 m。顶板为炭质板岩、粉砂质板岩,少量石煤及透闪石灰岩,厚度1.1～4.29 m,平均2.86 m。夹石少见,地表局部见有1层厚度0.68 m粘土质板岩,在钻孔中见有2层夹层,厚度0.4～1.0 m,夹层岩性为粘土质板岩、炭质板岩、薄层硅质板岩。

3 矿床成因

杨家堡钒矿目前认为是海底热水(喷流)沉积矿床[3]成因。

海底热水(喷流)沉积成矿的主要依据是区域上寒武系庄子沟组中已经发现有钒、钼、重晶石等规模大、品位高的矿床,矿体及矿体底板中伴有磷、镍、钴、铜、铀、金、银等多元素的富集,这一多元素矿化现象与黑色岩系非补偿性沉积特征是相矛盾的(黑色岩系形成阶段是陆源碎屑供应不足或沉积物供应处于饥饿状态)。喷流沉积成因认为地层建造中硅质岩是海底热水喷流的沉积记录,大量硅质是海底火山从地球深部带出的。庄子沟组下部赋存的钒矿体与下伏杨家堡组硅质岩密切的时空展布关系为矿物质来源及供应等提供了理想的解释。海底深源热(卤)水喷流沉积主导了“黑色页岩型”矿床的成矿作用,成矿物质与硅质同源,均来源于热水喷流沉积,泥岩的吸附作用是钒富集成矿的主要因素。

4 杨家堡矿床形成推测

寒武纪早世筇竹寺期,矿区处于古扬子被动大陆北缘裂陷带部位,在拉张—离散构造应力场下营造了鄂北外陆棚深水盆地斜坡带的沉积环境(图4)。随着盆地的发展演化,形成以硅碳泥质为主要成分的含钒黑色层建造。当时海水中大量硅质、钒及伴生元素是以海底高角度同生地堑式断裂作通道将深源含矿热卤水导出的结果,从而改变了海水的温度、营养盐浓度、酸碱度和氧逸度。适宜的温度和丰富的营养,促进海洋生物爆发式繁殖生长,以钒为主的元素在生物机体中初步富集。以海底同生断裂为通道的周期性喷流又导致周期性物、化条件变化,使生物在海底形成富含炭质的生物机体堆积,由于厌氧生物分解机体,产生CO2、CH4、NH3、H2S,从而降低海水的Eh值,形成成矿作用地球化学障,引起硫化物、碳酸盐及钒等元素的沉淀。又因外陆棚深水盆地远离古陆剥蚀区,导致陆源碎屑物补偿不足,进一步导致碎屑物中钒等元素的富集成矿。推测矿床成因模式见图5。

5 找矿方向

通过对杨家堡钒矿床勘查成果进行总结,笔者认为今后类似矿床的找矿方向应重视岩相古地理环境对成矿的控制作用,乌龙寺盆内深水斜坡带控制区,即鄂西北地区丹江口市—郧县—郧西县一线以北、郧县南化塘镇—梅铺镇以南庄子沟组展布范围是该类矿床今后的主要找矿方向。

图4 区域早寒武世筇竹寺期岩相古地理图Fig.4 Lithofacies palaeogeographic map of Early Cambrian period during Qiongzhusian Age1.含钒地层建造等厚线及等厚值;2.推测含钒地层建造等厚线及等厚值;3.岩性组合区界线;4.砂页岩组合;5.炭质页岩—硅质页岩(含钒)组合;6.硅质岩—泥质页岩(含钒)组合。

6 结论

(1) 杨家堡组硅质岩是海底热水喷流形成的岩性记录。

图5 杨家堡钒矿成因模式图Fig.5 Genetic pattern diagram of Yangjiabao vanadium ore

(2) 杨家堡钒矿成因是海底热水(喷流)沉积形成的矿床。

(3) 岩相古地理环境—深水斜坡带是控制矿床的重要成矿环境。

(4) 硅质岩与黑色岩系组合是重要的赋矿地层格架。

[1] 郭子福,刘瑜,徐志扬,等.湖北均县杨家堡钒矿详查报告[R].丹江口:湖北省第五地质大队,1975.

[2] 孙三才,杨军,奉欣,等.湖北省丹江口市杨家堡矿区石煤钒矿勘查报告[R].襄樊:湖北省鄂西北地质勘查调查所,1996.

[3] 吕向志,渠婧,王宗合,等.1∶100000湖北省矿产资源潜力评价成果报告之湖北省郧县—丹江口地区杨家堡式钒矿区域预测工作区(4231101001)[R].襄阳:湖北省鄂西北地质勘查调查所,2012.