贵州二叠纪龙潭期硫铁矿沉积环境及成矿模式

魏泽权，谯文浪，刘永坤

(贵州省地矿局一○二地质大队，贵州 遵义 563003)

0 引言

硫铁矿是提取硫、制造硫酸的主要矿物原料，包括黄铁矿和白铁矿。黄铁矿和白铁矿的成分均为FeS2，为同质多象变体，白铁矿在自然界的分布较黄铁矿少，工业上一般将黄铁矿称为硫铁矿。在川、黔、滇边界的数万平方公里范围内的二叠系龙潭组底部，广泛发育一层含黄铁矿的浅灰色高岭石黏土岩沉积，该层层位稳定，以四川泸州叙永境内发育最好，储量最为丰富，也称为“叙永式”硫铁矿。在贵州境内，该层硫铁矿分布最广，资源量最丰富，利用价值最大。主要在黔北地区桐梓、习水、绥阳、湄潭、播州、仁怀，黔西北地区金沙、黔西、大方、织金、毕节、纳雍一带分布较为集中，其余地区有少量分布。据统计，目前累计查明的矿石总资源储量已达6.3亿吨[1]，矿床规模均以大中型为主，小型矿床较少。

前人对贵州硫铁矿的研究，主要选择从地质特征、成因机理、成矿作用等方面进行[2-3]，而本文是对贵州全境二叠纪龙潭期硫铁矿沉积环境及成矿模式系统进行研究，助推该类型硫铁矿成矿规律与找矿预测，具有较强的现实意义。

1 区域地质特征

1.1 区域地质背景

贵州大地构造位置处于羌塘-扬子-华南板块(Ⅰ级分区)扬子陆块(Ⅱ级分区)上扬子地块和江南复合造山带(Ⅲ级分区)。依据控盆控相断裂，结合深部隐伏断裂带和地表地层出露、变形特点划分出8个三级构造单元区，按地表构造形迹的方向和变形组合样式，结合深部隐伏断裂带的发育情况划分出13个五级构造变形区[4](图1)。

贵州地层发育齐全，以沉积岩为主，自新元古界至第四系均有出露。特别是震旦纪至三叠纪海相地层层序连续，多为整合接触，岩浆岩分布较少，出露面积相对较广的为二叠纪阳新世—乐平世大陆溢流玄武岩，其余类型岩浆岩分布较为零星。

图1 贵州大地构造位置单元分区及玄武岩分布图(据中国地质志·贵州志，修编，2017)Fig.1 The geotectonic map and basalt distribution in Guizhou(From China Geology Record - Guizhou Volume，2017，revised)1—Ⅲ级分区界线 2—Ⅳ级分区界线 3—Ⅴ级分区界线 4—峨眉山玄武岩分布区 Ⅳ-4-1-上扬子地块 Ⅳ-4-2-上扬子地块 Ⅴ-3-1-华夏地块 Ⅳ-4-1-1-威宁隆起区 Ⅳ-4-1-2-六盘水裂陷槽 Ⅳ-4-1-3(1)-织金穹盆构造变形区 Ⅳ-4-1-3(2)-毕节弧形褶皱带 Ⅳ-4-1-3(3)-凤冈SN向褶皱变形区 Ⅳ-4-1-4-赤水克拉通盆地区 Ⅳ-4-2-1-兴义隆起区 Ⅳ-4-2-2(1)-册亨EW向褶皱变形区Ⅳ-4-2-2(2)-望谟NW向褶皱带 Ⅳ-4-2-3(1)-都匀SN向褶皱变形区 Ⅳ-4-2-3(2)-铜仁复式褶皱变形区 Ⅳ-4-2-4(1)-榕江开阔复式褶皱变形区 Ⅳ-4-2-4(2)-黎平紧闭复式褶皱变形区

二叠纪龙潭早期含黄铁矿的浅灰色黏土岩，主要集中分布于上扬子地块的鄂湘渝黔前陆褶皱冲断带内。二叠纪龙潭期沉积，在贵州省域各地沉积环境各异(图2)：在威宁—盘县一带形成了泛滥平原的陆相沉积(宣威组)，在遵义—贵阳—兴义一带形成了潮坪-潟湖相海陆交互相沉积(龙潭组)，在务川—余庆—荔波一带，形成了半局限台地相沉积(合山组)，紫云、册亨一带形成了台地边缘礁滩相沉积(吴家坪组)，罗甸—望谟一带为台缘斜坡-深水盆地相沉积(领薅组)[5]。

1.2 矿床地质特征

1.2.1 含矿系特征

西南地区龙潭期硫铁矿体产于其底部的高岭石黏土岩中，在茅口组灰岩侵蚀间断面上，与美国东部泥盆系海相沉积硫铁矿类似，均有明显的沉积间断[6]。该侵蚀面呈凹凸不平的波状起伏，矿层界限清楚，含黄铁矿高岭石黏土岩层顶界平直、明显。含矿层形态及规模受下伏茅口组古岩溶面的控制，一般是凹处矿厚，凸起部位矿薄。含矿层岩性主要为高岭石化基性凝灰岩、高岭石黏土岩等，另外在煤层中局部有黄铁矿发育，与四川泸州“叙永式”硫铁矿岩性相近[7]。

贵州省二叠纪龙潭期硫铁矿，在陆相(宣威组)、台缘斜坡及深水盆地相没有产出；在海陆交互相与陆相接合附近(“大龙潭组”)、半局限台地相(合山组)产出较少，品位较低；在海陆交互相的中部(“小龙潭组”)产出较多，是其主要产区，该区硫铁矿层厚度较稳定，品位为10%～20%。主要产于黔北、黔西北地区，含矿系的岩性组合具有一定规律：① 黔北地区含矿系由西向东依次为含凝灰质泥岩-泥岩-硫铁矿-煤层组合；泥岩-炭质泥岩-煤层及硫铁矿(上部为黑矿，下部为白矿)组合；② 黔西北地区含矿系主要由沉凝灰岩、凝灰岩、玄武质火山角砾岩组成，一般由上而下分为灰白色含菱铁矿鲕粒灰岩、灰白色角砾状凝灰岩、紫红色玄武质凝灰岩、浅灰色玄武质火山角砾岩、浅灰色豆状沉凝灰岩，各岩石多被黏土岩化。

图2 贵州省二叠纪龙潭期地层及硫铁矿层柱状对比图Fig.2 ColumncomparisonofstratainLongtanstageofPermianandsulfidebedsinGuizhouProvince

1.2.2 矿体特征

矿体主要呈层状、似层状产于晚二叠统煤系地层底部，产状与地层产状一致，与下伏中二叠统茅口组灰岩呈岩溶不整合接触关系。矿层厚度一般为0～6 m，局部大于8 m。矿石品位为7%～20%。矿层厚度与矿石品位呈正相关关系。

其中，黔北地区硫铁矿一般产于中二叠统茅口组第三段灰岩喀斯特不整合面上，局部整合产于茅口组第二段炭硅质灰岩或锰矿层之上[8]，黄铁矿以团块状、结核状、扁豆状、聚晶团块状产出于灰色—深灰色黏土岩及褐黑色炭质页岩中，部分地区分为上下矿层，下部为a矿层，为浅灰—灰白色黏土岩硫铁矿(俗称“白矿”)，厚0.8～4.6 m，平均厚2.04 m，矿层厚度变化系数为48.76%。上部b矿层，为灰黑、褐黑色结核状炭质页岩硫铁矿(俗称"黑矿")，厚0.62～3.59 m，平均厚1.61 m，矿层厚度变化系数47.35%。矿石品位随矿层厚度变化而变化，总体呈厚富薄贫趋势[9]。矿石成分主要为黄铁矿，次为白铁矿，少量胶硫铁矿。脉石成分主要为高岭石黏土矿物及少量玄武岩屑、方解石、石英、绿泥石、蒙脱石、水铝石、白云石、碳质及有机质等。

黔西北地区硫铁矿位于龙潭组底部，茅口组不整合侵蚀面之上，局部地区分布于峨眉山玄武岩之上(“大龙潭组”)。含矿系主要由沉凝灰岩、凝灰岩、玄武质火山角砾岩组成，一般由上而下可分为灰白色含菱铁矿鲕粒灰岩、灰白色角砾状凝灰岩、紫红色玄武质凝灰岩、浅灰色玄武质火山角砾岩、浅灰色豆状沉凝灰岩。上述岩石多被黏土岩化。硫铁矿分散产于整个含矿系中，以底部最为富集。矿体呈层状、似层状、囊状、鸡窝状等；矿体(层)厚度受地板古岩溶面控制，古岩溶面凹陷处矿层厚，凸起处厚度小，乃至尖灭。矿石成分主要为硫铁矿，偶见白铁矿、菱铁矿及黄铁矿、闪锌矿等。脉石主要为火山碎屑岩蚀变黏土类矿物高岭石、水绿泥石、水云母等，其次为陆源碎屑物及泥质、有机质等。

1.2.3 矿层厚度、品位分布规律

贵州省二叠纪龙潭期硫铁矿由于受基底喀斯特界面影响，局部厚度变化较大，在毕节王家坝矿区，矿层厚1.18～5.49 m，平均厚3.61 m；遵义三岔河矿区，矿层厚1.12～7.64 m，平均厚3.47 m；绥阳清源矿区，矿层厚0.63～2.31m，平均厚1.50 m。总体厚度变化规律：当含矿系为龙潭组时，厚度一般大于3 m；当含矿系为合山组时，矿层厚度在1～2 m之间；当含矿系为吴家坪组时，一般不产硫铁矿或硫铁矿层厚度小于0.5 m。

矿石品位受矿层厚度影响较大。在毕节王家坝矿区：TS(全硫)单个工程品位最高达16.69%，最低为10.45%，矿区平均品位为13.70%。遵义三岔河矿区：黏土泥岩型硫铁矿(a矿层)TS平均为13.36%，变化系数为14.66%；炭质页岩硫铁矿(b矿层)TS平均为13.52%，变化系数为28.86%。绥阳清源矿区：TS平均品位为14.32%。总体来说，贵州省二叠纪龙潭期硫铁矿TS品位大多在10%～20%之间，矿石品级一般为三级。矿石中TS及其他化学元素组分含量见表1。

表1 龙潭期硫铁矿石元素组分含量Table 1 Element composition of pyrite ores in Longtan stage

2 硫铁矿沉积环境

贵州省二叠纪龙潭期硫铁矿均为沉积型硫铁矿，沉积环境是影响硫铁矿发育最重要的因素。二叠纪是全球重要的发展时期，在全球范围内发生了广泛的地质事件，二叠纪期间，华南板块地处联合大陆和古特提斯洋的东部，赤道低纬度地区。华南地区在中二叠世发生了两起重要的地质事件，在早—中二叠世，冈瓦纳大陆冰川大规模消融，导致了高频率、大振幅的冰川型海平面变化和广泛分布的旋回沉积，造成晚古生代以来华南地区最大规模的海侵，在中二叠世茅口早期形成最大海泛面，发育了华南最为广泛的碳酸盐岩沉积[10]。茅口中晚期，东吴运动使得地壳区域性上升，研究区海水自西向东南迅速退出，同时贵州西部玄武岩喷溢地表，大量火山灰物质在玄武岩喷溢区周边区域沉淀，而茅口期沉积形成的灰岩大面积暴露地表遭受剥蚀，形成古喀斯特沉积间断界面。二叠纪龙潭期开始，玄武岩喷溢停止，随着地壳缓慢下降，海水开始自南向北西入侵，开始了龙潭早期的沉积(图3)。

图3 贵州省二叠纪龙潭期岩相古地理及硫铁矿床分布图(据中国区域地质志·贵州志，修编，2017)Fig.3 Distribution map of pyrite deposits and paleogeography at Longtan stage of Permian in Guizhou Province(From China Geology Record - Guizhou Volume，2017，revised)1—泥岩夹砂岩组合 2—砂岩夹泥岩组合 3—泥岩夹灰岩组合 4—灰岩夹泥岩组合 5—灰岩组合 6—灰岩夹硅质岩组合 7—礁灰岩-藻屑灰岩组合 8—灰岩-砾屑灰岩组合 9—泥岩-砂岩-火山碎屑岩组合 10—海陆界线 11—岩相界线 12—岩组界线 13—海侵方向 14—陆源碎屑搬运方向 15—硫铁矿床 FP—泛滥平原相 TF-Lg—潮坪-潟湖相 HP—半局限台地相 PE—台地边缘礁滩相 PS—台地前缘斜坡相 DB—深水盆地相

1)在册亨、望谟、罗甸、紫云一带，由于与玄武岩喷发区相邻，大量的火山灰物质随大气及地表水带入，形成了泥岩-砂岩-火山碎屑岩组合(领薅组)。

2)在紫云—惠水—凯里一线以南，形成以台地相边缘的半深水灰岩夹硅质岩组合沉积，底部仅沉积了小于1 m的黏土岩，其间几乎不含或仅含少量粉晶黄铁矿(吴家坪组)，而在务川—福泉一线以东，凯里—三穗一线以北地区，则以浅海台地相的灰岩组合沉积为主，底部沉积1～2 m黏土岩，其间含少量粉晶及黄铁矿晶体颗粒(合山组)。而在务川—福泉—惠水一线以西，正安—绥阳—湄潭—贵阳—关岭一线以东地区形成半局限海沉积相的礁灰岩-藻屑灰岩组合，底部沉积1～3 m浅灰色含硫铁矿黏土岩，硫铁矿品位一般可达8%(合山组)。

3)正安—绥阳—湄潭—贵阳—关岭一线以西，关岭—安顺—金沙—仁怀一线以东，为潟湖相灰岩、泥岩组合沉积(小龙潭组)，底部一般沉积有1～5 m黏土泥岩岩硫铁矿层；关岭—安顺—金沙—仁怀一线以西，盘县—六盘水—毕节一线以东区域，沉积潮坪相砂岩夹泥岩组合，底部沉积有1～5 m黏土泥岩岩硫铁矿层(小龙潭组)，南部区域为玄武岩上沉积0.2～2.7 m的凝灰质黏土岩或凝灰质砂岩，少部分区域产出0.2～1.5 m的含黄铁矿黏土岩(大龙潭组)。

4)盘县—六盘水—毕节一线以西区域，整个龙潭期均处于陆地，属陆相或河流三角洲相碎屑岩组合沉积(宣威组)，底部一般产出凝灰质砂岩及绿泥石铁矿，无硫铁矿层产出。

3 硫铁矿成矿模式

3.1 物质来源分析

中二叠世末期至晚二叠世早期，东吴运动使地壳抬升，贵州大部地区都经历了一定时期的沉积间断。同时，由于峨眉地幔柱的活动，贵州西部玄武岩浆大面积喷溢出地表，大量的火山碎屑在喷溢区周围一带地区下沉堆积，在大气降水或地表水的搬运下进入低洼地方沉淀下来，形成凝灰质黏土岩或凝灰质砂岩[11-12]，在搬运过程中Fe元素被水介质溶解带走，这也是凝灰质黏土岩或凝灰质砂岩含Fe量少的原因。火山喷发产生的富含Fe的微细粒粉尘和气态物质则随大气被带到远离喷口地区，随大气降水经地表流入龙潭初期海进形成的相对滞流的潟湖环境沉淀，形成含Fe沼泥，同时，大量动植物因环境变化死亡形成有机质也被滞留在潟湖沼泥中，在气候及水位升降变化环境下，水体中的氧化还原环境及酸碱度也随之变化，使沼泥中的有机质分解出H2S，与同处于沼泥中Fe元素发生化学反应，形成硫铁矿雏形。

3.2 形成机制探讨

在沉积阶段，由于水体中处于氧化环境，不利于黄铁矿生成。随着上覆沉积物日益加厚，阻止了海水中氧气的补给，沉积物中的有机质解体，分解出CO2、H2S及NH3而使原来的氧化环境转变为还原环境，有机物分解形成的H2S与同处于沼泥中的Fe发生反应，结合形成单硫铁(图4)。

化学反应式：Fe+H2S→FeS2。

单硫铁在高温高压的成岩作用条件下结晶脱水则形成了硫铁矿，如果在低温条件下则形成硫铁矿的异构体——白铁矿[13]。而现存在于硫铁矿床中的聚晶、连晶及各种集合体，则是由于成岩—后生阶段矿物重结晶作用形成。

图4 二叠纪龙潭期三岔河硫铁矿成矿模式图(根据贵州省硫铁矿资源潜力评价报告修改，2012)Fig.4 Metallogenic model map of the Sanchahe pyrite deposit in Longtan stage of Permian(From Guizhou Province pyrite resource potential evaluation report，2012，revised)1—玄武岩喷出 2—大气中铁元素迁移 3—地表铁元素迁移 4—茅口组灰岩基底 5—硫铁矿沉积 6—开阔海洋

4 结论

1)贵州二叠纪龙潭期硫铁矿主要为沉积型硫铁矿，一般作为煤共生矿产。其严格受当时的沉积环境限制：海陆交互相沉积的碎屑岩-灰岩组合区及半局限海相沉积的礁灰岩-藻屑灰岩组合区最有利于该类型硫铁矿产出；浅海台地相的灰岩组合区有含黄铁矿黏土岩产出，但一般黄铁矿含量较低，不能形成单独的硫铁矿床；陆相沉积的碎屑岩区及深海斜坡相沉积区的宣威组、领薅组无含黄铁矿黏土岩产出。

2)硫铁矿沉积基底为茅口组灰岩，在茅口组灰岩沉积时期与硫铁矿层形成时期经历了较长时间的沉积间断，含矿系厚度受基底灰岩起伏控制。

3)矿石中的Fe元素主要来源于玄武岩浆喷发，而S元素则来源于有机质分解。

4)矿物形成于沉积阶段，而矿物重结晶富集则形成于成岩—后生阶段，矿石自然类型为黏土泥岩硫铁矿和炭质页岩硫铁矿。