哈萨克斯坦小卡拉套盆地某磷矿床地质特征及成因探讨

王傲雷，夏 强

(中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，江苏 南京 210000)

磷矿主要应用于磷肥工业，联合国粮农组织预测未来几年磷肥需求量年增长率达2.19%。目前哈萨克斯坦是中亚地区最大的矿业国，磷矿资源的开发利用是哈萨克斯坦化学工业重点之一，截至2017年，小卡拉套盆地磷矿资源探明储量为22×108t，占哈萨克斯坦磷矿总储量的80%，丰富的磷矿资源为哈萨克斯坦发展磷矿业奠定了基础[1]。本文总结了磷矿床地质特征，探讨了矿床成因，提出了找矿标志，为周边地区磷矿找矿工作提供参考。

1 地质背景

小卡拉套盆地大地构造位置为北天山加里东晚期褶皱带之塔拉斯—小卡拉套冒地槽带[2]，盆地内磷矿点(床)分布较为密集[3]，多达45处，矿床规模大，矿层厚度稳定，含磷岩系赋存于下寒武统楚拉图组。

矿区位于小卡拉套盆地西北部之科克苏—乌奇巴斯背斜褶皱西北翼。区域出露地层由老至新依次为：新元古界文德系小卡罗伊岩群(V)，岩性为砂岩、粉砂岩和千枚岩等；下寒武统楚拉图组(∈1cht)，岩性为磷块岩、磷酸盐化硅质页岩、硅质岩、白云质灰岩，为区域含磷层位；中寒武统沙巴金组阿姆加段和马亚段未分(∈2am+m)，岩性为灰白色白云质灰岩和深灰色条带状泥质灰岩；上寒武统(∈3)，岩性为深灰色及灰白色白云质灰岩和大理岩化灰岩；下奥陶统(O1)，岩性为浅灰色及灰白色白云质灰岩和大理岩化灰岩；上奥陶统兰维恩组(O2e)，岩性为深灰色大理岩化灰岩、白云岩、白云石化灰岩；上奥陶统兰代洛组(O2ee)，岩性为浅灰色大理岩化灰岩和白云岩；上二叠统(P2)，岩性为砾岩、长石砂岩。地层受构造影响，产状、倾角局部变化，整体为一复式倒转背斜。区域构造形迹以断裂为主，多呈北西—南东向展布，顺层产出。区域未见岩浆岩出露。变质作用主要表现为区域变质、动力变质两种，区域变质作用多见于奥陶纪及其以前形成的地层，表现为弱千枚理，动力变质与断层有关。

2 矿床地质特征

2.1 地层

矿区出露的地层由老至新依次为：文德系小卡罗伊岩组(V)、下寒武统楚拉图组(∈1cht)、中寒武统沙巴金组阿姆格段(∈2am)、中寒武统沙巴金组阿姆格段和马亚段未分(∈2am+m)，地层倾向多为15～30°，倾角集中在40～60°，呈单斜层状展布。

文德系小卡罗伊岩组(V)：岩性为紫红色泥质粉砂岩、泥质页岩、长石石英砂岩，厚240～270m。下寒武统楚拉图组(∈1cht)：岩性为磷块岩、磷酸盐化灰岩、白云质灰岩及硅质岩，厚度约105m，与下伏文德系小卡罗伊岩组(V)呈整合接触关系。中寒武统沙巴金组阿姆格段(∈2am)：岩性为条带状白云质、泥质灰岩，厚度约180m，与下伏下寒武统楚拉图组(∈1cht)地层呈整合接触关系。中寒武统沙巴金组阿姆格段和马亚段未分(∈2am+m)，为不同颜色、粒度、结构的白云质灰岩与灰岩交替产出，与下伏中寒武统沙巴金组阿姆格段(∈2am)地层呈整合接触关系，厚度大于390m，区内未见上覆地层，局部被第四系覆盖。

2.2 构造

矿区位于褶皱一翼，主要构造形迹表现为断裂。根据断层与地层的空间关系，可分为顺层断层、横向断层和反倾断层。

顺层断层走向近平行于地层，推测为区内第一期断裂构造，一般沿走向延伸较大，对地层连续性破坏较小。横向断层走向多与地层走向斜交，推测为区内第二期断裂构造，性质多为右行走滑断层，规模较小，对区内地层在近垂直走向方向上有一定的错动。反倾断层位于矿区中东部，多沿北西西—南东东向的陡峭山坡前沿展布，地表延伸大于2km，为区内第三期断裂构造，断层面倾向南南西，倾角43～52°，性质为正断层，断距一般为15～30m，对矿层有明显错断。

2.3 矿层特征

2.3.1 含磷岩系特征

含磷岩系位于下寒武统楚拉图组(∈1cht)中上部，岩性组合为磷块岩夹磷酸盐化页岩、磷酸盐化白云质灰岩或白云岩，厚度在30～60m，走向延伸大于11km，呈层状产出，产状2～30°∠40～60°。顶板为中寒武统沙巴金组阿姆格段(∈2am)条带状泥质灰岩，底板为下寒武统楚拉图组(∈1cht)白云质灰岩。

根据化学分析结果和空间连接对比条件等，从含磷岩系中圈定出K1、K2两个磷矿层。K1位于上部，K2位于下部，两者中间为磷酸盐化白云质灰岩、磷酸盐化页岩(图2)。

图2 矿区局部地质简图

2.3.2 矿层特征

K1矿层岩性主要为磷块岩，呈致密块状、纹层状，以致密块状为主，见磷酸盐化灰岩、磷酸盐化页岩。矿层呈层状产出，受近东西向展布的第三期正断层影响，局部地段矿层被错断，断距在15～30m。矿层顶板岩性为条带状泥质灰岩，底板岩性为磷酸盐化白云质灰岩、页岩，产状与围岩产状相同，呈整合接触关系。矿层工程控制长度8 161.10m，单工程控制真厚度1.72～25.12m，平均真厚度12.04m，局部呈膨大狭缩状，整体而言，具有地表薄、深部厚，西部薄、东部厚的特点，厚度变化系数49.13%，P2O5含量15.22%～26.18%，平均含量20.58%，变化系数13.51%(图3)。

K2矿层岩性主要为磷块岩，呈条带状、致密块状，以条带状为主，见磷酸盐化灰岩。矿层顶板岩性为磷酸盐化白云质灰岩、页岩，底板岩性为白云质灰岩，产状与围岩产状相同，呈整合接触关系。矿层工程控制长度8 161.10m，单工程控制真厚度3.36～26.53m，平均真厚度11.83m，呈层状产出，具有西部薄、东部厚的特点，局部呈膨大狭缩状，在7～12勘查线之间，矿层厚度由地表至深部有减薄的趋势，厚度变化系数59.77%；P2O5含量15.00%～26.55%，平均含量19.36%，变化系数18.32%(图3)。

图3 矿区7勘查线剖面图

2.4 矿石质量特征

2.4.1 矿物组成及结构构造

磷块岩呈深灰色、灰黑色、蓝黑色，椭圆状、鲕粒状结构，块状构造，局部为条带状、纹层状(图4)。矿石矿物为胶磷矿，占比可达85%左右，脉石矿物主要为石英、长石等陆源碎屑及少量褐铁矿，占比10%左右，其余为胶结物，主要为硅质及钙质。

胶磷矿为非晶质集合体，多呈椭圆状、少量呈鲕粒状，粒径0.1～0.4mm，显均质，部分可见十字消光现象，不均匀分布，镜下呈褐色、黄色(图5)。陆源碎屑呈次圆状，粒径0.2～0.4mm，主要由石英组成，偶见长石岩屑，杂乱分布。褐铁矿呈粒状，粒径小于0.01mm，杂乱分布。胶结物主要为硅质及少量钙质，粒径小于0.05mm，胶结碎屑。

图5 磷块岩微观特征(单偏光)

2.4.2 矿石类型

矿区内磷矿石自然类型为沉积型磷块岩。全矿区平均P2O5含量为20.03%、酸不溶物含量为34.06%、CaO/P2O5比值为1.61，结合矿石的结构构造等特征，初步认为磷矿石工业类型为钙硅质混合型。

2.4.3 矿石化学成分

通过取样分析，并对剖面上单工程控制的单矿层分别进行品位厚度加权平均，对剖面间各块段体积进行加权平均，求得各矿层化学组分平均含量(表1)。矿石中P2O5为有益组分，平均含量满足一般工业指标P2O5≥15%的品位要求。有害组分为R2O3、MgO、CaO、CO2。伴生元素I的全矿区平均含量为8.07×10-6，Fe2O3、FeO的全矿区平均含量为2.27%，两者在磷矿加工时，均无法综合回收。

表1 各矿层化学组分平均含量一览表

3 矿床成因

3.1 古地理环境

小卡拉套盆地含磷岩系产出于下寒武统楚拉图组中上部，其顶板岩性为条带状泥质灰岩，底板岩性为白云质灰岩，走向延伸较长、厚度较大，沉积范围较广、岩性及岩相比较稳定，地层成层有序，磷矿成矿受古构造、古地理环境及正常海水的化学成分的制约[4-5]。

矿区位于小卡拉套盆地西北部之科克苏—乌奇巴斯背斜褶皱西北翼，含磷岩系与区域磷矿产出特征基本相同。K1矿层位于含磷岩系上部，磷块岩构造为致密块状，偶见纹层状，反应成矿作用以生物化学沉积为主；K2矿层位于含磷岩系下部，磷块岩构造为条带状、致密块状，以条带状为主，反应成矿作用以化学沉积为主[6]。含磷岩系沉积结构分为碎屑岩系、碳酸盐岩与黑色岩系两类，具有黑色硅质岩—白云质灰岩—磷块岩—碳酸盐岩(页岩)—磷块岩的特征[7]，反应的沉积环境为大陆边缘浅海相之浅海—潮下半封闭环境相互交替。

3.2 成矿物质来源

从全球范围而言，前寒武纪—寒武纪过渡期的生命大爆发，是地球演化进程中海水的磷酸盐浓度不断增高累积的结果，当海水中溶解的磷酸盐浓度超过临界值时，全球范围发生大规模的海相磷块岩沉积[8-9]。前人曾对小卡拉套盆地磷块岩矿石中的磷酸盐球粒成因进行研究，认为文德—寒武纪时期小卡拉套古地理环境为相对低能的浅水环境，即为氧—硫化氢界面的含氧水，其有利于细菌—藻类大量繁殖及磷的积累，当环境变为近岸的富氧水体时，死亡的细菌—藻类释放出原先溶解的磷，为磷酸盐的富集累积提供了条件[10]。

3.3 矿床成因

矿区在寒武纪相对低能的浅水古地理环境下，大量繁殖的细菌—藻类积累了丰富的磷，随着环境的变化，原先溶解的磷从死亡的细菌—藻类中释放，海水中磷酸盐浓度不断积累增高，当磷酸盐达到过饱和状态时，在有利地段磷质富集[11]，受海水扰动，围绕磷质形成鲕粒、团粒状沉淀而形成矿床。磷矿成因类型为大陆边缘浅海相沉积磷块岩矿床。

3.4 找矿标志

下寒武统楚拉图组(∈1cht)为直接找矿标志；含磷岩系的底板岩性为白云质灰岩、硅质岩，岩石相对而言抗风化能力较强，散布于北西西—南东东向陡峭山坡的灰黑色、蓝黑色磷块岩转石为区内找矿的间接标志。

4 结论

(1)矿区含磷岩系与小卡拉套盆地含磷岩系特征基本相同，沉积结构具有黑色硅质岩—白云质灰岩—磷块岩—碳酸盐岩(页岩)—磷块岩的特征，属下寒武统楚拉图组。

(2)磷矿石自然类型为沉积型磷块岩，主要矿物为胶磷矿，工业类型为钙硅质混合型。矿层厚度、延伸规模大，蕴藏的资源量大，磷矿平均P2O5含量为20.03%、酸不溶物含量为34.06%、Fe2O3＜3%，基本满足制作黄磷、磷酸的要求。

(3)矿床成因类型为大陆边缘浅海相沉积磷块岩矿床，成矿物质来源与前寒武纪—寒武纪过渡期的生命大爆发有直接关系。