张家垭磷矿矿石类型

徐少康，王 宇，贾 晗，王 磊

（中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072754）

张家垭矿区位于湖北省远安县西北部，与县城直距35km左右。近年来有关学者对我国同类型磷矿床进行了综合性及专项研究[1-4]，徐少康等[5]在地质普查工作基础上，对张家垭磷矿地质特征进行了初步综合性论述。本文在以往研究的基础上，根据最新的地质详查成果对本矿床矿石类型进行了专项深入研究，对本类型矿床成因及找矿研究等有一定意义。

1 矿床概况

本区大地构造位置处于扬子地台北缘，北与秦岭海槽毗邻(见图1)。

矿区沉积基底为古元古界黄凉河组片麻岩(Pt1h)，其上地层及主要岩性依次为：南华系南沱组白云岩(N h2n)，下震旦统陡山沱组硅质白云岩(Z1d)，上震旦统灯影组白云岩(Z2dn)，寒武系白云岩夹泥岩，第四系砂砾石粘土沉积。含磷层位有两个：陡山沱组一段和二段，分别简称为Ph1和Ph2(见表1)。矿区构造形式主要为单斜构造：地层总体倾向东，倾角10～15°。

图1 张家垭矿区交通及大地构造位置

矿区存在一个工业磷矿体，赋存于陡山沱组一段，未出露地表，深埋于地下数百米处。矿体呈层状产出，与顶底板岩层呈整合接触，产状与地层一致，沿走向延伸3 870m，沿倾向延伸1 020～1 270m，均厚2.19m。矿石资源量1 800×105t，矿床规模中型。

2 矿石中的基本层

矿石中的基本层有四种类型：砂屑磷质层、隐晶磷质层、白云质层及泥质层。

表1 张家垭矿区地层简表

砂屑磷质层，呈深灰、灰、黑灰色，单层厚一般2～11mm，具砂屑结构。砂屑呈次圆状、椭球状，分选好，粒径0.06～0.75mm；少量椭球状砾屑，粒径3～20mm。砂砾屑成分，主要为胶磷矿，次为粉微晶磷灰石，少量微粒碳质、微晶石英、斜长石、白云石及粘土矿物；少量粉屑状陆源碎屑，包括石英、斜长石、泥岩碎屑、白云岩碎屑、硅质岩屑。胶结物主要为粉细晶白云石、石英及胶磷矿，局部为纤维状细晶磷灰石及泥质。孔隙式或基底式胶结。

隐晶磷质层，呈深灰、灰、黑灰色，单层厚一般2～11mm，隐晶结构。矿物成分主要为隐晶状胶磷矿，次为微晶磷灰石、白云石和石英(玉髓)，少量碳质、有机质、泥质、粘土矿物、黑云母及陆源碎屑石英。

白云质层，呈白、灰白色，单层厚一般1～8mm，微晶结构，矿物成分主要为白云石，少量星散状分布的胶磷矿砂屑及石英。

泥质层，呈黑色，单层厚一般1～4mm，泥状结构，矿物成分主要为粘土矿物，次为微粒石英，少量胶磷矿和微晶黄铁矿。

3 矿石类型

根据基本层的组合特征，矿石分为三种类型：块状磷块岩、白云质条带磷块岩、泥质条带磷块岩。

3.1 块状磷块岩

块状磷块岩，由砂屑磷质层与隐晶磷质层互层组成，二者含量基本相当。矿石颜色呈灰—黑灰色，砂屑结构，隐晶结构，块状构造。矿石矿物主要为胶磷矿，少量磷灰石；脉石矿物主要为白云石和石英，其他矿物少量。胶磷矿为隐晶状，磷灰石呈微晶粒状，其他脉石矿物为微晶状，各矿物总体上分布均匀。图2为块状磷块岩宏观结构，薄层状特征明显，单层厚1～5mm，白色薄膜状物质为方解石细脉。图3为块状磷块岩微观结构，上部为砂屑磷质层，砂屑内部组成矿物主要为胶磷矿，少量碳质，砂屑边部的白色边由微晶磷灰石组成；胶结物为泥质、磷灰石及石英。下部为隐晶磷质层，组成矿物主要为胶磷矿，少量碳质、石英及磷灰石。胶磷矿(Coll)，褐灰色，隐晶状；碳质(Org)，黑色，不规则团块状；石英(Qz)，灰白色，半自形粒状，短柱状；磷灰石(AP)，灰色，微粒状；泥质(Cla)，深灰色，不规则团块状。两层界限清楚，呈不规则波状。

图2 块状磷块岩宏观结构

图3 块状磷块岩微观结构(单偏光，样号XK03)

3.2 白云质条带磷块岩

白云质条带磷块岩，由砂屑磷质层、隐晶磷质层与白云质层互层组成，以磷质层为主。白云质层的多少决定了矿石品位的低高。矿石颜色以灰—黑灰色为主，夹杂白、灰白色，砂屑结构和隐晶结构为主，次为微晶结构，条带状构造。矿石矿物主要为胶磷矿，少量磷灰石；脉石矿物主要为白云石，次为石英，其他矿物少量。胶磷矿呈隐晶状，磷灰石主要呈微晶粒状，少数呈细晶纤维状；其他脉石矿物主要呈微晶状。矿物分布不均，呈白云质层和磷质层产出，各层内矿物总体上分布均匀。图4为白云质条带磷块岩宏观结构，浅灰、灰白色层为白云质层，单层厚约3～5mm。深灰色层为磷质层，单层厚约2～4mm，砂屑结构明显。图5为白云质条带磷块岩微观结构，上部和下部的深色层为砂屑磷质层，中部的浅色层为白云质层，层间界线清楚，呈不规则波状。磷质层砂屑结构明显，砂屑组成矿物主要为胶磷矿；胶结物组成矿物主要为磷灰石，少量石英。白云质层，组成矿物主要为白云石，少量磷质砂屑和团块。胶磷矿(Coll)，接近消光，有微弱的光性，说明实质是粒度极细的磷灰石；磷灰石(AP)，深灰色，微粒状，个别粒度相对较粗；石英(Qz)，灰白色，半自形粒状，短柱状；白云石(Dol)，白色，有的具粉色色调，半自形粒状。

图4 白云质条带磷块岩宏观结构(SK04孔岩心标本)

图5 白云质条带磷块岩微观结构(正交偏光，样号XK01)

3.3 泥质条带磷块岩

泥质条带磷块岩，由砂屑磷质层、隐晶磷质层与泥质层互层组成，以磷质层为主。泥质层的多少决定了矿石品位的低高。矿石颜色以灰—黑灰色为主，夹杂黑色，砂屑结构和隐晶结构为主，次为泥状结构，条带状构造。矿石矿物主要为胶磷矿，少量磷灰石；脉石矿物主要为粘土矿物，次为白云石，其他矿物少量。胶磷矿呈隐晶状，磷灰石主要呈微晶粒状，少数呈粉晶粒状；其他脉石矿物主要呈微泥晶状。矿物分布不均，呈泥质层和磷质层产出，各层内矿物总体上分布均匀。图6为泥质条带磷块岩宏观结构，黑色层为泥质层，少量；灰色、深灰色层为磷质层，量多；有的磷质层砂屑结构明显。图7为泥质条带磷块岩微观结构，上部为泥质层，下部为砂屑磷质层，二者界线清楚，呈不规则波状。泥质层组成矿物主要为粘土矿物，次为石英，少量碳质。砂屑磷质层，砂屑结构明显，砂屑组成矿物主要为胶磷矿，少量石英；胶结物组成矿物，主要为碳质和磷灰石，少量石英。胶磷矿(Coll)，褐色，隐晶状；磷灰石(AP)，深灰色，微晶粒状；碳质(Org)，黑色，不规则团块状；粘土矿物(Cla)，灰色，粒度极细；石英(Qz)，白色，粒状，短柱状，磷质层中的石英未磨蚀特征，泥质层中的石英磨蚀特征明显。磷质层中的矿物为共生关系，属生物化学沉积成因，砂屑结构说明沉积环境较动荡，磷质层形成后又遭到破坏。泥质层为陆源机械沉积。

图6 泥质条带磷块岩宏观结构(SK04孔岩心)

图7 泥质条带磷块岩微观结构(单偏光，样号XK02)

一般情况，泥质条带磷块岩位于矿体下部，块状磷块岩位于矿体中部，白云质条带磷块岩位于矿体上部。局部缺少某一类。

4 矿物成分分析

4.1 矿物成分对比

三种类型的矿石矿物均以胶磷矿为主，磷灰石少量。由泥质条带磷块岩→白云质条带磷块岩→块状磷块岩，磷质矿物总量呈明显增加趋势。三种矿石的主要脉石矿物组合及含量明显不同：块状磷块岩和白云质条带磷块岩，主要脉石矿物均为白云石和石英，但白云质条带磷块岩白云石明显较高；泥质条带磷块岩，主要脉石矿物为粘土矿物和白云石，粘土矿物明显较高(见表2)。

表2 张家垭矿区磷矿石矿物成分对比(%)

三种矿石矿物组合特征是含矿岩系形成过程中不同地质作用综合作用的产物：沉积岩系在正常沉积过程中(碎屑沉积→碳酸盐沉积)，加入了成矿介质，使沉积过程演变为碎屑沉积→磷矿物沉积→碳酸盐沉积，从而出现了泥质条带磷块岩→块状磷块岩→白云质条带磷块岩的沉积序列。

4.2 X光粉晶衍射测试

X光粉晶衍射测试结果见表3、图8，图8的底部为氟磷灰石标准图谱(上)和石英标准图谱(下)；样号为M11。与显微镜鉴定成果(表2)对比，矿物组合基本吻合，不同点在于：

表3 X光粉晶衍射测试张家垭矿区磷矿石矿物成分与化学分析数据对比(%)

图8 张家垭矿区块状磷块岩X光粉晶衍射图谱

(1) 镜下鉴定的磷质矿物主要为胶磷矿，少量磷灰石，X光粉晶衍射测试磷质矿物为磷灰石，说明胶磷矿实质是粒度极细的磷灰石。

(2) 镜下鉴定的有机质和玉髓属非晶质矿物，X光粉晶衍射测试测不出。

(3) 镜下鉴定的泥质和泥岩屑，主要矿物成分为粘土矿物和粒度极细的石英。

(4) X光粉晶衍射测试，三种矿石中均含黄铁矿，而岩矿鉴定块状磷块岩和白云质条带磷块岩中不含黄铁矿，主要原因为含量少、粒度极细、分布不均，导致镜下难以发现所致。

(5) 镜下鉴定块状磷块岩含少量长石，X光粉晶衍射测试为钠长石，主要原因为含量少、粒度极细镜下难以进一步确定种属。

(6) X光粉晶衍射测试白云质条带磷块岩含少量钠长石，泥质条带磷块岩含少量钾长石和钠长石，镜下鉴定未发现，主要原因为含量少、粒度细、分布不均所致。

X光粉晶衍射测试结果与化学分析结果对比：

(1) 氟磷灰石晶体化学式为Ca5[PO4]3F[6]，不考虑F，计算其P2O5理论含量为43.16%。据此计算出的测试样品中P2O5含量(表3中右数第1列；计算公式：P2O5含量=磷灰石含量×43.16%)，与化学分析P2O5含量数据(表3中左数第3列)基本接近，说明X光粉晶衍射测试数据准确，同时，进一步说明矿石中的胶磷矿实质为粒度极细的磷灰石。

(2) X光粉晶衍射测试酸不溶矿物总量(表3中右数第2列)与化学分析酸不溶物含量(表3中左数第4列)基本接近，再次说明X光粉晶衍射测试数据准确。

(3) X光粉晶衍射测试与镜下鉴定和化学分析成果，互为印证，互为补充，查明了矿石矿物成分和产出状态。

4.3 品位及酸不溶物对比

矿石平均、最高及最低品位(P2O5)：最高的均为块状磷块岩，最低的均为泥质条带磷块岩，白云质条带磷块岩居中；酸不溶物变化规律则与品位相反(见表4)。说明胶磷矿和磷灰石主要在成矿作用的中期富集(早期形成泥质条带磷块岩，中期形成块状磷块岩，后期形成白云质条带磷块岩)，同时也说明酸不溶物与品位呈负相关，酸不溶物量多不利于成矿。

表4 张家垭矿区磷矿石品位(P2O5)及酸不溶物含量对比(%)

5 矿床成因探讨

正常海水中磷含量为88μg/L[7]，在正常海水中磷不可能有高浓度的富集。矿层下伏地层南沱组(Nh2n)平均厚度仅6.5m、P2O5平均含量0.45%，所以，在较短时间内，正常海水通过浓缩不可能形成磷矿层。

矿层底板的泥岩，成分主要为粘土矿物和石英，属陆源碎屑物质，P2O5平均含量3.99%。矿石中含有陆源碎屑物质，但含量极低。正常河流和湖泊水磷和氟含量极低[7]，常温下(25℃)磷酸钙在水中的溶解度为3.2×10-4mol/L[8]，所以，成矿物质不可能是陆源的。

根据矿床所处大地构造位置分析，成矿介质应是源于秦岭海槽深部的富磷硅的矿化热卤水。秦岭海槽是构造活动带，存在与深部连通的通道[9]。

综合分析矿石的矿物成分、结构构造、化学成分、含矿地层、大地构造环境、正常海水的化学成分及古气候变化等特征[1，4-5，7-9]，认为本矿床为生物化学热水沉积成因，成矿过程大致为：源于秦岭海槽深部的矿化热卤水，温差驱动使其从海底上升到海面，又被冰后期的海侵洋流推向大陆边缘，就位于水下盆地中。成矿介质运移过程中，海水中的钙、镁、碳质及氟进入其中。温度变化和微生物作用，导致成矿介质中的活性碳离子大幅度减少，失去碳酸盐矿物形成的物质条件，导致磷灰石和胶磷矿饱和结晶析出成矿。矿石中存在的砂屑结构，说明沉积盆地中水较动荡。

鄂西地区乃至扬子地台边缘的生物化学沉积型磷矿，与张家垭磷矿属同一类型[1]。因此，初步分析，在震旦纪及前后一段时期，扬子地台边缘曾发生过大规模的富磷矿化热卤水活动，为磷矿的形成提供了丰富的物资来源，所以，在扬子地台边缘本类型矿床仍有良好的找矿前景。

[1]韩豫川，夏学惠，肖荣阁，等.中国磷矿床[M].北京：地质出版社，2012.

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[8]印永嘉，顾月姝，陈德昌，等.大学化学手册[M].济南：山东科学技术出版社，1985.

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