莲花山矿段磷矿石P2O5与F的相关性研究

徐少康 王磊 王宇 刘辰炯

中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

莲花山磷矿位于湖北省钟祥市胡集镇西南方向7.5km 处，矿区面积11.9km2，属大型生物化学沉积型磷矿，伴生一定量的氟。徐少康等（2012～2018）对邻区同类型王集磷矿矿石类型及地球化学特征、莲花山矿段磷矿体、矿物成分、矿石品位与密度的相关性等进行了研究[1-6]，刘力生等（2017）对莲花山矿段含磷岩系稀土元素特征进行了论述[7]。本文在以往研究基础上，通过对化学分析、X 光粉晶衍射以及能谱分析数据的综合处理，对磷矿石P2O5与F 的相关性及原因进行了专项研究分析，对同类型矿床成因研究、地质找矿及氟资源量估算有重要意义。

1 矿床概况

本区为生物化学沉积型磷矿聚集区，简称荆襄磷矿，主要发育有胡集和朱堡埠两个磷矿床。胡集磷矿规模为大型，延伸约27km，分为7 个矿段，自北向南为：牛心寨矿段，王集矿段，龙会山矿段，大峪口矿段，放马山矿段，熊家湾矿段及莲花山矿段。莲花山矿段位于放马山矿段和熊家湾矿段的南西侧，是二矿段的深部延伸部分（图1）。

图1莲花山矿段交通及大地构造位置简图 Fig.1 Simplified map of traffic and tectonic location of Lianhuashan ore block

1.1 矿区地层

矿区发育地层最老的为中元古界崆岭群（Pt2k），最新的为第四系（Q）。

中元古界崆岭群（Pt2k），厚度大于500m，为本区沉积岩系的基底，主要岩性组合为：黑云（绿泥）斜长片麻岩，黑云（绿泥）花岗片麻岩，局部见石英岩。

下震旦统陡山沱组（Z1d），平均厚度136m左右，主要岩性组合为：白云岩，硅质白云岩，含磷白云岩以及磷块岩等。根据接触关系，进一步分为上、下两段，两段之间为平行不整合接触；据岩性组合及沉积旋回特征，下段进一步分为五个亚段，上段进一步分为六个亚段[3]。

上震旦统灯影组（Z2dn），平均厚度401m 左右，主要岩性组合为：白云岩，燧石条带白云岩，花纹状白云岩，（假）鲕状白云岩，含磷白云岩等。据沉积旋回及岩性组合特征进一步分为上、下两段，下段进一步分为两个亚段，上段进一步分为五个亚段[3]。

寒武系和奥陶系（Є-O），平均厚度668m 左右，主要为白云岩，次为灰岩和泥岩等。

第四系（Q），厚度一般几十厘米至十余米，主要为松散的砂砾石粘土沉积。

1.2 矿区构造

矿区构造形式主要为褶皱和断裂。

褶皱主要有两条褶皱：滴水崖背斜和张家冲向斜，两条褶皱轴线平行，均呈北北西-南南东向，均为正常褶皱，两翼倾角一般13°～45°[3]。

断裂有两个期次。第一期次断裂破碎带已固结为断层角砾岩，第二期次断裂破碎带未固结[3]。

1.3 含磷层位

陡山沱组含磷层位有4 个，简称为Ph1、Ph2、Ph3和Ph4。Ph1和Ph3是主要含磷层位、形成了主要工业矿体和低品位矿体，Ph2仅局部形成小规模矿体，其它含磷层位仅有矿化、未形成矿体[3]。

1.4 矿体及矿石质量特征

矿区存在15 个矿体，其中6 个工业矿体，6个低品位矿体，3 个小规模矿体。主要工业矿体，沿走向延伸1409～1964m，沿倾向延伸1468～2099m，平均厚度3.82～6.42m[3]。

矿石类型主要为条带状磷块岩和薄层状磷块岩，局部见块状磷块岩。Ph1矿石，矿物成分主要为胶磷矿和磷灰石，次为白云石，少量石英、方解石、金红石、粘土矿物、长石、白云母及有机质。Ph3矿石，矿物成分主要为磷灰石和胶磷矿，次为白云石、石英和有机质，少量方解石、锆石、粘土矿物、长石、白云母及黄铁矿。Ph2矿石，矿物成分主要为磷灰石和胶磷矿，次为白云石，少量方解石、石英、蛋白石、金红石及有机质。除上述共生矿物外，三个层位的矿石，均含微量陆源碎屑矿物，有机质量不高但普遍存在。Ph1和Ph3矿石局部可见后期细脉状矿物[4]。

查明磷矿石资源量8700×104t，伴生氟资源量280×104t，矿床规模属大型，氟具有重要综合利用价值。

2 矿石P2O5 与F 的相关性

2.1 样品的选取

选取样品160 件，均采自钻探工程岩心，新鲜未风化。其中，Ph1矿石100 件，Ph3矿石52 件，Ph2矿石8 件。P2O5含量12.52%～35.63%，平均21.17%；F 含量0.78%～2.96%，平均1.81%（表1）。样品具良好代表性。

表1 莲花山矿段磷矿石P2O5 和F 含量数据 Table 1Content data of P2O5 and F of phosphorus ores in Lianhuashan ore block

续表1

2.2 矿石P2O5 与F 含量的相关性

2.2.1 矿石P2O5与F 呈明显正相关性

以表1 中P2O5和F 含量数据为座标，在直角座标系中所投点的分布状况见图2。

图2 莲花山矿段磷矿石P2O5 与F 含量相关性图 Fig.2Relation of P2O5 and F Content of Phosphorus Ore in Lianhuashan ore block

所投的点集中分布，分布区形态具明显线性特征，P2O5和F 含量的相关系数为0.92，表明二者明显正相关。用最小二乘法拟合的数学模型为[8]：

式中，y 为F 含量%，x 为P2O5含量%。

在0.01 显著性水平下，相关系数的临界值小于0.254[8]。P2O5与F 含量的相关系数为0.92，远大于临界值0.254，表明P2O5与F 含量正相关十分显著。

2.2.2 矿石P2O5与F 相关性原因分析

矿石矿物主要为胶磷矿和磷灰石，次为白云石和石英，其它矿物少量（表2）。胶磷矿是粒度极细的磷灰石，化学成分显示磷灰石氟含量较高（表3），实质为氟磷灰石，有机质局部含少量F（表4），其它矿物中不含氟[4]。以氟磷灰石为主的矿物组合特征是P2O5与F呈显著正相关性的原因。莲花山磷矿属生物化学沉积型磷矿，成矿过程大致为：成矿介质为源于秦岭海槽深部富磷硅的热水，温差驱动使其从海底上升到海面，又被后期的海侵洋流推向大陆边缘；温度降低导致成矿介质密度升高，使其就位于水下盆地中。成矿介质运移过程中，受到海水的混染，海水中的钙、镁、碳及氟进入其中。压力降低导致CO2溢出，微生物作用使部分碳形成有机质，从而使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，导致磷酸盐饱和、磷灰石快速结晶析出成矿。在上述过程中，成矿介质中的氟仅有少量进入有机质中，多数进入磷灰石晶格，成矿过程中磷与氟是同步富集的。

表2 莲花山矿段磷矿石X 光粉晶衍射测试矿物含量 Table 2X-ray powder diffraction determination of mineral content of phosphate ores in Lianhuashan ore block

表3莲花山矿段磷矿石胶磷矿和磷灰石化学成分 Table 3Chemical compositions of collophane and apatite of phosphate ores in Lianhuashan ore block

表4莲花山矿段磷矿石有机质化学成分 Table 4Chemical composition of organic matter in phosphate ores in Lianhuashan ore block

3 结论及意义

通过对莲花山矿段磷矿石P2O5和F含量数据的处理，并结合X 光粉晶衍射和能谱分析数据等资料的综合分析，表明了莲花山矿段磷矿石P2O5与F 含量呈显著的正相关特征，其相关性数学模型为y=0.09x-0.17。据此分析得出F 主要赋存于磷灰石中的结论。这一结论的意义在于：

(1)为地质找矿提供了新手段。在地质找矿工作中，如果出现氟异常，则预示可能存在磷矿层。

(2)提供了氟资源量估算的新思路。在估算氟资源量时，应考虑不同矿体P2O5品位，以使估算结果尽可能接近实际情况。

(3)对氟的综合利用提供了重要依据。氟主要用于制造氢氟酸，具有重要工业利用和经济价值。与磷矿伴生的氟是我国氟资源的重要类型之一，由于技术等原因，我国磷块岩矿床中伴生的氟资源尚未完全回收利用，在矿石加工过程中大量流失。氟在磷矿石加工过程中进入气相，其流失不但浪费资源、更存在环境污染风险，综合回收利用势在必行。查明氟的赋存状态及其与磷的关系，是综合回收氟的必要前提，因此，研究结论为磷矿石加工过程中氟的综合回收提供了重要依据。

(4)据P2O5与F 关系的数学模型，在P2O5与F 之间可以进行快速计算，及时为有关工作提供依据。

(5)同类型矿床有重要的借鉴意义。