鄂西王家坝一带白垩系含锗岩系地质特征及找矿意义

向 萌， 吕 登， 陈松林， 卢金祥， 肖蛟龙

(1.湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100; 2.湖北省地质勘查基金管理中心，湖北 武汉 430071)

锗(Ge)是一种稀散金属元素，具有亲石、亲硫、亲铁、亲有机质等地球化学性质[1]。锗在地壳中的平均含量约为0.000 7%，在自然界主要呈分散状态赋存于煤矿、铅锌矿、铜铁矿中作为伴生组分，一般情况下很难独立成矿[2]。全球锗资源较为贫乏，中国的锗资源约占全球储量的41%，却供给全球71%的产量，与稀土资源状况类似[3-4]。当前，中国、美国、欧盟等国家和组织均把锗列为战略性矿产之一，其关键性、战略性作用不言而喻，因此加强锗资源勘查和科研工作具有很强的现实意义。

早在20世纪50年代末，就有地勘单位开始在宜昌地区开展锗矿找矿工作[5-8]，认为锗矿主要赋存于白垩系含沥青泥质粉砂岩中。但前人工作仅限于地表踏勘、矿点检查程度，缺乏系统性调查和研究。本次以宜昌市点军区王家坝一带的白垩系含锗岩系为研究对象，解析其地层结构、沉积相与沉积环境，浅析锗富集特征与找矿潜力，为该区部署进一步锗矿勘查工作提供依据。

1 区域地质背景

研究区地处上扬子陆块鄂中褶断区南部，黄陵断穹南东部和天阳坪逆冲断裂带北东侧(图1-a)。黄陵断穹核部主要由中太古代—古元古代变质杂岩和新元古代中—酸性闪长岩、花岗岩组成，其南东翼主要发育南华系—志留系、白垩系，泥盆系—侏罗系缺失。晋宁期造山运动后，该区转化为稳定的陆块环境，进入沉积盖层发展阶段，依次发育南华系莲沱组—南沱组冰海相冰碛砾泥(粉砂)岩，震旦系陡山沱组—灯影组浅海相白云岩、粉砂质泥岩，寒武系牛蹄塘组—娄山关组海相白云岩、灰岩夹粉砂岩、泥岩，奥陶系南津关组—龙马溪组浅海相灰岩夹泥岩，志留系新滩组—纱帽组海相石英杂砂岩、泥质粉砂岩，白垩系石门组—跑马岗组内陆断陷盆地相砾岩、砂岩、粉砂岩。

区域构造形迹主要为印支期—燕山期构造活动形成的褶皱和断裂。褶皱主要为黄陵断穹和长阳复背斜。黄陵断穹为一短轴背斜构造，轴向NNE，具典型的双层结构，即前震旦系变质基底上覆震旦系—二叠系沉积盖层。长阳复背斜轴向NWW，核部出露南华系—震旦系，两翼由寒武系—二叠系组成，核部开阔，两翼平缓(倾角15°左右)，发育一系列次级褶皱。断裂主要为NWW向的天阳坪断裂带，位于长阳复背斜北翼，由两条大致平行且相距很近的大断层与众多小断层组成，断层纵切于白垩系与古生界之间，使南侧古生界推覆于白垩系之上。

图1 区域地质和研究区地质简图Fig.1 Generalized map of regional geology and study area

2 含锗岩系特征

研究区主要出露白垩系下统石门组、五龙组(K1w)(图1-b)，岩性以浅灰色—砖红色砾岩、灰黄色细砂岩、砖红色—灰绿色泥质粉砂岩为主(图2)，呈角度不整合超覆于古生界之上，或呈断层接触伏于古生界之下。区内含锗岩系为五龙组二段(K1w2)，为一套含钙质砾岩—含砾细砂岩—泥质粉砂岩组合，地层倾向140°～150°，倾角7°～12°。五龙组自下而上的岩性特征如下。

图2 研究区实测地质剖面图Fig.2 Measured geological profile of study area

五龙组一段(K1w1)：厚94.80 m，岩性为砖红色厚层—块状泥质粉砂岩，层理不发育(图3-a)。碎屑的成分主要为石英(36%)，粒径0.06～0.20 mm，分选较好，磨圆度较差，以次棱角状为主，无定向性；胶结物主要为纤片状水云母、高岭石等黏土矿物(42%)和碳酸盐矿物(15%)，含少量铁质(4%)、白云母(2%)、长石(1%)等。

五龙组二段(K1w2)：可细分为3个岩性层。

第一岩性层(K1w2-1)：厚0.59～17.82 m，岩性为浅灰色块状砾岩夹砖红色厚层状泥质粉砂岩。砾岩的砾石成分主要为砂岩、灰岩和少量燧石，粒径0.2 cm×0.3 cm～4 cm×5 cm，分选中等，磨圆度较好，呈次圆—浑圆状，无方向性，为颗粒支撑、孔隙式胶结；胶结物主要为碳酸盐矿物和硅质。泥质粉砂岩主要由黏土矿物、石英和碳酸盐矿物组成，可见水平层理。

第二岩性层(K1w2-2)：为锗矿赋矿层位。厚0.98～15.46 m，岩性为灰绿色薄—中层状(含沥青)泥质粉砂岩夹块状砾岩、砂岩。泥质粉砂岩中碎屑的成分主要为石英砂屑(40%～45%)和碳酸盐岩岩屑(15%)，分选中等，粒径介于0.05～0.3 mm，呈次棱角—次圆状；胶结物主要为碳酸盐矿物(30%)和少量白云母、绿泥石等。可见黑色沥青呈条带状、叶片状两种形态产出：条带状沥青顺层展布或与层理呈低角度相交(图3-b)，一般厚1～2 cm，最厚达4 cm，条带间隔0.7～2 cm；叶片状沥青顺岩层面不均匀展布(图3-c)，大小0.2 cm×0.4 cm～2 cm×2 cm，分布面积占比约6%～8%。锗赋存于沥青中，沥青可直接手选。

第三岩性层(K1w2-3)：厚141.56 m，岩性为浅灰色块状砾岩，局部夹砖红色厚层状泥质粉砂岩(图3-d)。砾岩的砾石成分主要为砂岩、灰岩和少量燧石，粒径0.2 cm×0.2 cm～5 cm×5 cm，分选中等，呈次圆—次棱角状，为颗粒支撑、孔隙式胶结。

五龙组三段(K1w3)：厚48.40 m，岩性为砖红色厚层—块状泥质粉砂岩，局部夹浅灰色薄—中层状细砂岩。泥质粉砂岩层理不发育，主要由石英和黏土矿物组成，含少量白云母；其碎屑分选较好，磨圆度较差，以次棱角状为主，无定向性。细砂岩可见水平层理。

五龙组四段(K1w4)：厚91.80 m，岩性为浅灰色块状砾岩，局部夹砖红色中层状含砾砂岩、泥质粉砂岩和厚层状砂岩。砾岩的砾石成分以灰岩、砂岩、燧石为主，粒径0.2 cm×0.2 cm～5 cm×10 cm，呈次棱角—次圆状，弱定向排列，为颗粒支撑、孔隙式硅质胶结。

五龙组五段(K1w5)：厚度>250 m，下部为砖红色厚层状泥质粉砂岩，层理不发育，主要由石英、黏土矿物和少量云母组成，偶见钙质细砂岩结核；上部为浅灰色厚层状砾岩与砖红色厚层状泥质粉砂岩互层，局部夹砖红色厚层状含砾砂岩，砾岩的砾石粒径0.2 cm×0.2 cm～5 cm×9 cm，呈次棱角—次圆状，为颗粒支撑、孔隙式砂质胶结。

a.五龙组一段泥质粉砂岩与二段底部砾岩界线清晰；b.五龙组二段泥质粉砂岩，含锗沥青呈条带状；c.五龙组二段泥质粉砂岩，含锗沥青呈叶片状；d.五龙组三段泥质粉砂岩图3 五龙组野外照片Fig.3 Field photos of Wulong Formation

3 沉积相与沉积环境

3.1 沉积相划分

研究区白垩系受燕山期幕式构造运动的影响，在早白垩世阜新期，黄陵断穹东部地区从早期挤压环境转换为伸展拉张环境，沉积了一套冲积扇相红色碎屑岩系，依次可划分为扇根亚相的石门组和扇中亚相的五龙组[9-10]。根据岩性组合、沉积构造和镜下特征，将研究区五龙组分为辫状水道微相、漫溢微相两个沉积微相。辫状水道微相在平面上呈放射状散开，是扇根主水道的延伸或分支[11]，进入扇中区域则在地貌的影响下逐渐汇聚下切形成辫状水道，沉积物以砾岩为主，多为块状或厚层状，底部常发育冲刷面。漫溢微相发育在辫状水道间相对高的部位，以细粒悬浮负载沉积为主[12]，多为砖红色、灰绿色和杂色粉砂岩、细砂岩，层理不发育，与辫状水道呈相变关系或互层出现。

根据剖面测量和钻孔揭露情况，绘制了研究区五龙组地层柱状图(图4)，在垂向上，五龙组发育至少4个辫状水道—漫溢微相沉积旋回，两微相在剖面上呈现相间沉积特点。含锗岩系(五龙组二段第二岩性层)属漫溢微相，严格受沉积相控制，表明水动力相对较弱时有利于碎屑和有机质沉积，从而促进Ge的富集。

根据研究区施工的钻孔，绘制了含锗岩系走向方向的柱状对比图(图5)，在地层走向上，五龙组二段第一岩性层(辫状水道微相)与第二岩性层(漫溢微相)在走向长约5 km范围内均呈透镜状，研究区中部为透镜体中心，分别向北东和南西收敛。含锗岩系厚度随下伏砾岩层厚度增大亦增大，即在水道发育部位因其水流能量大，物质来源及空间均较为充足[10]，有利于洪漫沉积。

3.2 沉积环境分析

研究区位于黄陵断穹与江汉盆地之间的宜昌斜坡，自北西部抬升并遭受剥蚀的黄陵断穹，向南东延伸而倾伏于江汉盆地，南西以天阳坪断裂带为界，北东以通城河断裂为界，在区域上依次发育了一套白垩系砾岩—含砾砂岩—细砂岩—粉砂岩的正粒序沉积[13]。区内五龙组(K1w)为一套冲积扇相扇中亚相沉积，但并不具正粒序沉积建造，表现为辫状水道微相粗砾岩层与漫溢微相泥质粉砂岩层相间的沉积特点。由此推测，早白垩世本地区处于山前洼地，水体活动频繁，冲积扇发育，地貌经多期流水冲刷叠加改造形成辫状水道，并至少经历过4次较大的洪泛事件，其中在五龙组二段第二岩性层(K1w2-2)沉积时期携带了丰富有机质，随着洪水退却、水位变浅，富含有机质的沉积物处于暴露的半干旱环境下[14]，发生蒸发凝固而形成天然沥青。程龙等[15]研究认为，五龙组(K1w)中沥青的反射率为0.41%～0.79%，热变指标为2.7，类型为腐殖型，饱和烃/芳烃比值为1.24，这些特征与江汉盆地凹陷区白垩系中原油的光谱图相似，也与邻区秭归向斜三叠系中统巴东组油沥青、原油的族组分特点相同，属石油系列的演化产物。

图4 五龙组沉积相划分及地层柱状图Fig.4 Sedimentary facies division and stratigraphic histogram of Wulong Formation

图5 含锗岩系走向柱状对比图Fig.5 Columnar comparison diagram of germanium-bearing rock formation in strike direction

为了解沥青成岩成矿过程中流体性质变化过程，采集不同类型的含锗岩石样品开展沥青C、O同位素测试。样品测试由湖北省地质局第四地质大队实验室完成，采用质谱法进行检测，测试精度优于0.02‰，δ13C、δ18O均以PDB为标准。测试结果(表1)显示，无机碳δ13C为-3.29‰～-1.71‰，平均值为-2.59‰；有机碳δ13C为-21.05‰～-18.76‰，平均值为-20.23‰；δ18O为-8.54‰～-7.19‰，平均值为-8.01‰。无机碳δ13C与δ18O相关系数为0.61，且δ18O波动范围较小，说明水体处于开放状态。

表1 沥青C、O同位素测试结果Table 1 Test results of C,O isotope of asphalt

4 锗富集特征与找矿潜力

4.1 锗富集特征

目前国内发现的大型锗矿床常与煤矿共生，表明锗矿化具有明显的有机亲合性[16-18]。锗在煤中主要有3种存在形式[19]：①与有机质化学结合形成腐殖酸锗络合物；②呈吸附状态；③以类质同象状态赋存于硅酸盐矿物晶格中。在同一矿层中，褐煤中Ge含量分别高于相邻的炭质泥岩和砂岩，褐煤中Ge含量是相邻砂岩的上千倍，表明腐殖型有机质有利于锗的矿化，高锗样品可能形成于沉积早期的静水环境，并在泥炭化阶段经受过强烈的凝胶化作用[20-21]。

为了解含锗岩系中Ge的富集状况，本次采集了5件沥青样，测试Ge和水分(Mad)、挥发分(Vad)、灰分(Aad)、固定碳(FCad)、全硫(St,ad)、发热量(Qb,ad)含量。样品测试在湖北省地质局第四地质大队实验室完成，采用质谱法进行检测，均以空气干燥基为基准给出结果(相应代号以ad为下标)。本次测试结果(表2)显示，水分含量为8.49%～12.00%，平均值为9.63%；挥发分含量为25.70～41.26%，平均值为32.56%；灰分含量为13.56%～46.87%，平均值为31.00%；固定碳含量为18.66%～36.69%，平均值为26.80%；全硫含量为0.47%～1.98%，平均值为1.24%；发热量为15.56～24.58 MJ/kg，平均值为19.48 MJ/kg，因此区内沥青具有中等全水分、中—高挥发分、低中—中高灰分、特低固定碳、低—中硫、低—中热等特征。沥青中Ge含量一般为0.64×10-6～9.84×10-6，最高为11.15×10-6，平均为1.90×10-6，整体含量不高，可能是由于洪水型冲积扇沉积速率快、水动力强，造成沉积环境动荡，且长期处于暴露氧化环境[14]，导致有机质沉积物泥炭化程度不高、成熟度低，对Ge的凝胶化作用偏弱。而沥青在燃烧后，灰分中Ge含量可提升至11.58×10-6～67.49×10-6，平均值为30.48×10-6，Ge得到明显富集，说明Ge主要与有机质结合。

表2 沥青成分测试结果Table 2 Test results of composition of asphalt

4.2 找矿潜力浅析

研究区的含锗沥青与煤系锗矿石具有类似特征，可以借鉴后者的选矿加工工艺。本次工作采集了3组样品开展选矿研究，采用两种方法：①刻槽采样后，将样品直接送检；②刻槽采样后，挑选样品中的含锗沥青送检。本次测试由湖北省地质局第七地质大队鄂西地质实验室完成，将样品磨碎至200目，经HNO3、HF、H2SO4分解，在10%磷酸介质中，以硼氢化钾为还原剂，采用原子荧光光谱法测定Ge。测试结果(表3)表明，方法①得到含锗岩石的Ge含量为1.58×10-6～2.02×10-6；通过方法②处理后，Ge含量可提升到11.52×10-6～62.88×10-6，富集比为5.7～36.1，满足低灰分煤(亮煤)中伴生Ge的工业指标(0.001%～0.1%)。

表3 选矿试验测试结果Table 3 Test results of dressing experiment

通过选矿试验可知，含沥青泥质粉砂岩通过选矿富集，能够达到工业指标要求，而且加工工艺简单、成本低。含锗岩系(漫溢微相)在王家坝一带延伸稳定，走向上呈透镜状，长度至少有5 km，厚度为0.98～15.46 m，含矿岩系规模较大。而在整个宜昌斜坡地带，具有相似地质条件的含锗岩系出露完整、延伸稳定，因此王家坝及区域上具备良好的锗矿找矿潜力。今后应加强五龙组二段沉积微相研究，以漫溢微相浅水沉积部位为主要找矿方向。

5 结论

(1) 鄂西王家坝一带的锗矿主要赋存于白垩系下统五龙组二段第二岩性层灰绿色薄—中层状含沥青泥质粉砂岩中，含锗沥青主要呈条带状、叶片状顺岩层产出。

(2) 区内五龙组地层属冲积扇相扇中亚相沉积，细分为辫状水道微相和漫溢微相，构成至少4个辫状水道—漫溢微相沉积旋回，表现为辫状水道微相粗砾岩层与漫溢微相泥质粉砂岩层相间沉积的特点，其中五龙组二段第二岩性层属漫溢微相。

(3) 王家坝一带位于黄陵断穹与江汉盆地之间的宜昌斜坡，在早白垩世处于山前洼地，经多期流水冲刷叠加改造形成辫状水道，并至少经历4次较大的洪泛事件，其中在五龙组二段第二岩性层沉积时期携带了丰富有机质，随着洪水退却、水位变浅，富含有机质的沉积物处于暴露的半干旱环境下，发生蒸发凝固而形成天然沥青。

(4) 宜昌斜坡地带含锗岩系(五龙组二段第二岩性层)出露完整、延伸稳定、规模较大，且含沥青岩石选冶工艺简单、成本低，因此区域上具备良好的锗矿找矿潜力。建议加强五龙组二段沉积微相研究，以漫溢微相浅水沉积部位为主要找矿方向。