湖北省宜城市牛心寨磷矿深部矿体特征及找矿方向

肖应祖, 谢家涛, 冯久林, 王 鼎, 张庆阳, 丁宏伟

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

牛心寨深部磷矿位于湖北省宜城市孔湾镇,上世纪70年代,曾在牛心寨一带浅部发现偏头山、黑凹和焦坡3个小磷矿体,矿床规模为小型。2012-2016年,在湖北省地质勘查基金的资助下,湖北省地质局第八地质大队对牛心寨地区开展了深部找矿工作,勘查程度达到普查级别,使牛心寨磷矿的资源储量扩大数倍,矿床规模为中型,接近大型。受勘查经费限制,普查工作未对矿区周边深部矿体做进一步追索,本文旨在对下步找矿方向展开分析。

1 矿区地质概况

矿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。

1.1 矿区地层

地表出露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、寒武系及奥陶系。崆岭群主要为花岗片麻岩;陡山沱组为一套海相碳酸岩夹磷酸岩组合,局部见碎屑岩;灯影组为一套厚层白云岩及硅质条带白云岩;寒武系地层为一套浅海相薄—中厚层白云岩、砂质白云岩;奥陶系底部为厚层白云岩,中上部为薄—中层泥质灰岩、瘤状灰岩,局部夹页岩的岩石组合(图1)。

陡山沱组为磷矿赋矿层位,主要分布于矿区的东部。

图1 宜城市牛心寨深部磷矿地质图Fig.1 Geological map of deep phosphate rock in Niuxinzhai,Yicheng 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—寒武系下统灯影组下段;5.震旦系上统—寒武系下统灯影组上段;6.寒武系下统;7.寒武系中统覃家庙组;8.寒武系上统娄山关组;9.奥陶系;10.第四系;11.正断层;12.逆断层;13.走滑断层;14.地层产状;15.磷矿体;16.Ph1矿体平面投影。

1.2 矿区构造

矿区构造较简单,为一单斜构造,矿区西侧受区域性逆冲断层F13的影响,使灯影组地层逆掩于奥陶系地层之上,形成一种似向斜构造的错觉。地层产状较稳定,总体倾向约为240°,倾角25°～35°。断层主要有两组:一组为近南北向纵断层,如F13;另一组为近北东向横断层。北东向横断层常切断磷矿层,破坏矿体的连续性,如F30、F35等(图2)。

2 矿体地质特征

2.1 含磷岩系

含磷岩系陡山沱组共有4个磷块岩相对富集的层位,由下至上依次编为Ph1、Ph2、Ph3、Ph4(表1)。其中,Ph1、Ph2磷矿层形成了工业矿体,Ph3仅在局部形成透镜状矿体,无工业价值,Ph4为含磷白云岩,仅具层位意义,是标志层之一。

2.2 矿体特征

Ph1层圈出1个矿体,是本矿区的主矿体。矿体呈似层状、纺锤状,矿层底板为厚层不等粒白云岩,顶板为薄层含磷条带白云岩。矿体长约3 600 m,矿体宽度变化较大,中间宽而两端窄,中部最宽处>1 200 m;厚度也同样表现为中间厚两端薄,厚度1.12～9.22 m,平均厚度为3.87 m。P2O5品位一般16.94%～27.12%,平均品位为21.82%。矿体赋存标高为+150～-378.8 m,矿体倾向230°～250°,倾角25°～32°。

Ph2为次要磷矿层,分布不稳定,变化大,可圈出两个矿体。其中Ⅰ号矿体规模较大,长约2 250 m,一般宽约350 m,最大宽度约890 m,矿体厚1.23～7.22 m,平均厚2.73 m。赋存标高为173～-171.7 m,矿体产状为240°～270°∠28°～35°左右。

图2 宜城市牛心寨深部磷矿W321线剖面图Fig.2 W321 line profile of deep phosphate rock in Niuxinzhai,Yicheng 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—寒武系下统灯影组下段;5.震旦系上统—寒武系下统灯影组上段;6.第一磷矿层(工业矿);7.白云岩;8.含磷白云岩;9.花纹状白云岩;10.硅质(燧石)条带白云岩;11.底砾岩;12.花岗片麻岩;13.逆冲断层;14.钻孔;15.角度不整合界线。

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

分段代号主体岩性接触关系层厚/m含矿性上段Z1d2-6薄层白云岩夹页岩整合21．2～47．5Z1d2-5含硅磷结核白云岩整合2．3～11．4Ph4矿化层Z1d2-4薄层含磷条带白云岩整合9．3～37．6Z1d2-3薄层含磷白云岩整合1．4～6．4Ph3矿化层Z1d2-2薄层含磷条带白云岩整合7．8～25．4Z1d2-1磷块岩假整合0～9．0Ph2次磷矿层下段Z1d1-4厚层不等粒白云岩整合17．6～68Z1d1-3磷块岩整合0～12．1Ph1主磷矿层Z1d1-2含锰白云岩整合3．8～13．2Z1d1-1角砾岩不整合1．8～14．6

3 矿石特征

3.1 矿物成分

矿石的矿物成分主要为磷酸盐矿物、碳酸盐矿物及硅酸盐矿物,三类矿物总量占矿石中矿物总量的95%以上,其他微量矿物为黄铁矿、褐铁矿、钛铁矿、炭质等散布在磷灰石粒屑间。

磷酸盐矿物主要为微晶磷灰石,磷灰石镜下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。

碳酸盐矿物以白云石为主,是主要的脉石矿物,另含少量方解石。白云石镜下观察为微晶—粉晶结构,少量细晶结构,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,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。

3.2 矿石类型

矿区磷块岩主要有以下:

3.2.1 致密状磷块岩

产于Ph1和Ph2矿层中,呈灰黑色或紫酱色,具胶状结构,块状构造。矿石主要由微晶磷灰石组成,胶磷矿呈纤维状或球粒状,其含量80%～95%,其次有少量的白云石、方解石及微量的石英、玉髓、水云母、铁质等。

3.2.2 白云质条带磷块岩

产于Ph1和Ph2矿层中,呈浅灰色,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2～5 mm,密集连续,或者是致密状磷块岩与含磷白云岩均呈薄层状,二者呈互层产出。矿石中微晶磷灰石含量约40%～60%,白云石含量约30%～40%,另含少量的方解石及石英、玉髓、褐铁矿等。

3.2.3 泥质条带磷块岩

产于Ph1矿层中,呈土黄色,由致密状磷块岩矿条和泥质条带相间密集排列而成,条带宽一般2～4 mm,密集连续,矿石中微晶磷灰石含量约40%～80%,粘土矿物含量约10%～30%,另含少量的白云石、方解石等。

3.2.4 角砾状磷块岩

分布于Ph2矿层中,矿石常呈灰、浅灰色,角砾的成分主要为致密状磷块岩,胶结物主要为白云石,角砾大小不一,磨圆度差,大角砾直径可达20 cm左右。矿石中微晶磷矿石含量约30%～60%,白云石含量约30%～40%,另含少量的玉髓、石英等。

3.2.5 砂岩状磷块岩

分布于Ph2矿层上部,常呈深灰—灰黑色,由微晶磷灰石砂屑与白云石、石英混生而形成的一种磷块岩,矿石中微晶磷灰石含量约30%～50%,白云石含量约20%～40%,石英含量约20%～30%。

3.3 矿石结构构造

矿石结构主要为胶状结构和粒屑结构。

胶状结构:也称胶状泥晶结构,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,其矿物成分主要由泥晶磷灰石组成,集合体形态呈凝胶状,该结构反映了泥晶磷块岩的组构特征,由于混入物的加入使泥晶磷灰石显得浑浊,貌似泥质,形成胶状泥晶结构。

粒屑结构:泥晶磷灰石以粒屑形式存在,粒屑主要为砂屑,其次为团粒、生物屑等。镜下观察,砂屑直径一般0.2～0.4 mm,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。粒屑的胶结物有硅质和白云质两种,胶结方式均为基底式胶结。

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,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、玉髓和微量的方解石、水云母、铁质等。

3.4 矿石质量

矿石的主要化学成分见表2。矿石中有用组分主要为P2O5,含量为12.91%～26.28%,一般为20%左右。

伴生有用组分为F,含量为1.38%～3.94%,一般为2%左右。

表2 牛心寨矿段深部矿床矿石化学成分表(%)Table 2 The chemical composition table of deep phosphorus mine of Niuxinzhai

有害组分有MgO、Al2O3、Fe2O3和SiO2,MgO含量为2.21%～10.24%,平均为7.27%;Al2O3含量为1.03%～2.32%,平均为1.70%;Fe2O3含量为0.19%～1.09%,一般为1.0%左右;SiO2含量为2.74%～15.88%,平均为9.37%,在不同自然类型的矿石中含量差别较大。

对环境影响较明显的有毒元素Cd、As含量均较低。

4 矿床成因

牛心寨深部磷矿床属沉积型磷块岩矿床,发育于海侵岩系底部侵蚀基准面附近,含矿岩系为浅海陆棚—台地相含磷碳酸盐岩建造,成矿时期的古地理环境为浅海台地—陆棚相,磷矿床产出于台地前缘的台缘斜坡、斜坡前缘及台坪凹地等微环境。

Ph1矿层的成矿作用可分为两期:早期以胶体凝聚作用为主,形成分布相对稳定的泥质条带磷块岩,为台缘斜坡或台坪凹地,属潮下带环境,能量较低;晚期以生物化学沉积作用为主,形成了白云质条带磷块岩和致密状磷块岩(藻磷块岩),变化较大,微环境为台坪或台坪前缘,属潮间带环境,能量相对较高[1]。

Ph2矿层的形成也可分为两期:早期为台缘斜坡附近,微环境为藻丘或生物礁,成矿作用主要为生物化学沉积作用,形成了致密状磷块岩、白云质条带磷块岩、角砾状磷块岩,可见明显的叠层石,属中—高能沉积环境。然后,海水下降,其间曾短暂地受到剥蚀,沉积环境逐步演变为台坪浅滩,并沉积了砂岩状磷块岩,这种砂岩状磷块岩是早期所形成的磷块岩在高能环境下被冲刷、破碎并粒化后再沉积而成。这一时期的台坪浅滩分布较局限,因此,Ph2矿层上部的砂岩状磷块岩分布不稳定,仅局部可见到。

5 控矿因素

控矿因素主要是成矿期的岩相古地理条件,后期的构造作用对矿床的改造作用较微弱。岩相古地理条件对矿床的控制主要表现在以下几个方面:

5.1 古地形对Ph1矿层稳定性的控制作用

古地形对Ph1矿层稳定程度的控制表现在,如果沉积地形比较低凹,则有利于较长时间地接受沉积,所形成的磷矿层厚度大且较稳定;而当地形较高呈凸起台地时,则接受沉积的时间较短,所形成的磷块岩厚度较小,且变化较大;如果沉积地形过高,则难以形成连续的磷矿层。

5.2 沉积环境对Ph1矿层矿石自然类型的控制作用

Ph1矿层沉积时,地形较低凹,底板页岩发育,有利于形成泥质条带磷块岩,并形成较厚大矿体,如牛心寨深部W321勘查线深部一带;当地形较高时,底板仅发育含锰白云岩,不发育页岩,矿层中发育白云质条带磷块岩、致密状磷块岩,矿体也常呈透镜状,连续性较差,如矿床的浅表一带。

5.3 沉积环境对Ph2矿层发育程度的控制作用

牛心寨深部磷矿床一带的Ph2矿层具两层结构:早期属藻丘或生物礁环境,当藻类发育繁茂时,能形成较好的磷块岩,而藻类发育不好时,只能形成含胶磷矿条带、团块的白云岩;晚期,沉积环境发生变化,演化为砂滩环境,当砂滩发育较好、能量较高,可形成品位较高的磷块岩,而当砂滩发育不好、能量较低,则无法将胶磷矿砂屑与白云岩微粒分离,只能形成含磷白云岩。

图3 牛心寨深部磷矿Ph1分布图Fig.3 Ph1 distribution diagram of deep phosphate rock in Niuxinzhai1.Ph1矿体地表露头;2.工程点及Ph1矿体厚度数据;3.矿体厚度1～5 m区域;4.矿体厚度>5 m区域;5.找矿靶区;6.勘查线。

6 找矿方向

前人将牛心寨一带磷矿划分为荆襄磷矿田北部边缘的Ph1磷矿层分布极不稳定区,认为这一带磷矿体形态复杂,变化大,且分布零星,多数地段地表露头矿体厚度<1 m或尖灭。

但在近年来湖北省地质局第八地质大队开展的普查工作中,于深部发现有较大规模的磷矿体,且分布较为稳定,矿石类型由浅部的以白云质条带磷块岩相变为以泥质条带磷块岩为主,呈现良好的找矿前景。

笔者认为,牛心寨一带的磷矿找矿有以下两个方向(图3):

(1) 矿区西部胡尔—张家湾一带,这一带所分布的Ph1磷矿层厚度大,分布稳定,且产状平缓,已有工程控制深度不大,再向西控制,可进一步扩大矿床规模。

(2) 矿区北部黄山一带,在浅部发现有透镜状的Ph1矿层露头,厚度较大,且发育较好的泥质条带磷块岩,根据目前掌握的规律,深部有望找到具一定规模的磷矿体。

7 结论

(1) 牛心寨深部磷矿为赋存于陡山沱组地层中的沉积型磷块岩矿床,矿区构造简单,呈一单斜;矿区发育有Ph1和Ph2两个矿层,其中以Ph1矿层规模较大;矿层产状与地层一致,总体为240°∠28°左右。矿石自然类型主要有致密状、泥质条带、白云质条带磷块岩。

(2) 控矿因素主要为成矿期的岩相古地理条件,台地下的低凹地段有利于磷块岩的沉积和形成。

(3) 有利的找矿靶区主要有两处:第一处为北侧的黄山附近;第二处为中部的胡尔—张家湾一带。

[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].襄樊:湖北省地质矿产局第八地质大队,1986.