陕南天台山磷锰矿地质特征及成因分析

钱赵伟，李金旺，李树雷

(1. 中冶一局城市安全与地下空间研究院有限公司，北京 101100； 2. 咸阳西北有色七一二总队有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 前 言

陕西南部是我国主要的磷、锰矿成矿带，该成矿带西起甘肃文县的沟岭子，东到陕西汉中的天台山，规模巨大，20世纪60年代以来，在该成矿带先后发现了天台山大型磷锰矿、略阳金家河磷矿、勉县茶店磷矿等[1]。该成矿带地质构造复杂多变，主要位于秦岭褶皱系南缘与扬子地块的过渡带上，以陆源碎屑—碳酸盐岩建造为主的海相浅变质沉积型磷、锰矿床。学者普遍认为天台山磷、锰矿成矿地层时代为震旦纪陡山沱期[2-5]。在总结前人研究的基础上，以天台山磷、锰矿为研究对象，分析矿床地质特征及成因条件，达到找矿预测目的。

1 区域地质背景

天台山磷、锰矿地处扬子地块北侧，秦岭褶皱系南侧，松潘—甘孜褶皱系东侧，属三者交会部位，勉略锰成矿带东段南缘(图1)，为我国传统2大成磷区的华北成磷区(寒武纪)南缘成磷带、扬子成磷区(震旦—寒武)陕鄂成磷带的组成部分[2]。区内地层由基底和盖层组成，基底为太古界—元古界岛弧火山—沉积岩系；盖层主要为元古界—古生界碎屑—碳酸盐岩沉积，少量中生界侏罗系和新生界碎屑沉积[1-2]。

1.华北地台；2.秦岭褶皱系；3.扬子准地台；4.松潘—甘孜褶皱系；5.勉略锰成矿带；6.摩天岭锰成矿带；7.巴山锰成矿带；8.黎家营

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质

矿区分布于乱石礁复背斜的南翼中段，构造比较复杂，褶皱断裂较发育，灵官垭背斜和天台山复向斜为矿区的主体构造，构造线走向北东方向[1-2]。区内岩浆岩不甚发育，仅有元古代中性侵入岩和少量华力西期基性侵入岩及印支期酸性侵入岩。矿区出露最老地层为前寒武系火山喷发—沉积岩系，上覆地层为寒武系下统及石炭系下统，由陆源碎屑岩及碳酸盐岩组成[1]。

下寒武统塔南坡组是矿区内磷、锰矿的含矿层位，根据岩性分为3个岩段，总厚0～174 m(图2)。第一岩段，下部由炭质千枚岩、炭质绢云石英片岩及含锰白云岩组成，上部为磷块岩矿层，总厚0～65 m；第二岩段，是锰矿体的赋存层位，岩性以含锰白云岩为主，下部夹锰矿层，厚度0～24 m；第三岩段，岩性主要为薄—中厚层状白云岩，灰色—青灰色，微晶—隐晶结构，块状及层纹状构造，以含锰低或不含锰及夹白色钙质石英岩条带或硅质条带为特征。

图2 塔南坡组含矿地层柱状对比

2.2 矿体地质特征

1)磷矿体地质特征

磷矿体赋存于寒武系下统塔南坡组第一岩段上部的炭质千枚岩(片岩)，是锰矿体的直接底盘，分布于灵官垭背斜的南北两翼。PⅡ-2矿体为主要的磷矿体，占保有资源量的78.7%，矿体长1 950 m，控制矿体最大垂深745 m，矿体平均厚度7.49 m，w(P2O5)为11.41%～27.09%，均值为18.12%，属均匀型。

2)锰矿体地质特征

锰矿体赋存于寒武系下统塔南坡组第二岩段含锰白云岩的底部，是磷矿层的顶板，分布于塔南坡矿段灵官垭背斜的北翼。分布范围大致和磷矿体一致，产状和磷矿体基本相同。矿体呈层状或透镜状产出，层位稳定。出露长3 514 m，分为上、下2层，分别统称MnⅠ(分为5个矿体)、MnⅡ(分为3个矿体)。MnⅠ直接位于磷矿层之上，或被0.17～10.48 m的含锰白云岩、夹磷条炭质千枚岩(片岩)隔开，连续性较好；MnⅡ矿体位于MnⅠ矿体之上的含锰白云岩中，相距0.37～7.22 m，连续性较差。w(Mn)为12.28%～37.68%，均值为18.75%，均为高磷锰矿体，w(P)/w(Mn)均大于0.06，经过焙烧后可直接作为锰铁的原料使用。

3 地球化学特征

3.1 含磷矿石元素特征

磷块岩中MgO、Al2O3、Fe2O3、酸不溶物(H·O)含量较高，P2O5含量较低，矿层中部P2O5含量比底部和顶部稍高，P2O5和酸不溶物呈负相关，P2O5含量高时酸不容物含量低，P2O5低则酸不溶物高。矿石中普遍含锰，特别是矿层中顶部条带状泥硅质磷块岩中Mn含量高，w(Mn)为0.06%～6.74%。w(CaO)、w(MgO)、w(CO2)、w(CaO)均值为26.31%，大部分存在于胶磷矿、磷灰石中，少量存在于白云石和方解石中，其含量和P2O5成反比；w(MgO)平均值为2.62%，MgO主要存在于白云石中，w(CO2)为4.98%。这些成分都是磷矿石中的有害组分，会影响磷矿石的直接利用。磷块岩矿石化学组分含量见表1。

表1 磷块岩矿石化学组分含量 %

3.2 碳酸锰矿石化学元素特征

矿石中有益组分Mn、TFe含量均低，二者比值为11.35%，属单金属锰矿石。有害组分P2O5含量较高，w(P)/w(Mn)为0.053%，w(CaO+MgO)/w(SiO2+Al2O3)为1.71，w(CaO)/w(SiO2)为1.43，属碱性矿石。碳酸锰矿石化学元素特征见表2。

表2 碳酸锰矿石化学元素特征 %

1)Mn：是矿石中主要有益组分，w(Mn)为12.85%～23.95%，锰主要存在于锰白云石中，少部分存在于硫锰矿及锰铝榴石中，上层矿品位(19.53%)略高于下层矿品位(18.06%)；矿体中部较富，向边部逐渐变贫；锰含量较稳定，变化系数MnⅠ-1矿体为12.59%，MnⅡ-1矿体为15.45%。

2)TFe：锰矿石中铁主要赋存于黄铁矿中，w(TFe)为0.43%～3.33%，碳酸锰中w(TFe)较低，变化较小，变化系数为14.86%。沿剖面方向变化特点是：MnⅠ-1矿体中部含量低，上下部含量高，与w(Mn)呈负相关；MnⅡ-1矿体中部含量较高，上下部含量较低，与w(Mn)呈正相关。

3)P2O5：是矿石中主要的有害组分，以尘点状胶磷矿及磷灰石的形式产出。含量变化大，w(P2O5)为0.16%～8.05%，主矿体P2O5变化系数为39.04%。沿走向上的特点：MnⅠ-1矿体w(P2O5)较高，中部高于边部，西段高于东段，与w(Mn)呈正相关；MnⅡ-1矿体P2O5含量较低，且十分稳定。沿剖面线方向的变化是：MnⅠ-1矿体含量较高，下部高于中上部；MnⅡ-1矿体含量低，变化稳定。

4)S：以金属硫化物形式存在于黄铁矿和硫锰矿中，含量变化较大，在MnⅠ中w(S)为2.93%，分布不均匀变化大，变化系数为60.54%，在MnⅡ中含量2%,分布较均匀，变化系数为17.96%。

5)碳酸锰矿石造渣组分主要有SiO2、Al2O3、CaO、MgO。以SiO2和CaO为主，其碱度w(CaO+MgO)/w(SiO2+Al2O3)为1.23～1.88，炉渣碱度w(CaO)/w(SiO2)为1.19～2.17，属碱性矿石。矿石中w(CaO)、w(MgO)、w(Al2O3)、w(SiO2)比较稳定，和w(Mn)呈负相关，4个造渣组分间呈正相关。

4 成矿地质条件分析

4.1 磷锰矿成矿环境分析

根据杨绍许等[4]研究认为，天台山磷、锰矿离析沉积成矿环境主要受pH和Eh的控制，磷酸盐沉淀的 pH为7.6～8.5，Eh为0.1～0.3 V，为弱碱性弱还原环境，而Mn2+的溶解、富集和沉淀需要在一个还原缺氧的物理化学沉积介质环境中才能实现。w(V)/w(Cr)的比值常可以识别沉积环境氧化还原条件，w(V)/w(Cr)<2.0指示富氧沉积环境，2.0≤w(V)/w(Cr)≤4.25指示次氧化沉积环境，w(V)/w(Cr)>4.25 指示缺氧沉积环境[6-7]。天台山磷锰矿石的w(V)/w(Cr)为1.53～4.68(表3)，因此天台山磷、锰离析沉积成矿总的物理化学环境是由弱酸性到弱碱性再到碱性，由氧化到还原，成矿pH的范围为7.5～8.47和8.48～9.1。成矿期热水的参与不仅带入大量的锰质，也带入一定的挥发物H2S、CO2。磷锰矿石微量元素统计见表3。

表3 磷锰矿石微量元素统计 ×10-6

磷锰矿石中w(SiO2)远高于现代洋底3.1%的含量[6]，SiO2的沉积需要有低温﹑低压﹑中酸性和富含阳离子Si饱和溶液等条件[7]。由此推断，天台山磷锰矿石中SiO2可能与富含阳离子Si饱和溶液的低温上升洋流有关。磷锰矿石中Sr、Ba含量较高，由于正常海水中Ba的含量一般在20 × 10-6以内[8]，磷锰矿的富集可能和生物成矿作用有关。沉积成因的岩石w(Sr)/w(Ba)通常大于1[9]，天台山磷锰矿石的w(Sr)/w(Ba)范围为0.75～2.68，显示较大的变化范围，表明矿石的形成可能有热液活动的参与。

4.2 矿床成因

矿区大地构造位置，处于康县—略阳华力西褶皱带东段南缘，南与扬子准地台汉南古陆相接[10-11]。根据地层的年代可知成矿时代为早寒武世。磷、锰矿体均呈层状产出，其分布受层位和岩性控制。磷矿石的结构有粒屑结构，构造具有条带状、薄层状构造，反映了沉积岩的特征；锰矿石的结构有隐晶结构、微晶结构和球粒结构，构造有块状构造、层状构造、叠层状构造及胶状构造，同时也反映出沉积岩的特征。

磷锰的矿含矿建造为黑色炭质千枚岩(片岩)—磷块岩—含锰白云岩—锰质岩—白云岩建造。磷矿呈稳定的层状位于旋回的下部；锰矿产于该建造的中部的含锰白云岩中。磷矿和锰矿均呈层状平行产出，分布受层位和岩性控制。磷矿石具有的变余粒屑结构、交代结构、包含结构，反映了变质作用的的特点；锰矿石具有的晶粒结构、球粒结构、交代结构及固溶体分解结构，反映了变质作用的重结晶特点。磷矿体赋存的岩性由炭质千枚岩及炭质片岩等组成，泥质变为绢云母，局部的钠长石化和磷矿石的脱炭、褪色均是后期变质作用的结果。所以磷矿成因为浅海相沉积变质层状磷块岩矿床；锰矿成因为浅海相沉积变质型碳酸锰矿床。

5 结 论

1)矿体主要富集于下寒武统塔南坡组，磷、锰矿石的主要赋矿岩石不同，磷矿的含矿岩性为黑色炭质千枚岩(片岩)，锰矿的含矿岩性为含锰白云岩。w(V)/w(Cr)变化范围为1.53～4.68，反映了二者是在不同的氧化—还原沉积环境中发生分离而单独沉积的。

2)天台山磷锰矿富SiO2、CaO、P2O5，其中w(SiO2)为12.29%～29.0%，w(CaO)为17.64%～26.31%，w(P2O5)为0.16%～26.75%，SiO2来源可能与富含阳离子Si饱和溶液的低温上升洋流有关。w(Sr)/w(Ba)变化范围为0.75～2.68，显示较大的变化范围，表明矿石的形成可能有热液活动的参与，为热水沉积环境。

3)磷矿成因为浅海相沉积变质层状磷块岩矿床；锰矿成因为浅海相沉积变质型碳酸锰矿床。