江西修武地区钒矿地质特征——以庙岭钒矿为例

夏节华, 陈德康, 叶少贞, 高 任, 卜 涛, 张明华

(江西省地质矿产勘查开发局 赣西北大队,江西 九江 332000)

修水—武宁地区(简称修武地区)位于江西省西北部(图1-a),下寒武统王音铺组黑色岩系分布广泛,层位稳定,蕴含丰富的钒、钼、铀等矿产资源[1-3],近年来探明了庙岭钒矿、湘竹钒矿等一批钒矿床(图1-b)。本文以庙岭钒矿为例,研究修武地区的钒矿地质特征,并对其成因作一探讨。

1 区域地质背景

1.1 地层

修武地区地层发育较全,自中元古界到新生界,除侏罗系、白垩系缺失,奥陶系、泥盆系、石炭系和三叠系部分缺失外,其它各系均有发育,特别是震旦系—志留系下统发育最为完全(图1-b)。

中元古界双桥山群构成区内的褶皱基底,震旦系和下古生界分布最广,构成修水—武宁复式向斜(简称修武向斜)的两翼和核部,上古生界和三叠系仅零星出露于向斜核部,新生界主要分布在修河流域和柘林水库一带。

中元古界双桥山群由一套浅海相变质碎屑岩组成,主要分布在九宫复式背斜核部和九岭复式背斜大部。

震旦系主要为滨海河流相石英砂岩建造、冰川相碎屑岩建造以及浅海相泥硅质、碳酸盐岩建造。主要分布在修武向斜南北两翼。

下古生界主要为一套海湾—泻湖相炭质泥(页)岩建造、浅海相碳酸盐岩建造和浅海相碎屑岩建造。下古生界寒武系王音铺组是钒矿赋矿层位,主要分布于修武向斜南北两翼。奥陶系、志留系大面积分布于修武向斜的中心部位。

上古生界缺失泥盆系下统、中统和石炭系上统、下统,主要为滨海相砂砾岩建造、浅海相碳酸盐岩建造和海陆交互相含煤建造。其主要分布于修武复式向斜核部。

中生界仅有三叠系下统和中统,主要为浅海相泥质页岩和碳酸盐岩建造，其分布于修武复式向斜核部。

新生界主要为新余群,属湖泊—河流相红色碎屑岩建造,堆积于各断陷盆地中。第四系主要为河流松散泥、砂、砾质堆积物,分布于修河及支流河谷中。

1.2 构造

修武地区位于扬子古板块南侧,江南隆褶带北缘,为一近东西向构造隆起带。由两个复式背斜(九宫复式背斜即九宫山隆起、九岭复式背斜即九岭隆起),一个复式向斜(修武复式向斜即修武坳陷)组成(图1-a)。复式背斜由中元古界双桥山群区域浅变质岩系组成,是本区的褶皱基底。震旦系—三叠系下统组成复式向斜,是区域盖层褶皱(图1-b)。

图1 江西北部区域构造略图(a)及修武地区地质略图(b)Fig.1 Regional tectonic sketch map in the north of Jiangxi (a) and geological sketch map of Xiuwu area (b)1.第四系;2.第三系;3.三叠系;4.二叠系;5.石炭系泥盆系合并;6.志留系;7.奥陶系;8.寒武系;9.震旦系;10.中元古界;11.燕山早期二长花岗岩;12.加里东中期花岗岩;13.晋宁期富斜花岗岩;14.钒矿区;15.向斜;16.断层.17.地质界线。

1.2.1褶皱

修武复式向斜(简称修武向斜)是区域内主要的褶皱构造,展布于修水—武宁一带,以大椿—武宁向斜为主体,其南部由于枢纽起伏与地层剥蚀,从北东到南西大致定向排列了庙岭向斜、东津向斜和东渡港向斜。

(1) 修武向斜:西自修水的大椿,经溪口、三都和武宁的船滩、甫田,东至柘林,全长130 km,宽15 km(图1-b)。轴向近东西,核部主要由志留系组成,两翼为奥陶系—震旦系。向斜开阔,核部地层产状平缓,北翼较陡(40°～70°),南翼略缓(30°～40°)。

(2) 庙岭向斜:位于修武向斜南侧,是修武向斜的次一级向斜(图1-b)。西起修水县范坑,经大坪、庙岭到武宁县的花棚,长约60 km,宽约4～7 km。轴向近东西,核部由下奥陶统组成,两翼为寒武系—震旦系,北翼倾角20°～40°,南翼倾角一般30°～70°,西端大坪一带地层倒转,倾角50°～70°。受北东向庙岭—上高庄断裂影响,地层在庙岭一带左错达10 km以上,且庙岭以东北翼缺失。庙岭钒矿位于庙岭向斜北翼。

1.2.2断裂

区内断裂构造较发育,主要有顺层的滑脱构造和切层的陡倾斜断裂。

(1) 滑脱构造。滑脱构造是本区域的主要构造形式之一,由北部大椿—溪口—南岭及南部东津—杭口—修水两个滑动系统组成。滑动系统内部存在两个次级滑脱带和三个滑动层系。下部次级滑脱带由下寒武统底部炭质页岩和石煤层组成,上部次级滑脱带由上奥陶统上部和下志留统底部的灰黑色硅质页岩和灰黑色粉砂质页岩组成。三个滑动层系分别是志留系组成的上部滑动层系、奥陶系—寒武系组成的中部滑动层系及震旦系组成的下部滑动层系。震旦系组成的下部滑动层系整体上能干性强,底部莲沱组变形较弱,陡山沱组及皮园村组层内褶皱相对发育,滑脱断层附近的皮园村硅质岩较破碎。奥陶系—寒武系组成的中部滑动层系一般表现为正常褶皱,局部出现倒转褶皱,寒武系底部含炭质页岩常大量滑失。滑脱构造对钒矿层会造成不同程度破坏。

(2) 陡倾斜断裂。陡倾斜断裂主要分布在庙岭、东津和东渡港三个次级向斜中,主要有北东东向及北东向断裂带。北东东断裂延长一般>40 km,常以5 km等距平行产出,以扭性为主,兼有压性;断层面多倾向北西西,倾角70°～80°,一般为左型切错,错距可达数千米—十几千米。

2 矿床地质特征

2.1 含钒岩系特征

庙岭钒矿区位于庙岭向斜大路—庙岭段北翼(图1-b)。岩层总体北东—南西走向,倾向一般为120°～155°,倾角20°～40°(图2-a、2-b)。

寒武系不对称出露在庙岭向斜两翼,广泛分布于矿区中南部及东北角。与下伏震旦系地层呈断层接触,与上覆奥陶系印渚埠组呈整合接触。自下而上分为:王音铺组、观音堂组、杨柳岗组、华严寺组和西阳山组。各组之间呈整合接触。

图2 庙岭矿区地质图(a)及3线地质剖面图(b)Fig.2 Geological map of Miaoling mining area (a) and geological profile (b) of line 31.第四系;2.奥陶系下统印渚埠组上段;3.印渚埠组下段;4.寒武系上统西阳山组;5.华严寺组;6.中统杨柳岗组;7.下统观音堂组;8.王音铺组;9.震旦系上统皮园村组;10.陡山沱组;11.下统南沱组;12.莲沱组中段;13.莲沱组下段;14.中元古界双桥山群修水组第六段;15.修水组第五段;16.修水组第四段;17.修水组第二段;18.钒矿体;19.地质界线;20.斜冲断层;21.滑脱逆断层;22.完工探槽;23.完工钻孔;24.勘探线。

图3 庙岭钒矿野外露头及矿石标本照片Fig.3 Photographs of outcrop and ore samples in Miaoling vanadium mine(a).王音铺组下段黑色薄—中层状炭质泥岩露头;(b).王音铺组下段风化为土黄色的薄层状炭质泥岩夹灰黑色薄层状硅质岩露头;(c).王音铺组底部第一含磷结核层露头;(d).王音铺组底部的Ⅳ矿体露头;(e).含钒碳质泥岩型钒矿石岩心标本;(f).含钒含硅质碳质泥岩型钒矿石岩心标本。

(1) 王音铺组(∈1w)：是本区钒矿赋矿层位,大致可分为三个岩性段,总厚度45～190 m。

下段:本段岩性变化较大,以黑色(地表风化,炭质流失,常呈白色、灰白色,或残留有灰黑色和黑色花斑)薄—中层状炭质泥岩为主(图3-a),夹炭质页岩、薄层状及透镜状硅质岩(图3-b),或夹含碳泥质灰岩和灰岩透镜体,局部地段含碳量很高,形成石煤层。本段下部普遍见一层含磷结核层(区域上称之为第一含磷结核层)[1],结核呈圆形,大小一般为0.5～2 cm,小者仅1～2 mm,大者可达20～30 cm,个别最大的直径在1 m以上,沿层面稀疏分布(图3-c)。含磷结核层在矿区分布较稳定,在地表及钻孔中均可见到,但含磷结核层厚度及磷结核含量有较大差异。矿区内含磷结核层厚度一般1～5 m,最大可达十几米。含磷结核层是寻找钒矿的重要标志,也是钒矿的重要赋矿层位。

中段:黑色薄层状炭质泥(页)岩夹薄层硅质岩,局部地段两者呈互层出现。硅质岩单层厚3～5 cm。在前人研究中,本段下部有一层区域上分布较稳定,厚度在1.10～3.89 m的含磷结核层(区域上称之为第二含磷结核层)。但本次矿区勘查工作并未发现第二含磷结核层。

上段:为黑色中厚层板状高炭质页岩,单层厚一般为0.3～0.5 m,局部地段夹有薄板状高炭质页岩或硅质炭质页岩。

(2) 观音堂组(∈1g)：岩性为深灰色、灰黑色含碳泥岩夹页岩。岩石风化后呈灰白色,多发育楔形节理。局部含钙质、硅质,下部常见大小5～10 cm的黄铁矿结核，厚度90～100 m。

(3) 杨柳岗组(∈2y)：岩性主要为深灰色纹层状层状含泥质粉砂质粉屑—泥屑灰岩,夹含钙质页岩,厚度约165 m。

(4) 华严寺组(∈3h)：岩性为灰及灰黄色条带状泥质灰岩与纹层状泥质灰岩互层,厚280 m±。

(5) 西阳山组(∈3x)：岩性为灰或灰黄色厚层透镜状泥质灰岩夹薄层状透镜状泥质灰岩,含黄铁矿晶粒及团块,普遍发育水平纹层，厚287 m。

2.2 矿体特征

矿区圈定工业钒矿体1个,另有单线、单孔控制的低品位矿体12个。1V主矿体赋存在王音铺组底部或近底部(图3-d)。呈层状、似层状产出,矿体产状与岩层产状一致,总体北东—南西走向,倾向120°～155°,倾角20°～40°。走向上矿体延伸较稳定,因10线未见矿体,故将1V矿体分成1V-1、1V-2东西两段。矿体倾向延深总体较稳定,但也存在厚度变小甚至尖灭的现象。矿体走向控制长度约4 000 m,矿体倾向延深最大380 m。矿体厚度1.00～13.60 m,平均厚度4.98 m(图2-a、2-b)。V2O5平均品位0.91%。

2.3 矿石特征

2.3.1矿石结构、构造和矿石类型

矿石为泥质结构,主要为块状构造和结核状构造,次要构造为页理构造和土状构造。矿石自然类型主要为含钒碳质泥岩型钒矿石(图3-e),次要为含钒含硅质碳质泥岩型钒矿石(图3-f)。

2.3.2矿石物质组分和化学成分

矿石X衍射分析结果见表1,从中可以看出,组成矿石的矿物主要是石英,其次是绢云母、绿泥石、钾长石、黄铁矿、磷灰石、重晶石、非晶相等。

矿石多元素分析结果见表2,从中可知,组成矿石的主要成分为SiO2,其次为C、Al2O3、K2O等。特别是C含量高,非晶相的存在对提钒极为不利。

表1 矿石X衍射分析结果(%)Table 1 X-ray diffraction analysis result of ores

表2 矿石多元素分析结果(%)Table 2 Analysis result of ore multielement

2.3.3矿石伴生组分

从表3可以看出,伴生组分Mo平均含量0.024%,可以综合利用,Ag、Zn等元素具明显富集,有害组分U含量较高。

表3 矿石伴生组分含量一览表(%)Table 3 List of the contents of associated components in ores

注:Au、Ag单位为10-6。

2.3.4钒的赋存状态

研究表明,在寒武系黑色岩系钒矿床中,钒的赋存状态主要有两种：一是赋存在橙钒钙石、钒铁矿和钙钒榴石等独立钒矿物中；二是以类质同象的方式赋存在粘土矿物中,还有少量的钒被粘土、褐铁矿等吸附[4-7]。本区钒的物相分析(表4)显示,V2O5在云母类矿物中占83.43%,氧化铁及铝土矿物中占14.3%,电气石和石榴石中占2.27%,说明钒主要在云母类矿物中赋存,但未发现独立钒矿物,属于上述第2种类型。

表4 钒物相分析结果(%)Table 4 Analysis result of vanadium phase

3 成因分析及找矿标志

3.1 矿床成因

本区矿层产于寒武系下统王音铺组下部的石煤、炭质泥(页)岩中,且该层位钒的富集在赣北地区及湖北、湘西、浙西等地都存在,说明该层位钒的富集具有普遍性和区域性。这些地区在寒武纪早期(即王音铺期)处于潮坪—泻湖沉积环境,而大量的海绵骨针化石存在,说明该区域当时处于湿热气候条件,深海底栖动物和藻类生物繁盛。大量的藻类生物死亡后,与沉积的细屑物质混积成有机软泥,经过埋藏石化,即演变为含碳泥(页)岩和石煤。此时,陆蚀区地表物理、化学风化充分,不仅向海域补给了大量的泥质物,而且也从中分离出大量的硅质、磷质以及V、Mo、U、Ag、Cu等多种金属元素。由于有机质和粘土质胶体具有带电性(负电荷)和吸附性,能够选择性的吸附海水中的V、Mo、U、Ag、Cu、Zn、W、Ni、Co、Au等元素,使其随着有机质和粘土一起形成含碳泥(页)岩和石煤,其中V、Mo、U等可能局部富集成工业矿床或伴生矿床。因此,本区矿床成因属潮坪—泻湖相沉积炭质泥(页)岩型钒矿床[6-7]。

3.2 成矿控制因素及钒矿富集规律

(1) 本区钒矿为沉积盆地中还原环境下的沉积产物。矿体呈层状或似层状产出,严格受下寒武统王音铺组地层层位、岩相的控制,属典型还原环境下生物和化学成因沉积的黑色岩系沉积矿床[8]。

(2) 钒的品位贫富与沉积物颗粒度有关。因为沉积物粒度越小,其所具有的比表面积越大,故对金属阳离子(如V、Mo、U、W、Zn等)的吸附力越强。如区内炭质泥(页)岩、石煤中钒品位较高,而王音铺组上部及观音堂组粉砂质泥岩中钒品位很低。

(3) 钒的品位贫富与岩石物质成分有关。在炭质泥(页)岩中,炭质及磷、硫含量高,碳酸盐类含量低,品位较富;在炭质泥(页)岩中,炭、磷、硫含量低,品位较贫。

(4) 钒含量的多少与黑色岩系中有机质含量有关,有机质含量越高,钒越富集。钒含量与SiO2则呈明显的负相关关系[9-10]。

(5) 区内伴生有益组分的成因类型与钒矿体相同,故其控制因素和富集规律也相同。

3.3 找矿标志

由于区内钒矿为潮坪—泻湖相沉积炭质泥(页)岩型钒矿床,矿体主要赋存于下寒武统王音铺组下部的炭质泥(页)岩、石煤层中。该层位富钒特点在赣北地区具有普遍性和区域性,如修水县的庙岭钒矿、湘竹钒矿、北岸钒矿、大椿钒矿,武宁县的大坑钒矿、大源铺钒矿、横路钒矿,都昌县南山钒矿,德兴市皈大钒矿等均产于该层位中,故今后只需在区内寻找王音铺组下部炭质泥(页)岩、石煤层,就有可能找到此类钒矿床。

王音铺组底部的含磷结核炭质泥(页)岩层是本区主要的含钒层位,也是最明显的找钒标志层。

4 结论

(1) 修武地区寒武系王音铺组黑色岩系分布广泛,层位稳定,蕴含丰富的钒、钼、铀等矿产资源。庙岭钒矿是近年来在该区探明的系列钒矿床之一。

(2) 王音铺组是钒矿赋矿层位,主要分布于修武向斜南北两翼。庙岭钒矿即位于修武向斜的次一级庙岭向斜北翼。王音铺组下段是本区主要赋矿层位,以黑色炭质泥岩为主,夹炭质页岩、硅质岩,局部夹石煤层。

(3) 1V主矿体赋存在王音铺组底部或近底部,呈层状、似层状产出,与岩层产状一致。矿体在走向和倾向上延伸总体较稳定,矿体平均厚度4.98 m。

(4) 矿石类型以含钒碳质泥(页)岩型钒矿石为主,次为含钒含硅质碳质泥(页)岩型钒矿石。有用组分V2O5平均品位0.91%,伴生组分Mo平均含量0.024%。钒主要以类质同象方式赋存在粘土矿物中。

(5) 本区钒矿为沉积盆地还原环境下沉积形成,矿床成因属潮坪—泻湖相沉积炭质泥(页)岩型钒矿床。

(6) 钒矿层严格受王音铺组地层层位控制,王音铺组下部炭质泥(页)岩、石煤层是此类钒矿直接的找矿标志;王音铺组底部的含磷结核炭质泥(页)岩层在矿区分布稳定,是本区主要的含钒层位,也是最明显的找钒标志层。